向太空垃圾“宣戰”

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導語：從人類踏入太空至今，已經產生了上億塊總重量超過8400噸的太空垃圾。根據歐洲航天局統計，目前大概有34萬個直徑超過10cm的各類人造廢棄物及其衍生物環繞着地球；直徑1cm～10cm之間的廢棄物超過90萬個；小於1cm的廢棄物體數量則超過1.28億個。它們環繞地球，毫無用處，那麼大家知道太空垃圾有哪些危害嗎？各國又是如何清理太空垃圾的呢？

太空垃圾環繞地球 圖源：https://etamax.de/?lang=en

太空垃圾有哪些危害？

太空垃圾，即空間碎片，是人類空間活動的廢棄物，是空間環境的主要污染源。在近地球軌道, 火箭助推器的最後部分、調壓器和報廢的衛星殘片, 還有因爲事故而爆炸的宇宙飛船的殘骸碎片以及航天員丟棄或遺落的物品等都屬於太空垃圾。它們與溫室氣體、核廢料存儲等問題一樣，短期內對人類的影響不大，但如果長期得不到處理，會對人類社會產生巨大影響。

論其危害，主要包括以下三點。

一是撞擊其他航天器。太空垃圾以每小時2萬公里的速度日夜旋轉，這個速度相當於客機的70～80倍，當其與航天器相撞可能會造成後者損壞：10cm以上的大碎片，撞擊到航天器會直接造成航天器解體；1～10cm的中等碎片撞擊到航天器會造成部分功能損失或失效並且威脅到宇航員的生命安全。據NASA報道國際空間站每年都要躲避2～3次來自太空無序碎片的攻擊。

二是威脅地面安全。太空垃圾除受到來自地球的萬有引力以外，還受到來自太陽、月球、地球大氣層等的多種力的作用，在這些力的共同作用下某些碎片的軌道會越來越低，最後落到地面上。據統計，每年約400個空間碎片會再入大氣層，其中有部分經大氣層時未完全被燒燬，隕落到地面會對安全造成嚴重威脅。同時，大部分火箭或航天器的燃料都含有劇毒，屬於有害垃圾，一旦落到地面，危害極大。

三是佔據軌道空間。大量太空垃圾殘留在軌道上導致航天器頻軌資源短缺，當密度達到一定程度時，太空垃圾會佈滿近地軌道，令人類在數百年內無法進行太空探索。

太空垃圾撞擊衛星 圖源：https://www.163.com/dy/article/GP8GDNKT05529LJ0.html

如何應對“太空垃圾”？

應對太空垃圾主要可以從以下四個方面入手：

減緩。即在發射階段就考慮如何減少空間碎片的產生，可以在廢棄火箭體脫落時，使用殘留燃料施加反向推力，以保證廢棄部分很快隕落或隕落過程中能夠燃燒完畢同時避免火箭體爆炸。

防護。即在航天器上加裝防護罩，發生碰撞時防止碎片對航天器產生破壞。但是防護措施會增加航天器的重量，也就是增加發射成本，擠佔有效載荷空間，因此航天器的防護能力一般只針對1cm以下的空間碎片。

觀測預警。即根據監測數據，對整個編目中所有空間碎片兩兩計算相互交會的情況，對於進入危險區域的航天器實施變軌規避操作。

清除。即通過各種方法抓取空間碎片，然後將其拖入大氣層燒燬。

“清潔太空-1”任務捕獲Vespa概念圖 圖源：ClearSpace SA

清除太空垃圾，各國有何妙招？

爲應對日益嚴峻的空間碎片問題，各國積極開展空間碎片清除技術研究。美國、歐洲和日本的空間碎片主動清除研究起步較早，已提出了各自的碎片清除方案，部分關鍵技術已開展在軌演示驗證，但當前的發展水平距離實際應用還有差距。

“立方帆”——太空揚帆收垃圾。“立方帆”是由英國薩里空間中心研製出的一款納米級衛星，重量約爲3kg，體積爲10cm×10cm×30cm。它的內部安裝有一張摺疊起來的聚合膜，發射到太空之後，這張膜就會張開，其可以搭載在一個500kg以下的小型飛行器上或者和其他衛星共乘一枚火箭，然後發射到地球上空700km處的近地軌道，並展開面積約爲25m2的帆。

整個太空垃圾清理過程如下：首先，“立方帆”進入太空後會展開薄膜，同時裝備在它身上用於偵測太空垃圾的四個小型攝像機會立即開啓探測周圍的太空垃圾，一旦“立方帆”偵測到身邊的太空垃圾，地面人員就會發出指令開啓它身上的小型動力裝置，使其接近太空垃圾並將其黏住。然後，“立方帆”會攜帶着太空垃圾返回大氣層並一同墜落。最終，兩者在墜入大氣層的過程中一起被燒燬。

“立方帆” 圖源：刀芭豆.“立方帆”——太空揚帆收垃圾[J].科學啓蒙,2017(05):2-4.

ELSA-d任務——“貓捉老鼠”式收垃圾。ELSA-d任務是日本空間初創公司Astroscale研發的最新太空技術，該技術是將兩顆人造衛星組合在一起，形成對太空垃圾的抓合力，這兩顆人造衛星分別是：一顆“服務衛星”，重量175公斤（主衛星）；一顆“客戶衛星”，重量17公斤（子模塊）。主衛星配備了鄰近會合技術和磁對接裝置，子模塊上裝有磁鐵對接板，主要用於吸附太空垃圾，並與主衛星進行對接。一旦兩顆部分分離，它們將在接下來的空間旅行時間裡上演一場“貓捉老鼠”的宇宙遊戲，ELSA-d任務將利用衛星的磁鐵對接板，完成太空垃圾收集工作。

Astroscale任務概念圖 圖源：https://www.asfzl.net/kaoshi/5666231167.html

“壁虎抓手”——大小垃圾都能收。壁虎的腳上佈滿了細微的皮瓣和毛髮等，這些構造使其在跟任何表面完全接觸時，都能產生非常大的吸附力，使自身黏附其上。美國斯坦福大學的科學家就受壁虎啓發，研發出一種仿壁虎材料，並將兩塊材料組合成一個抓手。

在實驗室、零重力環境下的測試顯示，這種“壁虎抓手”不僅能抓取並操作重達370kg的大物體，也能抓取並操作不到300g的小物體。這意味着，它能抓取不同形狀、大小以及材料的太空垃圾，如太陽能電池板、飛船艙體、火箭外殼等。但爲保險起見，該項技術仍在改進及測試中。

其他妙招。各國太空垃圾清除妙招以及相應的航天器遠遠不止上述三類，如美國的“空間工友”、“太空籬笆”、“激光掃帚”、“太空風車”、“獵戶座”計劃等；英國的“衛星清潔工”、“清道夫”等；日本的“太空機器人”、“太空垃圾清除衛星”等；俄羅斯的“碎片泡沫捕手”；歐航局的“清除太空計劃”以及“太空漁網”+“魚叉”的“清除殘骸”方案。由此可見，世界各國都在尋找太空垃圾的清除辦法，太空垃圾清除刻不容緩！

圖源：琴島,李唐.太空危機中的新商機 “瘋狂”鋪設衛星網，太空垃圾誰來清理？[J].世界博覽,2021(05):66-69.

中國方案——“遨龍一號”

在太空垃圾清除方面，中國也從未落後。我國於2016年6月25日隨“長征七號”成功發射的“遨龍一號”是一種以模擬的空間碎片爲目標、驗證碎片清除的關鍵技術、並在任務結束後進行鈍化處理的空間碎片主動清理飛行器。它載有一臺機械臂，模擬抓取廢棄衛星和太空碎片，並具有將它們帶到大氣層燒燬的能力，這是中國軌道碎片清除技術研製的里程碑。事實上，“遨龍一號”也是世界上第一個主動的軌道碎片離軌清除實驗項目。

穩、準、狠是抓取高速飛行的太空垃圾的必要手段。“遨龍一號”的機械臂系統充分融合了仿生學、機械、電子控制等多學科技術，具備定點停留和不斷跟蹤繞行目標碎片的能力，既可以讓前端保持抓取的靈活性，也可以讓後端儘量在抓取過程中保持大的活動空間。在成功抓取到太空垃圾後，機械臂上的傳感器會分析物體的力學性質並基於此調整合適的力度，從而防止因機械臂力度過大導致太空垃圾破碎，也防止因力度較小而放走漏網之魚。無論大小形狀、碎片材質如何，這些太空垃圾都逃不出“遨龍一號”的手掌心！

“遨龍一號” 圖源：百度

結語：

太空垃圾涉及的問題很複雜，絲毫不亞於地球上大氣與水體污染問題。光是不斷完善環境法以及道德約束還不夠，人類得將環境保護意識拓寬到全宇宙，世界才能重新變得安全且潔淨。穩定衛星軌道環境的唯一方法就是主動清除，我們需要開發新技術新方法，在避免產生新碎片的同時清除已有碎片，讓我們一起爲祖國加油！

參考資料：

[1]鋼板45.致命的太空垃圾[J].現代班組,2021(06):49.

[2]樑偲.太空垃圾越來越多了，科學家怎麼清理？[J].世界科學,2021(07):33-36.

[3]和平.太空垃圾與日俱增 科學家提出“怪招”清垃圾[J].今日科苑,2008(09):41-42.

[4]刀芭豆.“立方帆”——太空揚帆收垃圾[J].科學啓蒙,2017(05):2-4.

[5]日本創企衛星入軌：演示測試太空垃圾清理技術[J].高科技與產業化,2021,27(04):7.

[6]https://www.sohu.com/a/127361429_161623

[7]https://www.sohu.com/a/244942209_355099