批量處理太空垃圾技術(shù)需求迫切 商業(yè)化清理未來(lái)可期

相較于逐一清除垃圾碎片個(gè)體的方法，探尋批量、成片、成區(qū)域清理太空垃圾的技術(shù)需求更加緊迫。

近日，日本Astroscale公司發(fā)射的ELSA-d衛(wèi)星成功進(jìn)入550公里近地軌道，它由175千克的衛(wèi)星主體和17千克的靶標(biāo)兩部分組成。衛(wèi)星主體上配備有磁對(duì)接系統(tǒng)，將在太空中釋放靶標(biāo)并進(jìn)行捕捉，以此模擬太空垃圾的回收。

相關(guān)報(bào)道介紹，靶標(biāo)將被釋放3次。在最后一次實(shí)驗(yàn)中衛(wèi)星主體將在大范圍內(nèi)搜索靶標(biāo)，飛行至同步旋轉(zhuǎn)狀態(tài)后對(duì)其進(jìn)行捕捉。如果實(shí)驗(yàn)成功，將來(lái)有可能在衛(wèi)星上推廣磁對(duì)接系統(tǒng)，以便清理太空垃圾，保護(hù)空間軌道安全。

通過(guò)磁力捕捉回收太空垃圾是否可行?4月18日，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)平勁松研究員。

磁力對(duì)接不失為一種有益嘗試

通常情況下，兩個(gè)空間飛行器在飛行軌道上交叉會(huì)合，進(jìn)而受控連接成為一個(gè)整體，這項(xiàng)技術(shù)多用于航天飛機(jī)、空間站模塊、載人載貨地—空運(yùn)輸轉(zhuǎn)移空間艙之間的各類對(duì)接拼接業(yè)務(wù)。平勁松在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)嫦娥五號(hào)探測(cè)器采樣返回任務(wù)中對(duì)接上升艙和返回艙體時(shí)得到完美應(yīng)用。作為一種基本的航天飛控技術(shù)，將其用于空間抓捕——兩個(gè)飛行物體一方受控一方自由飛行，在二者非常接近時(shí)受控物體對(duì)自由飛行物體實(shí)施物理捕獲——是一種有效的應(yīng)用拓展。

對(duì)接捕獲的方式各不相同，一個(gè)通用的方式是在密接的逼近和抓捕階段，通過(guò)適用于近距離導(dǎo)航測(cè)量的光學(xué)成像敏感器或者激光雷達(dá)誘導(dǎo)方式逐步抵近或接觸目標(biāo)，進(jìn)而拋物抓捕。拋出的抓捕端可以是剛性錨或鏈錨、柔性繩網(wǎng)、伸展機(jī)械臂等。而此次日本Astroscale公司采取的磁對(duì)接方法則是一種另類的拋物抓捕“技術(shù)練習(xí)”。平勁松表示，衛(wèi)星主體上帶有光學(xué)標(biāo)記的鐵磁對(duì)接板可以對(duì)靶標(biāo)實(shí)施抓捕，并且可以多次釋放、抓捕靶標(biāo)，以提升技術(shù)水平。

平勁松強(qiáng)調(diào)，這次也同時(shí)驗(yàn)證了鐵磁對(duì)接板在空間吸附微小碎片的能力，可以針對(duì)含有鐵、鎳等可磁化物質(zhì)的空間碎片使用該方法。

批量處理太空垃圾的技術(shù)需求迫切

廢棄的衛(wèi)星和不受控空間金屬碎片是太空垃圾的主要“家族成員”。它們運(yùn)動(dòng)速度快、沖擊力強(qiáng)，極可能撞上甚至撞毀在軌衛(wèi)星、火箭、宇宙空間站，對(duì)人類的太空活動(dòng)構(gòu)成了極大威脅。

特別是近年來(lái)不斷新增的低軌道導(dǎo)航通信增強(qiáng)星座，以近10%的短期快速失效率淘汰衛(wèi)星設(shè)備，進(jìn)一步增加了太空垃圾的數(shù)量。因此，采取低成本、有效方式清理太空垃圾，是未來(lái)人類空間活動(dòng)的必要過(guò)程。

Astroscale公司將要進(jìn)行的第三次捕捉，是主體衛(wèi)星進(jìn)行的一次真實(shí)抓捕操作的全過(guò)程模擬演練——主體衛(wèi)星模擬了遠(yuǎn)距離搜索碎片，并對(duì)目標(biāo)碎片進(jìn)行主動(dòng)定位和抵近交會(huì)，最后予以捕獲。

平勁松對(duì)此波操作給出的評(píng)價(jià)是，這種方法在控制自身規(guī)避被碎片直接撞擊的風(fēng)險(xiǎn)前提下對(duì)目標(biāo)垃圾碎片進(jìn)行捕捉，是一種比較靠譜的手段。原因在于，對(duì)于使用磁鐵吸附捕獲的碎片，捕獲成功后可以通過(guò)主體變軌墜入大氣進(jìn)行銷毀。“相較于逐一清除垃圾碎片個(gè)體的方法，探尋批量、成片、成區(qū)域清理太空垃圾的技術(shù)需求更加緊迫。”平勁松補(bǔ)充說(shuō)。

太空垃圾商業(yè)化清理未來(lái)可期

Astroscale公司的這次大膽嘗試，正式開(kāi)啟了太空垃圾清理的商業(yè)化大門(mén)。

伴隨著商業(yè)航天和商業(yè)衛(wèi)星技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)今擁有一顆衛(wèi)星的技術(shù)門(mén)檻越來(lái)越低。平勁松表示，在相關(guān)政府和大型航天機(jī)構(gòu)買(mǎi)單的前提下，類似Astroscale公司這樣，以清理太空垃圾為主營(yíng)業(yè)務(wù)的商業(yè)公司必將以低費(fèi)效比的模式贏得商機(jī)，并且把這項(xiàng)業(yè)務(wù)逐步發(fā)展為太空產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要分支。

為此，人們有理由期待下一個(gè)典型的太空垃圾清理業(yè)務(wù)——歐空局采購(gòu)的“清潔太空一號(hào)”商業(yè)衛(wèi)星將于2025年清理2013年發(fā)射升空的“維斯帕”航天器的上面級(jí)。

按照計(jì)劃，“清潔太空一號(hào)”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(jìn)行一系列的測(cè)試。當(dāng)衛(wèi)星的狀態(tài)確認(rèn)正常后，將會(huì)逐步調(diào)高軌道，開(kāi)始進(jìn)行捕捉“維斯帕”航天器上面級(jí)的工作。

平勁松介紹，在此過(guò)程中，衛(wèi)星將以自動(dòng)化的方式完成大部分工作，但在一些關(guān)鍵的狀態(tài)點(diǎn)，仍然需要人工介入，確認(rèn)能否繼續(xù)。成功捕獲目標(biāo)后，“清潔太空一號(hào)”將會(huì)和太空垃圾一起進(jìn)入破壞性軌道，通過(guò)與大氣層相互作用的方式燃燒殆盡。

“清潔太空一號(hào)”捕捉“維斯帕”航天器上面級(jí)的方式就像“吃豆人”。平勁松表示，它裝備有4個(gè)機(jī)械臂，當(dāng)靠近目標(biāo)時(shí)，張開(kāi)的機(jī)械臂向中央合抱，完成捕獲過(guò)程。因“維斯帕”航天器上面級(jí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有很大的不確定性和隨機(jī)性，因此“清潔太空一號(hào)”必須利用基于視覺(jué)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。

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人類為減少太空垃圾操碎了心

此前，人類處理太空垃圾的常用手段有很多，早期的無(wú)奈之舉是棄之不用，任其長(zhǎng)期存在于軌道飛行。也就是把即將失效的地球同步軌道衛(wèi)星移入更高的“墳?zāi)管壍?rdquo;，通過(guò)關(guān)閉或自毀衛(wèi)星的工作功能，拋棄地球同步軌道衛(wèi)星。

針對(duì)低軌道的衛(wèi)星，人們則采用主動(dòng)、半主動(dòng)和被動(dòng)方式進(jìn)一步降低衛(wèi)星運(yùn)行軌道。在大氣阻尼作用下軌道高度衰減，衛(wèi)星墜入大氣銷毀。這類操作的典型事例包括載人空間站任務(wù)結(jié)束后的處置，以及繞月球和深空探測(cè)器任務(wù)結(jié)束后的受控硬“著陸”等。

平勁松告訴科技日?qǐng)?bào)記者，隨著太空垃圾增多，多國(guó)國(guó)營(yíng)和商業(yè)航天公司在嘗試新方法清理太空垃圾。日本的國(guó)際空間站貨運(yùn)飛船，嘗試了釋放金屬導(dǎo)索吸附微小太空垃圾，通過(guò)放電讓吸附的垃圾減速并降低高度，進(jìn)而墜入大氣層燒毀。

針對(duì)不受控的小型空間垃圾碎片，多國(guó)航天公司主張使用吸附、抓捕、網(wǎng)捕的提議和嘗試較多，其中一個(gè)提議是使用“太空魚(yú)叉”將其擊碎，碎片的一部分會(huì)墜入大氣，另一部分就按照小型垃圾碎片處理。(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員 平勁松)

記者 何 亮

關(guān)鍵詞： 太空垃圾 商業(yè)化 清理