飛網(wǎng)：捕獲太空垃圾“清道夫”

王握文 寧凡明

近日，歐洲航天局與“清潔太空”公司簽訂合同，將在2025年發(fā)射世界上第一顆太空垃圾清潔衛(wèi)星——“清潔太空一號(hào)”。消息一經(jīng)發(fā)布，太空垃圾清除問題再次成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

多年來，面對(duì)太空垃圾影響在軌航天器安全和后續(xù)航天發(fā)射的問題，各國(guó)科學(xué)家們已嘗試了多種手段，包括激光推進(jìn)、機(jī)械臂抓捕等。有科學(xué)家從漁網(wǎng)捕魚中受到啟發(fā)，提出了專門用于捕獲太空垃圾的飛網(wǎng)捕獲系統(tǒng)設(shè)想，并初步付諸實(shí)踐。

今天，讓我們一起了解一下，在浩瀚無垠的太空中，太空垃圾是如何產(chǎn)生的，又有哪些危害？面對(duì)這一威脅人類航天活動(dòng)的問題，各國(guó)科研人員提出了哪些奇思妙想、做出了哪些大膽嘗試？

太空垃圾無節(jié)制增長(zhǎng)的“凱斯勒效應(yīng)”

隨著航天技術(shù)迅猛發(fā)展，航天器發(fā)射越來越頻繁。這給人類生活帶來各種便利的同時(shí)，也不可避免地造成大量太空垃圾滯留在茫茫宇宙中，既對(duì)在軌運(yùn)行的航天器和后續(xù)航天發(fā)射構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)，又使空間軌道資源日益緊缺。

太空垃圾，是指人類在太空活動(dòng)中產(chǎn)生的廢棄物及衍生物。其主要包括：航天發(fā)射的拋棄物、火箭末子級(jí)、火箭爆炸物、廢棄航天器，以及飛行器解體產(chǎn)生的碎片等。太空垃圾密度超過一定數(shù)量，就會(huì)誘發(fā)“凱斯勒效應(yīng)”：太空垃圾相互碰撞，產(chǎn)生的碎片又將誘發(fā)更多的碰撞。如此連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致太空垃圾數(shù)量急劇增加。

據(jù)歐洲航天局可跟蹤空間目標(biāo)數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)，截至2020年，尺寸大于10厘米的太空垃圾數(shù)量已超3.4萬個(gè)，尚有數(shù)以萬計(jì)的微小碎片未在編目之內(nèi)。太空垃圾的質(zhì)量從幾克至幾噸不等，尺寸在幾毫米至數(shù)十米之間。有些太空垃圾個(gè)頭不大，但飛行速度極快，達(dá)到每秒6至7公里，對(duì)航天發(fā)射、在軌衛(wèi)星和載人航天器構(gòu)成極大威脅。

如果把航天器發(fā)射、在軌運(yùn)行的軌道比作地球上的一條條高速公路，那么，在這些高速公路上，同樣有各種車輛日夜穿梭、川流不息。不同的是，它沒有警察、沒有交通管制、沒有道路維護(hù)和清掃人員。發(fā)生交通事故后，也沒人處理和清理路障。

航天發(fā)射如今日益頻繁，進(jìn)入太空門檻不斷降低，大量航天器過期失效，太空垃圾不斷增多，路上變得越來越擁擠、臟亂，到處充斥著“各種報(bào)廢車輛、交通事故殘片”等拋棄物。在這樣的高速公路上行駛，即便是技術(shù)再過硬的司機(jī)，也難免發(fā)生交通事故。如2009年，美國(guó)“銥星33”衛(wèi)星與俄羅斯失效的“宇宙2251”衛(wèi)星相撞，引起世界航天領(lǐng)域極大關(guān)注。這讓國(guó)際社會(huì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到太空垃圾對(duì)航天器構(gòu)成的嚴(yán)重威脅，清除太空垃圾成為一項(xiàng)迫在眉睫的世界性課題。

探索應(yīng)對(duì)太空垃圾之策

2020年12月8日6時(shí)59分，我國(guó)“嫦娥五號(hào)”上升器完成月球樣本轉(zhuǎn)移任務(wù)后，按照地面指令受控離軌，降落到月面經(jīng)度0度、南緯30度附近的預(yù)定落點(diǎn)。這不僅是我國(guó)在減少太空垃圾數(shù)量、保持空間環(huán)境清潔領(lǐng)域的一次成功實(shí)踐，更是對(duì)和平利用空間資源承諾的一次踐行。

各國(guó)科學(xué)家們嘗試了多種手段捕獲太空垃圾

目前，保持空間環(huán)境清潔，已成為負(fù)責(zé)任航天大國(guó)所達(dá)成的共識(shí)。為確保航天器發(fā)射、在軌運(yùn)行安全和空間軌道資源的可持續(xù)性利用，科學(xué)家們面對(duì)“茫茫太空路，征途艱險(xiǎn)多”的現(xiàn)實(shí)問題，在積極探索一系列應(yīng)對(duì)太空垃圾的方法手段。主要有以下幾種——

首先是規(guī)避。即以軌道監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)目前跟蹤觀測(cè)到的太空垃圾數(shù)據(jù)，在航天器發(fā)射時(shí)間和運(yùn)行軌道選擇上，盡量避開太空垃圾。這一預(yù)防性規(guī)避手段，只能是盡力而為，不能確保萬無一失。還有一種主動(dòng)性規(guī)避手段，即提升航天器的“駕駛技術(shù)”——通過航天器主動(dòng)變軌來躲避軌道碎片碰撞。由于太空垃圾多且速度極快，要實(shí)現(xiàn)完全規(guī)避難度依然很大。

其次是預(yù)防。即通過航天器前期任務(wù)規(guī)劃，降低航天器自身成為太空垃圾的可能性，讓它達(dá)到運(yùn)行壽命或失效時(shí)自動(dòng)駛離太空“高速公路”。這種預(yù)防措施，受太空環(huán)境、壽命周期等制約，實(shí)現(xiàn)起來也不容易。

再者是防護(hù)。即讓航天器穿上“鎧甲”，通過在其外表加裝鋁板、高強(qiáng)度復(fù)合材料板等防護(hù)裝置，以阻擋太空垃圾的“襲擊”。這種手段可以防范規(guī)模較小的沖擊損害，但不能有效阻止大型碎片的撞擊，且“鎧甲”會(huì)增加航天器重量，導(dǎo)致發(fā)射成本大幅增加。

最后是清除。即通過太空捕獲拖船進(jìn)行“道路救援拖離”，降低太空垃圾軌道，使其進(jìn)入大氣層被燒毀，或者抬高太空垃圾的軌道，將其遺棄在不常用的軌道高度上。這項(xiàng)技術(shù)帶來的問題是捕獲難度大，特別對(duì)于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)未知的非合作航天器，或是極小航天碎片，更是無能為力。

總的來說，以上手段雖能在一定程度上規(guī)避、清除或減少太空垃圾，但無法應(yīng)對(duì)所有的太空垃圾，更無法從根本上抑制航天器間相互碰撞而產(chǎn)生更多的太空垃圾。國(guó)外一項(xiàng)研究表明，即使停止一切航天器發(fā)射任務(wù)，太空垃圾也會(huì)因?yàn)椴粩嗟倪B續(xù)碰撞而繼續(xù)增加。要清除日益增多的太空垃圾，呼喚更先進(jìn)的技術(shù)手段。

一“網(wǎng)”飛來可否打盡太空垃圾

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，網(wǎng)的捕獲對(duì)象已從水中游弋的魚類，逐步擴(kuò)展到地面奔跑的野獸、空中飛行的鳥禽等。到了現(xiàn)代，網(wǎng)捕應(yīng)用得到進(jìn)一步拓展，出現(xiàn)了諸如警用網(wǎng)槍、飛機(jī)攔阻網(wǎng)等產(chǎn)品。

2001年，歐洲航天局的科學(xué)家們受網(wǎng)捕應(yīng)用拓展的啟發(fā)，推出一種由發(fā)射器、系繩、飛網(wǎng)、收口機(jī)構(gòu)等部件組成的太空柔性飛網(wǎng)捕獲系統(tǒng)。其具體設(shè)想為：執(zhí)行捕獲任務(wù)時(shí)，發(fā)射一艘載有飛網(wǎng)捕獲系統(tǒng)的太空拖船，發(fā)現(xiàn)并接近太空垃圾后，選擇時(shí)機(jī)向捕獲目標(biāo)發(fā)射展開一張由柔性繩索編織而成的大型飛網(wǎng)，將太空垃圾包裹起來，再通過收口機(jī)構(gòu)收緊網(wǎng)口完成捕獲，最后由太空拖船將其拖離太空“高速公路”。

與傳統(tǒng)機(jī)械臂爪等剛性捕獲方式相比，飛網(wǎng)的柔性可以有效減少捕獲過程中可能發(fā)生的碰撞，通過對(duì)太空拖船的控制，讓其在距捕獲目標(biāo)百米以外實(shí)施捕獲，安全性能相對(duì)較高。飛網(wǎng)屬于一種稀疏結(jié)構(gòu)，使用很少的材料就可覆蓋相當(dāng)大的空間范圍。質(zhì)量3千克左右的飛網(wǎng)，捕獲面積可達(dá)近千平方米，對(duì)太空垃圾的識(shí)別與測(cè)量、太空拖船制導(dǎo)控制的精度要求相對(duì)較低，非常適合自旋廢棄衛(wèi)星和大型空間碎片等太空垃圾的清除，具有安全性高、捕獲面積大、控制精度要求低等特點(diǎn)。

這一構(gòu)想于2003年完成總體方案設(shè)計(jì)，2012年至2014年先后進(jìn)行了高空投放試驗(yàn)、拋物線飛行微重力試驗(yàn)、真空罐試驗(yàn)。2018年4月，成功完成了空間演示驗(yàn)證試驗(yàn)。

當(dāng)然了，要真正實(shí)現(xiàn)飛網(wǎng)捕獲系統(tǒng)的應(yīng)用，還面臨一些技術(shù)難題。主要是——

對(duì)飛網(wǎng)制作的材料性能要求高。必須具有高強(qiáng)度、低密度、耐高溫低溫、抗強(qiáng)輻射、耐熱氧、柔軟光滑等特性，能滿足捕獲任務(wù)和空間環(huán)境需求。

應(yīng)具備飛網(wǎng)折疊封貯技術(shù)。也就是須有合理的折疊封貯方法，保證飛網(wǎng)內(nèi)部自我隔離和避免穿透、打結(jié)，并對(duì)飛網(wǎng)拉出網(wǎng)艙過程進(jìn)行有效的時(shí)序控制，解決飛網(wǎng)纏繞等工程應(yīng)用難題，保證飛網(wǎng)系統(tǒng)高可靠展開。

應(yīng)具備高可靠收口技術(shù)。飛網(wǎng)捕獲到太空垃圾后，如何達(dá)到自適應(yīng)觸發(fā)、高可靠收口和有效收緊鎖死網(wǎng)口，還有一系列關(guān)鍵技術(shù)需要突破。

須對(duì)繩系復(fù)合體進(jìn)行有效的離軌控制。飛網(wǎng)捕獲系統(tǒng)是一個(gè)由拖船、系繩、飛網(wǎng)及捕獲物構(gòu)成的繩系復(fù)合體，在實(shí)施過程中，如何有效利用系繩張力實(shí)施目標(biāo)消旋控制、復(fù)合體轉(zhuǎn)向控制、拖曳離軌控制，最終將捕獲的太空垃圾清除出太空“高速公路”，其涉及技術(shù)領(lǐng)域廣泛且要求苛刻。

有理由相信，在不久的將來，人類一定能將飛網(wǎng)應(yīng)用拓展至太空，在清除太空垃圾、和平利用太空方面有所作為，為緩解空間軌道資源日益緊缺的現(xiàn)狀提供有力技術(shù)支撐。