太空垃圾的“清道夫”

Nemo

太空垃圾危害大

太空垃圾是太空中無用人造物体的统称，包括卫星发射时和失效后产生的各种物体，如运载火箭末级、废弃航天器、人造卫星碎片等。2018年初，SpaceX使用“猎鹰重型”火箭发射了一辆特斯拉跑车，跑车的电池在发射12小时后就会耗尽。所以，严格来说，它现在就属于典型的太空垃圾。随着人类太空活动的频繁开展，太空垃圾不断增多。正飞在日心轨道上的特斯拉跑车，还不会造成什么危害，而地球轨道上的太空垃圾，危害却不容小觑。

这些太空垃圾并不是静止的，它们和卫星一样围绕地球高速运动。尤其因为这些太空垃圾往往集中在某些特定高度的轨道上，它们与正常工作的卫星碰撞的概率还真不小。

一般来说，航天器在设计上都会考虑防撞性能，即要能承受较小的太空垃圾的碰撞，但如果遇到尺寸大于10厘米的太空垃圾，载人飞船和空间站也要退避三舍，以确保自身安全。国际空间站就曾通过机动变轨来规避近距离的太空垃圾，我国“神舟11号”载人飞船也曾采取紧急变轨措施，规避太空垃圾。

太空“清道夫”种类多

太空垃圾的轨道各异，清除起来十分麻烦。科学家大致提出了四种清理太空垃圾的方法。

第一种，就是专门发射“清道夫”航天器收集太空垃圾，最后让航天器坠入大气层销毁。2016年，“长征七号”火箭首飞搭载的“遨龙一号”航天器，就是按照“清道夫”航天器的思路设计的。它进行了世界上首次主动清理太空垃圾的实验。

“清道夫”航天器要通过变轨实现太空垃圾的收集工作，燃料消耗多。如果给每个卫星都“装”一个小发动机，到了预定寿命，就让卫星自己变轨再入大气层销毁，这样不就方便了吗？实际上，根据目前的国际公约，新发射的卫星应该具备“自行了断”的能力，即卫星达到预期的使用寿命后，它们“霸占”太空轨道的时间不能超过25年。这就是第二种清除太空垃圾的方法。

前面说的两种方法都需要航天器主动变轨，燃料消耗大。尽管使用高效的电推进技术可以减少燃料消耗，但能不能实现航天器的被动变轨，进一步减少燃料消耗呢？这就是第三种清除太空垃圾的方法。

欧洲阿里安宇航公司曾提出一个概念：在运载火箭末级装上气球，把卫星送入轨道后，气球充气展开，增大阻力，这样原本需要几十年甚至更久才能再入大气层销毁的火箭末级，可能十几年甚至几年后，就会再入大气层销毁了。不过目前这种构思还未付诸实践。日本在HTV-6货运飞船上试验了利用电动系绳增加阻力的方案。在这个方案中，航天器会释放一段导电的绳子切割地磁场，导致航天器阻力大增，动能减少，它便可以更快地再入大气层，从而达到太空垃圾“自清除”的目的。

第四种清除太空垃圾的方法，就是激光清除技术。科学家提出，可以在航天器上安装大功率激光器来“扫荡”太空垃圾。我国未来的“天宫号”空间站就可能装备反太空垃圾激光器。用大功率激光器的高能激光照射太空垃圾，可以使其改变轨道甚至彻底气化。激光还能将大的太空垃圾“击碎”成小块，降低其危害。遗憾的是，激光器往往需要大功率的电源，除了载人空间站这样昂贵且电能充沛的航天器，其他航天器如卫星甚至飞船，都暂时不会有这样的“贵宾”待遇！此外，激光清除还不可避免地存在探测范围窄、拦截距离短的缺陷。

在2017年底的中国国际工业博览会上，上海航天技术研究院805所展出了一款独具一格的“太空神器”——“立方帆”，学名为低成本薄膜帆式离轨标配装置。它能够利用可展开的薄膜帆带动航天器自主脱离轨道。在它的助力下，未来发射的卫星在达到设计寿命后，可以及时离轨，避免成为太空垃圾。

它为什么叫“立方帆”呢？这其实是借用“立方星”的概念。“立方星”是立方体卫星的简称。航天界将边长10厘米的立方体卫星称为一个标准单元（1U），而上海航天技术研究院805所的这个装置在薄膜帆收拢时正好是1U大小，所以研发人员为它起了个形象的名字——“立方帆”。

“立方帆”可以视为一种被动变轨的航天器，是太阳帆的变种和发展品。畅想一下，未来的航天器带上“立方帆”这个装置，在达到预期寿命后，“立方帆”展开，形成大面积的薄膜帆面。薄膜帆面利用太阳光压，可加速航天器轨道的衰减，缩短废弃航天器的轨道滞留时间，减缓太空垃圾增长的趋势。

太空垃圾带来的困扰是航天事业发展过程中出现的小问题。虽然现在清除太空垃圾的方案大多还停留在研究阶段， 但人类探索太空、挑战太空的决心是坚定不移的。相信随着人类的探索和实践，这一问题终将被解决。