飛網：捕獲太空垃圾“清道夫”

王握文 寧凡明

近日，歐洲航天局與“清潔太空”公司簽訂合同，將在2025年發射世界上第一顆太空垃圾清潔衛星——“清潔太空一號”。消息一經發布，太空垃圾清除問題再次成為人們關注的熱點。

多年來，面對太空垃圾影響在軌航天器安全和后續航天發射的問題，各國科學家們已嘗試了多種手段，包括激光推進、機械臂抓捕等。有科學家從漁網捕魚中受到啟發，提出了專門用于捕獲太空垃圾的飛網捕獲系統設想，并初步付諸實踐。

今天，讓我們一起了解一下，在浩瀚無垠的太空中，太空垃圾是如何產生的，又有哪些危害？面對這一威脅人類航天活動的問題，各國科研人員提出了哪些奇思妙想、做出了哪些大膽嘗試？

太空垃圾無節制增長的“凱斯勒效應”

隨著航天技術迅猛發展，航天器發射越來越頻繁。這給人類生活帶來各種便利的同時，也不可避免地造成大量太空垃圾滯留在茫茫宇宙中，既對在軌運行的航天器和后續航天發射構成風險，又使空間軌道資源日益緊缺。

太空垃圾，是指人類在太空活動中產生的廢棄物及衍生物。其主要包括：航天發射的拋棄物、火箭末子級、火箭爆炸物、廢棄航天器，以及飛行器解體產生的碎片等。太空垃圾密度超過一定數量，就會誘發“凱斯勒效應”：太空垃圾相互碰撞，產生的碎片又將誘發更多的碰撞。如此連鎖反應，導致太空垃圾數量急劇增加。

據歐洲航天局可跟蹤空間目標數據庫統計，截至2020年，尺寸大于10厘米的太空垃圾數量已超3.4萬個，尚有數以萬計的微小碎片未在編目之內。太空垃圾的質量從幾克至幾噸不等，尺寸在幾毫米至數十米之間。有些太空垃圾個頭不大，但飛行速度極快，達到每秒6至7公里，對航天發射、在軌衛星和載人航天器構成極大威脅。

如果把航天器發射、在軌運行的軌道比作地球上的一條條高速公路，那么，在這些高速公路上，同樣有各種車輛日夜穿梭、川流不息。不同的是，它沒有警察、沒有交通管制、沒有道路維護和清掃人員。發生交通事故后，也沒人處理和清理路障。

航天發射如今日益頻繁，進入太空門檻不斷降低，大量航天器過期失效，太空垃圾不斷增多，路上變得越來越擁擠、臟亂，到處充斥著“各種報廢車輛、交通事故殘片”等拋棄物。在這樣的高速公路上行駛，即便是技術再過硬的司機，也難免發生交通事故。如2009年，美國“銥星33”衛星與俄羅斯失效的“宇宙2251”衛星相撞，引起世界航天領域極大關注。這讓國際社會進一步認識到太空垃圾對航天器構成的嚴重威脅，清除太空垃圾成為一項迫在眉睫的世界性課題。

探索應對太空垃圾之策

2020年12月8日6時59分，我國“嫦娥五號”上升器完成月球樣本轉移任務后，按照地面指令受控離軌，降落到月面經度0度、南緯30度附近的預定落點。這不僅是我國在減少太空垃圾數量、保持空間環境清潔領域的一次成功實踐，更是對和平利用空間資源承諾的一次踐行。

各國科學家們嘗試了多種手段捕獲太空垃圾

目前，保持空間環境清潔，已成為負責任航天大國所達成的共識。為確保航天器發射、在軌運行安全和空間軌道資源的可持續性利用，科學家們面對“茫茫太空路，征途艱險多”的現實問題，在積極探索一系列應對太空垃圾的方法手段。主要有以下幾種——

首先是規避。即以軌道監測預測技術為基礎，根據目前跟蹤觀測到的太空垃圾數據，在航天器發射時間和運行軌道選擇上，盡量避開太空垃圾。這一預防性規避手段，只能是盡力而為，不能確保萬無一失。還有一種主動性規避手段，即提升航天器的“駕駛技術”——通過航天器主動變軌來躲避軌道碎片碰撞。由于太空垃圾多且速度極快，要實現完全規避難度依然很大。

其次是預防。即通過航天器前期任務規劃，降低航天器自身成為太空垃圾的可能性，讓它達到運行壽命或失效時自動駛離太空“高速公路”。這種預防措施，受太空環境、壽命周期等制約，實現起來也不容易。

再者是防護。即讓航天器穿上“鎧甲”，通過在其外表加裝鋁板、高強度復合材料板等防護裝置，以阻擋太空垃圾的“襲擊”。這種手段可以防范規模較小的沖擊損害，但不能有效阻止大型碎片的撞擊，且“鎧甲”會增加航天器重量，導致發射成本大幅增加。

最后是清除。即通過太空捕獲拖船進行“道路救援拖離”，降低太空垃圾軌道，使其進入大氣層被燒毀，或者抬高太空垃圾的軌道，將其遺棄在不常用的軌道高度上。這項技術帶來的問題是捕獲難度大，特別對于運動狀態未知的非合作航天器，或是極小航天碎片，更是無能為力。

總的來說，以上手段雖能在一定程度上規避、清除或減少太空垃圾，但無法應對所有的太空垃圾，更無法從根本上抑制航天器間相互碰撞而產生更多的太空垃圾。國外一項研究表明，即使停止一切航天器發射任務，太空垃圾也會因為不斷的連續碰撞而繼續增加。要清除日益增多的太空垃圾，呼喚更先進的技術手段。

一“網”飛來可否打盡太空垃圾

隨著人類社會的發展，網的捕獲對象已從水中游弋的魚類，逐步擴展到地面奔跑的野獸、空中飛行的鳥禽等。到了現代，網捕應用得到進一步拓展，出現了諸如警用網槍、飛機攔阻網等產品。

2001年，歐洲航天局的科學家們受網捕應用拓展的啟發，推出一種由發射器、系繩、飛網、收口機構等部件組成的太空柔性飛網捕獲系統。其具體設想為：執行捕獲任務時，發射一艘載有飛網捕獲系統的太空拖船，發現并接近太空垃圾后，選擇時機向捕獲目標發射展開一張由柔性繩索編織而成的大型飛網，將太空垃圾包裹起來，再通過收口機構收緊網口完成捕獲，最后由太空拖船將其拖離太空“高速公路”。

與傳統機械臂爪等剛性捕獲方式相比，飛網的柔性可以有效減少捕獲過程中可能發生的碰撞，通過對太空拖船的控制，讓其在距捕獲目標百米以外實施捕獲，安全性能相對較高。飛網屬于一種稀疏結構，使用很少的材料就可覆蓋相當大的空間范圍。質量3千克左右的飛網，捕獲面積可達近千平方米，對太空垃圾的識別與測量、太空拖船制導控制的精度要求相對較低，非常適合自旋廢棄衛星和大型空間碎片等太空垃圾的清除，具有安全性高、捕獲面積大、控制精度要求低等特點。

這一構想于2003年完成總體方案設計，2012年至2014年先后進行了高空投放試驗、拋物線飛行微重力試驗、真空罐試驗。2018年4月，成功完成了空間演示驗證試驗。

當然了，要真正實現飛網捕獲系統的應用，還面臨一些技術難題。主要是——

對飛網制作的材料性能要求高。必須具有高強度、低密度、耐高溫低溫、抗強輻射、耐熱氧、柔軟光滑等特性，能滿足捕獲任務和空間環境需求。

應具備飛網折疊封貯技術。也就是須有合理的折疊封貯方法，保證飛網內部自我隔離和避免穿透、打結，并對飛網拉出網艙過程進行有效的時序控制，解決飛網纏繞等工程應用難題，保證飛網系統高可靠展開。

應具備高可靠收口技術。飛網捕獲到太空垃圾后，如何達到自適應觸發、高可靠收口和有效收緊鎖死網口，還有一系列關鍵技術需要突破。

須對繩系復合體進行有效的離軌控制。飛網捕獲系統是一個由拖船、系繩、飛網及捕獲物構成的繩系復合體，在實施過程中，如何有效利用系繩張力實施目標消旋控制、復合體轉向控制、拖曳離軌控制，最終將捕獲的太空垃圾清除出太空“高速公路”，其涉及技術領域廣泛且要求苛刻。

有理由相信，在不久的將來，人類一定能將飛網應用拓展至太空，在清除太空垃圾、和平利用太空方面有所作為，為緩解空間軌道資源日益緊缺的現狀提供有力技術支撐。