太空垃圾日益增多，我们该如何应对？（下）

　　来源：蝌蚪五线谱

　　在《太空垃圾日益增多，我们该如何应对（上）》中，我们主要了解了太空垃圾的来源及危害，那么我们该如何应对和预防太空垃圾呢？实际上各国的科学家都想了许多办法来应对。

　　预防为主是最佳的办法

　　当在近地轨道的太空垃圾数量超过一定程度后，容易发生类似多米诺骨牌一样的碰撞事件，形成恶性循环，导致太空垃圾多到无法跟踪，这种现象叫凯斯勒综合征。

　　为此，需要采取太空碎片减缓措施，如建立跟踪预警机制、限制新碎片的产生、主动移除轨道上的碎片、加强国际立法等。 

　　目前，对付太空垃圾最有效的方法是尽量减少其产生数量，主要方案如下：

　　一是减少发射与飞行任务无关的物体，并采用类似乘公交车的方式对航天器进行共享，这样既可减少重复发射且少花钱，又能降低产生太空垃圾的概率。

　　二是要改进太空飞行器的设计，防止它们在轨解体。

　　三是调整失效航天器的轨道，使其离轨。

　　四是经常监测在轨出现故障的航天器，因为它们可能导致大量碎片的产生。

　　航天器碰撞碎裂是产生大量太空垃圾的源头，减少碰撞碎裂的有效措施包括改进航天器的设计、选择撞击概率低的轨道等。

　　预防太空垃圾产生的方法具体办法有消能、系留、垃圾轨道和重复使用等。

　　所谓“消能”就是消除一切可能使火箭末级或航天器在轨道上发生爆炸的能源。其措施包括将工作完毕的运载火箭末级中的剩余推进剂和高压气体耗尽或排空，将末级或航天器内电池的电路永久性切断，这些措施也叫钝化处理。

　　例如，我国长征4号B的末级火箭就曾通过排放系统，在星箭分离之后实行“三放光”政策，即把储箱里的液体放光，把气瓶里的气体放光，把电池的能量放光。这样，除非与别的航天器相撞，火箭自身是不会爆炸的。

　　另外，有的国家计划将近地球轨道结束任务后的离轨期限从25年缩短到5年，这要求航天器设计时须考虑便于抓取和离轨，并制定优先清除轨道碎片清单。

　　“系留”是指将航天器在发射和工作中产生的抛弃物系留在航天器上，如镜头盖、紧固件等。比如，可以把探测器罩连接在主体件上。不过，该方法目前还不普及。

　　“垃圾轨道”是指在航天器工作寿命行将结束之前，利用剩余燃料将航天器推到一条规定的、专用于“埋葬”寿终航天器的轨道。地球静止卫星退役后的垃圾轨道一般是比地球静止轨道高300~400千米的轨道。此法不足之处是要消耗卫星燃料，影响卫星寿命。所以，可以考虑用星上电推进系统来推动它进入垃圾轨道。

　　空间专家们还在研究运载火箭和某些航天器的重复使用问题。美国已成功发射了猎鹰9号、“猎鹰重型”可部分重复使用火箭和“货运龙”“载人龙”可部分重复使用飞船，并正在研制可重复使用的“星舰”重型火箭和飞船等；中外研究人员还在使用或正在研究可以在轨维修卫星、在轨加注燃料等技术，以减少废旧航天器的数量，并延长航天器的寿命。

　　我国空间站是世界第一个航天器“母港”，可以在轨维修共轨飞行的其它航天器。例如，我国将发射与“天宫”空间站共轨飞行的“巡天”空间望远镜，它在长时间飞行以后，可根据需要飞往空间站，与“天宫”交会对接，由航天员对其开展推进剂补加、设备维护和载荷设备升级等活动，然后分离，飞回原来的运行轨道继续工作。

　　减少太空垃圾还离不开相关太空法律和法规的制定。近年，小卫星的飞速发展，使空间飞行物的数量猛增。尤其是不少卫星功能较低，寿命很短，会造成大量的太空垃圾。

　　所以，小卫星立法已成为当前国际外空领域关注的热点问题，有关国际机构正在研究针对小卫星管理的空间交通管理规则。由于小卫星质量小、成本低、数量多，对太空环境的影响巨大，所以应该遵从更严格的太空碎片减缓要求。实施空间交通管理将是解决小卫星在轨运行安全的最根本途径。

　　怎样对付已有太空垃圾

　　当今，人类可以对大于10厘米的太空垃圾进行监测，从而在它将与正常工作的航天器发生碰撞前通过机动正常工作的航天器来“躲避”。对于1毫米~1厘米的太空垃圾，虽然现在还无法监测到，但能通过航天器自身壳体来“抗击”。最危险的是1~10厘米的太空垃圾，既无法通过监测来“躲避”，也难以用自身壳体“抗击”它的猛烈碰撞。

　　要使太空垃圾的积余总数下降，最终清除已积存的太空垃圾，无论是近期内还是较长时间内都难以实现。目前对付已存在的太空垃圾最实用的办法就是“躲”，空间站经常通过变轨，来躲避有可能相撞的太空垃圾。2021年中国空间站也曾为躲避美国“星链”卫星，进行过两次紧急变轨。

　　“躲避”的前提是要对太空垃圾进行精确的监测和轨道计算，为航天器提前预警。对太空飞行物的地基监测一般分雷达监测和光学监测两种，其中雷达主要监测低轨道飞行物，光学主要监测高轨道飞行物。

　　近年来，美国还发射了“天基太空监视系统”卫星，它能不受任何阻碍连续监测地球轨道上的所有飞行物。德国拟采用激光精确测距与被动光学跟踪相结合的方法，利用望远镜确定太空垃圾的角坐标，同时运用激光测距技术确定太空垃圾的距离，进而计算出太空垃圾的位置。我国紫金山天文台早在2005年就开始用光学望远镜对太空飞行物进行监测。

　　此外，航天器还可采用多种“抗”的防护方式。比如，调整易损组件的位置，采用屏蔽防护法加固外表。所有航天器都可采用屏蔽防护结构对付0.1~1厘米的碎片，但要对付1~10厘米的碎片需通过特殊设计来实现。这种方法的不足是会使航天器的制造和发射成本增加，所以航天器的“防弹衣”要采用既结实、又轻便的新型材料。

　　“国际空间站”航天员通过太空行走在站外的要害部位安装了数个铝制遮蔽罩。我国天宫1号目标飞行器、天宫2号空间实验室的实验舱体外也装有特殊的防护装置。

　　我国神舟十八号、十九号乘组也已经或将要为空间站安装碎片防护装置，它能抵御数量众多、个头不足1厘米、很难被监测到的微小碎片。碎片防护装置采用特殊材料制作而成，能吸收能量和减轻对空间站造成的损伤。

　　进行太空行走的航天员主要靠航天服来防护，当然，最好不要在有碎片的区域出舱。对于10厘米以上的碎片，由于重量和体积所限，防护这一尺寸的碎片是不现实的。在已知精确轨道参数的情况下，只能够采用轨道机动的方法进行碰撞规避。

　　天宫1号、2号前面的密封实验舱侧壁装有特殊的防护板，相当于给它穿防弹衣。自身有2~3毫米厚的金属外衣。万一出现5毫米的漏孔，天宫1号、2号可维持舱压不小于70千帕约80分钟，从而使航天员有逃生的时间。

　　正在研究多种新的招数

　　目前，世界多个国家正在积极研究多种治理太空垃圾的新方法，包括收集、烧毁和脱轨太空垃圾等。

　　欧洲航天局将于2025年启动世界第一个在轨移除太空垃圾的任务，即发射太空清洁1号航天器，用它在轨试验移除太空垃圾的技术。这种特殊的航天器是一种新型四臂垃圾收集机器人。在其体外装有一个网状或机器触角状的特殊设备，可抓住太空垃圾并抱紧。

　　太空清洁1号的重量不到400千克，具备“高度自主性”由特殊的金属材料制成，所以本身不会因太空垃圾的撞击而无法履职。按计划，太空清洁1号将首先被送入500千米高的轨道进行调测，然后它变轨进入600多千米高的轨道，捕获在那里的“织女星二次有效载荷适配器”，最终将把这块模拟太空垃圾拖入大气层烧毁。如果上述试验获得成功，将为未来在轨移除太空垃圾任务铺平道路。

　　日本正在研究电动系链系统移除技术。它适合移除大型太空垃圾，装在货运飞船上。一旦货运飞船上的系链系统发现太空垃圾，它可依靠导航卫星逐渐靠近太空垃圾，在距离足够近时，使用光学摄像机来配合抓取太空垃圾。

　　但有专家认为该技术难度较大，成本也不低，且效率不高。另据2024年7月22日报道，日本Astroscale公司将在2026年使用ELSA-M太空拖船移除一颗已失效的“一网”低轨宽带卫星。ELSA-M将在完成任务后的5年内再入大气层烧毁。

　　2016年6月25日，我国在长征7号首次发射时，将遨龙1号试验载荷送入轨道，首次在世界上进行了太空垃圾的主动离轨试验。它以模拟太空垃圾为目标，用其上的一台机械臂模拟抓取模拟太空垃圾，并具有将它带到大气层烧毁的能力，从而验证了清除太空垃圾关键技术。未来我国还将在空间环境治理机器人等领域开展技术攻关。

　　上述都是采用交会捕捉移除技术来抓捕太空垃圾，然后将它们拖入地球大气层燃烧和分解。这种方法技术成熟、可靠，但成本比较高。

　　为此，一些科研人员也提出了其他的太空垃圾处理方法。比如“烧毁法”，即用大功率激光照射太空垃圾，使其粉碎成微粒后从轨道上迅速衰落。对于小的垃圾，用强激光可将其烧毁气化。但这种方法容易引起太空战争。

　　还有“脱轨法”，就是让太空垃圾脱离原来的运行轨道，或者直接下降进入大气层烧毁；或者转移到一条短寿命（25年以下）的轨道上去。除可用航天器自身的推进系统变轨外，还可启动航天器上用于增加大气阻力的装置，如大面积帆板或充气伞，从而降低航天器的速度，脱离运行轨道，最后再入大气层烧毁。

　　这种方法适用于处理600~700千米以下轨道上的太空垃圾，比较简单，不要求控制姿态。当太空垃圾在1200千米以上时，大气阻力已不存在，这时可用太阳光压的方法使其脱离轨道。

　　脱轨是使太空垃圾脱离原来的运行轨道，或者直接下降进入大气层烧毁；或者转移到一条短寿命（25年以下）的轨道上去。除可用航天器自身的推进系统变轨外，还可启动航天器上用于增加大气阻力的装置，如大面积帆板或充气伞，从而降低航天器的速度，脱离运行轨道，最后再入大气层烧毁。

　　这种方法适用于处理600~700千米以下轨道上的太空垃圾，比较简单，不要求控制姿态。当太空垃圾在1200千米以上时，大气阻力已不存在，这时可用太阳光压的方法使其脱离轨道。

　　也能用激光主动移除技术，即用高能脉冲激光束照射太空垃圾表面，使其产生等离子体并向外喷出。外喷的等离子体会对太空垃圾产生反向作用力，导致太空垃圾速度降低。此技术满足主动移除太空垃圾技术的各项要求，因此前景广阔，现正进行关键技术攻关。

　　还可采用喷射移除技术。它是向太空垃圾喷射气体、液体、离子束等，以增加太空垃圾的飞行阻力，从而减小太空垃圾的飞行速度。该技术可控性较差。

　　另有一些减少太空垃圾的其他处理办法。比如，用泡沫金属制造的航天器，使它在重返大气时能迅速彻底燃烧化成气体；研制轻质量、便宜的陶瓷材料和高分子材料，将其加在宇宙飞行器外表上制成的盾牌，抵挡小垃圾的撞击。

　　2024年11月4日，日本研制的世界首颗木壳人造卫星升空，当它退役重新进入大气层时，木质材料会燃烧殆尽，而目前的金属壳卫星退役返回地球时会产生对环境和通信产生负面影响的金属颗粒。

　　对付太空垃圾的设想举不胜举，但都要求不能产生更多的太空垃圾，成本要比较低。目前，上述技术大部分还停留在“纸上谈兵”阶段，需要较长时间的深入探索、不断试验。

　　总之，对付太空垃圾是一项多学科的综合性长期工作，需要各国都予以重视并开展广泛的国际合作，从而群策群力地来保护好人类共有的太空环境。

　　作者：庞之浩

　　全国空间探测首席科学传播专家 

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责任编辑：常福强