太空垃圾越來越多了，科學家怎么清理？

梁偲

2021年3月10日，美國海洋大氣管理局的NOAA-17氣象衛星在其軌道上突然發生爆炸，爆炸后生成了16個“軌道碎片”，這些碎片高速飛離衛星本體，但卻又仍留在軌道上，將會對航天安全產生巨大威脅。實際上，這16個碎片就是新產生的16塊太空垃圾。

太空垃圾是近些年被提得越來越多的一個概念，指的是在繞地球軌道上運行，但不具備任何用途的各種人造物體，這些物體小到固態火箭的燃燒殘渣，大到在發射后被遺棄的火箭末級。自從人類在20世紀50年代發射人造物體進入太空以來，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對太空的利用。

空間碎片有什么影響？

全球數十億人每天依靠衛星數據來讓生活更便利，而遺留在太空中的廢棄衛星就成了太空垃圾，污染著太空環境。隨著各國太空探索的腳步越走越遠，太空垃圾的數量逐年遞增，所帶來的問題也越發突出。太空垃圾與溫室氣體、核廢料存儲等問題一樣，短期內對人類的影響不大，但如果長期得不到處理，會對人類社會產生巨大影響。

首先，它們有撞擊其他航天器的風險。由于太空垃圾以軌道速度運行，動能巨大，若與它們相撞可能會損壞尚在運作的航天器：10厘米以上的大碎片，撞擊到航天器會直接造成航天器解體；1～10厘米的中碎片，很難被監測到，撞擊到航天器會造成部分功能損失或失效。這些碎片也會威脅到宇航員的生命安全。其次，每年約400個空間碎片會再入大氣層，其中有部分經大氣層時未完全被燒毀，隕落到地面會對安全造成嚴重威脅。第三，雖然有相當一部分太空垃圾最終墜入地球大氣層燒毀，但據估算，現在仍有超過4 500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，當密度達到一定程度時，太空垃圾會布滿近地軌道（LEO），令人類在數百年內無法進行太空探索。第四，太空垃圾的數目與日俱增，而且不同的垃圾會在各自不同方向和高度的軌道上運轉，想要將它們回收或是控制不僅難度大，而且成本高。

事實上，早在1978年，美國宇航局（NASA）科學家唐納德·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繼續增加，并導致衛星碰撞的風險增加；當某一軌道高度的空間碎片密度超過一個臨界值時，將發生碎片鏈式撞擊效應，產生一系列潛在的衛星碰撞的多米諾骨牌效應；鏈式碰撞過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2 000公里以內的空間區域，大多數空間碎片位于近地軌道上

針對空間碎片，目前怎么辦？

空間碎片數以萬計，且分散于不同的軌道，即使發射航天器去抓取，也只能一個軌道一個軌道地利用交會對接的方法接近碎片進行清理，這是目前技術可行的方案。但面對不同軌道高度、不同軌道傾角的幾十萬個碎片，目前的技術和資金是任何一個國家都無法承受的。

因此，目前針對空間碎片只是處于一個監視的階段。主要采取的方式是當發現空間碎片會對衛星產生碰撞危險時，采取被動避碰策略。對10厘米以上較大尺寸的空間碎片，采取持續觀測、編目預警和及時躲避等被動規避措施；但對于1～10厘米的空間碎片，它們既難以編目又難以防護，造成的危害較嚴重，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，主要施行衛星表面防護措施。

不過，隨著衛星在民用和商用領域的不斷拓展，衛星的發射數量明顯增加。未來幾年，衛星的數量將增加一個數量級，也將出現多個由成百上千顆衛星組成的巨型星座。這些小衛星在失效后將成為新的空間碎片；即便現在就開始停止所有發射，碰撞仍會產生新碎片。新的發射窗口將被一步步壓縮，科學研究衛星也將不得不置于更遙遠的軌道，因此被動的處理方法將導致航天器的研制、發射和運維成本急劇增加，對空間碎片采取主動處理成為不得不考慮的選擇。

主動清除空間碎片的方法

穩定軌道環境的唯一方法是主動清除，我們需要開發新技術，在避免產生新碎片的同時清除已有碎片。通常，離地球越高，大氣越稀薄。對于近地軌道的衛星，不用特別處理，它們早晚會在大氣阻力作用下墜入大氣層燒毀；空間站的運行高度是三四百公里，在這個高度上仍有空氣阻力，碎片幾個月到幾十年內就可以逐漸減速墜入大氣層。這也是為什么衛星和空間站過一段時間就要提高運行高度的原因。

不過，對于1 000公里以上的碎片，大氣阻力幾乎忽略不計，碎片幾百年幾千年內都不太可能掉下來，這就需要想辦法讓碎片離軌墜入大氣層。主動清理空間碎片的方法有兩種：一種是接觸式的，如機械臂抓、網捕等；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生作用力，拖動其離軌，目前可使用的抓捕方案較多，如機械臂、飛網、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，是工程應用近期可實現的方式。這種方式不僅可用于移除空間碎片，也可用于捕獲在軌運行衛星，具備太空對抗應用潛力。不過，這些技術到工程應用也還需幾年。

電動力繩系離軌 這種清理方法以電動力繩系航天器為基礎， 通過其電動力纜繩釋放捕獲器對非合作目標實施準確、可靠捕獲，之后利用電動力繩系切割磁感應線產生電動力，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，在軌技術驗證仍不成熟。

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生“物質燃燒流動推力”，從而改變碎片的運行軌道，實現降軌后再入大氣層；對于微小型空間碎片，利用激光光束能量極高的特點，直接用高能連續光波沖擊碎片使其汽化焚毀。該方法操作簡單， 響應快速，可無限重復使用，能進行遠距離、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能力有限，但也有了很大的發展，從長遠看，該技術是最有前景的。

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導致產生新的空間碎片，使得清除效率降低。

空間碎片清除技術仍處于在軌演示驗證階段

為應對日益嚴峻的空間碎片問題，各國積極開展空間碎片清除技術研究。美國、歐洲和日本的空間碎片主動清除研究起步較早，已提出了各自的碎片清除方案，部分關鍵技術已開展在軌演示驗證，但當前的發展水平距離實際應用還有差距。

英國薩里太空中心“空間碎片移除”計劃 2013年，英國薩里太空中心聯合歐洲多家研究機構，在歐盟第七框架計劃（FP7）資助下，啟動“空間碎片移除”（Remove DEBRIS）計劃，并在2018年9月至2019年3月陸續完成飛網抓捕、空間目標視覺導航、魚叉捕獲、拖曳帆離軌等在軌驗證試驗。“空間碎片移除”計劃是目前為止最受關注的碎片清除項目，它的實施加速了碎片移除技術的實用化進程。

歐洲空間局“清潔太空”計劃 2019年12月，歐洲空間局（ESA）委托瑞士初創公司“清潔太空”（Clear Space）進行碎片清除研究，該計劃于2020年3月啟動，并于2025年發射航天器清理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，大小跟一個小型衛星相當，形狀相對簡單且結構堅固，非常適合成為首次清理任務的目標。此外，ESA還將于2023年發射e.Deorbit航天器，演示驗證大型報廢衛星移除技術，目標是2012年已停用的“歐洲環境衛星”，擬采用的移除方案包括機械臂、飛網、離子束等。

美國宇航局“獵戶座”計劃 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）計劃。“獵戶座”計劃采用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”計劃將重點從地面激光器轉移到天基激光器。天基激光器可以使用較小的光學元件和激光，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載的試驗成果來進行。

日本宇宙航空研究開發機構“商業碎片移除”演示項目 2017年9月，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）發布空間碎片清除系統共同研究委托公告，旨在征集空間碎片清除方案，清除處在700～1 000千米軌道高度的大型碎片，計劃在十年內以低成本完成系統研發并商業化。2020年初，日本宇宙尺度公司拿下JAXA商業碎片移除演示項目（共兩個階段）第一階段的合同。該階段是在2023 年3 月31 日前發射一顆演示衛星，逼近日本H-II A 火箭的上面級；第二階段是在2026 年3月31 日前完成對火箭上面級的對接，并加速其離軌再入大氣層。

我國空間碎片清除發展進入快車道

近年來，我國在空間碎片主動清除方面取得了長足發展。2016 年6 月，我國發射自主研制的“遨龍一號”空間碎片主動清除飛行器。遨龍一號通過伸出的一只機械手臂對空間碎片模擬器進行抓捕，開展了空間碎片非合作目標探測、識別、跟蹤與操作等在軌試驗，為后續非合作目標在軌捕獲創造了基本條件。

上海航天控制技術研究所劉付成團隊在工作現場

由于空間碎片可能處于翻滾狀態，而空間光照為平行光，對碎片進行視覺觀測時，視場內的碎片目標明暗對比強烈，且翻滾運動使得對目標的相對測量面臨極大挑戰；同時，大型失效衛星上安裝的帆板、天線等組件，會隨動翻滾，逼近捕獲中容易發生碰撞，自主安全逼近面臨極大挑戰；第三，對于翻滾狀態目標的抓捕，很難抓穩、抓準，還容易導致抓捕衛星本身失穩，同樣也面臨著極大挑戰。因此需要研究新的空間碎片制導、導航與控制（GNC）系統，才能更好地為空間碎片接近、繞飛、停靠與抓捕等任務提供支撐。

2020年1月，由上海航天控制技術研究所劉付成研究員領銜的團隊以“主動碎片清除微納GNC系統技術”獲得了2019年度國家技術發明獎二等獎（也是2018年度上海市技術發明獎一等獎）。如前所述，現在空間碎片數量眾多，主動捕獲清除必須滿足經濟、高效的需求。微納衛星具有研制成本低、周期短等優勢，因此，基于微納衛星的大碎片捕獲與清除，是國際公認的最迫切、最高效的方案。但是，微納衛星的重量、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，相比大衛星，測量、捕獲能力受限。

團隊針對資源受限下的翻滾碎片測量、規劃、逼近與捕獲控制等核心難題，經過十年持續攻關，形成了一整套創新成果。比如，發明了碎片目標表面的角點、圓環、線條等多類特征的組合動態跟蹤方法，解決了資源受限下的翻滾目標超近距離視覺測量問題；發明了自主逼近安全路徑的簡化快速規劃方法，解決了天線、帆板等多障礙物隨動翻滾下的防撞安全接近問題；發明了能夠自適應估計與補償外界干擾的跟蹤與控制方法，解決了旋轉和平動同步下的碎片目標穩定跟蹤和柔順捕獲難題；發明了多視場融合立體視覺敏感器、三軸集成微飛輪等產品，滿足了碎片清除微納衛星對測量和控制產品的高集成、高效能需求。

微納衛星捕獲大型碎片示意圖

主動碎片清除微納GNC系統技術成果可以有效提高航天器在軌捕獲碎片時測量與控制的穩定性、精準性和自主性。該技術在多個航天器型號中得到應用，大幅提升了我國微納航天器的精確測量、自主規劃、耦合控制、融合集成水平，并為我國后續相關型號任務奠定了扎實的技術基礎。

總的說來，我國在空間碎片清除領域處于技術驗證階段，眾多高校和科研院所正不斷加強對空間碎片捕獲清除相關技術的研究力度，形成了大量研究成果，預期未來會涌現出大量關鍵技術飛行驗證計劃。

我國將主動承擔起空間碎片處理責任

2020年9 月18 日，2020年宇航領域十大科學問題和技術難題在2020 年中國航天大會上由中國科學院院士、中國航天科技集團有限公司研究發展部部長王巍發布，其中一項就是“空間碎片清除中的核心技術”：“空間碎片清除是當前及未來航天任務必須面對的重要問題，發展該項技術，既是保護空間資產、維護人類空間安全和資源需要，也將促進相關高新技術創新發展。”

事實上，空間碎片清除能產生巨大的價值：在經濟方面，如果能明確某一需要清除的碎片所有方，可以通過商業付費來清除該碎片，形成空間碎片清除的產業化運營；在軍事方面，空間碎片清除正構成一個可怕的挑戰，一旦發生戰爭，該技術將可以清除敵方衛星，直接用于空間對抗活動，這也是世界各國都高度重視、積極發展主動清除技術的重要原因。對于我國來說，一方面應當主動承擔起空間碎片處理的責任，另一方面也應發展多種清除技術，在未來的技術競爭中占據主動。

地球同步軌道區域（約36 000公里）圖像，大約95%的物體是空間碎片，即不是功能性衛星

看看如今我們地球同步軌道區域的圖像，太空碎片圍繞地球形成了“行星環”。科幻電影中，落魄的星球表面，被各種太空垃圾包圍，而科技發達的星球表面，則是壯麗的星際艦隊護衛。相信大家都不想我們的地球被大量的太空垃圾包圍，那么就請你幫忙想想有些什么方法可以把太空垃圾清除掉吧，比如，是否可以發射一個超級黏的衛星，把碎片都黏起來呢？或者用強力磁鐵把碎片吸住？大家一起腦洞大開地發揮想象吧……