向太空垃圾“宣战”

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导语：从人类踏入太空至今，已经产生了上亿块总重量超过8400吨的太空垃圾。根据欧洲航天局统计，目前大概有34万个直径超过10cm的各类人造废弃物及其衍生物环绕着地球；直径1cm～10cm之间的废弃物超过90万个；小于1cm的废弃物体数量则超过1.28亿个。它们环绕地球，毫无用处，那么大家知道太空垃圾有哪些危害吗？各国又是如何清理太空垃圾的呢？

太空垃圾环绕地球 图源：https://etamax.de/?lang=en

太空垃圾有哪些危害？

太空垃圾，即空间碎片，是人类空间活动的废弃物，是空间环境的主要污染源。在近地球轨道, 火箭助推器的最后部分、调压器和报废的卫星残片, 还有因为事故而爆炸的宇宙飞船的残骸碎片以及航天员丢弃或遗落的物品等都属于太空垃圾。它们与温室气体、核废料存储等问题一样，短期内对人类的影响不大，但如果长期得不到处理，会对人类社会产生巨大影响。

论其危害，主要包括以下三点。

一是撞击其他航天器。太空垃圾以每小时2万公里的速度日夜旋转，这个速度相当于客机的70～80倍，当其与航天器相撞可能会造成后者损坏：10cm以上的大碎片，撞击到航天器会直接造成航天器解体；1～10cm的中等碎片撞击到航天器会造成部分功能损失或失效并且威胁到宇航员的生命安全。据NASA报道国际空间站每年都要躲避2～3次来自太空无序碎片的攻击。

二是威胁地面安全。太空垃圾除受到来自地球的万有引力以外，还受到来自太阳、月球、地球大气层等的多种力的作用，在这些力的共同作用下某些碎片的轨道会越来越低，最后落到地面上。据统计，每年约400个空间碎片会再入大气层，其中有部分经大气层时未完全被烧毁，陨落到地面会对安全造成严重威胁。同时，大部分火箭或航天器的燃料都含有剧毒，属于有害垃圾，一旦落到地面，危害极大。

三是占据轨道空间。大量太空垃圾残留在轨道上导致航天器频轨资源短缺，当密度达到一定程度时，太空垃圾会布满近地轨道，令人类在数百年内无法进行太空探索。

太空垃圾撞击卫星 图源：https://www.163.com/dy/article/GP8GDNKT05529LJ0.html

如何应对“太空垃圾”？

应对太空垃圾主要可以从以下四个方面入手：

减缓。即在发射阶段就考虑如何减少空间碎片的产生，可以在废弃火箭体脱落时，使用残留燃料施加反向推力，以保证废弃部分很快陨落或陨落过程中能够燃烧完毕同时避免火箭体爆炸。

防护。即在航天器上加装防护罩，发生碰撞时防止碎片对航天器产生破坏。但是防护措施会增加航天器的重量，也就是增加发射成本，挤占有效载荷空间，因此航天器的防护能力一般只针对1cm以下的空间碎片。

观测预警。即根据监测数据，对整个编目中所有空间碎片两两计算相互交会的情况，对于进入危险区域的航天器实施变轨规避操作。

清除。即通过各种方法抓取空间碎片，然后将其拖入大气层烧毁。

“清洁太空-1”任务捕获Vespa概念图 图源：ClearSpace SA

清除太空垃圾，各国有何妙招？

为应对日益严峻的空间碎片问题，各国积极开展空间碎片清除技术研究。美国、欧洲和日本的空间碎片主动清除研究起步较早，已提出了各自的碎片清除方案，部分关键技术已开展在轨演示验证，但当前的发展水平距离实际应用还有差距。

“立方帆”——太空扬帆收垃圾。“立方帆”是由英国萨里空间中心研制出的一款纳米级卫星，重量约为3kg，体积为10cm×10cm×30cm。它的内部安装有一张折叠起来的聚合膜，发射到太空之后，这张膜就会张开，其可以搭载在一个500kg以下的小型飞行器上或者和其他卫星共乘一枚火箭，然后发射到地球上空700km处的近地轨道，并展开面积约为25m2的帆。

整个太空垃圾清理过程如下：首先，“立方帆”进入太空后会展开薄膜，同时装备在它身上用于侦测太空垃圾的四个小型摄像机会立即开启探测周围的太空垃圾，一旦“立方帆”侦测到身边的太空垃圾，地面人员就会发出指令开启它身上的小型动力装置，使其接近太空垃圾并将其黏住。然后，“立方帆”会携带着太空垃圾返回大气层并一同坠落。最终，两者在坠入大气层的过程中一起被烧毁。

“立方帆” 图源：刀芭豆.“立方帆”——太空扬帆收垃圾[J].科学启蒙,2017(05):2-4.

ELSA-d任务——“猫捉老鼠”式收垃圾。ELSA-d任务是日本空间初创公司Astroscale研发的最新太空技术，该技术是将两颗人造卫星组合在一起，形成对太空垃圾的抓合力，这两颗人造卫星分别是：一颗“服务卫星”，重量175公斤（主卫星）；一颗“客户卫星”，重量17公斤（子模块）。主卫星配备了邻近会合技术和磁对接装置，子模块上装有磁铁对接板，主要用于吸附太空垃圾，并与主卫星进行对接。一旦两颗部分分离，它们将在接下来的空间旅行时间里上演一场“猫捉老鼠”的宇宙游戏，ELSA-d任务将利用卫星的磁铁对接板，完成太空垃圾收集工作。

Astroscale任务概念图 图源：https://www.asfzl.net/kaoshi/5666231167.html

“壁虎抓手”——大小垃圾都能收。壁虎的脚上布满了细微的皮瓣和毛发等，这些构造使其在跟任何表面完全接触时，都能产生非常大的吸附力，使自身黏附其上。美国斯坦福大学的科学家就受壁虎启发，研发出一种仿壁虎材料，并将两块材料组合成一个抓手。

在实验室、零重力环境下的测试显示，这种“壁虎抓手”不仅能抓取并操作重达370kg的大物体，也能抓取并操作不到300g的小物体。这意味着，它能抓取不同形状、大小以及材料的太空垃圾，如太阳能电池板、飞船舱体、火箭外壳等。但为保险起见，该项技术仍在改进及测试中。

其他妙招。各国太空垃圾清除妙招以及相应的航天器远远不止上述三类，如美国的“空间工友”、“太空篱笆”、“激光扫帚”、“太空风车”、“猎户座”计划等；英国的“卫星清洁工”、“清道夫”等；日本的“太空机器人”、“太空垃圾清除卫星”等；俄罗斯的“碎片泡沫捕手”；欧航局的“清除太空计划”以及“太空渔网”+“鱼叉”的“清除残骸”方案。由此可见，世界各国都在寻找太空垃圾的清除办法，太空垃圾清除刻不容缓！

图源：琴岛,李唐.太空危机中的新商机 “疯狂”铺设卫星网，太空垃圾谁来清理？[J].世界博览,2021(05):66-69.

中国方案——“遨龙一号”

在太空垃圾清除方面，中国也从未落后。我国于2016年6月25日随“长征七号”成功发射的“遨龙一号”是一种以模拟的空间碎片为目标、验证碎片清除的关键技术、并在任务结束后进行钝化处理的空间碎片主动清理飞行器。它载有一台机械臂，模拟抓取废弃卫星和太空碎片，并具有将它们带到大气层烧毁的能力，这是中国轨道碎片清除技术研制的里程碑。事实上，“遨龙一号”也是世界上第一个主动的轨道碎片离轨清除实验项目。

稳、准、狠是抓取高速飞行的太空垃圾的必要手段。“遨龙一号”的机械臂系统充分融合了仿生学、机械、电子控制等多学科技术，具备定点停留和不断跟踪绕行目标碎片的能力，既可以让前端保持抓取的灵活性，也可以让后端尽量在抓取过程中保持大的活动空间。在成功抓取到太空垃圾后，机械臂上的传感器会分析物体的力学性质并基于此调整合适的力度，从而防止因机械臂力度过大导致太空垃圾破碎，也防止因力度较小而放走漏网之鱼。无论大小形状、碎片材质如何，这些太空垃圾都逃不出“遨龙一号”的手掌心！

“遨龙一号” 图源：百度

结语：

太空垃圾涉及的问题很复杂，丝毫不亚于地球上大气与水体污染问题。光是不断完善环境法以及道德约束还不够，人类得将环境保护意识拓宽到全宇宙，世界才能重新变得安全且洁净。稳定卫星轨道环境的唯一方法就是主动清除，我们需要开发新技术新方法，在避免产生新碎片的同时清除已有碎片，让我们一起为祖国加油！

参考资料：

[1]钢板45.致命的太空垃圾[J].现代班组,2021(06):49.

[2]梁偲.太空垃圾越来越多了，科学家怎么清理？[J].世界科学,2021(07):33-36.

[3]和平.太空垃圾与日俱增 科学家提出“怪招”清垃圾[J].今日科苑,2008(09):41-42.

[4]刀芭豆.“立方帆”——太空扬帆收垃圾[J].科学启蒙,2017(05):2-4.

[5]日本创企卫星入轨：演示测试太空垃圾清理技术[J].高科技与产业化,2021,27(04):7.

[6]https://www.sohu.com/a/127361429_161623

[7]https://www.sohu.com/a/244942209_355099