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        太空垃圾一直是困擾著航天活動開展的一個問題。隨著微小衛(wèi)星技術(shù)的成熟，擁有一顆衛(wèi)星的門檻越來越低，地球軌道上航天器數(shù)量持續(xù)快速增長，使太空垃圾帶來的潛在風(fēng)險進一步增大。

        近期，歐空局和“清潔太空”公司簽訂合同，將在2025年發(fā)射世界上第一個太空垃圾清潔衛(wèi)星“清潔太空一號”。

        采用“吃豆人”方式捕捉

        目前，人們已經(jīng)提出了許多清除太空垃圾的技術(shù)路線，而利用航天器將太空垃圾抓取后帶離軌道的主動清除技術(shù)發(fā)展得最為成熟。我國的“傲龍一號”曾進行過在太空中抓取目標(biāo)的試驗;歐空局的“清理碎片”計劃，以國際空間站為試驗平臺，成功測試了網(wǎng)式和魚叉式的太空垃圾清理手段。不過，以往開展的試驗，都人為釋放了“靶星”，并沒有清理實際存在的太空垃圾。

        “清潔太空一號”也采取主動抓取后帶離的清除方式。然而，它的目標(biāo)卻是已經(jīng)在太空中飄蕩了7年的一塊太空垃圾——2013年發(fā)射升空的“維斯帕”上面級。“維斯帕”上面級的外形為圓柱和圓錐的結(jié)合體，直徑約為2.1米，高約為1.3米，重量約為100千克。這個航天器在完成幫助衛(wèi)星入軌的任務(wù)后，就遺留在高度達七八百公里的軌道上。“維斯帕”具有簡單的形狀和堅固的外形，抓取這種外形的航天器相對比較簡單，也不用擔(dān)心抓取過程中目標(biāo)航天器解體從而制造出更多的太空垃圾，因此是初次試驗時難度合理的目標(biāo)。而它的重量也與近年來發(fā)展迅猛的微小衛(wèi)星接近，任務(wù)所獲得的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗?zāi)軌驗槲磥砬謇硎У奈⑿⌒l(wèi)星提供重要參考，而這正是“清潔太空”公司未來的目標(biāo)市場。

        按照計劃，“清潔太空一號”將由“織女星-C”火箭發(fā)射升空，先被部署到500公里高度的軌道上進行一系列的測試。當(dāng)衛(wèi)星的狀態(tài)確認正常后，將會逐步調(diào)高軌道，開始進行捕捉“維斯帕”的工作。在此過程中，衛(wèi)星將以自動化的方式完成大部分工作，但在一些關(guān)鍵的狀態(tài)點，仍然需要人工介入，確認能否繼續(xù)。成功捕獲目標(biāo)后，“清潔太空一號”將會和太空垃圾一起進入破壞性軌道，通過與大氣層相互作用的方式燃燒殆盡。

        “清潔太空一號”采用了類似“吃豆人”的方式捕捉“維斯帕”。它裝備有四個機械臂，當(dāng)靠近目標(biāo)時，張開的機械臂向中央合抱，完成捕獲過程。和之前開展的捕捉合作目標(biāo)的試驗性任務(wù)所不同的是，“維斯帕”和其他太空垃圾都是非合作目標(biāo)，其運動狀態(tài)具有很大的不確定性和隨機性，因此“清潔太空一號”必須利用基于視覺的人工智能等技術(shù)，準(zhǔn)確判斷目標(biāo)的位置和狀態(tài)，才能成功完成捕獲。實際上，“清潔太空一號”的雛形在2012年就已經(jīng)提出，在技術(shù)迭代過程中一度計劃使用其他的捕獲方式。例如，在2013版的方案中，計劃采用柔性捕獲裝置，抓握器在高電壓作用下展開，撤除電壓后會收縮，像一層外皮一樣包裹住目標(biāo)，完成捕獲。而在2015版的方案中，則提出了利用外形類似蜘蛛網(wǎng)的捕獲裝置。而最終選擇四個機械臂，則是綜合考慮了抓取能力、技術(shù)成熟度的選擇。

        “清潔太空一號”的設(shè)計最初由洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)下屬的瑞士航天中心提出。經(jīng)過多輪技術(shù)迭代后，項目的運行方式也發(fā)生了變化。目前，“清潔太空一號”由創(chuàng)業(yè)公司“清潔太空”負責(zé)，以商業(yè)化的方式獲得歐空局資助。本次任務(wù)獲得了歐空局8600萬歐元的資金，而資金的用途是購買一次太空垃圾清理服務(wù)，并非為“清潔太空一號”的研發(fā)全部買單。項目所需的其余2400萬歐元經(jīng)費則由“清潔太空”公司自行籌集。一旦技術(shù)成熟，“清潔太空”公司將會提供太空垃圾清理的商業(yè)服務(wù)，供各航天機構(gòu)和公司使用。

        太空垃圾來源都是些什么

        1989年，空間碎片監(jiān)測機構(gòu)發(fā)現(xiàn)一顆名為“宇宙線背景探測器”的衛(wèi)星產(chǎn)生了約76塊空間碎片，且這些碎片都是直徑大于10厘米的較大空間碎片。衛(wèi)星失效后在軌道上解體，是太空垃圾的主要來源之一。奇怪的是，這顆衛(wèi)星在碎片產(chǎn)生后仍在正常工作，并沒有發(fā)生因運行異常而解體的情況。后來，這顆衛(wèi)星甚至圓滿完成了壽命期內(nèi)的全部觀測工作，但產(chǎn)生空間碎片的原因仍然沒有找到。雖然類似的事件并不多見，但這種“奇特”現(xiàn)象的發(fā)生說明目前人們對空間碎片產(chǎn)生的機制仍然沒有完全充分的理解。

        除了失效的衛(wèi)星外，火箭的二級、三級或上面級等推動衛(wèi)星入軌的部分，也是太空垃圾的主要來源之一。這些航天器中一般還殘留著部分推進劑，在發(fā)射后一天至幾十年的時間中，殘留的推進劑有可能發(fā)生爆炸，產(chǎn)生少則幾塊、多則數(shù)百塊的空間碎片，且這些碎片的飛行速度各異。根據(jù)歐空局今年10月發(fā)布的年度空間環(huán)境報告，由火箭剩余部分爆炸產(chǎn)生的太空垃圾危險程度最高。

        衛(wèi)星間的碰撞會產(chǎn)生數(shù)量極為龐大的太空垃圾。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)星與衛(wèi)星相撞的重大事故。本次碰撞產(chǎn)生了多達2000塊體積較大的太空垃圾，以及數(shù)量更多又無法追蹤的小太空垃圾。

        謹防可怕的“凱斯勒效應(yīng)”

        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。

        近年來，如SPACEX“星鏈”等近地通信衛(wèi)星星座，為太空垃圾問題帶來了新的挑戰(zhàn)。按照目前SPACEX的設(shè)想，星鏈衛(wèi)星網(wǎng)使用的衛(wèi)星總數(shù)將高達1.2萬顆，相當(dāng)于全世界現(xiàn)在在軌工作衛(wèi)星數(shù)的好幾倍。其他商業(yè)太空公司也提出了類似的近地通信衛(wèi)星星座計劃，衛(wèi)星數(shù)量從幾百顆到上千顆不等。根據(jù)有關(guān)機構(gòu)的研究，對于成千上萬顆小衛(wèi)星組成的地軌星座系統(tǒng)，必須有99%以上的衛(wèi)星能夠在結(jié)束工作后即時離軌。對于正常工作的衛(wèi)星來說，一般都會預(yù)留燃料，在壽命將盡時利用發(fā)動機控制衛(wèi)星降低軌道，快速進入與大氣層強烈相互作用并下墜焚毀的階段。然而，如果衛(wèi)星在工作過程中意外失效，就不能完成即時離軌，只能等待衛(wèi)星與中高層稀薄大氣的緩慢作用，使衛(wèi)星的軌道逐漸降低，經(jīng)歷很長的時間后才能進入大氣層焚毀。而根據(jù)今年11月哈佛-史密松天體物理中心的研究，目前入軌的800顆星鏈衛(wèi)星已經(jīng)有約3%失效，成為了新的太空垃圾。有關(guān)研究人員已經(jīng)通過多種渠道呼吁政府部門和航天企業(yè)對大規(guī)模通信衛(wèi)星星座帶來的太空垃圾新威脅加以重視。

        國際空間站曾遭遇“驚魂一刻”

        2015年7月16日凌晨，空間碎片監(jiān)測機構(gòu)發(fā)現(xiàn)了一塊太空垃圾正以危險的方式接近國際空間站。這塊編號為36912號的太空垃圾的大小大概相當(dāng)于一個餐盤，來源于一顆解體的蘇聯(lián)軍事氣象衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星在入軌兩年多后停止工作，在隨后的幾十年中，碎片一直在不停地從這顆衛(wèi)星上脫落，成為太空垃圾。36912可能曾經(jīng)是這顆衛(wèi)星的熱屏蔽罩的一部分。

        由于36912的軌道比較特別，空間碎片監(jiān)測網(wǎng)中只有極小一部分臺站能夠?qū)ζ鋵嵤┍O(jiān)控。36912盤狀的形狀和較低的質(zhì)量，使得其軌道很容易受到太陽活動引起的高層大氣密度變化的影響。當(dāng)它從監(jiān)控的盲區(qū)再次出現(xiàn)在臺站的監(jiān)控范圍中時，軌道較之前可能已經(jīng)發(fā)生了較大的變化。2015年7月16日凌晨，空間碎片監(jiān)測機構(gòu)更新了碎片的軌道數(shù)據(jù)后，驚恐地發(fā)現(xiàn)這塊碎片將在幾小時內(nèi)接近國際空間站，而碰撞概率已經(jīng)提高到了非常高的千分之一。

        按照目前載人航天的避碰規(guī)程，當(dāng)撞擊概率大于十萬分之一時，撞擊風(fēng)險為中等，如果不影響任務(wù)的正常開展，航天器需要進行軌道機動以規(guī)避太空垃圾。而當(dāng)撞擊概率大于萬分之一時，航天器在任何情況下都必須采取軌道機動。千分之一的撞擊概率已經(jīng)屬于高風(fēng)險威脅。

        然而，由于發(fā)現(xiàn)風(fēng)險的時間太晚，國際空間站已經(jīng)來不及對碎片進行規(guī)避。國際空間站的艙體在設(shè)計時已經(jīng)考慮了太空垃圾的防護問題，在艙體外部安裝了惠普爾保護罩。這種保護罩由一層或多層薄的金屬片構(gòu)成。當(dāng)空間碎片擊中保護罩時，保護罩能夠吸收一部分撞擊的能量，并讓碎片解體，從而降低碎片對艙體外壁的沖擊。然而經(jīng)過估算后，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)國際空間站的防護能力不足以抵御36912的撞擊。他們只能讓空間站上的宇航員進入對接在空間站上的“聯(lián)盟”號飛船中避險，并關(guān)閉部分艙室的艙門。如果空間站徹底崩潰，“聯(lián)盟”號則可以充當(dāng)救生艇，帶宇航員們離開空間站。

        好在這一事件最終有驚無險。這塊碎片最終以約每小時5萬公里的相對速度掠過國際空間站，距空間站僅有幾公里。雖然這次國際空間站幸免于難，但在太空垃圾數(shù)量持續(xù)增長的情況下，空間碎片撞擊的威脅將會長期存在，而且會越來越高。

《電鰻快報》