誰是最佳太空垃圾“捕手”？

隨著向太空運送物資的“動脈產(chǎn)業(yè)”不斷發(fā)展壯大，與之伴隨的清除零部件殘骸和碎片的“靜脈產(chǎn)業(yè)”的發(fā)展空間也日益廣闊。

7月11日“獵鷹9”二級火箭點火失敗引發(fā)爆炸，這是“獵鷹9”7年來首次失敗。這次爆炸讓20多顆星鏈衛(wèi)星成為最新的太空垃圾。6月26日，俄羅斯一顆6噸重的衛(wèi)星解體，它產(chǎn)生了至少250塊碎片，這些碎片已經(jīng)擊中了多顆GPS衛(wèi)星和星鏈衛(wèi)星，并對空間站構(gòu)成了潛在威脅。

碎片以第一宇宙速度擊中鋼板

2016年，直徑幾微米的金屬碎屑在國際空間站舷窗留下了直徑7毫米的撞擊坑。

2021年，一塊不在監(jiān)控范圍內(nèi)的碎片在國際空間站機械臂上開了個洞。2022年，?？吭诳臻g站的聯(lián)盟號飛船外殼出現(xiàn)一個0.8毫米的小孔，導(dǎo)致44公斤冷卻劑泄漏。

國際空間站機械臂被太空垃圾擊中

對于國際空間站，只要發(fā)現(xiàn)大于10厘米的太空碎片，進入國際空間站軌道上下1.25千米、前后25千米的區(qū)間內(nèi)或者是碰撞概率大于萬分之一，空間站就必須變軌躲避，變軌期間宇航員要躲在載人飛船中，隨時準(zhǔn)備逃離。國際空間站自1998年發(fā)射升空后，為規(guī)避碎片已經(jīng)機動30余次，其中大部分發(fā)生在近十年。2021年中國空間站為躲避星鏈衛(wèi)星，也進行過兩次緊急變軌。

自人類發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星以來，人類的空間活動已經(jīng)產(chǎn)生大量的空間碎片。至2021年，人類發(fā)射火箭6000余次，將10000顆衛(wèi)星送入地球軌道，其中有3600顆仍然在工作，有2600多顆成為在軌太空垃圾。它們產(chǎn)生了大量碎片，直徑超過10厘米的達3.65萬個，直徑介于1厘米到10厘米之間的約100萬個（據(jù)歐空局數(shù)據(jù)），這些近地軌道（2000千米以下）物質(zhì)的總重超過9200噸。而隨著星鏈衛(wèi)星的密集部署，近地軌道的碎片也會隨之快速增長。

目前能被空間碎片監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)定期跟蹤、編目的碎片超過28000個，其中74%是失效衛(wèi)星或火箭體等空間碎片，但這些僅占空間碎片總量的4%。   

被跟蹤空間碎片數(shù)量

這些太空碎片正以每秒6千米～8千米的高速在人類使用最頻繁的近地軌道飛行，威脅著其他衛(wèi)星和國際空間站的安全，阻礙著人類對外空的探索。

凱斯勒綜合征（Kessler syndrome）是唐納德·凱斯勒提出的關(guān)于太空碎片的假設(shè)，他指出當(dāng)近地軌道（LEO）中太空垃圾數(shù)量超過一定程度后，一旦發(fā)生碰撞事件，就會因連鎖反應(yīng)產(chǎn)生更多的碎片，形成惡性循環(huán)導(dǎo)致大量航天器被摧毀。比如俄羅斯一顆失效衛(wèi)星“宇宙1934”號，就撞上了另一個衛(wèi)星“宇宙926”號，撞擊導(dǎo)致宇宙1934號一分為二，宇宙926號則被撞碎成多個碎片，多到無法跟蹤。

為了避免凱斯勒綜合征的發(fā)生，需要采取太空碎片減緩措施，如建立跟蹤預(yù)警機制、限制新碎片的產(chǎn)生、主動移除軌道上的碎片、加強國際立法等。   

比如美國計劃將近地球軌道結(jié)束任務(wù)后的離軌期限從25年縮短到5年，這要求航天器設(shè)計須考慮便于抓取和離軌，并制定優(yōu)先清除軌道碎片清單，投資清理危險太空垃圾商業(yè)技術(shù)開發(fā)。

那些數(shù)量眾多且個頭不足1厘米的太空垃圾很難被監(jiān)測到，為了抵御微太空垃圾的撞擊，中國空間站的外部“穿了一層防護甲”，這種防護甲采用特殊材料制作而成，能吸收能量和減輕對空間站造成的損傷。2024年7月3日，神舟十八號航天員出艙，為空間站艙外管路、電纜及關(guān)鍵設(shè)備加裝了空間碎片防護裝置。

近地軌道實驗室公司（LeoLabs）成立于2016年，它在美國、哥斯達黎加、澳大利亞等地設(shè)有6個S波段有源相控陣?yán)走_，用來追蹤低于2000千米大于10厘米的太空垃圾。公司利用人工智能技術(shù)，通過其全球相控陣?yán)走_網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)分析平臺，監(jiān)測軌道上的活動，為客戶提供近地軌道測繪和空間態(tài)勢感知服務(wù)，預(yù)測航天器與太空垃圾發(fā)生碰撞的概率。

如果不對失效衛(wèi)星做主動處理，一顆軌道高度700千米15千克的衛(wèi)星可能需要120年才會再次落入大氣層。中國八院805所的離軌帆技術(shù)是給衛(wèi)星或火箭裝上一個可以展開后最大達25平方米的薄膜風(fēng)帆。   

當(dāng)航天器失效時，離軌帆僅需少量電能就能展開，通過增加與大氣和太陽風(fēng)的摩擦，讓衛(wèi)星減速并脫離軌道，釋放寶貴的軌道資源。根據(jù)測算，僅2平方米的離軌帆就能將120年的再入時間縮短到10年。

為運載火箭加裝的離軌帆

2022年1月，中國用“實踐21”號航天器從地球同步軌道（GEO）捕獲了一顆退役的北斗2-G2衛(wèi)星，并將其拖到了更高的“墓地軌道”（位于地球同步軌道上方300千米，軌道高度36000千米處的空間），這是人類第一次從地球同步軌道上清除太空垃圾。類似的日本的阿斯特羅斯凱爾公司也在研發(fā)用于捕獲太空垃圾的人造衛(wèi)星。 

實踐21號

用激光擊落那些細小或快速旋轉(zhuǎn)等不適合捕捉的太空垃圾，也是多國正在研究的方向。這其中有使用地面激光發(fā)射器和太空激光衛(wèi)星等不同研究路線。比如完美星空—日本衛(wèi)星集團正在研發(fā)從衛(wèi)星發(fā)射激光將碎片擊落至大氣層的技術(shù)。

減少太空垃圾需要付出巨大的成本，NASA在2024年5月發(fā)布了各種清理方法付出的成本與產(chǎn)生的收益的對比報告。根據(jù)評估，總體成本與收益之比在20倍到1000倍之間。圖中是不同方法投入30年后的收益比，左邊收益低成本高，右邊收益高成本低。以最后一項雷達/光學(xué)跟蹤厘米級碎片為例，投入1元成本30年后的收益在幾分至5元之間。     

不同方法投入收益比，靠右性價比高