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)現了更多空間碎片，推測應是那塊太空垃圾因碰撞所產生的。那么歐空局相關任務可能遭遇哪些挑戰(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注，主要是因為歐空局已經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。當時，歐空局的織女星火箭執(zhí)行第二次衛(wèi)星發(fā)射任務后，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，結構較堅固，因此被歐空局判定為執(zhí)行空間碎片主動清除任務“極為合適”的捕獲目標。

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

機械臂有望成為航天器清理空間碎片的有效手段

這個太空機器人的系統構成比較復雜，由眾多西方航天企業(yè)負責研制：推進子系統用于驅使其精細穩(wěn)定地變軌并接近目標；先進的“神經系統”輔助規(guī)劃任務進程，直接指揮4個機械臂背后的電子設備；綜合傳感系統包括遠程雷達系統和2臺微型攝像機，不僅用于導航定位、發(fā)現目標，還能在捕獲目標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隊分析目標圖像，及時高效決策；為保障任務可靠性，太空機器人會具備復合結構及高效的熱控制系統。

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

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

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70年代，美國航天專家唐納德·凱斯勒就提出了“凱斯勒效應”，即空間碎片數量達到一定的臨界點時，就會引發(fā)在軌連鎖碰撞，進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)起成立了機構間空間碎片協調委員會，旨在協調各國航天統一行動，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注，提出了形形色色的應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構、材料及必要的防護加固手段來“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，地面團隊需要時刻關注，根據航天器與空間碎片的軌道運行趨勢，及時計算出航天器與碎片發(fā)生碰撞的概率，一旦到達預警值，就讓航天器實施規(guī)避機動。

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，有關技術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)星降軌進入大氣層燒毀，地球同步軌道衛(wèi)星升軌進入“墳墓軌道”，從而保護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險。

主動清除一般需要發(fā)射專用航天器，通過機械臂抓捕、網兜和“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的硬件或攜帶更多推進劑，代價不小，可靠性也存在隱患。根據國際準則，運營商應在航天器任務結束后25年內從低地球軌道移除航天器，但實際上僅有60%的任務運營商照此執(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)保領域的民意基礎強大，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準》。2004年，意大利、英國、法國、德國聯合簽署了《歐洲空間碎片減緩行為準則》。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行評估，還公開了未來空間可持續(xù)性目標：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有碎片；開發(fā)航天器自動防撞系統，力求不產生新的空間碎片。

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

特殊材料網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”，對具有成本效益和高可靠性的設備原型進行初始研究，希望幫助航天器在失效、失控及結束壽命時自動脫離軌道。

2018年6月，空客公司下屬薩瑞衛(wèi)星技術公司研制的空間碎片移除任務試驗衛(wèi)星在國際空間站進行部署。2018年9月～2019年3月，該任務陸續(xù)成功完成了真實太空環(huán)境下網兜捕獲立方星、空間目標運動跟蹤、“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生，重點關注近地軌道情況，促進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》綱領文件，要求到2030年，加入該綱領的國家和組織及時將壽命結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。顯然，歐空局一系列計劃有助于改善軌道空間安全狀況，同時有望促進新興商業(yè)航天產業(yè)發(fā)展，包括在軌清理、補加、維修等在軌服務。

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)紀錄地提高17%，通過了3年169億歐元預算，準備在航天領域與世界強國展開競爭。隨著“太空零碎片計劃”的提出以及“清潔太空”等任務堅持推進，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，奪取在軌服務這個航天技術制高點。（作者：于遠航）