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太空垃圾一直是困擾著航天活動(dòng)開展的一個(gè)問(wèn)題。隨著微小衛(wèi)星技術(shù)的成熟，擁有一顆衛(wèi)星的門檻越來(lái)越低，地球軌道上航天器數(shù)量持續(xù)快速增長(zhǎng)，使太空垃圾帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增大。

近期，歐空局和“清潔太空”公司簽訂合同，將在2025年發(fā)射世界上第一個(gè)太空垃圾清潔衛(wèi)星“清潔太空一號(hào)”。

采用“吃豆人”方式捕捉

目前，人們已經(jīng)提出了許多清除太空垃圾的技術(shù)路線，而利用航天器將太空垃圾抓取后帶離軌道的主動(dòng)清除技術(shù)發(fā)展得最為成熟。我國(guó)的“傲龍一號(hào)”曾進(jìn)行過(guò)在太空中抓取目標(biāo)的試驗(yàn);歐空局的“清理碎片”計(jì)劃，以國(guó)際空間站為試驗(yàn)平臺(tái)，成功測(cè)試了網(wǎng)式和魚叉式的太空垃圾清理手段。不過(guò)，以往開展的試驗(yàn)，都人為釋放了“靶星”，并沒(méi)有清理實(shí)際存在的太空垃圾。

“清潔太空一號(hào)”也采取主動(dòng)抓取后帶離的清除方式。然而，它的目標(biāo)卻是已經(jīng)在太空中飄蕩了7年的一塊太空垃圾——2013年發(fā)射升空的“維斯帕”上面級(jí)。“維斯帕”上面級(jí)的外形為圓柱和圓錐的結(jié)合體，直徑約為2.1米，高約為1.3米，重量約為100千克。這個(gè)航天器在完成幫助衛(wèi)星入軌的任務(wù)后，就遺留在高度達(dá)七八百公里的軌道上。“維斯帕”具有簡(jiǎn)單的形狀和堅(jiān)固的外形，抓取這種外形的航天器相對(duì)比較簡(jiǎn)單，也不用擔(dān)心抓取過(guò)程中目標(biāo)航天器解體從而制造出更多的太空垃圾，因此是初次試驗(yàn)時(shí)難度合理的目標(biāo)。而它的重量也與近年來(lái)發(fā)展迅猛的微小衛(wèi)星接近，任務(wù)所獲得的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)槲磥?lái)清理失效的微小衛(wèi)星提供重要參考，而這正是“清潔太空”公司未來(lái)的目標(biāo)市場(chǎng)。

按照計(jì)劃，“清潔太空一號(hào)”將由“織女星-C”火箭發(fā)射升空，先被部署到500公里高度的軌道上進(jìn)行一系列的測(cè)試。當(dāng)衛(wèi)星的狀態(tài)確認(rèn)正常后，將會(huì)逐步調(diào)高軌道，開始進(jìn)行捕捉“維斯帕”的工作。在此過(guò)程中，衛(wèi)星將以自動(dòng)化的方式完成大部分工作，但在一些關(guān)鍵的狀態(tài)點(diǎn)，仍然需要人工介入，確認(rèn)能否繼續(xù)。成功捕獲目標(biāo)后，“清潔太空一號(hào)”將會(huì)和太空垃圾一起進(jìn)入破壞性軌道，通過(guò)與大氣層相互作用的方式燃燒殆盡。

“清潔太空一號(hào)”采用了類似“吃豆人”的方式捕捉“維斯帕”。它裝備有四個(gè)機(jī)械臂，當(dāng)靠近目標(biāo)時(shí)，張開的機(jī)械臂向中央合抱，完成捕獲過(guò)程。和之前開展的捕捉合作目標(biāo)的試驗(yàn)性任務(wù)所不同的是，“維斯帕”和其他太空垃圾都是非合作目標(biāo)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有很大的不確定性和隨機(jī)性，因此“清潔太空一號(hào)”必須利用基于視覺(jué)的人工智能等技術(shù)，準(zhǔn)確判斷目標(biāo)的位置和狀態(tài)，才能成功完成捕獲。實(shí)際上，“清潔太空一號(hào)”的雛形在2012年就已經(jīng)提出，在技術(shù)迭代過(guò)程中一度計(jì)劃使用其他的捕獲方式。例如，在2013版的方案中，計(jì)劃采用柔性捕獲裝置，抓握器在高電壓作用下展開，撤除電壓后會(huì)收縮，像一層外皮一樣包裹住目標(biāo)，完成捕獲。而在2015版的方案中，則提出了利用外形類似蜘蛛網(wǎng)的捕獲裝置。而最終選擇四個(gè)機(jī)械臂，則是綜合考慮了抓取能力、技術(shù)成熟度的選擇。

“清潔太空一號(hào)”的設(shè)計(jì)最初由洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)下屬的瑞士航天中心提出。經(jīng)過(guò)多輪技術(shù)迭代后，項(xiàng)目的運(yùn)行方式也發(fā)生了變化。目前，“清潔太空一號(hào)”由創(chuàng)業(yè)公司“清潔太空”負(fù)責(zé)，以商業(yè)化的方式獲得歐空局資助。本次任務(wù)獲得了歐空局8600萬(wàn)歐元的資金，而資金的用途是購(gòu)買一次太空垃圾清理服務(wù)，并非為“清潔太空一號(hào)”的研發(fā)全部買單。項(xiàng)目所需的其余2400萬(wàn)歐元經(jīng)費(fèi)則由“清潔太空”公司自行籌集。一旦技術(shù)成熟，“清潔太空”公司將會(huì)提供太空垃圾清理的商業(yè)服務(wù)，供各航天機(jī)構(gòu)和公司使用。

太空垃圾來(lái)源都是些什么

1989年，空間碎片監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)一顆名為“宇宙線背景探測(cè)器”的衛(wèi)星產(chǎn)生了約76塊空間碎片，且這些碎片都是直徑大于10厘米的較大空間碎片。衛(wèi)星失效后在軌道上解體，是太空垃圾的主要來(lái)源之一。奇怪的是，這顆衛(wèi)星在碎片產(chǎn)生后仍在正常工作，并沒(méi)有發(fā)生因運(yùn)行異常而解體的情況。后來(lái)，這顆衛(wèi)星甚至圓滿完成了壽命期內(nèi)的全部觀測(cè)工作，但產(chǎn)生空間碎片的原因仍然沒(méi)有找到。雖然類似的事件并不多見(jiàn)，但這種“奇特”現(xiàn)象的發(fā)生說(shuō)明目前人們對(duì)空間碎片產(chǎn)生的機(jī)制仍然沒(méi)有完全充分的理解。

除了失效的衛(wèi)星外，火箭的二級(jí)、三級(jí)或上面級(jí)等推動(dòng)衛(wèi)星入軌的部分，也是太空垃圾的主要來(lái)源之一。這些航天器中一般還殘留著部分推進(jìn)劑，在發(fā)射后一天至幾十年的時(shí)間中，殘留的推進(jìn)劑有可能發(fā)生爆炸，產(chǎn)生少則幾塊、多則數(shù)百塊的空間碎片，且這些碎片的飛行速度各異。根據(jù)歐空局今年10月發(fā)布的年度空間環(huán)境報(bào)告，由火箭剩余部分爆炸產(chǎn)生的太空垃圾危險(xiǎn)程度最高。

衛(wèi)星間的碰撞會(huì)產(chǎn)生數(shù)量極為龐大的太空垃圾。2009年2月11日，美國(guó)通信衛(wèi)星“銥星33”與已經(jīng)報(bào)廢多年的俄羅斯衛(wèi)星“宇宙2251”在西伯利亞上空發(fā)生激烈碰撞，釀成了人類歷史上首次衛(wèi)星與衛(wèi)星相撞的重大事故。本次碰撞產(chǎn)生了多達(dá)2000塊體積較大的太空垃圾，以及數(shù)量更多又無(wú)法追蹤的小太空垃圾。

謹(jǐn)防可怕的“凱斯勒效應(yīng)”

如果太空垃圾無(wú)節(jié)制地繼續(xù)增長(zhǎng)，將會(huì)引發(fā)“凱斯勒效應(yīng)”——空間碎片在太空中進(jìn)入連環(huán)撞擊的狀態(tài)，軌道資源因?yàn)樘绽奈廴径萁?，人類再也無(wú)法將航天器發(fā)射到特定軌道上去。

近年來(lái)，如SPACEX“星鏈”等近地通信衛(wèi)星星座，為太空垃圾問(wèn)題帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。按照目前SPACEX的設(shè)想，星鏈衛(wèi)星網(wǎng)使用的衛(wèi)星總數(shù)將高達(dá)1.2萬(wàn)顆，相當(dāng)于全世界現(xiàn)在在軌工作衛(wèi)星數(shù)的好幾倍。其他商業(yè)太空公司也提出了類似的近地通信衛(wèi)星星座計(jì)劃，衛(wèi)星數(shù)量從幾百顆到上千顆不等。根據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)的研究，對(duì)于成千上萬(wàn)顆小衛(wèi)星組成的地軌星座系統(tǒng)，必須有99%以上的衛(wèi)星能夠在結(jié)束工作后即時(shí)離軌。對(duì)于正常工作的衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，一般都會(huì)預(yù)留燃料，在壽命將盡時(shí)利用發(fā)動(dòng)機(jī)控制衛(wèi)星降低軌道，快速進(jìn)入與大氣層強(qiáng)烈相互作用并下墜焚毀的階段。然而，如果衛(wèi)星在工作過(guò)程中意外失效，就不能完成即時(shí)離軌，只能等待衛(wèi)星與中高層稀薄大氣的緩慢作用，使衛(wèi)星的軌道逐漸降低，經(jīng)歷很長(zhǎng)的時(shí)間后才能進(jìn)入大氣層焚毀。而根據(jù)今年11月哈佛-史密松天體物理中心的研究，目前入軌的800顆星鏈衛(wèi)星已經(jīng)有約3%失效，成為了新的太空垃圾。有關(guān)研究人員已經(jīng)通過(guò)多種渠道呼吁政府部門和航天企業(yè)對(duì)大規(guī)模通信衛(wèi)星星座帶來(lái)的太空垃圾新威脅加以重視。

國(guó)際空間站曾遭遇“驚魂一刻”

2015年7月16日凌晨，空間碎片監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了一塊太空垃圾正以危險(xiǎn)的方式接近國(guó)際空間站。這塊編號(hào)為36912號(hào)的太空垃圾的大小大概相當(dāng)于一個(gè)餐盤，來(lái)源于一顆解體的蘇聯(lián)軍事氣象衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星在入軌兩年多后停止工作，在隨后的幾十年中，碎片一直在不停地從這顆衛(wèi)星上脫落，成為太空垃圾。36912可能曾經(jīng)是這顆衛(wèi)星的熱屏蔽罩的一部分。

由于36912的軌道比較特別，空間碎片監(jiān)測(cè)網(wǎng)中只有極小一部分臺(tái)站能夠?qū)ζ鋵?shí)施監(jiān)控。36912盤狀的形狀和較低的質(zhì)量，使得其軌道很容易受到太陽(yáng)活動(dòng)引起的高層大氣密度變化的影響。當(dāng)它從監(jiān)控的盲區(qū)再次出現(xiàn)在臺(tái)站的監(jiān)控范圍中時(shí)，軌道較之前可能已經(jīng)發(fā)生了較大的變化。2015年7月16日凌晨，空間碎片監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)更新了碎片的軌道數(shù)據(jù)后，驚恐地發(fā)現(xiàn)這塊碎片將在幾小時(shí)內(nèi)接近國(guó)際空間站，而碰撞概率已經(jīng)提高到了非常高的千分之一。

按照目前載人航天的避碰規(guī)程，當(dāng)撞擊概率大于十萬(wàn)分之一時(shí)，撞擊風(fēng)險(xiǎn)為中等，如果不影響任務(wù)的正常開展，航天器需要進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)以規(guī)避太空垃圾。而當(dāng)撞擊概率大于萬(wàn)分之一時(shí)，航天器在任何情況下都必須采取軌道機(jī)動(dòng)。千分之一的撞擊概率已經(jīng)屬于高風(fēng)險(xiǎn)威脅。

然而，由于發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)間太晚，國(guó)際空間站已經(jīng)來(lái)不及對(duì)碎片進(jìn)行規(guī)避。國(guó)際空間站的艙體在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了太空垃圾的防護(hù)問(wèn)題，在艙體外部安裝了惠普爾保護(hù)罩。這種保護(hù)罩由一層或多層薄的金屬片構(gòu)成。當(dāng)空間碎片擊中保護(hù)罩時(shí)，保護(hù)罩能夠吸收一部分撞擊的能量，并讓碎片解體，從而降低碎片對(duì)艙體外壁的沖擊。然而經(jīng)過(guò)估算后，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)國(guó)際空間站的防護(hù)能力不足以抵御36912的撞擊。他們只能讓空間站上的宇航員進(jìn)入對(duì)接在空間站上的“聯(lián)盟”號(hào)飛船中避險(xiǎn)，并關(guān)閉部分艙室的艙門。如果空間站徹底崩潰，“聯(lián)盟”號(hào)則可以充當(dāng)救生艇，帶宇航員們離開空間站。

好在這一事件最終有驚無(wú)險(xiǎn)。這塊碎片最終以約每小時(shí)5萬(wàn)公里的相對(duì)速度掠過(guò)國(guó)際空間站，距空間站僅有幾公里。雖然這次國(guó)際空間站幸免于難，但在太空垃圾數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)的情況下，空間碎片撞擊的威脅將會(huì)長(zhǎng)期存在，而且會(huì)越來(lái)越高。

關(guān)鍵詞： 太空垃圾