太空垃圾越來越多，中國正研發(fā)空間碎片捕獲技術(shù)
2021年3月10日，美國海洋大氣管理局的NOAA-17氣象衛(wèi)星在其軌道上突然發(fā)生爆炸，爆炸后生成了16個(gè)“軌道碎片”，這些碎片高速飛離衛(wèi)星本體，但卻又仍留在軌道上，將會(huì)對航天安全產(chǎn)生巨大威脅。實(shí)際上，這16個(gè)碎片就是新產(chǎn)生的16塊太空垃圾。
太空垃圾是近些年被提得越來越多的一個(gè)概念，指的是在繞地球軌道上運(yùn)行，但不具備任何用途的各種人造物體，這些物體小到固態(tài)火箭的燃燒殘?jiān)?，大到在發(fā)射后被遺棄的火箭級(jí)。
自從人類在20世紀(jì)50年代發(fā)射人造物體進(jìn)入太空以來，太空中各類廢棄的人造物體越來越多，以至于開始影響人類后續(xù)對太空的利用。
撰文 | 梁 偲
全球數(shù)十億人每天依靠衛(wèi)星數(shù)據(jù)來讓生活更便利，而遺留在太空中的廢棄衛(wèi)星就成了太空垃圾，污染著太空環(huán)境。隨著各國太空探索的腳步越走越遠(yuǎn)，太空垃圾的數(shù)量逐年遞增，所帶來的問題也越發(fā)突出。太空垃圾與溫室氣體、核廢料存儲(chǔ)等問題一樣，短期內(nèi)對人類的影響不大，但如果長期得不到處理，會(huì)對人類社會(huì)產(chǎn)生巨大影響。
首先，它們有撞擊其他航天器的風(fēng)險(xiǎn)。由于太空垃圾以軌道速度運(yùn)行，動(dòng)能巨大，若與它們相撞可能會(huì)損壞尚在運(yùn)作的航天器：10厘米以上的大碎片，撞擊到航天器會(huì)直接造成航天器解體；1～10厘米的中碎片，很難被監(jiān)測到，撞擊到航天器會(huì)造成部分功能損失或失效。這些碎片也會(huì)威脅到宇航員的生命安全。
其次，每年約400個(gè)空間碎片會(huì)再入大氣層，其中有部分經(jīng)大氣層時(shí)未完全被燒毀，隕落到地面會(huì)對安全造成嚴(yán)重威脅。
第三，雖然有相當(dāng)一部分太空垃圾最終墜入地球大氣層燒毀，但據(jù)估算，現(xiàn)在仍有超過4500噸的太空垃圾殘留在軌道上。隨著太空垃圾急劇增加，航天器頻軌資源短缺，當(dāng)密度達(dá)到一定程度時(shí)，太空垃圾會(huì)布滿近地軌道（LEO），令人類在數(shù)百年內(nèi)無法進(jìn)行太空探索。
第四，太空垃圾的數(shù)目與日俱增，而且不同的垃圾會(huì)在各自不同方向和高度的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)，想要將它們回收或是控制不僅難度大，而且成本高。
事實(shí)上，早在1978年，美國宇航局（NASA）科學(xué)家唐納德·凱斯勒（Donald Kessler）就提出了凱斯勒綜合征理論，即低地球軌道上的碎片和其他人造物體造成的太空污染將會(huì)繼續(xù)增加，并導(dǎo)致衛(wèi)星碰撞的風(fēng)險(xiǎn)增加；當(dāng)某一軌道高度的空間碎片密度超過一個(gè)臨界值時(shí)，將發(fā)生碎片鏈?zhǔn)阶矒粜?yīng)，產(chǎn)生一系列潛在的衛(wèi)星碰撞的多米諾骨牌效應(yīng)；鏈?zhǔn)脚鲎策^程將造成該高度軌道資源的永久破壞，徹底不可用。
近地軌道是距地球表面2000公里以內(nèi)的空間區(qū)域，大多數(shù)空間碎片位于近地軌道上。
空間碎片數(shù)以萬計(jì)，且分散于不同的軌道，即使發(fā)射航天器去抓取，也只能一個(gè)軌道一個(gè)軌道地利用交會(huì)對接的方法接近碎片進(jìn)行清理，這是目前技術(shù)可行的方案。但面對不同軌道高度、不同軌道傾角的幾十萬個(gè)碎片，目前的技術(shù)和資金是任何一個(gè)國家都無法承受的。
因此，目前針對空間碎片只是處于一個(gè)監(jiān)視的階段。主要采取的方式是當(dāng)發(fā)現(xiàn)空間碎片會(huì)對衛(wèi)星產(chǎn)生碰撞危險(xiǎn)時(shí)，采取被動(dòng)避碰策略。對10厘米以上較大尺寸的空間碎片，采取持續(xù)觀測、編目預(yù)警和及時(shí)躲避等被動(dòng)規(guī)避措施；但對于1~10厘米的空間碎片，它們既難以編目又難以防護(hù)，造成的危害較嚴(yán)重，目前還沒有找到更好的解決方案；對于尺寸1厘米以下的空間碎片，主要施行衛(wèi)星表面防護(hù)措施。
不過，隨著衛(wèi)星在民用和商用領(lǐng)域的不斷拓展，衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量明顯增加。未來幾年，衛(wèi)星的數(shù)量將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，也將出現(xiàn)多個(gè)由成百上千顆衛(wèi)星組成的巨型星座。這些小衛(wèi)星在失效后將成為新的空間碎片；即便現(xiàn)在就開始停止所有發(fā)射，碰撞仍會(huì)產(chǎn)生新碎片。新的發(fā)射窗口將被一步步壓縮，科學(xué)研究衛(wèi)星也將不得不置于更遙遠(yuǎn)的軌道，因此被動(dòng)的處理方法將導(dǎo)致航天器的研制、發(fā)射和運(yùn)維成本急劇增加，對空間碎片采取主動(dòng)處理成為不得不考慮的選擇。
穩(wěn)定軌道環(huán)境的唯一方法是主動(dòng)清除，我們需要開發(fā)新技術(shù)，在避免產(chǎn)生新碎片的同時(shí)清除已有碎片。通常，離地球越高，大氣越稀薄。對于近地軌道的衛(wèi)星，不用特別處理，它們早晚會(huì)在大氣阻力作用下墜入大氣層燒毀；空間站的運(yùn)行高度是三四百公里，在這個(gè)高度上仍有空氣阻力，碎片幾個(gè)月到幾十年內(nèi)就可以逐漸減速墜入大氣層。這也是為什么衛(wèi)星和空間站過一段時(shí)間就要提高運(yùn)行高度的原因。
不過，對于一千公里以上的碎片，大氣阻力幾乎忽略不計(jì)，碎片幾百年幾千年內(nèi)都不太可能掉下來，這就需要想辦法讓碎片離軌墜入大氣層。主動(dòng)清理空間碎片的方法有兩種：一種是接觸式的，如機(jī)械臂抓，網(wǎng)捕等；第二種是非接觸式的，如激光推移、離子束推移等。不管何種方法，其目的都是讓碎片離開當(dāng)前軌道。
捕獲移除方式由地面操控航天器施行清除，通過直接接觸對碎片產(chǎn)生作用力，拖動(dòng)其離軌，目前可使用的抓捕方案較多，如機(jī)械臂、飛網(wǎng)、飛矛、飛爪、魚叉等。這種捕獲方式簡單易行，成功率較高，也較為成熟，是工程應(yīng)用近期可實(shí)現(xiàn)的方式。這種方式不僅可用于移除空間碎片，也可用于捕獲在軌運(yùn)行衛(wèi)星，具備太空對抗應(yīng)用潛力。不過，這些技術(shù)到工程應(yīng)用也還需幾年。
電動(dòng)力繩系離軌這種清理方法以電動(dòng)力繩系航天器為基礎(chǔ), 通過其電動(dòng)力纜繩釋放捕獲器對非合作目標(biāo)實(shí)施準(zhǔn)確、可靠捕獲，之后利用電動(dòng)力繩系切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生電動(dòng)力，使組合體減速降軌，再入大氣層燒毀。該方法由于磁場限制，目前只適用于近地軌道碎片的清除，且存在系繩易斷裂或難以釋放等問題，在軌技術(shù)驗(yàn)證仍不成熟。
激光推移離軌或清除對于尺寸稍大的空間碎片，利用高能脈沖在碎片表面照射產(chǎn)生“物質(zhì)燃燒流動(dòng)推力”，從而改變碎片的運(yùn)行軌道，實(shí)現(xiàn)降軌后再入大氣層；對于微小型空間碎片，利用激光光束能量極高的特點(diǎn)，直接用高能連續(xù)光波沖擊碎片使其汽化焚毀。該方法操作簡單, 響應(yīng)快速，可無限重復(fù)使用，能進(jìn)行遠(yuǎn)距離、非接觸清除，成本低，可以清除多種尺寸空間碎片。雖然該方法目前的技術(shù)能力有限，但也有了很大的發(fā)展，從長遠(yuǎn)看，該技術(shù)是最有前景的。
增阻離軌通過粘著泡沫、膨脹式氣球、折疊阻力帆等增加碎片的大氣阻力，從而降低速度離軌。增阻離軌針對不同特性碎片需要選取不同方案，泡沫、氣球等物易因操作不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)生新的空間碎片，使得清除效率降低。
為應(yīng)對日益嚴(yán)峻的空間碎片問題，各國積極開展空間碎片清除技術(shù)研究。美國、歐洲和日本的空間碎片主動(dòng)清除研究起步較早，已提出了各自的碎片清除方案，部分關(guān)鍵技術(shù)已開展在軌演示驗(yàn)證，但當(dāng)前的發(fā)展水平距離實(shí)際應(yīng)用還有差距。
英國薩里太空中心“空間碎片移除”計(jì)劃
2013年，英國薩里太空中心聯(lián)合歐洲多家研究機(jī)構(gòu)，在歐盟第七框架計(jì)劃（FP7）資助下，啟動(dòng)“空間碎片移除”（Remove DEBRIS）計(jì)劃，并在2018年9月至2019年3月陸續(xù)完成飛網(wǎng)抓捕、空間目標(biāo)視覺導(dǎo)航、魚叉捕獲、拖曳帆離軌等在軌驗(yàn)證試驗(yàn)?！翱臻g碎片移除”計(jì)劃是目前為止最受關(guān)注的碎片清除項(xiàng)目，它的實(shí)施加速了碎片移除技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。
歐洲空間局“清潔太空”計(jì)劃
2019年12月，歐洲空間局（ESA）委托瑞士初創(chuàng)公司“清潔太空”（Clear Space）進(jìn)行碎片清除研究，該計(jì)劃于2020年3月啟動(dòng)，并于2025年發(fā)射航天器清理ESA位于軌道上一塊碎片——織女星火箭二次有效載荷適配器（Vespa），這一碎片重約100千克，大小跟一個(gè)小型衛(wèi)星相當(dāng)，形狀相對簡單且結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，非常適合成為首次清理任務(wù)的目標(biāo)。此外，ESA還將于2023年發(fā)射e.Deorbit航天器，演示驗(yàn)證大型報(bào)廢衛(wèi)星移除技術(shù)，目標(biāo)是2012年已停用“歐洲環(huán)境衛(wèi)星”，擬采用的移除方案包括機(jī)械臂、飛網(wǎng)、離子束等。
美國宇航局“獵戶座”計(jì)劃
1993年，美國宇航局（NASA）提出利用地基脈沖激光器清除近地軌道垃圾的“獵戶座”（ORION）計(jì)劃?！矮C戶座”計(jì)劃采用30kW的地基激光清除近地軌道上1～10厘米尺寸的空間碎片。2014年，“獵戶座”計(jì)劃將重點(diǎn)從地面激光器轉(zhuǎn)移到天基激光器。天基激光器可以使用較小的光學(xué)元件和激光，并可用于地球同步軌道（GEO）。不過，天基激光器的研究依然要依靠地基和機(jī)載的試驗(yàn)成果來進(jìn)行。
日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)“商業(yè)碎片移除”演示項(xiàng)目
2017年9月，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）發(fā)布空間碎片清除系統(tǒng)共同研究委托公告，旨在征集空間碎片清除方案，清除處在700～1000千米軌道高度的大型碎片，計(jì)劃在十年內(nèi)以低成本完成系統(tǒng)研發(fā)并商業(yè)化。2020年初，日本宇宙尺度公司拿下JAXA商業(yè)碎片移除演示項(xiàng)目（共兩個(gè)階段）第一階段的合同。該階段是在2023年3月31日前發(fā)射一顆演示衛(wèi)星，逼近日本H-II A火箭的上面級(jí)；第二階段是在2026年3月31日前完成對火箭上面級(jí)的對接, 并加速其離軌再入大氣層。
近年來，我國在空間碎片主動(dòng)清除方面取得了長足發(fā)展。2016年6月，我國發(fā)射自主研制的“遨龍一號(hào)”空間碎片主動(dòng)清除飛行器。遨龍一號(hào)通過伸出的一只機(jī)械“手臂”對空間碎片模擬器進(jìn)行抓捕，開展了空間碎片非合作目標(biāo)探測、識(shí)別、跟蹤與操作等在軌試驗(yàn)，為后續(xù)非合作目標(biāo)在軌捕獲創(chuàng)造了基本條件。
由于空間碎片可能處于翻滾狀態(tài)，而空間光照為平行光，對碎片進(jìn)行視覺觀測時(shí)，視場內(nèi)的碎片目標(biāo)明暗對比強(qiáng)烈，且翻滾運(yùn)動(dòng)使得對目標(biāo)的相對測量面臨極大挑戰(zhàn)；同時(shí)，大型失效衛(wèi)星上安裝的帆板、天線等組件，會(huì)隨動(dòng)翻滾，逼近捕獲中容易發(fā)生碰撞，自主安全逼近面臨極大挑戰(zhàn)；第三，對于翻滾狀態(tài)目標(biāo)的抓捕，很難抓穩(wěn)、抓準(zhǔn)，還容易導(dǎo)致抓捕衛(wèi)星本身失穩(wěn)，同樣也面臨著極大挑戰(zhàn)。因此需要研究新的空間碎片制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)，才能更好地為空間碎片接近、繞飛、停靠與抓捕等任務(wù)提供支撐。
2020年1月，由上海航天控制技術(shù)研究所劉付成研究員領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)以“主動(dòng)碎片清除微納GNC系統(tǒng)技術(shù)”獲得了2019年度國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（也是2018年度上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)）。如前所述，現(xiàn)在空間碎片數(shù)量眾多，主動(dòng)捕獲清除必須滿足經(jīng)濟(jì)、高效的需求。微納衛(wèi)星具有研制成本低、周期短等優(yōu)勢，因此，基于微納衛(wèi)星的大碎片捕獲與清除，是國際公認(rèn)的最迫切、最高效的方案。但是，微納衛(wèi)星的重量、功耗、尺寸受限，能夠安裝的敏感器、捕獲裝置等都面臨微型化要求，相比大衛(wèi)星，測量、捕獲能力受限。
針對資源受限下的翻滾碎片測量、規(guī)劃、逼近與捕獲控制等核心難題，形成了一套創(chuàng)新成果。 如發(fā)明了碎片目標(biāo)表面的角點(diǎn)、圓環(huán)、線條等多類特征的組合動(dòng)態(tài)跟蹤方法，解決了資源受限下的翻滾目標(biāo)超近距離視覺測量問題； 發(fā)明了自主逼近安全路徑的簡化快速規(guī)劃方法，解決了天線、帆板等多障礙物隨動(dòng)翻滾下的防撞安全接近問題； 發(fā)明了能夠自適應(yīng)估計(jì)與補(bǔ)償外界干擾的跟蹤與控制方法，解決了旋轉(zhuǎn)和平動(dòng)同步下的碎片目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤和柔順捕獲難題； 發(fā)明了多視場融合立體視覺敏感器、三軸集成微飛輪等產(chǎn)品，滿足了碎片清除微納衛(wèi)星對測量和控制產(chǎn)品的高集成、高效能需求。
微納衛(wèi)星捕獲大型碎片示意圖
總的說來，我國在空間碎片清除領(lǐng)域處于技術(shù)驗(yàn)證階段，眾多高校和科研院所正不斷加強(qiáng)對空間碎片捕獲清除相關(guān)技術(shù)的研究力度，形成了大量研究成果，預(yù)期未來會(huì)涌現(xiàn)出大量關(guān)鍵技術(shù)飛行驗(yàn)證計(jì)劃。
2020年9月18日，2020年宇航領(lǐng)域十大科學(xué)問題和技術(shù)難題在2020年中國航天大會(huì)上由中國科學(xué)院院士、中國航天科技集團(tuán)有限公司研究發(fā)展部部長王巍發(fā)布，其中一項(xiàng)就是“空間碎片清除中的核心技術(shù)”：“空間碎片清除是當(dāng)前及未來航天任務(wù)必須面對的重要問題，發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)，既是保護(hù)空間資產(chǎn)、維護(hù)人類空間安全和資源需要，也將促進(jìn)相關(guān)高新技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展?！?/span>
事實(shí)上，空間碎片清除能產(chǎn)生巨大的價(jià)值：
在經(jīng)濟(jì)方面，如果能明確某一需要清除的碎片所有方，可以通過商業(yè)付費(fèi)來清除該碎片，形成空間碎片清除的產(chǎn)業(yè)化運(yùn)營；
對于我國來說，一方面應(yīng)當(dāng)主動(dòng)承擔(dān)起空間碎片處理的責(zé)任，另一方面也應(yīng)發(fā)展多種清除技術(shù)，在未來的技術(shù)競爭中占據(jù)主動(dòng)。
地球同步軌道區(qū)域（約36000公里）圖像，大約95％的物體是空間碎片，即不是功能性衛(wèi)星。
“世界科學(xué)”聯(lián)合“賽先生”微信公號(hào)，在上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助下，開辟“走近科學(xué)”欄目，對獲得國家及上海市科技獎(jiǎng)勵(lì)的成果進(jìn)行科普化報(bào)道。
制版編輯 | Morgan
