在太空“亂丟垃圾”？罰款！罰款！

2023年10月，美國聯(lián)邦通信委員會首次對空間碎片案例開出罰單，美國一家企業(yè)被要求支付15萬美元，只因它沒有將一顆到壽衛(wèi)星移入墓地軌道。隨著人類航天活動蓬勃發(fā)展，空間碎片安全問題日益突出，國際監(jiān)管逐漸嚴格，但也創(chuàng)造了新的航天市場需求。為此，各國航天力量正在摸索空間碎片清理和減緩方面的各種招數(shù)。

地球周邊密集分布的航天器與空間碎片效果圖

空間碎片威脅不容忽視

本文提到的空間碎片特指所謂“太空垃圾”，主要是人類空間活動遺留的無用人造物體及其殘骸，包括廢棄的火箭末級、衛(wèi)星及其各種組件。這些空間碎片可能源于航天器到壽報廢、意外事故以及動能攔截武器試驗等諸多人為和非人為的空間活動。

自1957年10月第一顆人造衛(wèi)星成功發(fā)射至今，據(jù)不完全統(tǒng)計，地球軌道上積累了近萬噸人造空間物體，其中僅有約5%是正常工作的航天器，其余普遍是各種各樣的空間碎片。監(jiān)測顯示，尺寸超過1厘米的空間碎片數(shù)量達到百萬等級，更小的空間碎片可能數(shù)以億計。

近年來，空間碎片數(shù)量迅速增長，原因除了人類空間活動更頻繁之外，還源于空間碎片、航天器之間碰撞情況加劇。隨著軌道物體和每年航天發(fā)射產(chǎn)生的碎片增加，碎片碰撞的概率增大，進而產(chǎn)生更多碎片，引發(fā)惡性循環(huán)。

觸目驚心的空間碎片威脅效果圖

20世紀70年代，美國宇航局科學家唐納德·凱斯勒甚至提出了“凱斯勒效應”的概念，認為當空間碎片數(shù)量達到一定的臨界點時，就會引發(fā)連鎖在軌碰撞，使航天器無法在外層空間安全運行。

一般來說，運行軌道高度在300千米以下的空間物體會在較短時間內(nèi)再入大氣層并燒毀，但軌道高度在600千米以上的空間碎片在理論上有可能存在數(shù)十年甚至數(shù)百年。它們分布并不均勻，主要聚集在衛(wèi)星密集部署的區(qū)域，即2000千米高度以下的低軌道區(qū)域、地球同步軌道和中地球軌道區(qū)域。

1993年，美國、俄羅斯、日本等多方航天機構(gòu)共同發(fā)起成立了機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會，旨在協(xié)調(diào)各國航天力量行動，共同解決空間碎片問題。2012年末，該委員會在《未來低軌道環(huán)境穩(wěn)定性》的報告中表示，低軌道的某些區(qū)域，空間碎片數(shù)量過多，已不再穩(wěn)定，碰撞產(chǎn)生的碎片數(shù)量將會超過其自然消亡的數(shù)量。

隨著大規(guī)模低軌商業(yè)星座加速部署，預計數(shù)以萬計的衛(wèi)星將在不遠的將來入軌。它們普遍部署在低地球軌道，必將顯著提升管理難度，加劇航天器碰撞風險。

瑞士再保險公司的一項研究結(jié)果表明，一顆截面積10平方米的衛(wèi)星每年與直徑大于1厘米的太空碎片碰撞的概率已超過萬分之一。美軍聯(lián)合空間操作中心平均每天會發(fā)出數(shù)十次在軌碰撞預警，每年航天器需進行100多次碰撞規(guī)避。

空間碎片的運行速度可能超過7千米/秒，動能足以對在軌航天器造成巨大威脅。按照現(xiàn)役航天器的主流防護水平，與直徑大于1厘米的空間碎片發(fā)生碰撞，就有可能導致航天器損毀。

1991年底，俄羅斯兩顆失效衛(wèi)星相撞，導致一顆一分為二，另一顆變成了大量無法跟蹤的碎片。1996年7月24日，歐空局的阿里安火箭碎片以14.8千米/秒的相對速度擊中了在軌的法國櫻桃電子偵察衛(wèi)星的重力梯度穩(wěn)定桿，使后者姿態(tài)失控。2009年2月10日，俄羅斯“宇宙-2251”衛(wèi)星與美國銥星33號衛(wèi)星以11.64千米/秒的相對速度相撞，產(chǎn)生了超過2200個可監(jiān)測編目的空間碎片，對該區(qū)域的其他66顆銥星構(gòu)成了巨大的威脅。

據(jù)悉，為了避免空間碎片“攻擊”，歐洲的斯波特系列光學成像衛(wèi)星每年至少要變軌4次。國際空間站等大型航天器每年更需要進行多次變軌機動，規(guī)避較大的空間碎片。

國際社會對于空間碎片清理與減緩的關注度與日俱增。2021年6月，在《空間碎片減緩指南》修訂版中，機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會提出了4條空間碎片減緩措施：

第一，限制航天器在軌期間產(chǎn)生碎片，如果不可行，也應盡量減少所產(chǎn)生的碎片數(shù)量、體積和在軌時間。原則上，各國不應當開展任何可能產(chǎn)生空間碎片的空間活動計劃，除非經(jīng)評估后證明其對軌道環(huán)境和其他航天器的長期影響處于可以接受的低水平。

第二，最大限度地降低航天器在軌解體的可能性，包括航天器正常運行階段和任務結(jié)束后階段，并且不進行故意破壞和其他有害活動。

第三，對到壽航天器進行離軌處置，其中，對于地球靜止軌道上的航天器，應當將其移動到墓地軌道；對于近地軌道上的航天器，應當使其墜入大氣層。

第四，盡力避免航天器發(fā)生在軌碰撞。

第五，聯(lián)合國和平利用太空委員會在《空間碎片減緩指南》的基礎上制定了《空間碎片減緩準則》，提出了7項準則，和上述建議在總體上一致。

火箭空間碎片減緩措施

一般來說，運載火箭只有火箭末級會遺留在地球軌道上，成為空間碎片。想要減緩這方面的空間碎片產(chǎn)生，航天單位需要采取一系列措施：首先，火箭末級分離有效載荷的過程中，盡可能減少空間碎片釋放；然后，有效載荷分離后，火箭末級應采取鈍化措施，以便消除其在軌解體產(chǎn)生碎片的風險；最后，火箭末級應盡可能離開運行軌道，控制其留軌時間。

火箭末級完成釋放載荷任務后有必要進行鈍化處理

所謂“鈍化”，是指火箭末級完成任務后釋放剩余推進劑，排放高壓氣體。為了確保任務成功，航天發(fā)射任務結(jié)束后，火箭末級通常殘留數(shù)百千克剩余推進劑。為了減緩空間碎片產(chǎn)生，火箭末級有必要設置在星箭分離后及時排放貯箱內(nèi)剩余推進劑和高壓氣瓶余氣的功能，從而消除在軌解體的潛在危險。

火箭末級完成任務后，鈍化過程主要是通過專用的排放管路釋放剩余推進劑。在其內(nèi)部增壓輸送系統(tǒng)中，需要為燃料和氧化劑各增設一套排放電爆活門和排放管，分別通過它們將貯箱內(nèi)的剩余推進劑排放出箭體，同時確保排放方案對火箭發(fā)射載荷入軌的工作不造成消極影響。

此外，火箭末級實施鈍化時還要分析推進劑排放所產(chǎn)生的羽流場，以便對排放方案進行優(yōu)化，盡量減小對箭體姿態(tài)的干擾，同時避免鈍化過程對衛(wèi)星等載荷造成干擾和“污染”。

為了確?；鸺A箱內(nèi)的剩余推進劑盡快排出，在星（船）箭分離后，有必要采取推進劑管理措施，使推進劑在排放過程中沉底。具體來說，推進劑管理一般采用姿控沉底發(fā)動機，形成一個慣性力場，使推進劑可靠沉底。利用剩余推進劑排放過程中產(chǎn)生的力，還可以顯著改善火箭末級的離軌效果。

所謂“離軌”，是指火箭末級完成既定飛行任務后，人為地使其撤離有效載荷所處軌道，為此進行機動飛行，屬于火箭末級留軌時間的控制方法，主要有主動離軌和被動離軌兩種。

主動離軌是任務結(jié)束后，火箭末級利用動力裝置進行軌道機動，逐漸減速并降低軌道近地點高度，離開載荷運行軌道，或者直接再入大氣層。這里的火箭末級動力裝置包括液體推進劑發(fā)動機、姿控發(fā)動機或固體火箭等。

被動離軌是任務結(jié)束后，借助外部作用力，降低火箭末級軌道，目前主要技術(shù)手段包括增阻裝置、太陽帆和軌道索等?；鸺膳渲镁哂卸啻吸c火工作能力的發(fā)動機及相應配套系統(tǒng)，在星箭（船）分離后，發(fā)動機再次點火，實施火箭末級主動離軌。

按照最新的國際趨勢，火箭末級離軌的基本要求包括：火箭末級離軌措施應不影響火箭既定飛行任務的可靠性和安全性，或經(jīng)評估后認為帶來的風險是可接受的；火箭末級離軌效果應該盡量符合聯(lián)合國空間碎片工作組編制的《空間碎片減緩指南》規(guī)定，“航天器在結(jié)束其運行任務后，在軌道空間滯留時間不得超過25年”，某些國家和組織的航天新規(guī)提出了更短的在軌滯留時間指標；火箭末級離軌過程中應確保不產(chǎn)生新的空間碎片。

衛(wèi)星空間碎片減緩措施

衛(wèi)星等載荷進入環(huán)地軌道后，主要通過4種途徑產(chǎn)生空間碎片：

一是入軌過程中產(chǎn)生的空間碎片。有的衛(wèi)星采用固體推進劑遠地點發(fā)動機，在遠地點實施變軌機動，最終進入準同步軌道，之后發(fā)動機與衛(wèi)星分離，成為空間碎片的重要來源。

二是運行過程中產(chǎn)生的操作性空間碎片。衛(wèi)星在運行過程中會丟棄廢棄物，如電線的附屬物、展開天線的壓緊機構(gòu)、遠地點助推發(fā)動機防熱罩、固體推進劑推力器的噴口蓋、有效載荷的保護罩、爆炸螺栓、彈簧、包帶等。

三是因工作壽命結(jié)束而產(chǎn)生的空間碎片，也就是服役期滿后無法及時離軌再入地球大氣層或進入墓地軌道的衛(wèi)星。

四是太空環(huán)境影響下產(chǎn)生的空間碎片。太空中，各種環(huán)境衰減因素復雜，必然對航天器產(chǎn)生消極影響，比如其表面油漆涂層脫落，就有可能變成空間碎片。

一般認為，隨著時間推移，受太陽活動和大氣阻力的影響，處于低地球軌道的空間碎片最終會再入大氣層燒毀，但高軌道的空間碎片未必會如此。因此，想要減緩衛(wèi)星等載荷的空間碎片產(chǎn)生，應從源頭入手，主要措施包括鈍化處理、主動離軌和主動清除。

鈍化處理指的是為了避免退役的衛(wèi)星等載荷在未來發(fā)生爆炸，及時采取耗盡推進劑、電池電量等措施。據(jù)不完全統(tǒng)計，已知的大約550起在軌衛(wèi)星等航天器解體事故中，因未進行鈍化處理產(chǎn)生的空間碎片數(shù)量最多。

主動離軌指的是衛(wèi)星等航天器利用推力器、氣球、光帆等手段離開工作軌道，隨后近地軌道上的衛(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，從而保護在軌航天器不受空間碎片撞擊，至少大幅降低撞擊風險。

在傳統(tǒng)上，鈍化處理和主動離軌措施都要求衛(wèi)星等航天器自身增加相應的硬件措施，或者攜帶更多推進劑，確保在壽命末期能夠進行相關操作。但限于各種因素，采取這些措施、滿足國際準則要求的衛(wèi)星并不占據(jù)絕對多數(shù)。

事實上，目前衛(wèi)星在方案設計中就要考慮空間碎片減緩要求，確保衛(wèi)星在完成任務后具備處置能力，減少釋放操作性空間碎片，具體要求主要分為3個方面。

在衛(wèi)星方案可行性論證階段，地球同步軌道衛(wèi)星開發(fā)初期就應確認潛在的空間碎片風險，采用操作性空間碎片減緩設計，滿足剩余推進劑排放、蓄電池鈍化、高壓氣瓶內(nèi)氣體排放、任務末期和任務完成后空間碎片處置要求等。

在方案設計階段，衛(wèi)星應對儲能系統(tǒng)或單機提出鈍化設計要求，涉及電源系統(tǒng)的蓄電池組、控制系統(tǒng)的飛輪系統(tǒng)和推進系統(tǒng)等；應對操作性空間碎片提出減緩產(chǎn)生要求，如可分離式輻冷罩改為展開式；應具備對推進劑和增壓氣體剩余量進行測量的手段；應考慮離軌控制所需的燃料預留，如將衛(wèi)星軌道近地點抬高200千米，需要11米/秒的速度增量。

在衛(wèi)星設計材料上，科研人員也要優(yōu)化取舍，選擇不易產(chǎn)生空間碎片的材料和工藝。比如，采用復合材料制造高壓氣瓶和貯箱，通過輻射、沖擊、溫度交變等試驗，優(yōu)選出可防止空間碎片大量產(chǎn)生的材料和工藝。

主動清除措施五花八門

有研究表明，地球軌道上近1/3的編目空間碎片是由最大的10次空間解體事件產(chǎn)生的，因此，在積極預防空間碎片產(chǎn)生的基礎上，很有必要對在軌空間碎片進行治理。如果能夠?qū)⑤^大的空間碎片移除，將會顯著改善空間環(huán)境，有效遏制“鏈式碰撞”的發(fā)生。

據(jù)不完全統(tǒng)計，在地球靜止軌道上，超過10%的退役衛(wèi)星要么仍留在原位，要么軌道抬升高度不足；在低地球軌道上，大量衛(wèi)星不具備退役后變軌機動能力，無法主動離軌。國外航天企業(yè)、科研機構(gòu)針對不同尺寸的空間碎片，提出了多種主動清除方法、策略，不僅希望提升航天器運行安全性，還希望拓展新的商業(yè)航天市場。

美國軌道服務商維維衛(wèi)星公司提出了任務擴展飛行器（英文簡稱MEV）概念，希望發(fā)射太空機器人，將退役后“擱淺”的衛(wèi)星重新定位到不同的軌道。美國系繩無限公司推出了名為“捕捉小衛(wèi)星與空間碎片并去除其自旋”（英文簡稱WRANGLER）的方案，希望借助較復雜的在軌飛行器組合體，大量捕獲退役的小型航天器，使其盡快再入大氣層。

國外研發(fā)的MEV太空機器人被設計用于拖曳退役衛(wèi)星變軌

美國系繩無限公司的WRANGLER方案概念圖

更多的美國商業(yè)航天企業(yè)提出了五花八門的空間碎片清除方案，主要技術(shù)設備包括軌道拖船方案、高機動性空間飛行器、太陽同步軌道天基紫外激光發(fā)射器等，希望將批量廢棄衛(wèi)星送到墓地軌道或熔毀。

早在2012年，歐空局就以移除失控的歐洲環(huán)境衛(wèi)星為目標，廣泛征集歐盟航天企業(yè)，開展任務論證和技術(shù)開發(fā)，初步確定的主動移除技術(shù)手段包括機械臂、“觸須”、飛網(wǎng)、離子束等。

使用飛網(wǎng)回收空間碎片概念圖

2016年，空客防務與航天公司聯(lián)合10個歐洲合作伙伴共同實施“航天器自我清除技術(shù)”項目，對具有成本效益和高可靠性的清除模塊原型進行初始研究，希望確保航天器在失效、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試驗衛(wèi)星從國際空間站上部署。同年9月至2019年3月，該衛(wèi)星陸續(xù)成功完成了利用飛網(wǎng)和“魚叉”捕獲立方星、空間目標運動跟蹤、離軌帆拖曳立方星等技術(shù)在軌驗證。

衛(wèi)星退役后可利用離軌帆主動離軌

2020年12月1日，歐空局與瑞士工業(yè)團隊簽署了價值8600萬歐元（約合6.8億人民幣）的合同，購買獨特的“清潔太空-1”任務服務：發(fā)射太空機器人，與2013年織女星火箭遺留在太空中的二級載荷適配器上半部分會合，將其捕獲，再拖帶進入地球大氣層燒毀。屆時，太空機器人將利用人工智能自主評估目標并匹配運動狀態(tài)，具體抓捕行動將在歐空局監(jiān)督下通過機械臂進行。目前，該任務正在進行推進子系統(tǒng)制造、衛(wèi)星組裝集成和測試工作，有望于2025年發(fā)射。

太空機器人機械臂捕獲空間碎片概念圖

日本航天力量在此領域也比較活躍。日本宇宙航空開發(fā)機構(gòu)與日東制網(wǎng)公司正在合作開發(fā)所謂“太空電磁網(wǎng)”，將搭載于香川大學的超小型衛(wèi)星上，開展清理空間碎片的技術(shù)試驗。此外，日本東京理化學研究所提出方案，希望在國際空間站上安裝光纖激光器，利用日本實驗艙的宇宙空間天文臺超視場望遠鏡，清理直徑1厘米的空間碎片。