太空垃圾欲清理卻更多，怎么辦？

近日，歐空局發(fā)布消息稱，原計劃在2026年發(fā)射空間碎片主動移除飛行器，前往太空清理一塊太空垃圾，卻意外地在其附近發(fā)現(xiàn)了更多空間碎片，推測應(yīng)是那塊太空垃圾因碰撞所產(chǎn)生的。那么歐空局相關(guān)任務(wù)可能遭遇哪些挑戰(zhàn)？清除太空垃圾、減緩空間碎片增長面臨著怎樣的形勢？這又體現(xiàn)著歐空局怎樣的考量呢？

未“出師”遭遇意外

此次空間碎片意外增加事件之所以引起歐空局關(guān)注，主要是因為歐空局已經(jīng)在那塊太空垃圾上打了很多年的主意。

那塊太空垃圾誕生于2013年。當(dāng)時，歐空局的織女星火箭執(zhí)行第二次衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)后，在軌道上遺留了一個衛(wèi)星支架，也是織女星火箭的有效載荷適配器的上半部分，整體呈圓錐形，直徑約2.1米，高約1.3米，質(zhì)量112公斤左右。目前，該支架大致位于800公里×660公里高度的地球軌道上，形狀相對簡單，結(jié)構(gòu)較堅固，因此被歐空局判定為執(zhí)行空間碎片主動清除任務(wù)“極為合適”的捕獲目標(biāo)。

2020年12月，歐空局與瑞士清潔太空公司的工業(yè)團(tuán)隊簽署了價值8600萬歐元的合同，采購了獨(dú)特的“清潔太空-1”服務(wù)。簡單地說，該任務(wù)將發(fā)射太空機(jī)器人，接近那個衛(wèi)星支架，利用4個機(jī)械臂將其捕獲，再拖帶進(jìn)入地球大氣層燒毀。在此過程中，太空機(jī)器人將借助人工智能來自主評估目標(biāo)狀況并匹配運(yùn)動。此次捕獲則將在歐空局監(jiān)督下進(jìn)行。

機(jī)械臂有望成為航天器清理空間碎片的有效手段

這個太空機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，由眾多西方航天企業(yè)負(fù)責(zé)研制：推進(jìn)子系統(tǒng)用于驅(qū)使其精細(xì)穩(wěn)定地變軌并接近目標(biāo)；先進(jìn)的“神經(jīng)系統(tǒng)”輔助規(guī)劃任務(wù)進(jìn)程，直接指揮4個機(jī)械臂背后的電子設(shè)備；綜合傳感系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程雷達(dá)系統(tǒng)和2臺微型攝像機(jī)，不僅用于導(dǎo)航定位、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，還能在捕獲目標(biāo)操作期間提供必要的視覺輔助；處理器面板幫助人工智能和后方團(tuán)隊分析目標(biāo)圖像，及時高效決策；為保障任務(wù)可靠性，太空機(jī)器人會具備復(fù)合結(jié)構(gòu)及高效的熱控制系統(tǒng)。

可以說，這將是航天史上第一次通過精確、復(fù)雜的近距離操作從軌道上移除太空垃圾的任務(wù)。后續(xù)，歐空局希望實現(xiàn)更復(fù)雜、更宏大的主動清除太空垃圾目標(biāo)，不斷提高任務(wù)難度，最終實現(xiàn)單次發(fā)射清除多個目標(biāo)。

按歐空局估計，最近這次空間碎片意外碰撞導(dǎo)致小部分衛(wèi)星支架硬件損失，不會對“清潔太空-1”任務(wù)的實施產(chǎn)生重大影響。但考慮到任務(wù)的前提是目標(biāo)硬件完好無損，因此歐空局正在進(jìn)行至少持續(xù)數(shù)周的評估，以便確定下一步應(yīng)對措施。

換個角度來看，這次意外更加凸顯了空間碎片碰撞“增殖”的危險前景。早在20世紀(jì)70年代，美國航天專家唐納德·凱斯勒就提出了“凱斯勒效應(yīng)”，即空間碎片數(shù)量達(dá)到一定的臨界點(diǎn)時，就會引發(fā)在軌連鎖碰撞，進(jìn)而超出人類的控制能力，最終很可能造成地球周圍空間充滿碎片，人類再也無法安全利用。

主動清除需求更迫切

由于空間碎片問題具有國際性，1993年美、俄、日等多方共同發(fā)起成立了機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會，旨在協(xié)調(diào)各國航天統(tǒng)一行動，共同解決空間碎片問題。此后，各國對于空間碎片問題日益關(guān)注，提出了形形色色的應(yīng)對空間碎片威脅的解決方案。

太空垃圾近年迅速增加

一方面是采取航天器自身防護(hù)措施，主要包括3種情況：對于小于1厘米的空間碎片，衛(wèi)星等航天器可以依靠結(jié)構(gòu)、材料及必要的防護(hù)加固手段來“硬扛”；對于1～10厘米大小的空間碎片，各國解決思路存在分歧；對于10厘米以上的較大碎片，地面團(tuán)隊需要時刻關(guān)注，根據(jù)航天器與空間碎片的軌道運(yùn)行趨勢，及時計算出航天器與碎片發(fā)生碰撞的概率，一旦到達(dá)預(yù)警值，就讓航天器實施規(guī)避機(jī)動。

另一方面則是希望從源頭上解決空間碎片問題，主動改善空間環(huán)境。初步分析，有關(guān)技術(shù)措施主要包括鈍化處理、主動離軌和主動清除3類。

鈍化處理指的是為了避免退役航天器在未來發(fā)生爆炸，提前耗盡其推進(jìn)劑、電池電量等。要知道，長期以來，平均每年發(fā)生超過12起在軌航天器解體事故，而在已知的約550起此類事故中，未鈍化航天器解體產(chǎn)生的碎片最多。

主動離軌指的是航天器利用自身攜帶的推力器、氣球、光帆等，離開工作軌道，近地軌道衛(wèi)星降軌進(jìn)入大氣層燒毀，地球同步軌道衛(wèi)星升軌進(jìn)入“墳?zāi)管壍馈?，從而保護(hù)正常工作的航天器不受碎片撞擊，至少大幅降低意外撞擊風(fēng)險。

主動清除一般需要發(fā)射專用航天器，通過機(jī)械臂抓捕、網(wǎng)兜和“魚叉”捕捉等方式捕獲較大的空間碎片，然后專用航天器啟動動力，將空間碎片帶離軌道。

不難看出，鈍化處理和主動離軌措施都需要航天器增加相應(yīng)的硬件或攜帶更多推進(jìn)劑，代價不小，可靠性也存在隱患。根據(jù)國際準(zhǔn)則，運(yùn)營商應(yīng)在航天器任務(wù)結(jié)束后25年內(nèi)從低地球軌道移除航天器，但實際上僅有60%的任務(wù)運(yùn)營商照此執(zhí)行。因此，主動清除就成為清理大量空間碎片的有效手段。

歐空局欲“執(zhí)牛耳”

歐盟在環(huán)保領(lǐng)域的民意基礎(chǔ)強(qiáng)大，因此清除空間碎片很早就獲得了廣泛支持。2002年，多方發(fā)布了《空間碎片減緩指南》，歐空局同步發(fā)布了《歐洲空間碎片安全與消除標(biāo)準(zhǔn)》。2004年，意大利、英國、法國、德國聯(lián)合簽署了《歐洲空間碎片減緩行為準(zhǔn)則》。2014年，歐空局頒布了空間碎片減緩政策行政指令。2015年，歐空局發(fā)布了空間碎片減緩合規(guī)核查準(zhǔn)則，提供了具體的核查方法和空間碎片減緩措施。

近年來，歐空局每年定期發(fā)布太空環(huán)境報告，對全球太空行為給太空環(huán)境造成的影響以及國際空間碎片減緩措施的成效進(jìn)行評估，還公開了未來空間可持續(xù)性目標(biāo)：到2030年，擁有一支能夠抵御空間碎片威脅的航天器“艦隊”；具有監(jiān)測和安全管理“空間交通”的能力，包括清理或處置軌道上的現(xiàn)有碎片；開發(fā)航天器自動防撞系統(tǒng)，力求不產(chǎn)生新的空間碎片。

具體來看，2012年歐空局以移除失控的環(huán)境衛(wèi)星為目標(biāo)，召集歐盟衛(wèi)星制造商，開展清除太空垃圾任務(wù)論證和技術(shù)開發(fā)，考慮的主動清除技術(shù)包括機(jī)械臂、“觸須”、飛網(wǎng)、離子束等。

特殊材料網(wǎng)兜捕獲空間碎片想象圖

自2016年起，空客公司與諸多歐洲伙伴共同研究“航天器自我清除技術(shù)”，對具有成本效益和高可靠性的設(shè)備原型進(jìn)行初始研究，希望幫助航天器在失效、失控及結(jié)束壽命時自動脫離軌道。

2018年6月，空客公司下屬薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司研制的空間碎片移除任務(wù)試驗衛(wèi)星在國際空間站進(jìn)行部署。2018年9月～2019年3月，該任務(wù)陸續(xù)成功完成了真實太空環(huán)境下網(wǎng)兜捕獲立方星、空間目標(biāo)運(yùn)動跟蹤、“魚叉”捕獲、拖曳帆離軌等4項試驗。

在今年6月舉行的巴黎航展期間，歐空局局長與歐盟多家航天企業(yè)高管表示，將共同制定“太空零碎片計劃”，爭取減緩空間碎片產(chǎn)生，重點(diǎn)關(guān)注近地軌道情況，促進(jìn)太空活動的安全性和長期可持續(xù)性。

歐空局今年計劃召開一系列研討會，在年底完成起草《零碎片憲章》綱領(lǐng)文件，要求到2030年，加入該綱領(lǐng)的國家和組織及時將壽命結(jié)束的航天器報廢離軌，或者向航天企業(yè)購買空間碎片主動清除服務(wù)。顯然，歐空局一系列計劃有助于改善軌道空間安全狀況，同時有望促進(jìn)新興商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展，包括在軌清理、補(bǔ)加、維修等在軌服務(wù)。

回顧2022年11月，歐空局22個成員國在巴黎舉行會議，將太空項目開支創(chuàng)紀(jì)錄地提高17%，通過了3年169億歐元預(yù)算，準(zhǔn)備在航天領(lǐng)域與世界強(qiáng)國展開競爭。隨著“太空零碎片計劃”的提出以及“清潔太空”等任務(wù)堅持推進(jìn)，歐空局顯然希望借助空間環(huán)境治理的“大義名分”，為歐盟航天企業(yè)開辟新市場，奪取在軌服務(wù)這個航天技術(shù)制高點(diǎn)。（作者：于遠(yuǎn)航）