梁偲
2021年3月10日,美國(guó)海洋大氣管理局的NOAA-17氣象衛(wèi)星在其軌道上突然發(fā)生爆炸,爆炸后生成了16個(gè)“軌道碎片”,這些碎片高速飛離衛(wèi)星本體,但卻又仍留在軌道上,將會(huì)對(duì)航天安全產(chǎn)生巨大威脅。實(shí)際上,這16個(gè)碎片就是新產(chǎn)生的16塊太空垃圾。
太空垃圾是近些年被提得越來(lái)越多的一個(gè)概念,指的是在繞地球軌道上運(yùn)行,但不具備任何用途的各種人造物體,這些物體小到固態(tài)火箭的燃燒殘?jiān)?,大到在發(fā)射后被遺棄的火箭末級(jí)。自從人類(lèi)在20世紀(jì)50年代發(fā)射人造物體進(jìn)入太空以來(lái),太空中各類(lèi)廢棄的人造物體越來(lái)越多,以至于開(kāi)始影響人類(lèi)后續(xù)對(duì)太空的利用。
全球數(shù)十億人每天依靠衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)讓生活更便利,而遺留在太空中的廢棄衛(wèi)星就成了太空垃圾,污染著太空環(huán)境。隨著各國(guó)太空探索的腳步越走越遠(yuǎn),太空垃圾的數(shù)量逐年遞增,所帶來(lái)的問(wèn)題也越發(fā)突出。太空垃圾與溫室氣體、核廢料存儲(chǔ)等問(wèn)題一樣,短期內(nèi)對(duì)人類(lèi)的影響不大,但如果長(zhǎng)期得不到處理,會(huì)對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生巨大影響。
首先,它們有撞擊其他航天器的風(fēng)險(xiǎn)。由于太空垃圾以軌道速度運(yùn)行,動(dòng)能巨大,若與它們相撞可能會(huì)損壞尚在運(yùn)作的航天器:10厘米以上的大碎片,撞擊到航天器會(huì)直接造成航天器解體;1~10厘米的中碎片,很難被監(jiān)測(cè)到,撞擊到航天器會(huì)造成部分功能損失或失效。這些碎片也會(huì)威脅到宇航員的生命安全。其次,每年約400個(gè)空間碎片會(huì)再入大氣層,其中有部分經(jīng)大氣層時(shí)未完全被燒毀,隕落到地面會(huì)對(duì)安全造成嚴(yán)重威脅。第三,雖然有相當(dāng)一部分太空垃圾最終墜入地球大氣層燒毀,但據(jù)估算,現(xiàn)在仍有超過(guò)4 500噸的太空垃圾殘留在軌道上。隨著太空垃圾急劇增加,航天器頻軌資源短缺,當(dāng)密度達(dá)到一定程度時(shí),太空垃圾會(huì)布滿(mǎn)近地軌道(LEO),令人類(lèi)在數(shù)百年內(nèi)無(wú)法進(jìn)行太空探索。第四,太空垃圾的數(shù)目與日俱增,而且不同的垃圾會(huì)在各自不同方向和高度的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn),想要將它們回收或是控制不僅難度大,而且成本高。
事實(shí)上,早在1978年,美國(guó)宇航局(NASA)科學(xué)家唐納德·凱斯勒(Donald Kessler)就提出了凱斯勒綜合征理論,即低地球軌道上的碎片和其他人造物體造成的太空污染將會(huì)繼續(xù)增加,并導(dǎo)致衛(wèi)星碰撞的風(fēng)險(xiǎn)增加;當(dāng)某一軌道高度的空間碎片密度超過(guò)一個(gè)臨界值時(shí),將發(fā)生碎片鏈?zhǔn)阶矒粜?yīng),產(chǎn)生一系列潛在的衛(wèi)星碰撞的多米諾骨牌效應(yīng);鏈?zhǔn)脚鲎策^(guò)程將造成該高度軌道資源的永久破壞,徹底不可用。
近地軌道是距地球表面2 000公里以?xún)?nèi)的空間區(qū)域,大多數(shù)空間碎片位于近地軌道上
空間碎片數(shù)以萬(wàn)計(jì),且分散于不同的軌道,即使發(fā)射航天器去抓取,也只能一個(gè)軌道一個(gè)軌道地利用交會(huì)對(duì)接的方法接近碎片進(jìn)行清理,這是目前技術(shù)可行的方案。但面對(duì)不同軌道高度、不同軌道傾角的幾十萬(wàn)個(gè)碎片,目前的技術(shù)和資金是任何一個(gè)國(guó)家都無(wú)法承受的。
因此,目前針對(duì)空間碎片只是處于一個(gè)監(jiān)視的階段。主要采取的方式是當(dāng)發(fā)現(xiàn)空間碎片會(huì)對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生碰撞危險(xiǎn)時(shí),采取被動(dòng)避碰策略。對(duì)10厘米以上較大尺寸的空間碎片,采取持續(xù)觀測(cè)、編目預(yù)警和及時(shí)躲避等被動(dòng)規(guī)避措施;但對(duì)于1~10厘米的空間碎片,它們既難以編目又難以防護(hù),造成的危害較嚴(yán)重,目前還沒(méi)有找到更好的解決方案;對(duì)于尺寸1厘米以下的空間碎片,主要施行衛(wèi)星表面防護(hù)措施。
不過(guò),隨著衛(wèi)星在民用和商用領(lǐng)域的不斷拓展,衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量明顯增加。未來(lái)幾年,衛(wèi)星的數(shù)量將增加一個(gè)數(shù)量級(jí),也將出現(xiàn)多個(gè)由成百上千顆衛(wèi)星組成的巨型星座。這些小衛(wèi)星在失效后將成為新的空間碎片;即便現(xiàn)在就開(kāi)始停止所有發(fā)射,碰撞仍會(huì)產(chǎn)生新碎片。新的發(fā)射窗口將被一步步壓縮,科學(xué)研究衛(wèi)星也將不得不置于更遙遠(yuǎn)的軌道,因此被動(dòng)的處理方法將導(dǎo)致航天器的研制、發(fā)射和運(yùn)維成本急劇增加,對(duì)空間碎片采取主動(dòng)處理成為不得不考慮的選擇。
穩(wěn)定軌道環(huán)境的唯一方法是主動(dòng)清除,我們需要開(kāi)發(fā)新技術(shù),在避免產(chǎn)生新碎片的同時(shí)清除已有碎片。通常,離地球越高,大氣越稀薄。對(duì)于近地軌道的衛(wèi)星,不用特別處理,它們?cè)缤頃?huì)在大氣阻力作用下墜入大氣層燒毀;空間站的運(yùn)行高度是三四百公里,在這個(gè)高度上仍有空氣阻力,碎片幾個(gè)月到幾十年內(nèi)就可以逐漸減速墜入大氣層。這也是為什么衛(wèi)星和空間站過(guò)一段時(shí)間就要提高運(yùn)行高度的原因。
不過(guò),對(duì)于1 000公里以上的碎片,大氣阻力幾乎忽略不計(jì),碎片幾百年幾千年內(nèi)都不太可能掉下來(lái),這就需要想辦法讓碎片離軌墜入大氣層。主動(dòng)清理空間碎片的方法有兩種:一種是接觸式的,如機(jī)械臂抓、網(wǎng)捕等;第二種是非接觸式的,如激光推移、離子束推移等。不管何種方法,其目的都是讓碎片離開(kāi)當(dāng)前軌道。
捕獲移除方式 由地面操控航天器施行清除,通過(guò)直接接觸對(duì)碎片產(chǎn)生作用力,拖動(dòng)其離軌,目前可使用的抓捕方案較多,如機(jī)械臂、飛網(wǎng)、飛矛、飛爪、魚(yú)叉等。這種捕獲方式簡(jiǎn)單易行,成功率較高,也較為成熟,是工程應(yīng)用近期可實(shí)現(xiàn)的方式。這種方式不僅可用于移除空間碎片,也可用于捕獲在軌運(yùn)行衛(wèi)星,具備太空對(duì)抗應(yīng)用潛力。不過(guò),這些技術(shù)到工程應(yīng)用也還需幾年。
電動(dòng)力繩系離軌 這種清理方法以電動(dòng)力繩系航天器為基礎(chǔ), 通過(guò)其電動(dòng)力纜繩釋放捕獲器對(duì)非合作目標(biāo)實(shí)施準(zhǔn)確、可靠捕獲,之后利用電動(dòng)力繩系切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生電動(dòng)力,使組合體減速降軌,再入大氣層燒毀。該方法由于磁場(chǎng)限制,目前只適用于近地軌道碎片的清除,且存在系繩易斷裂或難以釋放等問(wèn)題,在軌技術(shù)驗(yàn)證仍不成熟。
激光推移離軌或清除 對(duì)于尺寸稍大的空間碎片,利用高能脈沖在碎片表面照射產(chǎn)生“物質(zhì)燃燒流動(dòng)推力”,從而改變碎片的運(yùn)行軌道,實(shí)現(xiàn)降軌后再入大氣層;對(duì)于微小型空間碎片,利用激光光束能量極高的特點(diǎn),直接用高能連續(xù)光波沖擊碎片使其汽化焚毀。該方法操作簡(jiǎn)單, 響應(yīng)快速,可無(wú)限重復(fù)使用,能進(jìn)行遠(yuǎn)距離、非接觸清除,成本低,可以清除多種尺寸空間碎片。雖然該方法目前的技術(shù)能力有限,但也有了很大的發(fā)展,從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,該技術(shù)是最有前景的。
增阻離軌 通過(guò)粘著泡沫、膨脹式氣球、折疊阻力帆等增加碎片的大氣阻力,從而降低速度離軌。增阻離軌針對(duì)不同特性碎片需要選取不同方案,泡沫、氣球等物易因操作不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)生新的空間碎片,使得清除效率降低。
為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的空間碎片問(wèn)題,各國(guó)積極開(kāi)展空間碎片清除技術(shù)研究。美國(guó)、歐洲和日本的空間碎片主動(dòng)清除研究起步較早,已提出了各自的碎片清除方案,部分關(guān)鍵技術(shù)已開(kāi)展在軌演示驗(yàn)證,但當(dāng)前的發(fā)展水平距離實(shí)際應(yīng)用還有差距。
英國(guó)薩里太空中心“空間碎片移除”計(jì)劃 2013年,英國(guó)薩里太空中心聯(lián)合歐洲多家研究機(jī)構(gòu),在歐盟第七框架計(jì)劃(FP7)資助下,啟動(dòng)“空間碎片移除”(Remove DEBRIS)計(jì)劃,并在2018年9月至2019年3月陸續(xù)完成飛網(wǎng)抓捕、空間目標(biāo)視覺(jué)導(dǎo)航、魚(yú)叉捕獲、拖曳帆離軌等在軌驗(yàn)證試驗(yàn)。“空間碎片移除”計(jì)劃是目前為止最受關(guān)注的碎片清除項(xiàng)目,它的實(shí)施加速了碎片移除技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。
歐洲空間局“清潔太空”計(jì)劃 2019年12月,歐洲空間局(ESA)委托瑞士初創(chuàng)公司“清潔太空”(Clear Space)進(jìn)行碎片清除研究,該計(jì)劃于2020年3月啟動(dòng),并于2025年發(fā)射航天器清理ESA位于軌道上一塊碎片——織女星火箭二次有效載荷適配器(Vespa),這一碎片重約100千克,大小跟一個(gè)小型衛(wèi)星相當(dāng),形狀相對(duì)簡(jiǎn)單且結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,非常適合成為首次清理任務(wù)的目標(biāo)。此外,ESA還將于2023年發(fā)射e.Deorbit航天器,演示驗(yàn)證大型報(bào)廢衛(wèi)星移除技術(shù),目標(biāo)是2012年已停用的“歐洲環(huán)境衛(wèi)星”,擬采用的移除方案包括機(jī)械臂、飛網(wǎng)、離子束等。
美國(guó)宇航局“獵戶(hù)座”計(jì)劃 1993年,美國(guó)宇航局(NASA)提出利用地基脈沖激光器清除近地軌道垃圾的“獵戶(hù)座”(ORION)計(jì)劃?!矮C戶(hù)座”計(jì)劃采用30kW的地基激光清除近地軌道上1~10厘米尺寸的空間碎片。2014年,“獵戶(hù)座”計(jì)劃將重點(diǎn)從地面激光器轉(zhuǎn)移到天基激光器。天基激光器可以使用較小的光學(xué)元件和激光,并可用于地球同步軌道(GEO)。不過(guò),天基激光器的研究依然要依靠地基和機(jī)載的試驗(yàn)成果來(lái)進(jìn)行。
日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)“商業(yè)碎片移除”演示項(xiàng)目 2017年9月,日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)發(fā)布空間碎片清除系統(tǒng)共同研究委托公告,旨在征集空間碎片清除方案,清除處在700~1 000千米軌道高度的大型碎片,計(jì)劃在十年內(nèi)以低成本完成系統(tǒng)研發(fā)并商業(yè)化。2020年初,日本宇宙尺度公司拿下JAXA商業(yè)碎片移除演示項(xiàng)目(共兩個(gè)階段)第一階段的合同。該階段是在2023 年3 月31 日前發(fā)射一顆演示衛(wèi)星,逼近日本H-II A 火箭的上面級(jí);第二階段是在2026 年3月31 日前完成對(duì)火箭上面級(jí)的對(duì)接,并加速其離軌再入大氣層。
近年來(lái),我國(guó)在空間碎片主動(dòng)清除方面取得了長(zhǎng)足發(fā)展。2016 年6 月,我國(guó)發(fā)射自主研制的“遨龍一號(hào)”空間碎片主動(dòng)清除飛行器。遨龍一號(hào)通過(guò)伸出的一只機(jī)械手臂對(duì)空間碎片模擬器進(jìn)行抓捕,開(kāi)展了空間碎片非合作目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別、跟蹤與操作等在軌試驗(yàn),為后續(xù)非合作目標(biāo)在軌捕獲創(chuàng)造了基本條件。
上海航天控制技術(shù)研究所劉付成團(tuán)隊(duì)在工作現(xiàn)場(chǎng)
由于空間碎片可能處于翻滾狀態(tài),而空間光照為平行光,對(duì)碎片進(jìn)行視覺(jué)觀測(cè)時(shí),視場(chǎng)內(nèi)的碎片目標(biāo)明暗對(duì)比強(qiáng)烈,且翻滾運(yùn)動(dòng)使得對(duì)目標(biāo)的相對(duì)測(cè)量面臨極大挑戰(zhàn);同時(shí),大型失效衛(wèi)星上安裝的帆板、天線等組件,會(huì)隨動(dòng)翻滾,逼近捕獲中容易發(fā)生碰撞,自主安全逼近面臨極大挑戰(zhàn);第三,對(duì)于翻滾狀態(tài)目標(biāo)的抓捕,很難抓穩(wěn)、抓準(zhǔn),還容易導(dǎo)致抓捕衛(wèi)星本身失穩(wěn),同樣也面臨著極大挑戰(zhàn)。因此需要研究新的空間碎片制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(GNC)系統(tǒng),才能更好地為空間碎片接近、繞飛、??颗c抓捕等任務(wù)提供支撐。
2020年1月,由上海航天控制技術(shù)研究所劉付成研究員領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)以“主動(dòng)碎片清除微納GNC系統(tǒng)技術(shù)”獲得了2019年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)(也是2018年度上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng))。如前所述,現(xiàn)在空間碎片數(shù)量眾多,主動(dòng)捕獲清除必須滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)、高效的需求。微納衛(wèi)星具有研制成本低、周期短等優(yōu)勢(shì),因此,基于微納衛(wèi)星的大碎片捕獲與清除,是國(guó)際公認(rèn)的最迫切、最高效的方案。但是,微納衛(wèi)星的重量、功耗、尺寸受限,能夠安裝的敏感器、捕獲裝置等都面臨微型化要求,相比大衛(wèi)星,測(cè)量、捕獲能力受限。
團(tuán)隊(duì)針對(duì)資源受限下的翻滾碎片測(cè)量、規(guī)劃、逼近與捕獲控制等核心難題,經(jīng)過(guò)十年持續(xù)攻關(guān),形成了一整套創(chuàng)新成果。比如,發(fā)明了碎片目標(biāo)表面的角點(diǎn)、圓環(huán)、線條等多類(lèi)特征的組合動(dòng)態(tài)跟蹤方法,解決了資源受限下的翻滾目標(biāo)超近距離視覺(jué)測(cè)量問(wèn)題;發(fā)明了自主逼近安全路徑的簡(jiǎn)化快速規(guī)劃方法,解決了天線、帆板等多障礙物隨動(dòng)翻滾下的防撞安全接近問(wèn)題;發(fā)明了能夠自適應(yīng)估計(jì)與補(bǔ)償外界干擾的跟蹤與控制方法,解決了旋轉(zhuǎn)和平動(dòng)同步下的碎片目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤和柔順捕獲難題;發(fā)明了多視場(chǎng)融合立體視覺(jué)敏感器、三軸集成微飛輪等產(chǎn)品,滿(mǎn)足了碎片清除微納衛(wèi)星對(duì)測(cè)量和控制產(chǎn)品的高集成、高效能需求。
微納衛(wèi)星捕獲大型碎片示意圖
主動(dòng)碎片清除微納GNC系統(tǒng)技術(shù)成果可以有效提高航天器在軌捕獲碎片時(shí)測(cè)量與控制的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性和自主性。該技術(shù)在多個(gè)航天器型號(hào)中得到應(yīng)用,大幅提升了我國(guó)微納航天器的精確測(cè)量、自主規(guī)劃、耦合控制、融合集成水平,并為我國(guó)后續(xù)相關(guān)型號(hào)任務(wù)奠定了扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
總的說(shuō)來(lái),我國(guó)在空間碎片清除領(lǐng)域處于技術(shù)驗(yàn)證階段,眾多高校和科研院所正不斷加強(qiáng)對(duì)空間碎片捕獲清除相關(guān)技術(shù)的研究力度,形成了大量研究成果,預(yù)期未來(lái)會(huì)涌現(xiàn)出大量關(guān)鍵技術(shù)飛行驗(yàn)證計(jì)劃。
2020年9 月18 日,2020年宇航領(lǐng)域十大科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)難題在2020 年中國(guó)航天大會(huì)上由中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司研究發(fā)展部部長(zhǎng)王巍發(fā)布,其中一項(xiàng)就是“空間碎片清除中的核心技術(shù)”:“空間碎片清除是當(dāng)前及未來(lái)航天任務(wù)必須面對(duì)的重要問(wèn)題,發(fā)展該項(xiàng)技術(shù),既是保護(hù)空間資產(chǎn)、維護(hù)人類(lèi)空間安全和資源需要,也將促進(jìn)相關(guān)高新技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。”
事實(shí)上,空間碎片清除能產(chǎn)生巨大的價(jià)值:在經(jīng)濟(jì)方面,如果能明確某一需要清除的碎片所有方,可以通過(guò)商業(yè)付費(fèi)來(lái)清除該碎片,形成空間碎片清除的產(chǎn)業(yè)化運(yùn)營(yíng);在軍事方面,空間碎片清除正構(gòu)成一個(gè)可怕的挑戰(zhàn),一旦發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng),該技術(shù)將可以清除敵方衛(wèi)星,直接用于空間對(duì)抗活動(dòng),這也是世界各國(guó)都高度重視、積極發(fā)展主動(dòng)清除技術(shù)的重要原因。對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō),一方面應(yīng)當(dāng)主動(dòng)承擔(dān)起空間碎片處理的責(zé)任,另一方面也應(yīng)發(fā)展多種清除技術(shù),在未來(lái)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)。
地球同步軌道區(qū)域(約36 000公里)圖像,大約95%的物體是空間碎片,即不是功能性衛(wèi)星
看看如今我們地球同步軌道區(qū)域的圖像,太空碎片圍繞地球形成了“行星環(huán)”??苹秒娪爸?,落魄的星球表面,被各種太空垃圾包圍,而科技發(fā)達(dá)的星球表面,則是壯麗的星際艦隊(duì)護(hù)衛(wèi)。相信大家都不想我們的地球被大量的太空垃圾包圍,那么就請(qǐng)你幫忙想想有些什么方法可以把太空垃圾清除掉吧,比如,是否可以發(fā)射一個(gè)超級(jí)黏的衛(wèi)星,把碎片都黏起來(lái)呢?或者用強(qiáng)力磁鐵把碎片吸?。看蠹乙黄鹉X洞大開(kāi)地發(fā)揮想象吧……