打掃太空

李忠東

這里有一個驚人的數(shù)據(jù)——從1957年人類第一顆人造衛(wèi)星進入太空起，世界各國現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)射了5000多個衛(wèi)星、火箭和探測器等航天器。隨著航天活動的日益頻繁，地球軌道上的太空垃圾也越積越多。

太空垃圾泛濫成災(zāi)

太空垃圾大小各異，有的是一整個失控的衛(wèi)星，有的則是航天器發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的碎片。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前各類太空碎片已經(jīng)超過了4000萬個，它們無時無刻不在威脅著航天任務(wù)的安全。

如今，碎片的數(shù)量正以每年2%～5%的速度遞增。按照這個速度計算，如果我們對其不加以清理，那么近地軌道在300年后就可能被太空垃圾填滿。

太空垃圾的來源非常廣泛。例如，完成任務(wù)后的運載火箭和衛(wèi)星等航天器，有的會很快進入大氣層燒毀，有的則會長時間停留在軌道上。再如，載人航天活動留下的攝像機、工具、航天服手套等。

人類僅用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)能觀測到的太空碎片，每年大約就會凈增200個，它們主要集中在地球同步軌道、半同步軌道高度區(qū)域和2000千米以下的高度區(qū)域。

太空垃圾的數(shù)量與航天發(fā)射的頻率成正比，發(fā)射次數(shù)越多，火箭助推器和“退休”衛(wèi)星落下的垃圾也就越多。以2001年為例，在隕落的太空垃圾中，屬于俄羅斯的超過120噸，屬于美國的將近30噸。

小垃圾的大危害

為了了解太空垃圾的影響，同時研究它們對航天器的危害，“挑戰(zhàn)者號”航天飛機（HMS Challenger）曾在1984年4月，將一個圓柱形的“長期暴露裝置”釋放到近地軌道。該裝置在69個月后被回收，科研人員僅憑肉眼檢查，就在它表面發(fā)現(xiàn)了3.2萬多個撞擊凹痕（其中最大的直徑為0.5厘米），這相當(dāng)于每天被撞擊15次，平均每繞地球一周就被撞擊一次。

太空垃圾的體積通常不大，但它們都以每秒6～7千米的速度運行。由于相對速度很大，極小的一塊太空垃圾都足以給人造衛(wèi)星或者載人飛船造成巨大損傷。一塊10克重的太空垃圾與人造衛(wèi)星相撞產(chǎn)生的能量，相當(dāng)于兩輛轎車分別以100千米的時速迎面相撞產(chǎn)生的能量，這足以將衛(wèi)星瞬間打穿或擊毀。如果它們和載人飛船相撞，后果更是不堪設(shè)想。

此外，如果進入大氣層的大塊太空垃圾不能被徹底燒毀，同樣也會傷及人類。2007年7月，國際空間站宇航員克萊頓·安德森在太空行走期間，將一個635千克重的有毒氨水罐拋入太空。它在太空漂浮了16個月后，于2008年11月2日晚墜入澳大利亞和新西蘭之間的茫茫大海，萬幸的是，這塊電冰箱大小的太空垃圾并沒有擊中過往船只。

其實在人類航天史上，太空垃圾造成的事故和災(zāi)難屢見不鮮。1983年，“挑戰(zhàn)者號”航天飛機與一塊直徑0.2毫米的涂料碎片相撞，導(dǎo)致舷窗被損，只好提前返回地球。1986年，歐空局的“阿麗亞娜號”火箭進入軌道后不久便發(fā)生爆炸，形成了564塊10厘米大小的殘骸和2300塊小碎片，這些密集的“彈丸”后來直接造成兩顆日本通信衛(wèi)星失靈。2009年2月11日，美國的“銥星-33”與俄羅斯的一顆報廢衛(wèi)星“宇宙2251”，在距地面800千米的太空中相撞，一時間碎片四濺。

一份美國宇航局于去年公布的報告顯示，環(huán)繞地球軌道的太空垃圾數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了一個臨界點，足以給航天器離開地球帶來重重阻礙。

瑞士衛(wèi)星“吃”掉垃圾

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的科學(xué)家指出，盡管我們只要預(yù)先知道太空垃圾的位置和速度，便可以計算出它未來運動的軌道，并通知有可能與之相撞的航天器改變軌道規(guī)避，但這只是治標(biāo)之策。我們想要解決太空垃圾難題，還是需要從垃圾本身入手。

為此，EPFL推出了“潔天一號”（Clean Space One）航天器研發(fā)項目。“潔天一號”能像家用吸塵機一樣，回收太空中廢棄的衛(wèi)星碎片，然后將它們拖入大氣層中燒毀。據(jù)研發(fā)人員預(yù)測，“潔天一號”的造價在1100萬美元左右，預(yù)計最早于2018年發(fā)射。

科學(xué)家為“潔天一號”設(shè)計了兩個工作方案：一是通過打掃裝置收集太空垃圾，然后將整個裝置連同吸入的殘骸，拖入地球大氣層中讓其自行燒毀；二是把打掃裝置保留在地球軌道，將吸入的碎片排放到地球大氣層中。

目前，該研發(fā)項目還需要解決三大難題。首先，科學(xué)家需要研制出小型發(fā)動機，保證能把打掃裝置準(zhǔn)確送到垃圾運行的軌道上。其次，研發(fā)人員需要根據(jù)自然界生物及植物的形態(tài)，制造出一種仿生學(xué)抓取機制，就好像海葵那樣的觸手，能夠抓緊高速轉(zhuǎn)動的廢物，并且同時保持自身穩(wěn)定。最后，我們需要做到能把廢物引導(dǎo)至地球大氣層中的預(yù)設(shè)地點，隨后焚燒。

“潔天一號”的能耐

事實上，EPFL的科學(xué)家已經(jīng)在研制一種僅有幾百克重的微型衛(wèi)星推進器。這種推進器使用離子化合物作燃料，利用電噴射離子產(chǎn)生推力。這種推進器僅需0.1升燃料便可使該裝置飛往月球。不過，這種名為“微推力”（Micro Thrust）的迷你發(fā)動機，并非用于將衛(wèi)星送入軌道，而是幫助衛(wèi)星在太空中實現(xiàn)機動轉(zhuǎn)向。目前的衛(wèi)星通常都需要使用笨重且昂貴的發(fā)動機，科學(xué)家希望“微推力”發(fā)動機能夠開啟一個低成本探索太空的新時代。根據(jù)計算，如果采用這種發(fā)動機，那么一顆1千克重的納米衛(wèi)星能憑100毫升燃料，在6個月左右的時間內(nèi)進入月球軌道。

EPFL的科學(xué)家赫爾伯特·謝爾表示：“雖然微型衛(wèi)星的成本遠(yuǎn)低于大體積衛(wèi)星，但它們目前還缺少高效的推進系統(tǒng)。不過，‘微推力發(fā)動機卻能夠解決這個問題，它能讓衛(wèi)星在以時速4萬千米的速度繞軌道飛行時改變方向。我們計劃將其安裝在‘潔天一號上?！?/p>

此外，“潔天一號” 可以通過攜帶的攝像頭跟蹤目標(biāo)，靠離子微型推進器接近目標(biāo)。這個半自動探測器的制導(dǎo)和控制系統(tǒng)相當(dāng)先進，不僅能保證探測器進入正確軌道，還能讓它以每小時2.8萬千米的速度接近較大的垃圾碎片目標(biāo)。同時，科學(xué)家為了保證“潔天一號”能夠捕獲直徑僅為10厘米的軌道垃圾（這種大小的太空垃圾由于反射面變化較大，會對清潔探測器在計算速度和距離關(guān)系時產(chǎn)生干擾，因此較難捕獲），還測試了一種全新的接近目標(biāo)算法，這套算法能夠?qū)Σ东@目標(biāo)的各種參數(shù)進行測定，比如碎片是否發(fā)生旋轉(zhuǎn)等，保證探測器的捕獲率。

但在成功捕獲垃圾后，同樣有難題需要解決。一旦“潔天一號”抓取了目標(biāo)，它與碎片的整體重心便會發(fā)生改變，甚至可能以不受控制的方式旋轉(zhuǎn)。目前，科學(xué)家正在設(shè)法讓探測器在捕獲垃圾后，能夠率先穩(wěn)定自身的軌道，隨后引導(dǎo)自身以曲線的方式進入大氣層。

近在眼前

2009年，“潔天一號”航天器的第一個目標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)——研發(fā)人員發(fā)射了一顆直徑為10厘米的“Swiss Cube”微型空間研究衛(wèi)星。作為“潔天一號”航天器項目的概念驗證，這顆衛(wèi)星以2.8萬千米的時速在軌道上運行了7年之久。而將于2018年發(fā)射的“潔天一號”會以同樣2.8萬千米的時速在軌道上靠近并捕獲“Swiss Cube”，再將其拋入地球的大氣層，在超過1000攝氏度（1832華氏度）的再入溫度當(dāng)中燒成灰燼。

EPFL的科學(xué)家們力圖通過這項計劃，掌握捕獲系統(tǒng)的設(shè)計和操作方法。

其實在EPFL緊鑼密鼓研發(fā)“潔天一號”航天器項目的同時，歐空局也在探究未來捕獲近地軌道附近廢棄衛(wèi)星的可行性，并提出了“清潔太空行動”計劃（Clean Space Initiative）。其中的“脫軌任務(wù)”（e.deorbit mission），旨在搜尋和清除軌道高度為800～1000千米太空區(qū)域的廢棄人造衛(wèi)星殘骸。研究人員旨在測試失重環(huán)境下，他們的垃圾收集網(wǎng)捕獲和移除廢舊衛(wèi)星、運載火箭碎片和其他漂浮在太空的人造碎片的能力。

其實我們都很清楚，想要探索宇宙，了解太空，發(fā)射人造航天器必然是無法舍棄的必要手段。但如果人類想要走得更遠(yuǎn)，看得更廣，那么加速研發(fā)清理和回收太空垃圾的技術(shù)，勢在必行。