太空清道夫

埃里克·尼勒　陳龍編譯

隨著危險(xiǎn)的太空垃圾與日俱增，探尋清除它們的方法變得迫切。目前具備可行性的解決方案主要有兩類：一類需要借助搭載了強(qiáng)磁體的航天器，另一類則類似于太空拖船，依靠機(jī)械臂來捕捉火箭殘骸等太空垃圾。

據(jù)美國國家航空航天局（NASA）估計(jì)，環(huán)繞著地球的太空垃圾至少有2.3萬件，其中包括廢棄的有效載荷、火箭及其他長度超過10厘米的碎片。此外，直徑在1到10厘米之間的小碎片，可能多達(dá)50萬件。這些太空垃圾都在以每小時(shí)不低于2.9萬公里的速度移動，而且，在重返地球大氣層并焚毀之前，它們可以存在幾十年。軌道上的太空垃圾會給通信、科學(xué)、氣象衛(wèi)星，以及空間站帶來極大的威脅。

2009年，一顆報(bào)廢的俄羅斯衛(wèi)星和一顆銥星通信衛(wèi)星在西伯利亞上空發(fā)生碰撞。2020年，兩顆報(bào)廢衛(wèi)星在匹茲堡上空885公里處“擦肩而過”，最近時(shí)僅相距12米，險(xiǎn)些發(fā)生碰撞。為了防患于未然，美國的航天機(jī)構(gòu)及商業(yè)公司正展開行動，準(zhǔn)備清理太空垃圾。去年12月，NASA發(fā)布了一本手冊，為商業(yè)衛(wèi)星供應(yīng)商提供“防碰撞”參考。今年3月，NASA與美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）簽署了一項(xiàng)協(xié)議，以確保在發(fā)射及軌道運(yùn)行期間，雙方都能將安全放在第一位。該協(xié)議可保證一方的衛(wèi)星不會出現(xiàn)在另一方的發(fā)射場上空或計(jì)劃的軌道上，否則一旦發(fā)生碰撞，將會產(chǎn)生更多的太空碎片。據(jù)《太空新聞》報(bào)道，美國國防部甚至可能會以噸為單位向商業(yè)公司支付清理太空垃圾的費(fèi)用。

即使是很小的太空碎片也會產(chǎn)生災(zāi)難性的影響。圖為小鋁球以每秒七公里的速度撞擊鋁塊的測試結(jié)果。

3月22日，日本宇宙航空研發(fā)機(jī)構(gòu)聯(lián)合東京初創(chuàng)公司Astroscale，共同推出了一套名為“生命終結(jié)服務(wù)”的太空垃圾清理系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于磁性原理，包含兩顆衛(wèi)星。其中主衛(wèi)星重約175.1千克，迷你冰箱大小，搭載有強(qiáng)磁體。另一顆靶衛(wèi)星重約16.8千克，體積更小，形狀像幾個(gè)披薩盒疊在一起，配備有一塊圓形的磁性對接板。

它們將在首秀中測試主衛(wèi)星追趕、捕獲靶衛(wèi)星的能力，而后者扮演的正是太空垃圾的角色。發(fā)射時(shí)，主衛(wèi)星與靶衛(wèi)星吸附在一起，是一個(gè)整體。系統(tǒng)自檢需要花費(fèi)幾個(gè)月的時(shí)間，一旦確認(rèn)無誤，主衛(wèi)星會將靶衛(wèi)星釋放到自己的軌道上。屆時(shí)，地面操作人員將操控它們進(jìn)行對接，一旦距離足夠近，主衛(wèi)星就可以利用磁力捕獲靶衛(wèi)星。

在測試的第一階段，二者都會處于平穩(wěn)飛行狀態(tài)，如果主衛(wèi)星能夠順利捕獲靶衛(wèi)星，則將進(jìn)入第二階段。靶衛(wèi)星將被送入別的軌道，進(jìn)入翻滾狀態(tài)，變得更難捕獲。與第一階段相同，主衛(wèi)星需要設(shè)法搜尋并借助磁體捕獲靶衛(wèi)星，但這次的任務(wù)難度無疑是增加了。Astroscale想通過這次測試向潛在客戶證明自身有能力成功捕獲隨機(jī)移動的太空垃圾。如果第二階段的測試也取得成功，兩顆衛(wèi)星將進(jìn)入同一軌道，最終在地球大氣層中焚毀。

未來，Astroscale還將繼續(xù)完善這套系統(tǒng)，以執(zhí)行清理任務(wù)和移除報(bào)廢衛(wèi)星。不過，若想實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，首先需要滿足一個(gè)條件：衛(wèi)星運(yùn)營商要在發(fā)射衛(wèi)星前預(yù)裝該公司的磁性對接板。公司的首席運(yùn)營官、前NASA官員克里斯·布萊克比說：“我們必須得讓人們意識到，要減少太空碎片的數(shù)量，就必須確保未來發(fā)射的衛(wèi)星都易于移除。發(fā)射的衛(wèi)星越多，發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)也隨之升高。”

Astroscale的太空垃圾清理系統(tǒng)搭載有強(qiáng)磁體。

目前來看，一網(wǎng)公司是第一家愿意與之合作的公司，這家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)提供商計(jì)劃于今年10月推出衛(wèi)星寬帶服務(wù)。在此之前，一網(wǎng)會在自家衛(wèi)星編隊(duì)上預(yù)裝磁性對接板。

在太空中捕捉物體是一項(xiàng)巨大的工程挑戰(zhàn)。測試期間，Astroscale的英國運(yùn)營商將通過遍布全球的16個(gè)地面站組成的網(wǎng)絡(luò)控制主衛(wèi)星。當(dāng)然，靶衛(wèi)星不會受到控制，屆時(shí)將處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。地面控制人員必須估算兩顆衛(wèi)星的速度與方向，確保它們通過磁性對接板實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對接，否則，碰撞可能會將它們送入太空，后果難料。

“大部分試驗(yàn)內(nèi)容都沒有先例。”布萊克比說，“雖然早在阿波羅計(jì)劃時(shí)期，航天器的交會對接就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，但前提是可以同時(shí)對雙方進(jìn)行精準(zhǔn)控制。而如果對接方不具備通信能力，也沒有衛(wèi)星連接，任務(wù)將困難得多。”

如果測試成功，Astroscale團(tuán)隊(duì)將開始籌備第二次任務(wù)：于2023年捕捉一個(gè)報(bào)廢的日本火箭一級助推器。與此同時(shí)，針對已經(jīng)存在的太空垃圾，該公司也在研究移除它們的方法，例如使用機(jī)械臂。不過，相關(guān)方案尚處于構(gòu)想之中。

ClearSpace機(jī)械臂系統(tǒng)捕捉太空垃圾概念圖

歐洲將在2025年對相似的構(gòu)想進(jìn)行嘗試，以捕捉不受控制卻又高速移動的太空垃圾。歐洲航天局選擇與瑞士初創(chuàng)公司ClearSpace合作，計(jì)劃使用一種類似觸手的機(jī)械臂系統(tǒng)，回收一塊長約2.4米的錐形碎片。這塊碎片來自歐洲航天局只能一次性使用的“織女星”運(yùn)載火箭，它已經(jīng)在軌道上漂浮多年。

根據(jù)計(jì)劃，由ClearSpace設(shè)計(jì)的航天器會通過四個(gè)機(jī)械臂捕捉碎片，然后將其帶回地球大氣層，隨后，它們將很快在燃燒中解體。該方案主要是為了解決歷史遺留太空垃圾的回收問題，與磁性對接方案并不沖突。

該公司的首席執(zhí)行官呂克·皮格特表示，任務(wù)難點(diǎn)在于匹配目標(biāo)的速度與方向，并在捕捉的同時(shí)避免產(chǎn)生碰撞，以防其旋轉(zhuǎn)到另一個(gè)軌道。“必須要確定翻滾速度，精準(zhǔn)地移動，才能捕捉到目標(biāo)。稍有閃失就會產(chǎn)生更多的太空碎片，這是無論如何也要避免的。”

未來數(shù)月，各大商業(yè)衛(wèi)星服務(wù)提供商都將有新動作，比如一網(wǎng)與Telesat都準(zhǔn)備推出衛(wèi)星寬帶服務(wù)，SpaceX在布局“星鏈”計(jì)劃，AST & Science也計(jì)劃提供衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。數(shù)百顆新衛(wèi)星將被送入太空。

可以預(yù)見，清除太空垃圾的需求可能會與日俱增。據(jù)皮格特的說法，某些特定高度的軌道要比其他軌道更擁擠，而最大的擁堵點(diǎn)就在北極和南極上空，衛(wèi)星軌道與太空垃圾的飛行路徑會在此交匯。“地球兩極上空是繁忙的交通要道。”他說，“在此發(fā)生碰撞的概率比在赤道軌道上高得多。”

當(dāng)然，也有一些另辟蹊徑的技術(shù)正在研發(fā)之中。與致力于清除太空垃圾的Astroscale和ClearSpace不同，NASA和諾思羅普·格魯曼公司都在開發(fā)在軌衛(wèi)星保養(yǎng)計(jì)劃，期望借此延長老化衛(wèi)星的壽命。NASA OSAM-1保養(yǎng)任務(wù)的項(xiàng)目經(jīng)理布倫特·羅伯遜表示，新任務(wù)預(yù)計(jì)將于2025年啟動，目標(biāo)是在一顆政府衛(wèi)星上開一個(gè)洞，然后注入聯(lián)氨燃料。一旦衛(wèi)星有了額外的燃料，地面控制中心就可以下達(dá)指令，操控其飛行到遠(yuǎn)離太空垃圾的軌道上。這將延長衛(wèi)星的使用壽命，而不是讓其在現(xiàn)有軌道上走向終結(jié)。

羅伯遜表示，從這次“加油”任務(wù)中積累的經(jīng)驗(yàn)將在未來發(fā)揮作用。“如果不想局限于近地軌道，人類就必須擁有可補(bǔ)充燃料和可維護(hù)的航天器。通過這次任務(wù)，我們要證明為在軌航天器補(bǔ)充燃料的可行性。”

[編譯自美國《連線》]

編輯：馬果娜