太空“清道夫”之主動(dòng)清理技術(shù)

近年來，近地軌道通信衛(wèi)星數(shù)量激增，特定高度區(qū)間的衛(wèi)星密度呈指數(shù)級(jí)增長。這些以每秒數(shù)公里速度穿梭的軌道碎片，如同太空中的“隱形殺手”，迫使衛(wèi)星運(yùn)營商不得不頻繁啟動(dòng)軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)，以規(guī)避致命風(fēng)險(xiǎn)。于是，太空垃圾主動(dòng)清理技術(shù)成為全球關(guān)注的前沿科技。當(dāng)前，世界各國及其科技企業(yè)正積極探索這些技術(shù)的落地應(yīng)用，以破解近地軌道安全難題。

歐盟開啟近地軌道多維治理行動(dòng)

隨著世界各國近地軌道星座計(jì)劃的大規(guī)模推進(jìn)，而今地球的近地軌道愈發(fā)擁擠，衛(wèi)星碰撞風(fēng)險(xiǎn)驟升。歐盟官員警示，若不管控，未來近地軌道或陷入無序發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)前，太空垃圾持續(xù)增加已帶來現(xiàn)實(shí)威脅——可能損毀衛(wèi)星、干擾通信與導(dǎo)航定位，還危及空間站及載人航天任務(wù)安全。歐洲航天局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，現(xiàn)役航天器（含空間站）年均避撞機(jī)動(dòng)次數(shù)較十年前翻倍，衛(wèi)星運(yùn)營商正疲于應(yīng)對(duì)這些“高速子彈”。而衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)支撐著 GPS導(dǎo)航、移動(dòng)通信、氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)等現(xiàn)代社會(huì)基礎(chǔ)必備功能，衛(wèi)星若遭撞擊，人類對(duì)于災(zāi)害與氣候變化的預(yù)警能力將大幅下降。

對(duì)此，歐盟多管齊下予以應(yīng)對(duì)：一方面修訂法規(guī)，要求將航天企業(yè)納入垃圾治理計(jì)劃；另一方面支持相關(guān)技術(shù)研發(fā)。同時(shí)，歐洲航天局推進(jìn)“零碎片憲章”，計(jì)劃于2028年實(shí)施ClearSpace-1（在軌碎片清除）任務(wù)，首次嘗試主動(dòng)捕捉移除大塊太空廢棄物，倡導(dǎo)衛(wèi)星壽命結(jié)束前耗盡燃料并規(guī)劃再入大氣層，避免爆炸產(chǎn)生更多碎片。在軌道環(huán)境惡化、空間容量緊張的背景下，歐盟等地的航天機(jī)構(gòu)已集中力量啟動(dòng)近地軌道多維治理行動(dòng)。

全球太空垃圾清理技術(shù)面面觀

目前，清理太空垃圾的技術(shù)手段呈現(xiàn)多樣化發(fā)展態(tài)勢(shì)，涵蓋機(jī)械臂捕捉、網(wǎng)捕和魚叉技術(shù)、激光照射方案、被動(dòng)式拖曳帆、電動(dòng)力繩索以及人工智能技術(shù)等。

機(jī)械臂捕捉是較為直觀的方式，即：讓清理衛(wèi)星搭載機(jī)械臂，在飛近目標(biāo)后像“宇宙巨鉗”一樣將其抓住并帶離軌道。歐洲航天局即將實(shí)施的ClearSpace-1任務(wù)便是典型案例，該衛(wèi)星配備四條機(jī)械臂，目標(biāo)是捕獲軌道上小型運(yùn)載火箭的殘留適配器，并將其拖回大氣層燒毀。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是精度高，可鎖定較大碎片，但難點(diǎn)在于需對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的失控目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)接，這對(duì)跟蹤與控制系統(tǒng)的要求極高。

網(wǎng)捕和魚叉技術(shù)，即：借鑒捕魚原理捕捉太空碎片。英國薩里大學(xué)RemoveDEBRIS（太空碎片移除）衛(wèi)星曾用5米寬網(wǎng)捕獲測(cè)試衛(wèi)星，使其脫軌燒毀；還嘗試使用魚叉裝置與拖曳帆組合，并驗(yàn)證了其技術(shù)的可行性。網(wǎng)捕覆蓋廣、成本低，但需與目標(biāo)同速接近，易發(fā)生纏繞；魚叉通過尖端釘住碎片拖曳，被動(dòng)性強(qiáng)，系繩部署回收存在難點(diǎn)。

激光照射方案，即：通過地面發(fā)射高能光束遠(yuǎn)程改變碎片軌道。澳大利亞研究團(tuán)隊(duì)利用激光照射使近地軌道碎片表面氣化產(chǎn)生反沖，減速墜入大氣層。此方案無須接近碎片，單地面基站可處理多目標(biāo)，但存在能耗高、設(shè)備成本高、跟蹤精度要求嚴(yán)苛等問題，且需千級(jí)千瓦級(jí)功率才能作用于高軌道，現(xiàn)階段僅適用于小型碎片清理或應(yīng)急軌道調(diào)整。

被動(dòng)式拖曳帆適用于待報(bào)廢衛(wèi)星，衛(wèi)星服役期滿后展開超薄帆，借稀薄空氣阻力加速脫軌。2019年中國發(fā)射搭載25平方米離軌帆的小衛(wèi)星，實(shí)驗(yàn)表明，600公里軌道上，50千克衛(wèi)星無帆漂浮壽命約為6.2年，展開帆后3個(gè)月即可墜入大氣層燒毀。該方案成本低、技術(shù)成熟，適合衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段納入回收計(jì)劃，但僅對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)目標(biāo)有效，無法處理在軌失控碎片。

電動(dòng)力繩索是另一種類似拖曳帆的被動(dòng)方案，通過將金屬纜繩拴在目標(biāo)衛(wèi)星上，利用地球磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁阻力來減速。電動(dòng)力繩索理論上能持續(xù)對(duì)較重的碎片提供微弱減速效果，但實(shí)際操作難度較大，纜繩在軌部署容易纏結(jié)或損壞，且對(duì)線路絕緣與溫度耐受有嚴(yán)格要求。

除了上述硬件技術(shù)，軟件技術(shù)方面，人工智能在太空交通管理和垃圾清理任務(wù)編排中的應(yīng)用也日益受到重視。例如，由沃茲尼亞克投資的 Privateer（私掠者）公司開發(fā)的 Wayfinder（導(dǎo)航者）系統(tǒng)，可跟蹤3萬多塊直徑在10厘米以上的碎片，并實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)衛(wèi)星和碎片的交會(huì)情況。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)潛在撞擊風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，會(huì)提前發(fā)出警報(bào)，幫助衛(wèi)星運(yùn)營商及時(shí)規(guī)避。人工智能主要用于“導(dǎo)航”剩余衛(wèi)星資源和安排清理太空垃圾時(shí)序，其優(yōu)勢(shì)在于能快速處理海量數(shù)據(jù)并自動(dòng)規(guī)劃，但清理效果依賴于對(duì)軌道物體的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

太空垃圾清理仍面臨諸多挑戰(zhàn)

盡管技術(shù)路線多種多樣，但太空垃圾清理要從試驗(yàn)階段邁向大規(guī)模商業(yè)服務(wù)，仍然面臨著多重挑戰(zhàn)：

從經(jīng)濟(jì)維度來看，成本高昂如同橫亙?cè)谛袠I(yè)發(fā)展者面前的巨型壁壘。清理任務(wù)不僅需配備自帶高比沖推進(jìn)系統(tǒng)，還需搭載激光測(cè)距、視覺導(dǎo)航等精密設(shè)備，單次任務(wù)的硬件研發(fā)與發(fā)射成本就可能高達(dá)數(shù)千萬歐元。

就技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面而言，捕捉難度大的問題猶如解不開的復(fù)雜方程式：軌道碎片普遍處于無主動(dòng)推進(jìn)狀態(tài)，且常以每秒數(shù)公里的速度高速飛行，并伴隨著不規(guī)則的失控旋轉(zhuǎn)，這要求清理設(shè)備必須具備亞毫米級(jí)的定位精度和毫秒級(jí)的反應(yīng)速度；即便目標(biāo)碎片形狀相對(duì)規(guī)則，也時(shí)刻面臨著不可預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)。

在法律層面，目前全球關(guān)于太空垃圾清理的法規(guī)體系仍處于“原始積累”階段，僅有的非強(qiáng)制性碎片減緩指導(dǎo)原則難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的實(shí)際情況。以所有權(quán)問題為例，當(dāng)清理設(shè)備捕獲無主碎片時(shí)，其歸屬權(quán)難以界定；而在清理過程中若對(duì)其他正常運(yùn)行的航天器造成損害，責(zé)任認(rèn)定更是缺乏明確標(biāo)準(zhǔn)。這種法律監(jiān)管的缺失狀態(tài)，使得世界各國在開展太空垃圾清理行動(dòng)時(shí)都心存顧慮，甚至阻礙了國際合作的推進(jìn)。

綜上，盡管太空垃圾主動(dòng)清理技術(shù)已經(jīng)邁出了關(guān)鍵一步，但要真正落地應(yīng)用，還需要全球緊密合作、明確規(guī)則并完善激勵(lì)機(jī)制，如此方能讓這場(chǎng)太空“清掃行動(dòng)”付諸現(xiàn)實(shí)，從而為未來幾代人的太空探索保駕護(hù)航。

編輯：黃靈" " yeshzhwu@foxmail.com