據(jù)報道，美國仁斯利爾理工大學(xué)的工程師團(tuán)隊正在研發(fā)一種名為OSCaR的小衛(wèi)星，以較為低廉的成本搜尋和收集軌道上的空間碎片，為應(yīng)對日益嚴(yán)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(shè)想，其中有不少都已經(jīng)付諸實踐。

OSCaR清除太空垃圾的示意圖

航天器使用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)捕獲太空垃圾的示意

衛(wèi)星發(fā)射激光清除太空垃圾的設(shè)想圖

太空垃圾問題日趨嚴(yán)重

對于我們?nèi)粘９ぷ魃钪械睦?，我們會將它們收集后投入垃圾桶，由市政部門統(tǒng)一進(jìn)行回收和處理。而自人類開始航天活動以來，對于太空中產(chǎn)生的廢棄物，則多采取就地拋棄的方式，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，一般來源于失效的航天器本身。例如，衛(wèi)星在到達(dá)壽命后，如果沒有采取離軌措施，就會成為滯留在軌道上的“死星”。而在火箭發(fā)射過程中，將衛(wèi)星送入軌道的火箭最后一級，一般也會漂浮在太空之中。同時，失效或仍在工作的航天器，如果在太空中爆炸或相互碰撞，則會產(chǎn)生尺寸更小但數(shù)量更多的太空垃圾。此外，航天器上脫落的部件、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，大碎片的尺寸大于10厘米。雖然可能產(chǎn)生的破壞最大，但這些碎片可以被地面設(shè)備跟蹤監(jiān)測和編目，正在工作的航天器可以針對它們采取規(guī)避措施。而尺寸小于1厘米的小碎片，雖然無法被追蹤，但它們的動能較小，航天器可以通過加強(qiáng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行應(yīng)對。而對于尺寸介于1-10厘米之間的碎片，既無法被跟蹤，也具有可觀的破壞力，對航天器的潛在威脅最大，因此被稱為危險碎片。

根據(jù)歐空局?jǐn)?shù)據(jù)，截至今年1月，太空中的大碎片數(shù)量已達(dá)3.4萬個以上，危險碎片的數(shù)量更是高達(dá)約90萬個。這些碎片給航天器的運行帶來了巨大的潛在威脅。航天飛機(jī)的擋風(fēng)玻璃和外殼上的設(shè)備曾受到過太空垃圾的撞擊，國際空間站也曾經(jīng)調(diào)整軌道規(guī)避太空垃圾的威脅。2009年2月11日，美國通信衛(wèi)星“銥星33”與已經(jīng)報廢多年的俄羅斯衛(wèi)星“宇宙2251”在西伯利亞上空發(fā)生激烈碰撞，釀成了人類歷史上首次衛(wèi)星相撞的重大事故。2013年5月23日，發(fā)射還不到一個月的厄瓜多爾首顆人造衛(wèi)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(jié)制地繼續(xù)增長，將會引發(fā)“凱斯勒效應(yīng)”——空間碎片在太空中進(jìn)入連環(huán)撞擊的狀態(tài)，軌道資源因為太空垃圾的污染而枯竭，人類再也無法將航天器發(fā)射到特定軌道上去。

抓取清除的方法最成熟

雖然近期發(fā)射航天器時，負(fù)責(zé)任的航天運營機(jī)構(gòu)大都會考慮在航天器即將失效時將其轉(zhuǎn)移到不干擾其他航天器正常運行的“墳?zāi)管壍馈敝?，但由于仍然存在意外事件等不可控因素，太空垃圾的?shù)量很有可能繼續(xù)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(jìn)行清理，才能保證未來航天活動的有效進(jìn)行。

目前，主動抓取太空垃圾后帶離軌道，是比較成熟的太空垃圾清除方法。在清除過程中，清理太空垃圾的航天器首先根據(jù)地面設(shè)施對太空垃圾的監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整自己的軌道，接近到距離目標(biāo)幾公里的位置。之后，利用自身搭載的極光雷達(dá)、紅外相機(jī)等檢查確認(rèn)目標(biāo)的狀態(tài)，進(jìn)一步接近到距離目標(biāo)幾十米的地方。在向太空垃圾“下手”之前，一般還要使用光學(xué)相機(jī)等設(shè)備對目標(biāo)進(jìn)行巡視，確定捕獲點后，再接近捕獲太空垃圾。之后，清理太空垃圾的航天器會將太空垃圾攜帶進(jìn)墳?zāi)管壍阑蛘吆芸靿嬋氪髿鈱臃贇У能壍泪尫?，完成太空垃圾的清理?

2016年6月25日，我國的“長征七號”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后，利用自身安裝的機(jī)械臂對太空垃圾進(jìn)行抓取。而歐洲的“清理碎片”計劃，則試驗了綜合使用“網(wǎng)式”和“魚叉式”結(jié)構(gòu)對太空垃圾進(jìn)行捕捉的技術(shù)。這個計劃包含一顆實施碎片清理任務(wù)的主星和兩顆配合試驗任務(wù)的子星。這幾顆衛(wèi)星與送往國際空間站的補(bǔ)給物資一起，在2018年4月4日由“龍”飛船送上國際空間站，并由國際空間站上的機(jī)械臂釋放到太空中。在隨后進(jìn)行的兩次試驗中，主星成功地使用網(wǎng)狀裝置套住了模擬太空垃圾的1號子星，與2號子星進(jìn)行了空間定位試驗，射出的魚叉裝置也準(zhǔn)確擊中了主星自行布置的靶標(biāo)。在未來實際進(jìn)行太空垃圾清理時，衛(wèi)星將通過網(wǎng)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，其最大的特點在于自動化和低成本。在發(fā)射入軌并指定任務(wù)后，地面控制人員就不再對OSCaR實施控制操作，之后一系列清除太空垃圾的必要動作都由OSCaR通過內(nèi)置的程序自動完成。同時，OSCaR這樣的微小衛(wèi)星，體積小、重量輕，制造和發(fā)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(wù)耗費過于巨大的成本。

激光也能掃除太空垃圾

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激光清除法。應(yīng)用這種方法時，從地面或太空的飛行器中射出的強(qiáng)激光束將對太空垃圾進(jìn)行照射，使得太空垃圾表面的物質(zhì)變成等離子體并向外噴出。等離子體噴流對太空垃圾產(chǎn)生的反作用力可以改變太空垃圾的軌道，使太空垃圾進(jìn)入墳?zāi)管壍阑蚩焖賶嬋氪髿鈱臃贇А?

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?yán)玫孛嫔习l(fā)出的強(qiáng)激光，在1500公里的高度范圍內(nèi)，以直徑60厘米的激光束驅(qū)動質(zhì)量小于100千克、尺寸在1-20厘米之間的空間碎片。該計劃的激光發(fā)射裝置設(shè)置于地面上，易于維護(hù)，技術(shù)成熟性較強(qiáng)，但由于激光穿過大氣層時會發(fā)生損耗，因此其工作范圍比較有限。針對這個局限性，位于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(wèi)星發(fā)射激光，清除太空垃圾的設(shè)想。這種方式一旦成熟，可以被應(yīng)用于任意的軌道高度，無需考慮大氣的影響，因此有望成為未來應(yīng)用激光清除方法的主流方式。

無論激光從衛(wèi)星還是從地面上發(fā)射，激光清理太空垃圾的方法都要攻克兩個技術(shù)難題。首先，要研制大功率、高穩(wěn)定性的激光器，系統(tǒng)的體積、重量、功耗等參數(shù)還要與任務(wù)的實際相匹配。其次，對于表面形狀不一、成分各異的碎片，激光束照射的持續(xù)時間、照射能量、光斑大小等，都需要細(xì)致的計算，才能實現(xiàn)理想的變軌效果。如果對這些參數(shù)把握得不準(zhǔn)確，激光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(wù)，還會增加空間碎片的數(shù)量。

此外，技術(shù)人員們還提出了清除太空垃圾的其他理論設(shè)想。例如，有人設(shè)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(yōu)點在于成本低、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(shè)想，將一根較長的電動力繩索連接到廢棄的衛(wèi)星上，利用纜繩切割電磁場時產(chǎn)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(shù)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(guān)的議題急需解決。清理太空垃圾必然要產(chǎn)生大量的費用，這些費用的分?jǐn)偡桨缚赡苄枰?lián)合國和平利用外空委員會等國際組織進(jìn)行協(xié)調(diào)，促使各國達(dá)成框架性的協(xié)議。同時，由于清理太空垃圾的航天器也能用于攻擊其他國家正常工作的衛(wèi)星，因此如何在各個國家間建立互信機(jī)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。