清理太空垃圾那些招 伸手抓撒網撈魚叉捕雷射打

清理太空垃圾那些招 伸手抓撒網撈魚叉捕雷射打

原標題：

　　OSCaR清除太空垃圾的示意圖。

　　太空飛行器使用網狀結構捕獲太空垃圾的示意圖。

　　衛星發射雷射清除太空垃圾的設想圖。

　　李會超

　　新聞背景

　　據報導，美國仁斯利爾理工大學的工程師團隊正在研發一種名為OSCaR的小衛星，以較為低廉的成本搜尋和收集軌道上的空間碎片，為應對日益嚴重的太空垃圾問題提供新的解決方案。

　　實際上，除了OSCaR外，各國航天科技人員們還提出了多種清理太空垃圾的設想，其中有不少都已經付諸實踐。

　　太空垃圾問題日趨嚴重

　　對於我們日常工作生活中的垃圾，我們會將它們收集後投入垃圾桶，由市政部門統一進行回收和處理。而自人類開始航天活動以來，對於太空中產生的廢棄物，則多採取就地拋棄的方式，將它們遺留在太空之中。這些廢棄在太空中的無功能人造物體，被航天科技人員稱之為「空間碎片」，而它們更為人所知的名稱，則是「太空垃圾」。

　　體積最大的太空垃圾，一般來源於失效的太空飛行器本身。例如，衛星在到達壽命後，如果沒有採取離軌措施，就會成為滯留在軌道上的「死星」。而在火箭發射過程中，將衛星送入軌道的火箭最後一級，一般也會漂浮在太空之中。同時，失效或仍在工作的太空飛行器，如果在太空中爆炸或相互碰撞，則會產生尺寸更小但數量更多的太空垃圾。此外，太空飛行器上脫落的部件、油漆片，甚至是航天員出艙活動時不小心弄丟的扳手等工具，也都會成為太空垃圾。

　　按照尺寸的不同，太空垃圾一般被劃分為大碎片、危險碎片和小碎片三類，其中，大碎片的尺寸大於10釐米。雖然可能產生的破壞最大，但這些碎片可以被地面設備跟蹤監測和編目，正在工作的太空飛行器可以針對它們採取規避措施。而尺寸小於1釐米的小碎片，雖然無法被追蹤，但它們的動能較小，太空飛行器可以通過加強防護結構的方式進行應對。而對於尺寸介於1-10釐米之間的碎片，既無法被跟蹤，也具有可觀的破壞力，對太空飛行器的潛在威脅最大，因此被稱為危險碎片。

　　根據歐空局數據，截至今年1月，太空中的大碎片數量已達3.4萬個以上，危險碎片的數量更是高達約90萬個。這些碎片給太空飛行器的運行帶來了巨大的潛在威脅。太空梭的擋風玻璃和外殼上的設備曾受到過太空垃圾的撞擊，國際空間站也曾經調整軌道規避太空垃圾的威脅。2009年2月11日，美國通信衛星「銥星33」與已經報廢多年的俄羅斯衛星「宇宙2251」在西伯利亞上空發生激烈碰撞，釀成了人類歷史上首次衛星相撞的重大事故。2013年5月23日，發射還不到一個月的厄瓜多首顆人造衛星「飛馬座」因受到俄羅斯火箭碎片的撞擊而失效。如果太空垃圾無節制地繼續增長，將會引發「凱斯勒效應」——空間碎片在太空中進入連環撞擊的狀態，軌道資源因為太空垃圾的汙染而枯竭，人類再也無法將太空飛行器發射到特定軌道上去。

　　抓取清除的方法最成熟

　　雖然近期發射太空飛行器時，負責任的航天運營機構大都會考慮在太空飛行器即將失效時將其轉移到不幹擾其他太空飛行器正常運行的「墳墓軌道」中，但由於仍然存在意外事件等不可控因素，太空垃圾的數量很有可能繼續增加。在近地軌道高層大氣阻力的作用下，太空垃圾平均以每天1個的速度自然隕落，但這個速度不能從根本上解決巨量的太空垃圾問題。因此，必須主動對太空垃圾進行清理，才能保證未來航天活動的有效進行。

　　目前，主動抓取太空垃圾後帶離軌道，是比較成熟的太空垃圾清除方法。在清除過程中，清理太空垃圾的太空飛行器首先根據地面設施對太空垃圾的監測數據調整自己的軌道，接近到距離目標幾公裡的位置。之後，利用自身搭載的極光雷達、紅外相機等檢查確認目標的狀態，進一步接近到距離目標幾十米的地方。在向太空垃圾「下手」之前，一般還要使用光學相機等設備對目標進行巡視，確定捕獲點後，再接近捕獲太空垃圾。之後，清理太空垃圾的太空飛行器會將太空垃圾攜帶進墳墓軌道或者很快墜入大氣層焚毀的軌道釋放，完成太空垃圾的清理。

　　2016年6月25日，我國的「長徵七號」火箭成功首飛，將7個載荷成功送入太空，其中一個就是「遨龍一號」空間碎片主動清理飛行器。這種飛行器在接近太空垃圾後，利用自身安裝的機械臂對太空垃圾進行抓取。而歐洲的「清理碎片」計劃，則試驗了綜合使用「網式」和「魚叉式」結構對太空垃圾進行捕捉的技術。這個計劃包含一顆實施碎片清理任務的主星和兩顆配合試驗任務的子星。這幾顆衛星與送往國際空間站的補給物資一起，在2018年4月4日由「龍」飛船送上國際空間站，並由國際空間站上的機械臂釋放到太空中。在隨後進行的兩次試驗中，主星成功地使用網狀裝置套住了模擬太空垃圾的1號子星，與2號子星進行了空間定位試驗，射出的魚叉裝置也準確擊中了主星自行布置的靶標。在未來實際進行太空垃圾清理時，衛星將通過網或魚叉對太空垃圾實施捕捉，再將太空垃圾拖離軌道。

　　OSCaR捕獲和移除太空垃圾的方法，和「遨龍一號」與「清理碎片」計劃基本類似，其最大的特點在於自動化和低成本。在發射入軌並指定任務後，地面控制人員就不再對OSCaR實施控制操作，之後一系列清除太空垃圾的必要動作都由OSCaR通過內置的程序自動完成。同時，OSCaR這樣的微小衛星，體積小、重量輕，製造和發射成本都相對較低，即便在清除太空垃圾的過程中與太空垃圾一同焚毀，也不會使清理任務耗費過於巨大的成本。

　　雷射也能掃除太空垃圾

　　除了先捕獲再清除太空垃圾的方法外，另一種比較有前景的太空垃圾清除方式為雷射清除法。應用這種方法時，從地面或太空的飛行器中射出的強雷射束將對太空垃圾進行照射，使得太空垃圾表面的物質變成等離子體並向外噴出。等離子體噴流對太空垃圾產生的反作用力可以改變太空垃圾的軌道，使太空垃圾進入墳墓軌道或快速墜入大氣層焚毀。

　　1996年，美國提出了使用這種方法清理太空垃圾的ORION計劃。該計劃嘗試利用地面上發出的強雷射，在1500公裡的高度範圍內，以直徑60釐米的雷射束驅動質量小於100千克、尺寸在1-20釐米之間的空間碎片。該計劃的雷射發射裝置設置於地面上，易於維護，技術成熟性較強，但由於雷射穿過大氣層時會發生損耗，因此其工作範圍比較有限。針對這個局限性，位於美國新墨西哥州的一家公司提出了用太陽同步軌道飛行器上的衛星發射雷射，清除太空垃圾的設想。這種方式一旦成熟，可以被應用於任意的軌道高度，無需考慮大氣的影響，因此有望成為未來應用雷射清除方法的主流方式。

　　無論雷射從衛星還是從地面上發射，雷射清理太空垃圾的方法都要攻克兩個技術難題。首先，要研製大功率、高穩定性的雷射器，系統的體積、重量、功耗等參數還要與任務的實際相匹配。其次，對於表面形狀不一、成分各異的碎片，雷射束照射的持續時間、照射能量、光斑大小等，都需要細緻的計算，才能實現理想的變軌效果。如果對這些參數把握得不準確，雷射束有可能使較大的太空垃圾碎裂成幾片，非但沒有完成清理任務，還會增加空間碎片的數量。

　　此外，技術人員們還提出了清除太空垃圾的其他理論設想。例如，有人設計將充氣氣球或薄膜帆等裝置附著在碎片上，利用這些裝置面積較大的特點，使碎片受到的大氣阻力增大，軌道迅速降低，提早墜入大氣層焚毀。這種方式的優點在於成本低、效率高，但太空垃圾離軌過程中，張開的氣球或薄膜帆有可能套住其他太空垃圾，影響離軌的正常完成。還有人設想，將一根較長的電動力繩索連接到廢棄的衛星上，利用纜繩切割電磁場時產生的力使其再入大氣層。

　　延伸閱讀

　　政治和法律層面還有待解問題

　　除了技術方面的問題外，太空垃圾清理工作在政治和法律層面也有許多與太空垃圾有關的議題急需解決。清理太空垃圾必然要產生大量的費用，這些費用的分攤方案可能需要聯合國和平利用外空委員會等國際組織進行協調，促使各國達成框架性的協議。同時，由於清理太空垃圾的太空飛行器也能用於攻擊其他國家正常工作的衛星，因此如何在各個國家間建立互信機制，使和平目的的太空清掃工作能夠展開，是擺在各國政治家面前的一個課題。