装科小私塾｜飞网：捕获太空垃圾“清道夫”

近日，欧洲航天局与“清洁太空”公司签订合同，将在2025年发射世界上第一颗太空垃圾清洁卫星——“清洁太空一号”。消息一经发布，太空垃圾清除问题再次成为人们关注的热点。

▲严峻的太空垃圾形势示意图

　　多年来，面对太空垃圾影响在轨航天器安全和后续航天发射的问题，各国科学家们已尝试了多种手段，包括激光推进、机械臂抓捕等。有科学家从渔网捕鱼中受到启发，提出了专门用于捕获太空垃圾的飞网捕获系统设想，并初步付诸实践。

▲空间飞网捕获太空垃圾概念图

　　今天，让我们一起了解一下，在浩瀚无垠的太空中，太空垃圾是如何产生的，又有哪些危害？面对这一威胁人类航天活动的共同问题，各国科研人员提出了哪些奇思妙想、做出了哪些大胆尝试？

太空垃圾无节制增长的“凯斯勒效应”

　　随着航天技术迅猛发展，航天器发射越来越频繁。这给人类生活带来各种便利的同时，也不可避免地造成大量太空垃圾滞留在茫茫宇宙中，既对在轨运行的航天器和后续航天发射构成风险，又使空间轨道资源日益紧缺。

　　太空垃圾，是指人类在太空活动中产生的废弃物及衍生物。其主要包括：航天发射的抛弃物、火箭末子级、火箭爆炸物、废弃航天器，以及飞行器解体产生的碎片等。太空垃圾密度超过一定数量，就会诱发“凯斯勒效应”：太空垃圾相互碰撞，产生的碎片又将诱发更多的碰撞。如此连锁反应，导致太空垃圾数量急剧增加。

　　据欧洲航天局可跟踪空间目标数据库统计，截至2020年，尺寸大于10厘米的太空垃圾数量已超3.4万个，尚有数以万计的微小碎片未在编目之内。太空垃圾的质量从几克至几吨不等，尺寸在几毫米至数十米之间。有些太空垃圾个头不大，但飞行速度极快，达到每秒6至7公里，对航天发射、在轨卫星和载人航天器构成极大威胁。

　　如果把航天器发射、在轨运行的轨道比作地球上的一条条高速公路，那么，在这些高速公路上，同样有各种车辆日夜穿梭、川流不息。不同的是，它没有警察、没有交通管制、没有道路维护和清扫人员。发生交通事故后，也没人处理和清理路障。

　　航天发射如今日益频繁，进入太空门槛不断降低，大量航天器过期失效，太空垃圾不断增多，路上变得越来越拥挤、脏乱，到处充斥着“各种报废车辆、交通事故残片”等抛弃物。在这样的高速公路上行驶，即便是技术再过硬的司机，也难免发生交通事故。如2009年，美国“铱星33”卫星与俄罗斯失效的“宇宙2251”卫星相撞，引起世界航天领域极大关注。这让国际社会进一步认识到太空垃圾对航天器构成的严重威胁，清除太空垃圾成为一项迫在眉睫的世界性课题。

探索应对太空垃圾之策

　　2020年12月8日6时59分，我国嫦娥五号上升器完成月球样本转移任务后，按照地面指令受控离轨，降落到月面经度0度、南纬30度附近的预定落点。这不仅是我国在减少太空垃圾数量、保持空间环境清洁领域的一次成功实践，更是对和平利用空间资源承诺的一次践行。

　　目前，保持空间环境清洁，已成为负责任航天大国所达成的共识。为确保航天器发射、在轨运行安全和空间轨道资源的可持续性利用，科学家们面对“茫茫太空路，征途艰险多”的现实问题，在积极探索一系列应对太空垃圾的方法手段。主要有以下几种——

　　首先是规避。即以轨道监测预测技术为基础，根据目前跟踪观测到的太空垃圾数据，在航天器发射时间和运行轨道选择上，尽量避开太空垃圾。这一预防性规避手段，只能是尽力而为，不能确保万无一失。还有一种主动性规避手段，即提升航天器的“驾驶技术”——通过航天器主动变轨来躲避轨道碎片碰撞。由于太空垃圾多且速度极快，要实现完全规避难度依然很大。

　　其次是预防。即通过航天器前期任务规划，降低航天器自身成为太空垃圾的可能性，让它达到运行寿命或失效时自动驶离太空“高速公路”。这种预防措施，受太空环境、寿命周期等制约，实现起来也不容易。