题外话丨各国关于威胁在轨卫星的太空垃圾，都有哪些大胆的尝试？

来源：新华网   2021-02-21 16:37   

近日，欧洲航天局与“清洁太空”公司签订了一份合同。合同的内容是欧洲航天局将在2025年发射世界上第一颗太空垃圾清洁卫星——“清洁太空一号”。

 

图源丨网络


实际上，太空垃圾的清除问题一直都是各个航天大国密切关注的问题。多年来，面对太空垃圾影响在轨航天器安全和后续航天发射的问题，各国科学家们已尝试了多种手段，包括激光推进、机械臂抓捕等。此外，有科学家从渔网捕鱼中受到启发，提出了专门用于捕获太空垃圾的飞网捕获系统设想，并初步付诸实践。

 

补充阅读：

①激光推进技术：作为一种新概念推进技术，激光推进的基本原理是将远距离激光能量导入推进器中的推进剂中， 使其温度急剧升高，形成高温高压气体或等离子体， 然后从喷管中喷射出来， 从而产生推力。

②机械臂抓捕：又称为在轨卫星捕获技术，是在轨道上通过机械臂捕捉另一个航天器的技术，使用机械臂方式捕捉敌方在轨飞行器可以避免产生大量的碎片。

 


此前今日北斗也曾经跟大家探讨过太空垃圾的问题，感兴趣的朋友可以点击链接观看：

《北斗百问丨退役的北斗卫星将何去何从？》

 

01


凯斯勒效应

随着航天技术迅猛发展，航天器发射越来越频繁。这给人类生活带来各种便利的同时，也不可避免地造成大量太空垃圾滞留在茫茫宇宙中，既对在轨运行的航天器和后续航天发射构成风险，又使空间轨道资源日益紧缺。

 

太空垃圾，是指人类在太空活动中产生的废弃物及衍生物。其主要包括：航天发射的抛弃物、火箭末子级、火箭爆炸物、废弃航天器，以及飞行器解体产生的碎片等。

 


太空垃圾相互碰撞，产生的碎片又将诱发更多的碰撞。如此连锁反应，导致太空垃圾数量急剧增加。太空垃圾密度超过一定数量，就会诱发“凯斯勒效应”。

 

据欧洲航天局可跟踪空间目标数据库统计，截至2020年，尺寸大于10厘米的太空垃圾数量已超3.4万个，尚有数以万计的微小碎片未在编目之内。太空垃圾的质量从几克至几吨不等，尺寸在几毫米至数十米之间。有些太空垃圾个头不大，但飞行速度极快，达到每秒6至7公里，对航天发射、在轨卫星和载人航天器构成极大威胁。

 

如果把航天器发射、在轨运行的轨道比作地球上的一条条高速公路，那么，在这些高速公路上，同样有各种车辆日夜穿梭、川流不息。不同的是，它没有警察、没有交通管制、没有道路维护和清扫人员。发生交通事故后，也没人处理和清理路障。

 


航天发射如今日益频繁，进入太空门槛不断降低，大量航天器过期失效，太空垃圾不断增多，路上变得越来越拥挤、脏乱，到处充斥着“各种报废车辆、交通事故残片”等抛弃物。在这样的高速公路上行驶，即便是技术再过硬的司机，也难免发生交通事故。如2009年，美国“铱星33”卫星与俄罗斯失效的“宇宙2251”卫星相撞，引起世界航天领域极大关注。这让国际社会进一步认识到太空垃圾对航天器构成的严重威胁，清除太空垃圾成为一项迫在眉睫的世界性课题。

 

 

02


如何清理太空垃圾

从目前来看，各个负责任的航天大国都在“保持空间环境清洁”这一主题上面达成了共识。以我国的嫦娥五号为例，2020年12月8日6时59分，我国嫦娥五号上升器完成月球样本转移任务后，按照地面指令受控离轨，降落到月面经度0度、南纬30度附近的预定落点。这不仅是我国在减少太空垃圾数量、保持空间环境清洁领域的一次成功实践，更是对和平利用空间资源承诺的一次践行。

 

图源丨中国探月工程


虽然有了共识，但目前应对太空垃圾的方法手段并不多，主要有以下四种常见的方法。

 

①规避

规避是以轨道监测预测技术为基础，根据目前跟踪观测到的太空垃圾数据，在航天器发射时间和运行轨道选择上，尽量避开太空垃圾。然而从现实的情况来看，无论是预防性的规避还是主动变轨的主动性规避手段，在面对速度极快且数量极多的太空垃圾时，更多是心有余而力不足。

 

②预防

预防是通过航天器发射前期的任务规划，降低航天器自身成为太空垃圾的可能性，让它达到运行寿命或失效时自动驶离太空“高速公路”。以北斗为例，按照北斗卫星所在的轨道，在“退役”后会自动升上墓地轨道避免自身成为太空垃圾。当然，近段时间也有专家对即将退役的北斗二号卫星提出了再利用的想法。

详见文章：《北斗百问丨退役的北斗卫星将何去何从？》


然而这种预防措施，同样会受到太空环境以及寿命周期等制约，实现起来也不容易。

 

③防护

防护就是给航天器船上“护甲”。通过在其外表加装铝板、高强度复合材料板等防护装置，以阻挡太空垃圾的“袭击”。这种手段可以防范规模较小的冲击损害，但不能有效阻止大形碎片的撞击，而且加装的“护甲”会使发射成本大幅增加，航天器的寿命也会因此缩短。

 

④清除

清除即通过太空捕获拖船进行“道路救援拖离”，降低太空垃圾轨道，使其进入大气层被烧毁，或者抬高太空垃圾的轨道，将其遗弃在不常用的轨道高度上。这项技术带来的问题是捕获难度大，特别对于运动状态未知的非合作航天器，或是极小航天碎片，更是无能为力。

 


这四种方法可以在一定程度上规避、清除或减少太空垃圾，但无法应对所有的太空垃圾，更无法从根本上抑制航天器间相互碰撞而产生更多的太空垃圾。

 

03


一“网”打尽太空垃圾？

基于目前大部分清除太空垃圾的方法都显得“有心无力”，有部分的科学家受到网补应用拓展的启发，推出一种由发射器、系绳、飞网、收口机构等部件组成的太空柔性飞网捕获系统。



其具体设想为：执行捕获任务时，发射一艘载有飞网捕获系统的太空拖船，发现并接近太空垃圾后，选择时机向捕获目标发射展开一张由柔性绳索编织而成的大型飞网，将太空垃圾包裹起来，再通过收口机构收紧网口完成捕获，最后由太空拖船将其拖离太空“高速公路”。


 

据了解，飞网属于一种稀疏结构，使用很少的材料就可覆盖相当大的空间范围。质量3千克左右的飞网，捕获面积可达近千平方米，对太空垃圾的识别与测量、太空拖船制导控制的精度要求相对较低，非常适合自旋废弃卫星和大型空间碎片等太空垃圾的清除，具有安全性高、捕获面积大、控制精度要求低等特点。

 

图源丨中国军网


这一构想于2003年完成总体方案设计，2012至2014年先后进行了高空投放试验、抛物线飞行微重力试验、真空罐试验。2018年4月，成功完成了空间演示验证试验。然而，要真正落地应用，还面临着一些技术难题：

  • 材料性能要求高：必须具有高强度、低密度、耐高温低温、抗强辐射、耐热氧、柔软光滑等特性，能满足捕获任务和空间环境需求；
  • 折叠封贮技术：即合理的折叠封贮方法，保证飞网内部自我隔离和避免穿透、打结，并对飞网拉出网舱过程进行有效的时序控制，解决飞网缠绕等工程应用难题，保证飞网系统高可靠展开。
  • 高可靠收口技术：飞网捕获到太空垃圾后，如何达到自适应触发、高可靠收口和有效收紧锁死网口，还有一系列关键技术需要突破。
  • 对绳系复合体进行有效的离轨控制：飞网捕获系统是一个由拖船、系绳、飞网及捕获物构成的绳系复合体，在实施过程中，如何有效利用系绳张力实施目标消旋控制、复合体转向控制、拖曳离轨控制，最终将捕获的太空垃圾清除出太空“高速公路”，其涉及技术领域广泛且要求苛刻。

 

有理由相信，在不久将来，人类一定能将飞网应用拓展至太空，在清除太空垃圾、和平利用太空方面有所作为，为缓解空间轨道资源日益紧缺的现状提供有力技术支撑。