太空清道夫

埃里克·尼勒　陈龙编译

随着危险的太空垃圾与日俱增，探寻清除它们的方法变得迫切。目前具备可行性的解决方案主要有两类：一类需要借助搭载了强磁体的航天器，另一类则类似于太空拖船，依靠机械臂来捕捉火箭残骸等太空垃圾。

据美国国家航空航天局（NASA）估计，环绕着地球的太空垃圾至少有2.3万件，其中包括废弃的有效载荷、火箭及其他长度超过10厘米的碎片。此外，直径在1到10厘米之间的小碎片，可能多达50万件。这些太空垃圾都在以每小时不低于2.9万公里的速度移动，而且，在重返地球大气层并焚毁之前，它们可以存在几十年。轨道上的太空垃圾会给通信、科学、气象卫星，以及空间站带来极大的威胁。

2009年，一颗报废的俄罗斯卫星和一颗铱星通信卫星在西伯利亚上空发生碰撞。2020年，两颗报废卫星在匹兹堡上空885公里处“擦肩而过”，最近时仅相距12米，险些发生碰撞。为了防患于未然，美国的航天机构及商业公司正展开行动，准备清理太空垃圾。去年12月，NASA发布了一本手册，为商业卫星供应商提供“防碰撞”参考。今年3月，NASA与美国太空探索技术公司（SpaceX）签署了一项协议，以确保在发射及轨道运行期间，双方都能将安全放在第一位。该协议可保证一方的卫星不会出现在另一方的发射场上空或计划的轨道上，否则一旦发生碰撞，将会产生更多的太空碎片。据《太空新闻》报道，美国国防部甚至可能会以吨为单位向商业公司支付清理太空垃圾的费用。

即使是很小的太空碎片也会产生灾难性的影响。图为小铝球以每秒七公里的速度撞击铝块的测试结果。

3月22日，日本宇宙航空研发机构联合东京初创公司Astroscale，共同推出了一套名为“生命终结服务”的太空垃圾清理系统。该系统基于磁性原理，包含两颗卫星。其中主卫星重约175.1千克，迷你冰箱大小，搭载有强磁体。另一颗靶卫星重约16.8千克，体积更小，形状像几个披萨盒叠在一起，配备有一块圆形的磁性对接板。

它们将在首秀中测试主卫星追赶、捕获靶卫星的能力，而后者扮演的正是太空垃圾的角色。发射时，主卫星与靶卫星吸附在一起，是一个整体。系统自检需要花费几个月的时间，一旦确认无误，主卫星会将靶卫星释放到自己的轨道上。届时，地面操作人员将操控它们进行对接，一旦距离足够近，主卫星就可以利用磁力捕获靶卫星。

在测试的第一阶段，二者都会处于平稳飞行状态，如果主卫星能够顺利捕获靶卫星，则将进入第二阶段。靶卫星将被送入别的轨道，进入翻滚状态，变得更难捕获。与第一阶段相同，主卫星需要设法搜寻并借助磁体捕获靶卫星，但这次的任务难度无疑是增加了。Astroscale想通过这次测试向潜在客户证明自身有能力成功捕获随机移动的太空垃圾。如果第二阶段的测试也取得成功，两颗卫星将进入同一轨道，最终在地球大气层中焚毁。

未来，Astroscale还将继续完善这套系统，以执行清理任務和移除报废卫星。不过，若想实现这一点，首先需要满足一个条件：卫星运营商要在发射卫星前预装该公司的磁性对接板。公司的首席运营官、前NASA官员克里斯·布莱克比说：“我们必须得让人们意识到，要减少太空碎片的数量，就必须确保未来发射的卫星都易于移除。发射的卫星越多，发生碰撞的风险也随之升高。”

Astroscale的太空垃圾清理系统搭载有强磁体。

目前来看，一网公司是第一家愿意与之合作的公司，这家卫星互联网提供商计划于今年10月推出卫星宽带服务。在此之前，一网会在自家卫星编队上预装磁性对接板。

在太空中捕捉物体是一项巨大的工程挑战。测试期间，Astroscale的英国运营商将通过遍布全球的16个地面站组成的网络控制主卫星。当然，靶卫星不会受到控制，届时将处于旋转状态。地面控制人员必须估算两颗卫星的速度与方向，确保它们通过磁性对接板实现精准对接，否则，碰撞可能会将它们送入太空，后果难料。

“大部分试验内容都没有先例。”布莱克比说，“虽然早在阿波罗计划时期，航天器的交会对接就已经实现了，但前提是可以同时对双方进行精准控制。而如果对接方不具备通信能力，也没有卫星连接，任务将困难得多。”

如果测试成功，Astroscale团队将开始筹备第二次任务：于2023年捕捉一个报废的日本火箭一级助推器。与此同时，针对已经存在的太空垃圾，该公司也在研究移除它们的方法，例如使用机械臂。不过，相关方案尚处于构想之中。

ClearSpace机械臂系统捕捉太空垃圾概念图

欧洲将在2025年对相似的构想进行尝试，以捕捉不受控制却又高速移动的太空垃圾。欧洲航天局选择与瑞士初创公司ClearSpace合作，计划使用一种类似触手的机械臂系统，回收一块长约2.4米的锥形碎片。这块碎片来自欧洲航天局只能一次性使用的“织女星”运载火箭，它已经在轨道上漂浮多年。

根据计划，由ClearSpace设计的航天器会通过四个机械臂捕捉碎片，然后将其带回地球大气层，随后，它们将很快在燃烧中解体。该方案主要是为了解决历史遗留太空垃圾的回收问题，与磁性对接方案并不冲突。

该公司的首席执行官吕克·皮格特表示，任务难点在于匹配目标的速度与方向，并在捕捉的同时避免产生碰撞，以防其旋转到另一个轨道。“必须要确定翻滚速度，精准地移动，才能捕捉到目标。稍有闪失就会产生更多的太空碎片，这是无论如何也要避免的。”

未来数月，各大商业卫星服务提供商都将有新动作，比如一网与Telesat都准备推出卫星宽带服务，SpaceX在布局“星链”计划，AST & Science也计划提供卫星网络服务。数百颗新卫星将被送入太空。

可以预见，清除太空垃圾的需求可能会与日俱增。据皮格特的说法，某些特定高度的轨道要比其他轨道更拥挤，而最大的拥堵点就在北极和南极上空，卫星轨道与太空垃圾的飞行路径会在此交汇。“地球两极上空是繁忙的交通要道。”他说，“在此发生碰撞的概率比在赤道轨道上高得多。”

当然，也有一些另辟蹊径的技术正在研发之中。与致力于清除太空垃圾的Astroscale和ClearSpace不同，NASA和诺思罗普·格鲁曼公司都在开发在轨卫星保养计划，期望借此延长老化卫星的寿命。NASA OSAM-1保养任务的项目经理布伦特·罗伯逊表示，新任务预计将于2025年启动，目标是在一颗政府卫星上开一个洞，然后注入联氨燃料。一旦卫星有了额外的燃料，地面控制中心就可以下达指令，操控其飞行到远离太空垃圾的轨道上。这将延长卫星的使用寿命，而不是让其在现有轨道上走向终结。

罗伯逊表示，从这次“加油”任务中积累的经验将在未来发挥作用。“如果不想局限于近地轨道，人类就必须拥有可补充燃料和可维护的航天器。通过这次任务，我们要证明为在轨航天器补充燃料的可行性。”

[编译自美国《连线》]

编辑：马果娜