太空垃圾日益增多，我們該如何應對？（下）

在《太空垃圾日益增多，我們該如何應對（上）》中，我們主要了解了太空垃圾的來源及危害，那么我們該如何應對和預防太空垃圾呢？實際上各國的科學家都想了許多辦法來應對。

預防為主是最佳的辦法

當在近地軌道的太空垃圾數(shù)量超過一定程度后，容易發(fā)生類似多米諾骨牌一樣的碰撞事件，形成惡性循環(huán)，導致太空垃圾多到無法跟蹤，這種現(xiàn)象叫凱斯勒綜合征。

為此，需要采取太空碎片減緩措施，如建立跟蹤預警機制、限制新碎片的產(chǎn)生、主動移除軌道上的碎片、加強國際立法等。

目前，對付太空垃圾最有效的方法是盡量減少其產(chǎn)生數(shù)量，主要方案如下：

一是減少發(fā)射與飛行任務無關的物體，并采用類似乘公交車的方式對航天器進行共享，這樣既可減少重復發(fā)射且少花錢，又能降低產(chǎn)生太空垃圾的概率。

二是要改進太空飛行器的設計，防止它們在軌解體。

三是調整失效航天器的軌道，使其離軌。

四是經(jīng)常監(jiān)測在軌出現(xiàn)故障的航天器，因為它們可能導致大量碎片的產(chǎn)生。

航天器碰撞碎裂是產(chǎn)生大量太空垃圾的源頭，減少碰撞碎裂的有效措施包括改進航天器的設計、選擇撞擊概率低的軌道等。

預防太空垃圾產(chǎn)生的方法具體辦法有消能、系留、垃圾軌道和重復使用等。

所謂“消能”就是消除一切可能使火箭末級或航天器在軌道上發(fā)生爆炸的能源。其措施包括將工作完畢的運載火箭末級中的剩余推進劑和高壓氣體耗盡或排空，將末級或航天器內電池的電路永久性切斷，這些措施也叫鈍化處理。例如，我國長征4號B的末級火箭就曾通過排放系統(tǒng)，在星箭分離之后實行“三放光”政策，即把儲箱里的液體放光，把氣瓶里的氣體放光，把電池的能量放光。這樣，除非與別的航天器相撞，火箭自身是不會爆炸的。

另外，有的國家計劃將近地球軌道結束任務后的離軌期限從25年縮短到5年，這要求航天器設計時須考慮便于抓取和離軌，并制定優(yōu)先清除軌道碎片清單。

利用系繩的辦法清理垃圾

“系留”是指將航天器在發(fā)射和工作中產(chǎn)生的拋棄物系留在航天器上，如鏡頭蓋、緊固件等。比如，可以把探測器罩連接在主體件上。不過，該方法目前還不普及。

“垃圾軌道”是指在航天器工作壽命行將結束之前，利用剩余燃料將航天器推到一條規(guī)定的、專用于“埋葬”壽終航天器的軌道。地球靜止衛(wèi)星退役后的垃圾軌道一般是比地球靜止軌道高300～400千米的軌道。此法不足之處是要消耗衛(wèi)星燃料，影響衛(wèi)星壽命。所以，可以考慮用星上電推進系統(tǒng)來推動它進入垃圾軌道。

空間專家們還在研究運載火箭和某些航天器的重復使用問題。美國已成功發(fā)射了獵鷹9號、“獵鷹重型”可部分重復使用火箭和“貨運龍”“載人龍”可部分重復使用飛船，并正在研制可重復使用的“星艦”重型火箭和飛船等；中外研究人員還在使用或正在研究可以在軌維修衛(wèi)星、在軌加注燃料等技術，以減少廢舊航天器的數(shù)量，并延長航天器的壽命。

我國空間站是世界第一個航天器“母港”，可以在軌維修共軌飛行的其它航天器。例如，我國將發(fā)射與“天宮”空間站共軌飛行的“巡天”空間望遠鏡，它在長時間飛行以后，可根據(jù)需要飛往空間站，與“天宮”交會對接，由航天員對其開展推進劑補加、設備維護和載荷設備升級等活動，然后分離，飛回原來的運行軌道繼續(xù)工作。

減少太空垃圾還離不開相關太空法律和法規(guī)的制定。近年，小衛(wèi)星的飛速發(fā)展，使空間飛行物的數(shù)量猛增。尤其是不少衛(wèi)星功能較低，壽命很短，會造成大量的太空垃圾。

所以，小衛(wèi)星立法已成為當前國際外空領域關注的熱點問題，有關國際機構正在研究針對小衛(wèi)星管理的空間交通管理規(guī)則。由于小衛(wèi)星質量小、成本低、數(shù)量多，對太空環(huán)境的影響巨大，所以應該遵從更嚴格的太空碎片減緩要求。實施空間交通管理將是解決小衛(wèi)星在軌運行安全的最根本途徑。

怎樣對付已有太空垃圾

當今，人類可以對大于10厘米的太空垃圾進行監(jiān)測，從而在它將與正常工作的航天器發(fā)生碰撞前通過機動正常工作的航天器來“躲避”。對于1毫米～1厘米的太空垃圾，雖然現(xiàn)在還無法監(jiān)測到，但能通過航天器自身殼體來“抗擊”。最危險的是1～10厘米的太空垃圾，既無法通過監(jiān)測來“躲避”，也難以用自身殼體“抗擊”它的猛烈碰撞。

要使太空垃圾的積余總數(shù)下降，最終清除已積存的太空垃圾，無論是近期內還是較長時間內都難以實現(xiàn)。目前對付已存在的太空垃圾最實用的辦法就是“躲”，空間站經(jīng)常通過變軌，來躲避有可能相撞的太空垃圾。2021年中國空間站也曾為躲避美國“星鏈”衛(wèi)星，進行過兩次緊急變軌。

美國“天基太空監(jiān)視”系統(tǒng)衛(wèi)星在軌飛行示意圖

“躲避”的前提是要對太空垃圾進行精確的監(jiān)測和軌道計算，為航天器提前預警。對太空飛行物的地基監(jiān)測一般分雷達監(jiān)測和光學監(jiān)測兩種，其中雷達主要監(jiān)測低軌道飛行物，光學主要監(jiān)測高軌道飛行物。

近年來，美國還發(fā)射了“天基太空監(jiān)視系統(tǒng)”衛(wèi)星，它能不受任何阻礙連續(xù)監(jiān)測地球軌道上的所有飛行物。德國擬采用激光精確測距與被動光學跟蹤相結合的方法，利用望遠鏡確定太空垃圾的角坐標，同時運用激光測距技術確定太空垃圾的距離，進而計算出太空垃圾的位置。我國紫金山天文臺早在2005年就開始用光學望遠鏡對太空飛行物進行監(jiān)測。

此外，航天器還可采用多種“抗”的防護方式。比如，調整易損組件的位置，采用屏蔽防護法加固外表。所有航天器都可采用屏蔽防護結構對付0.1～1厘米的碎片，但要對付1～10厘米的碎片需通過特殊設計來實現(xiàn)。這種方法的不足是會使航天器的制造和發(fā)射成本增加，所以航天器的“防彈衣”要采用既結實、又輕便的新型材料。

“國際空間站”航天員通過太空行走在站外的要害部位安裝了數(shù)個鋁制遮蔽罩。我國天宮1號目標飛行器、天宮2號空間實驗室的實驗艙體外也裝有特殊的防護裝置。

我國神舟十八號、十九號乘組也已經(jīng)或將要為空間站安裝碎片防護裝置，它能抵御數(shù)量眾多、個頭不足1厘米、很難被監(jiān)測到的微小碎片。碎片防護裝置采用特殊材料制作而成，能吸收能量和減輕對空間站造成的損傷。

進行太空行走的航天員主要靠航天服來防護，當然，最好不要在有碎片的區(qū)域出艙。對于10厘米以上的碎片，由于重量和體積所限，防護這一尺寸的碎片是不現(xiàn)實的。在已知精確軌道參數(shù)的情況下，只能夠采用軌道機動的方法進行碰撞規(guī)避。

天宮1號、2號前面的密封實驗艙側壁裝有特殊的防護板，相當于給它穿防彈衣。自身有2～3毫米厚的金屬外衣。萬一出現(xiàn)5毫米的漏孔，天宮1號、2號可維持艙壓不小于70千帕約80分鐘，從而使航天員有逃生的時間。

正在研究多種新的招數(shù)

目前，世界多個國家正在積極研究多種治理太空垃圾的新方法，包括收集、燒毀和脫軌太空垃圾等。

歐洲航天局將于2025年啟動世界第一個在軌移除太空垃圾的任務，即發(fā)射太空清潔1號航天器，用它在軌試驗移除太空垃圾的技術。這種特殊的航天器是一種新型四臂垃圾收集機器人。在其體外裝有一個網(wǎng)狀或機器觸角狀的特殊設備，可抓住太空垃圾并抱緊。

太空清潔1號示意圖

太空清潔1號的重量不到400千克，具備“高度自主性”由特殊的金屬材料制成，所以本身不會因太空垃圾的撞擊而無法履職。按計劃，太空清潔1號將首先被送入500千米高的軌道進行調測，然后它變軌進入600多千米高的軌道，捕獲在那里的“織女星二次有效載荷適配器”，最終將把這塊模擬太空垃圾拖入大氣層燒毀。如果上述試驗獲得成功，將為未來在軌移除太空垃圾任務鋪平道路。

日本正在研究電動系鏈系統(tǒng)移除技術。它適合移除大型太空垃圾，裝在貨運飛船上。一旦貨運飛船上的系鏈系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)太空垃圾，它可依靠導航衛(wèi)星逐漸靠近太空垃圾，在距離足夠近時，使用光學攝像機來配合抓取太空垃圾。

但有專家認為該技術難度較大，成本也不低，且效率不高。另據(jù)2024年7月22日報道，日本Astroscale公司將在2026年使用ELSA-M太空拖船移除一顆已失效的“一網(wǎng)”低軌寬帶衛(wèi)星。ELSA-M將在完成任務后的5年內再入大氣層燒毀。

2016年6月25日，我國在長征7號首次發(fā)射時，將遨龍1號試驗載荷送入軌道，首次在世界上進行了太空垃圾的主動離軌試驗。它以模擬太空垃圾為目標，用其上的一臺機械臂模擬抓取模擬太空垃圾，并具有將它帶到大氣層燒毀的能力，從而驗證了清除太空垃圾關鍵技術。未來我國還將在空間環(huán)境治理機器人等領域開展技術攻關。

上述都是采用交會捕捉移除技術來抓捕太空垃圾，然后將它們拖入地球大氣層燃燒和分解。這種方法技術成熟、可靠，但成本比較高。

為此，一些科研人員也提出了其他的太空垃圾處理方法。比如“燒毀法”，即用大功率激光照射太空垃圾，使其粉碎成微粒后從軌道上迅速衰落。對于小的垃圾，用強激光可將其燒毀氣化。但這種方法容易引起太空戰(zhàn)爭。

還有“脫軌法”，就是讓太空垃圾脫離原來的運行軌道，或者直接下降進入大氣層燒毀；或者轉移到一條短壽命(25年以下)的軌道上去。除可用航天器自身的推進系統(tǒng)變軌外，還可啟動航天器上用于增加大氣阻力的裝置，如大面積帆板或充氣傘，從而降低航天器的速度，脫離運行軌道，最后再入大氣層燒毀。

這種方法適用于處理600～700千米以下軌道上的太空垃圾，比較簡單，不要求控制姿態(tài)。當太空垃圾在1200千米以上時，大氣阻力已不存在，這時可用太陽光壓的方法使其脫離軌道。

脫軌是使太空垃圾脫離原來的運行軌道，或者直接下降進入大氣層燒毀；或者轉移到一條短壽命（25年以下）的軌道上去。除可用航天器自身的推進系統(tǒng)變軌外，還可啟動航天器上用于增加大氣阻力的裝置，如大面積帆板或充氣傘，從而降低航天器的速度，脫離運行軌道，最后再入大氣層燒毀。

這種方法適用于處理600～700千米以下軌道上的太空垃圾，比較簡單，不要求控制姿態(tài)。當太空垃圾在1200千米以上時，大氣阻力已不存在，這時可用太陽光壓的方法使其脫離軌道。

也能用激光主動移除技術，即用高能脈沖激光束照射太空垃圾表面，使其產(chǎn)生等離子體并向外噴出。外噴的等離子體會對太空垃圾產(chǎn)生反向作用力，導致太空垃圾速度降低。此技術滿足主動移除太空垃圾技術的各項要求，因此前景廣闊，現(xiàn)正進行關鍵技術攻關。

還可采用噴射移除技術。它是向太空垃圾噴射氣體、液體、離子束等，以增加太空垃圾的飛行阻力，從而減小太空垃圾的飛行速度。該技術可控性較差。

另有一些減少太空垃圾的其他處理辦法。比如，用泡沫金屬制造的航天器，使它在重返大氣時能迅速徹底燃燒化成氣體；研制輕質量、便宜的陶瓷材料和高分子材料，將其加在宇宙飛行器外表上制成的盾牌，抵擋小垃圾的撞擊。

2024年11月4日，日本研制的世界首顆木殼人造衛(wèi)星升空，當它退役重新進入大氣層時，木質材料會燃燒殆盡，而目前的金屬殼衛(wèi)星退役返回地球時會產(chǎn)生對環(huán)境和通信產(chǎn)生負面影響的金屬顆粒。

對付太空垃圾的設想舉不勝舉，但都要求不能產(chǎn)生更多的太空垃圾，成本要比較低。目前，上述技術大部分還停留在“紙上談兵”階段，需要較長時間的深入探索、不斷試驗。

總之，對付太空垃圾是一項多學科的綜合性長期工作，需要各國都予以重視并開展廣泛的國際合作，從而群策群力地來保護好人類共有的太空環(huán)境。

作者：龐之浩

全國空間探測首席科學傳播專家

責編：董小嫻

審核：劉鯤 李培元