埃里克·尼勒　陳龍編譯

隨著危險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磁體的航天器，另一類則類似于太空拖船，依靠機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，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50萬件。這些太空垃圾都在以每小時不低于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、氣象衛(wèi)星，以及空間站帶來極大的威脅。

2009年，一顆報廢的俄羅斯衛(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，兩顆報廢衛(wèi)星在匹茲堡上空885公里處“擦肩而過”，最近時僅相距12米，險些發(fā)生碰撞。為了防患于未然，美國的航天機構及商業(yè)公司正展開行動，準備清理太空垃圾。去年12月，NASA發(fā)布了一本手冊，為商業(yè)衛(wèi)星供應商提供“防碰撞”參考。今年3月，NASA與美國太空探索技術公司（SpaceX）簽署了一項協(xié)議，以確保在發(fā)射及軌道運行期間，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用。

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

3月22日，日本宇宙航空研發(fā)機構聯(lián)合東京初創(chuàng)公司Astroscale，共同推出了一套名為“生命終結服務”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，搭載有強磁體。另一顆靶衛(wèi)星重約16.8千克，體積更小，形狀像幾個披薩盒疊在一起，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，主衛(wèi)星與靶衛(wèi)星吸附在一起，是一個整體。系統(tǒng)自檢需要花費幾個月的時間，一旦確認無誤，主衛(wèi)星會將靶衛(wèi)星釋放到自己的軌道上。屆時，地面操作人員將操控它們進行對接，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，則將進入第二階段。靶衛(wèi)星將被送入別的軌道，進入翻滾狀態(tài)，變得更難捕獲。與第一階段相同，主衛(wèi)星需要設法搜尋并借助磁體捕獲靶衛(wèi)星，但這次的任務難度無疑是增加了。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)行清理任務和移除報廢衛(wèi)星。不過，若想實現(xiàn)這一點，首先需要滿足一個條件：衛(wèi)星運營商要在發(fā)射衛(wèi)星前預裝該公司的磁性對接板。公司的首席運營官、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)生碰撞的風險也隨之升高。”

Astroscale的太空垃圾清理系統(tǒng)搭載有強磁體。

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)提供商計劃于今年10月推出衛(wèi)星寬帶服務。在此之前，一網(wǎng)會在自家衛(wèi)星編隊上預裝磁性對接板。

在太空中捕捉物體是一項巨大的工程挑戰(zhàn)。測試期間，Astroscale的英國運營商將通過遍布全球的16個地面站組成的網(wǎng)絡控制主衛(wèi)星。當然，靶衛(wèi)星不會受到控制，屆時將處于旋轉(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現(xiàn)精準對接，否則，碰撞可能會將它們送入太空，后果難料。

“大部分試驗內(nèi)容都沒有先例?！辈既R克比說，“雖然早在阿波羅計劃時期，航天器的交會對接就已經(jīng)實現(xiàn)了，但前提是可以同時對雙方進行精準控制。而如果對接方不具備通信能力，也沒有衛(wèi)星連接，任務將困難得多?！?/p>

如果測試成功，Astroscale團隊將開始籌備第二次任務：于2023年捕捉一個報廢的日本火箭一級助推器。與此同時，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，例如使用機械臂。不過，相關方案尚處于構想之中。

ClearSpace機械臂系統(tǒng)捕捉太空垃圾概念圖

歐洲將在2025年對相似的構想進行嘗試，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，計劃使用一種類似觸手的機械臂系統(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”運載火箭，它已經(jīng)在軌道上漂浮多年。

根據(jù)計劃，由ClearSpace設計的航天器會通過四個機械臂捕捉碎片，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，任務難點在于匹配目標的速度與方向，并在捕捉的同時避免產(chǎn)生碰撞，以防其旋轉(zhuǎn)到另一個軌道。“必須要確定翻滾速度，精準地移動，才能捕捉到目標。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?！?/p>

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

可以預見，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?！暗厍騼蓸O上空是繁忙的交通要道?！彼f，“在此發(fā)生碰撞的概率比在赤道軌道上高得多?！?/p>

當然，也有一些另辟蹊徑的技術正在研發(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)計劃，期望借此延長老化衛(wèi)星的壽命。NASA OSAM-1保養(yǎng)任務的項目經(jīng)理布倫特·羅伯遜表示，新任務預計將于2025年啟動，目標是在一顆政府衛(wèi)星上開一個洞，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指令，操控其飛行到遠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。

羅伯遜表示，從這次“加油”任務中積累的經(jīng)驗將在未來發(fā)揮作用?！叭绻幌刖窒抻诮剀壍?，人類就必須擁有可補充燃料和可維護的航天器。通過這次任務，我們要證明為在軌航天器補充燃料的可行性?！?/p>

[編譯自美國《連線》]

編輯：馬果娜