太空清潔工
——空間碎片清理技術

太空清潔工
——空間碎片清理技術

根據美國航空航天局統計，截至2016年10月4日，地球近地軌道范圍內共有被監測的人造天體17817個，而最近的三個月就增加了88個，碎片垃圾增長的速度也越來越快，這導致地球看上去像被垃圾場包圍了一樣。如果你看過電影《地心引力》，就會知道那些四處亂飛的碎片有多危險。

空間碎片絕大多數分布在距地面2千米處（這是人類使用最頻繁的低地球軌道），其運行速度為每秒7.8千米。它們如果與航天器發生超高速撞擊，其相對撞擊速度為每秒0千米到每秒15千米，平均撞擊速度為每秒10千米。要知道地面上炮彈的速度最快也不到每秒2千米，所以空間碎片對航天器的安全和航天員的生命構成了巨大的威脅。

實際上，因為太空碎片的碰撞導致航天器被破壞的例子不勝枚舉。1983年，“挑戰者號”航天飛機與一塊直徑為0.2毫米的涂料碎片相撞，導致舷窗被損，只得提前返航。1986年，“阿麗亞娜號”火箭進入軌道后發生爆炸，產生564塊殘骸和2300多塊小碎片，這些密集的“彈丸”直接導致兩顆日本衛星失靈，之后也造成其他方面不小的破壞。如果大型殘骸由于速度降低而進入大氣層，一旦落到人口稠密區，后果將不堪設想。

很長一段時間內，面對空間碎片對在軌航天器的威脅，各國更多的是采用被動措施防護、規避或預防新空間碎片的產生。然而，隨著碎片的持續增加，越來越多的問題暴露出來，開展研究空間碎片清除技術漸漸被各國重視。

目前，已經提出的空間碎片清除技術主要有推移離軌、增阻離軌、捕獲離軌、服務后重用以及自主離軌。推移離軌是一類重要的空間碎片清除方式，它利用激光、離子束、太陽輻射等能量束對空間碎片產生特定的作用力，使其離開原有的運行軌道，從而達到清除目的。目前典型的推移離軌有激光推移、離子束推移和太陽帆推移。

激光清除空間碎片的模式主要有直接燒蝕模式和燒蝕反噴模式。直接燒蝕模式主要針對微小空間碎片，利用強大的連續波激光照射碎片，使其溫度升高至碎片的熔點甚至沸點后熔化或氣化。燒蝕反噴模式主要針對較大的空間碎片，它利用高能脈沖激光束照射碎片表面，產生類似于火箭推進的“熱物質射流”，使碎片產生一定的速度增量，進入大氣層燒蝕，從而達到清除的目的。

其他推移離軌清除技術與此原理類似，只不過發射的粒子不同。例如太陽帆推離離軌是利用太陽光壓推移碎片或殘骸進入“墳墓軌道”。

隨著推移離軌技術的不斷發展，科學家發現增阻離軌清除技術也是一種不錯的選擇。它利用碎片的飛行阻力降低碎片的速度，進而縮短碎片的軌道壽命，使其在規定的時間內離軌、進入大氣層。日本宇宙航空研究開發機構就計劃以此方案開展清除實驗，其想法是利用磁場中電流生力的原理，通過一根長700米的電線為碎片通電，對碎片產生作用力，使其速度降低后自動進入大氣層銷毀。

然而，利用大氣層銷毀碎片存在一定的風險。在清除系統方案的選擇上，當前各國一致傾向于“捕獲+離軌”式清除方案，其工作過程是：碎片清除器首先依靠跟蹤定位系統逼近目標碎片并進行捕獲，依靠軌道轉移系統將目標拖入大氣層燒毀，或降低其軌道，待其日后自行衰減。

歐洲科學家設想利用飛網或飛爪捕獲空間碎片，再對其進行離軌操作

雖然各種各樣的空間碎片清除技術不斷出現，然而，目前各國對空間碎片環境“先污染后治理”還是“可持續發展”的態度并沒有達成一致。越來越多的太空垃圾或許能提醒人們，在利用宇宙資源的同時，應該也要確保地球處在相對潔凈、安全的環境下。（據中國科普博覽）