據(jù)報(bào)道，美國(guó)仁斯利爾理工大學(xué)的工程師團(tuán)隊(duì)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(duì)日益嚴(yán)重的太空垃圾問(wèn)題提供新的解決方案。

實(shí)際上，除了OSCaR外，各國(guó)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(shí)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(wèn)題日趨嚴(yán)重

對(duì)于我們?nèi)粘９ぷ魃钪械睦?，我們?huì)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(dòng)以來(lái)，對(duì)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(wú)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(lái)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(méi)有采取離軌措施，就會(huì)成為滯留在軌道上的“死星”。而在火箭發(fā)射過(guò)程中，將衛(wèi)星送入軌道的火箭最后一級(jí)，一般也會(huì)漂浮在太空之中。同時(shí)，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(huì)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(dòng)時(shí)不小心弄丟的扳手等工具，也都會(huì)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(xiǎn)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(cè)和編目，正在工作的航天器可以針對(duì)它們采取規(guī)避措施。而尺寸小于1厘米的小碎片，雖然無(wú)法被追蹤，但它們的動(dòng)能較小，航天器可以通過(guò)加強(qiáng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行應(yīng)對(duì)。而對(duì)于尺寸介于1-10厘米之間的碎片，既無(wú)法被跟蹤，也具有可觀的破壞力，對(duì)航天器的潛在威脅最大，因此被稱為危險(xiǎn)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(wàn)個(gè)以上，危險(xiǎn)碎片的數(shù)量更是高達(dá)約90萬(wàn)個(gè)。這些碎片給航天器的運(yùn)行帶來(lái)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(guò)太空垃圾的撞擊，國(guó)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(guó)通信衛(wèi)星“銥星33”與已經(jīng)報(bào)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(gè)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(wú)節(jié)制地繼續(xù)增長(zhǎng)，將會(huì)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?yàn)樘绽奈廴径萁撸祟愒僖矡o(wú)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(shí)，負(fù)責(zé)任的航天運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)大都會(huì)考慮在航天器即將失效時(shí)將其轉(zhuǎn)移到不干擾其他航天器正常運(yùn)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(gè)的速度自然隕落，但這個(gè)速度不能從根本上解決巨量的太空垃圾問(wèn)題。因此，必須主動(dòng)對(duì)太空垃圾進(jìn)行清理，才能保證未來(lái)航天活動(dòng)的有效進(jìn)行。

目前，主動(dòng)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(guò)程中，清理太空垃圾的航天器首先根據(jù)地面設(shè)施對(duì)太空垃圾的監(jiān)測(cè)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(duì)目標(biāo)進(jìn)行巡視，確定捕獲點(diǎn)后，再接近捕獲太空垃圾。之后，清理太空垃圾的航天器會(huì)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(guó)的“長(zhǎng)征七號(hào)”火箭成功首飛，將7個(gè)載荷成功送入太空，其中一個(gè)就是“遨龍一號(hào)”空間碎片主動(dòng)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(duì)太空垃圾進(jìn)行抓取。而歐洲的“清理碎片”計(jì)劃，則試驗(yàn)了綜合使用“網(wǎng)式”和“魚叉式”結(jié)構(gòu)對(duì)太空垃圾進(jìn)行捕捉的技術(shù)。這個(gè)計(jì)劃包含一顆實(shí)施碎片清理任務(wù)的主星和兩顆配合試驗(yàn)任務(wù)的子星。這幾顆衛(wèi)星與送往國(guó)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(guó)際空間站，并由國(guó)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(yàn)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(hào)子星，與2號(hào)子星進(jìn)行了空間定位試驗(yàn)，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(lái)實(shí)際進(jìn)行太空垃圾清理時(shí)，衛(wèi)星將通過(guò)網(wǎng)或魚叉對(duì)太空垃圾實(shí)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(hào)”與“清理碎片”計(jì)劃基本類似，其最大的特點(diǎn)在于自動(dòng)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(duì)OSCaR實(shí)施控制操作，之后一系列清除太空垃圾的必要?jiǎng)幼鞫加蒓SCaR通過(guò)內(nèi)置的程序自動(dòng)完成。同時(shí)，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(duì)較低，即便在清除太空垃圾的過(guò)程中與太空垃圾一同焚毀，也不會(huì)使清理任務(wù)耗費(fèi)過(guò)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(shí)，從地面或太空的飛行器中射出的強(qiáng)激光束將對(duì)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(duì)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(guó)提出了使用這種方法清理太空垃圾的ORION計(jì)劃。該計(jì)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(dòng)質(zhì)量小于100千克、尺寸在1-20厘米之間的空間碎片。該計(jì)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(guò)大氣層時(shí)會(huì)發(fā)生損耗，因此其工作范圍比較有限。針對(duì)這個(gè)局限性，位于美國(guó)新墨西哥州的一家公司提出了用太陽(yáng)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(wú)需考慮大氣的影響，因此有望成為未來(lái)應(yīng)用激光清除方法的主流方式。

無(wú)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(gè)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(shí)際相匹配。其次，對(duì)于表面形狀不一、成分各異的碎片，激光束照射的持續(xù)時(shí)間、照射能量、光斑大小等，都需要細(xì)致的計(jì)算，才能實(shí)現(xiàn)理想的變軌效果。如果對(duì)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(méi)有完成清理任務(wù)，還會(huì)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(jì)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(diǎn)，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(diǎn)在于成本低、效率高，但太空垃圾離軌過(guò)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(zhǎng)的電動(dòng)力繩索連接到廢棄的衛(wèi)星上，利用纜繩切割電磁場(chǎng)時(shí)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(wèn)題

除了技術(shù)方面的問(wèn)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(fèi)用，這些費(fèi)用的分?jǐn)偡桨缚赡苄枰?lián)合國(guó)和平利用外空委員會(huì)等國(guó)際組織進(jìn)行協(xié)調(diào)，促使各國(guó)達(dá)成框架性的協(xié)議。同時(shí)，由于清理太空垃圾的航天器也能用于攻擊其他國(guó)家正常工作的衛(wèi)星，因此如何在各個(gè)國(guó)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(guó)政治家面前的一個(gè)課題。