在太空践行环保理念的“实践二十一号”

○赵 雯

为建设美丽中国,为给人民创造良好的生产生活环境,为对全球生态安全做出贡献,我国政府近年树立并不断践行“金山银山不如绿水青山，绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念。同样，随着人类向太空探索的不断加速、加深，越来越多的太空垃圾不断被产生，使得太空环境不断恶化。于是，实践二十一号卫星应运而生，成为我国在太空践行环保绿色发展理念的“排头兵”。2022 年1 月22 日，实践二十一号卫星成功捕获了失效的北斗二号G2 卫星，并于1 月26 日成功将其拖离原轨道，从而圆满完成了清除太空垃圾的任务，展示了其作为太空环保卫士的能力。

太空垃圾是指在宇宙空间里除正在工作着的航天器以外的人造物体。主要包括：运载火箭和航天器在发射过程中产生的碎片，航天器表面材料的脱落物及表面涂层老化掉下来的油漆斑块，航天器逸漏出的固体、液体材料，火箭和航天器等爆炸、碰撞过程中产生的碎片，报废的卫星等。

据相关机构数据显示，截至2021 年4月底，共有7 389 颗人造卫星在环地球轨道运行，其中只有3 372 颗卫星处于工作状态。这意味着太空中至少有54%的卫星是失去功能的太空垃圾。美国于1958 年发射的尖兵1 号人造卫星是现存历史最长的太空垃圾。这些失效卫星极可能成为太空中不定时的炸弹！

美国航天局约翰逊航天中心资料显示，目前地球周围有近12.5 亿颗太空碎片。这些碎片的大小自1 毫米至数十厘米不等。这些在近地轨道上的碎片以每秒超过7.5 千米，也就是22 倍音速的速度飞行！因此这些看似微小的碎片蕴含着巨大的动能和不可估量的破坏力！我们通过以下对比就可清楚了解太空小碎片的巨大破坏力：AK——47 步枪射出的子弹在枪口的初速度（也就是子弹出膛速度）为710 米/秒，弹头重量8 克，由于物体的动能与速度的平方成正比，因此子弹初动能达2 010 焦耳，这足以在100米距离内穿透1厘米厚的普通钢板。同样是8克重的太空金属碎片，它以7.5千米/秒的速度飞行，其动能将达到22.5万焦耳！它能很轻松地将任何一颗卫星打个对穿。

1987 年，“量子”舱无法同“和平”号空间站对接，经验丰富的地面控制中心认为，舱外肯定有物质干扰对接，于是派一个考察组上去检查，结果发现那里有一个金属残片导致连接器拧不紧。1991 年9 月15日，美国发射的“发现者”号航天飞机差点儿与一火箭残骸相撞。当时它与这个“不速之客”仅仅相距2.74 千米，幸亏地球上的指挥系统及时发来警告信号，它才幸免于难。俄罗斯航天局称，整个2020 年，系统记录下的国际空间站就有220 次差点与太空垃圾相撞。

太空垃圾不仅给航天事业带来巨大隐患，影响正常运行的卫星的安全，对进入太空的航天员造成威胁，还污染了宇宙空间，给人类带来灾难，尤其是核动力发动机脱落，会造成放射性污染。美国等在空间的核反应堆中有1 吨的铀-235 及其他核分离物。还有，随着空间碎片数量的快速增加，人类将很难找到没有太空碎片的轨道。

为了应对太空垃圾，各航天强国大都有一套自己的太空垃圾跟踪系统。使用光学望远镜和高度敏感的雷达扫描太空，算出发现太空垃圾的轨道然后录入数据库，并实时更新数据。这样航天飞行控制中心就有一张“太空垃圾网”，科学家将航天器的轨道参数与之比对，如果发现未来可能会有重叠，就需要提前调整航天器的轨道，避免碰撞。“天网恢恢”却不是“疏而不漏”，到目前为止，人类只能准确跟踪约100 万个大于10 厘米的太空垃圾，而小于10 厘米的太空垃圾则很难被发现，且其数量估计超过1.28 亿！

太空垃圾对人类的正常航天活动产生了严重威胁，关系到全人类共同的安全和空间的可持续发展。因而，维护空间环境的正常有序和空间资产的安全，维持空间的可持续性发展正是全人类共同的责任和义务。当前，国际上就此问题已达成了广泛一致的共识，即航天活动需要进行有效管控，以使太空垃圾的产生及其威胁最小化。

空间碎片减缓就是要求限制和清除空间碎片，它贯穿于航天器设计、发射、运行的全过程。空间碎片减缓技术已经成为国内外研究热点。控制、减缓空间碎片产生的措施主要是预防和治理两种。在积极预防产生空间碎片的基础上,还有必要采用先进的清除技术对已经漂浮在轨道的空间碎片进行治理。

对太空垃圾清理技术的一般要求是，成本要低，最好能一次处理尽量多的垃圾且不能产生更多的太空垃圾，废弃的大型航天器在坠入大气层时必须可控等。目前，主流的清理技术包括电动系绳系统移除技术、交会捕捉移除技术、喷射移除技术、激光主动移除技术、充气阻尼移除技术、太空拖网等。具体来说，以电动力绳索、磁帆等用磁力吸附的方式收集空间碎片，达到一定量以后将其推入大气层烧毁；以飞网、飞爪、机械臂捕捉太空垃圾的方式，将太空垃圾集中收集，最终将其推入大气层烧毁；给体积较大的太空垃圾安装太阳帆、增阻装置，利用太空中仍然存在的极其稀薄的空气给太空垃圾减速，或者以太阳帆产生的微动力给太空垃圾减速，加速其轨道下降，从而使其坠入大气层烧毁；采用高能激光产生微小动力清除微小碎片；改变材料属性或材料状态，通过高能微波加热使其汽化或者释放氧化剂，点火后将其烧毁等。对于大体积、大质量的太空垃圾，一般采用捕捉方法清除，即采用飞网、飞爪或机械臂等方式将其收集在一起，最终将其拖入地球大气层烧毁。

作为一个负责任的航天大国，作为《外层空间条约》的签署国，我国承诺控制和减少空间碎片，并积极开展空间碎片减缓技术的研究，不停尝试突破空间碎片清理技术。2016 年6 月25 日，我国就曾随长征七号成功发射一台空间碎片主动清理飞行器——遨龙一号。它装载的机械臂可以捕获废弃卫星或空间碎片，并将其带至大气层进行焚毁。2021 年10 月24 日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功将主要用于验证空间碎片减缓技术的实践二十一号卫星发射升空。2022 年1 月26 日，实践二十一号卫星将我国一颗失效的北斗导航卫星从拥挤的地球同步轨道上拖拽到了更高的轨道上。此举标志着航天器被动移位和太空垃圾处理新方式的成功执行。

实践二十一号卫星是一颗高轨卫星，携带数十台发动机（负责调姿和推进），拥有传统燃料推进和电推进两种技术，其中电推进技术非常节省燃料。它能够精确定位和自由变轨，具备非合作目标交会能力，能自由变轨到极近距离接触想要捕捉的目标。这个轨道会与目标有短暂的接近重合，所以可以与目标非常靠近。它自带一套空间碎片清理设备，可以捕捉既定目标，然后启动发动机向目标轨道移动。实践二十一号卫星能从2 万千米的太空轨道上升到3.6 万千米以上的太空轨道，提升高度达1.6 万千米。相对提升来说，降落则更加容易，只需减速就能降落，而且更节省燃料。

我国为什么要让实践二十一号卫星将北斗二号G2 从原有的轨道拖拽到距地球3.6 万千米高的太空轨道呢？除了技术方面的验证意义之外，可能是要让出其所在的地球同步轨道。因为这一轨道资源非常宝贵，很多通信卫星、导弹预警卫星等航天器都在这一轨道运行。随着卫星的增多，加上卫星之间必须有一定间隔，导致这条轨道越来越拥挤。为了提高轨道利用率，很多接近失效的卫星会通过自身动力进入“坟墓”轨道而让出位置。“坟墓”轨道在正常的地球同步轨道大约300 千米之外，用于放置失效的卫星，以降低其和正常卫星碰撞的风险。

对于中国航天事业发展，我们始终本着为全人类谋福祉的精神，致力于和平利用外空，以开放姿态，按照和平利用、平等利用、共同发展原则，广泛开展国际合作与交流。我们希望与各国一道努力，推动航天事业不断取得新成果，促进人类和平发展，不断攀上新高峰。