太空垃圾的“清道夫”

Nemo

太空垃圾危害大

太空垃圾是太空中無用人造物體的統(tǒng)稱，包括衛(wèi)星發(fā)射時和失效后產(chǎn)生的各種物體，如運載火箭末級、廢棄航天器、人造衛(wèi)星碎片等。2018年初，SpaceX使用“獵鷹重型”火箭發(fā)射了一輛特斯拉跑車，跑車的電池在發(fā)射12小時后就會耗盡。所以，嚴格來說，它現(xiàn)在就屬于典型的太空垃圾。隨著人類太空活動的頻繁開展，太空垃圾不斷增多。正飛在日心軌道上的特斯拉跑車，還不會造成什么危害，而地球軌道上的太空垃圾，危害卻不容小覷。

這些太空垃圾并不是靜止的，它們和衛(wèi)星一樣圍繞地球高速運動。尤其因為這些太空垃圾往往集中在某些特定高度的軌道上，它們與正常工作的衛(wèi)星碰撞的概率還真不小。

一般來說，航天器在設計上都會考慮防撞性能，即要能承受較小的太空垃圾的碰撞，但如果遇到尺寸大于10厘米的太空垃圾，載人飛船和空間站也要退避三舍，以確保自身安全。國際空間站就曾通過機動變軌來規(guī)避近距離的太空垃圾，我國“神舟11號”載人飛船也曾采取緊急變軌措施，規(guī)避太空垃圾。

太空“清道夫”種類多

太空垃圾的軌道各異，清除起來十分麻煩?？茖W家大致提出了四種清理太空垃圾的方法。

第一種，就是專門發(fā)射“清道夫”航天器收集太空垃圾，最后讓航天器墜入大氣層銷毀。2016年，“長征七號”火箭首飛搭載的“遨龍一號”航天器，就是按照“清道夫”航天器的思路設計的。它進行了世界上首次主動清理太空垃圾的實驗。

“清道夫”航天器要通過變軌實現(xiàn)太空垃圾的收集工作，燃料消耗多。如果給每個衛(wèi)星都“裝”一個小發(fā)動機，到了預定壽命，就讓衛(wèi)星自己變軌再入大氣層銷毀，這樣不就方便了嗎？實際上，根據(jù)目前的國際公約，新發(fā)射的衛(wèi)星應該具備“自行了斷”的能力，即衛(wèi)星達到預期的使用壽命后，它們“霸占”太空軌道的時間不能超過25年。這就是第二種清除太空垃圾的方法。

前面說的兩種方法都需要航天器主動變軌，燃料消耗大。盡管使用高效的電推進技術可以減少燃料消耗，但能不能實現(xiàn)航天器的被動變軌，進一步減少燃料消耗呢？這就是第三種清除太空垃圾的方法。

歐洲阿里安宇航公司曾提出一個概念：在運載火箭末級裝上氣球，把衛(wèi)星送入軌道后，氣球充氣展開，增大阻力，這樣原本需要幾十年甚至更久才能再入大氣層銷毀的火箭末級，可能十幾年甚至幾年后，就會再入大氣層銷毀了。不過目前這種構(gòu)思還未付諸實踐。日本在HTV-6貨運飛船上試驗了利用電動系繩增加阻力的方案。在這個方案中，航天器會釋放一段導電的繩子切割地磁場，導致航天器阻力大增，動能減少，它便可以更快地再入大氣層，從而達到太空垃圾“自清除”的目的。

第四種清除太空垃圾的方法，就是激光清除技術?？茖W家提出，可以在航天器上安裝大功率激光器來“掃蕩”太空垃圾。我國未來的“天宮號”空間站就可能裝備反太空垃圾激光器。用大功率激光器的高能激光照射太空垃圾，可以使其改變軌道甚至徹底氣化。激光還能將大的太空垃圾“擊碎”成小塊，降低其危害。遺憾的是，激光器往往需要大功率的電源，除了載人空間站這樣昂貴且電能充沛的航天器，其他航天器如衛(wèi)星甚至飛船，都暫時不會有這樣的“貴賓”待遇！此外，激光清除還不可避免地存在探測范圍窄、攔截距離短的缺陷。

在2017年底的中國國際工業(yè)博覽會上，上海航天技術研究院805所展出了一款獨具一格的“太空神器”——“立方帆”，學名為低成本薄膜帆式離軌標配裝置。它能夠利用可展開的薄膜帆帶動航天器自主脫離軌道。在它的助力下，未來發(fā)射的衛(wèi)星在達到設計壽命后，可以及時離軌，避免成為太空垃圾。

它為什么叫“立方帆”呢？這其實是借用“立方星”的概念。“立方星”是立方體衛(wèi)星的簡稱。航天界將邊長10厘米的立方體衛(wèi)星稱為一個標準單元（1U），而上海航天技術研究院805所的這個裝置在薄膜帆收攏時正好是1U大小，所以研發(fā)人員為它起了個形象的名字——“立方帆”。

“立方帆”可以視為一種被動變軌的航天器，是太陽帆的變種和發(fā)展品。暢想一下，未來的航天器帶上“立方帆”這個裝置，在達到預期壽命后，“立方帆”展開，形成大面積的薄膜帆面。薄膜帆面利用太陽光壓，可加速航天器軌道的衰減，縮短廢棄航天器的軌道滯留時間，減緩太空垃圾增長的趨勢。

太空垃圾帶來的困擾是航天事業(yè)發(fā)展過程中出現(xiàn)的小問題。雖然現(xiàn)在清除太空垃圾的方案大多還停留在研究階段， 但人類探索太空、挑戰(zhàn)太空的決心是堅定不移的。相信隨著人類的探索和實踐，這一問題終將被解決。