導(dǎo)讀

隨著人類空間活動(dòng)的日趨頻繁，航天器的報(bào)廢、有意或無(wú)意的碰撞導(dǎo)致碎片散落軌道各處。目前有近4500噸的太空垃圾運(yùn)行在地球周圍的軌道上，形成了“行星環(huán)”。這些高速運(yùn)行的太空垃圾對(duì)航天器和航天員存在巨大的威脅，一旦與正在運(yùn)行的衛(wèi)星相撞，將帶來(lái)毀滅性的后果，太空碎片清除技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)刻不容緩。

一、太空碎片清除項(xiàng)目開(kāi)展情況

太空垃圾對(duì)兩條重要軌道構(gòu)成巨大威脅，一個(gè)是低地球軌道，一個(gè)是同步軌道。導(dǎo)航衛(wèi)星、國(guó)際空間站和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡位于低地球軌道，我國(guó)也在低軌執(zhí)行載人航天任務(wù)。而通訊、氣象和偵察衛(wèi)星使用同步軌道，以便與地球的相對(duì)位置保持不變。

從1957年10月第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射至今，已經(jīng)發(fā)生了多起太空垃圾與航天器相撞事件。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和歐洲空間局（ESA）的研究表明，為防范“凱斯勒綜合征”的發(fā)生，穩(wěn)定軌道環(huán)境的唯一方法是主動(dòng)清除大碎片。NASA以及ESA的專家建議每年移除5～10個(gè)大型空間碎片。

2009年2月10日，美國(guó)一顆通信衛(wèi)星與俄羅斯一顆已經(jīng)報(bào)廢的衛(wèi)星在西伯利亞790公里上空相撞，碎片散落在軌道上

總的來(lái)說(shuō)，美國(guó)、歐洲和日本的空間碎片主動(dòng)清除研究起步較早，已提出了各自的碎片清除方案，部分關(guān)鍵技術(shù)已開(kāi)展在軌演示驗(yàn)證。但總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)前的發(fā)展水平距在軌應(yīng)用尚有差距，仍處于關(guān)鍵技術(shù)突破和掌握階段。國(guó)外一些典型的發(fā)展計(jì)劃如下。

1、歐洲空間局“清潔太空”（Clear Space）計(jì)劃

2019年12月，歐洲空間局（ESA）網(wǎng)站報(bào)道稱已委托瑞士初創(chuàng)公司“清潔太空”（Clear Space）提交方案，于2025年發(fā)射“清道夫”清理ESA位于軌道上一塊100公斤重的碎片。這一任務(wù)將使ESA在新的在軌服務(wù)和碎片清理市場(chǎng)上拔得頭籌。

Clear Space公司由洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的人員組成，他們提交了“清潔太空-1”任務(wù)的相關(guān)方案。該計(jì)劃已于2020年3月啟動(dòng)，這也是首個(gè)從軌道上清除太空碎片的任務(wù)。

“清潔太空-1”任務(wù)此次的目標(biāo)是“織女星火箭二次有效載荷適配器”（Vespa），這一碎片目前位于660公里左右的軌道上。Vespa重約100公斤，大小跟一個(gè)小型衛(wèi)星相當(dāng)，其形狀相對(duì)簡(jiǎn)單而且結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，這使它非常適合成為首次太空清理任務(wù)的目標(biāo)。

二次有效載荷適配器Vespa（右側(cè)灰色罐）和整流罩中的衛(wèi)星Proba-V

“清道夫”航天器捕獲目標(biāo)太空碎片并再入墜毀的過(guò)程

同時(shí)，ESA正在通過(guò)一個(gè)名為“主動(dòng)清除碎片/在軌服務(wù)”（In-Orbit Servicing/Active Debris Removal）的新項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)必要的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制技術(shù)以及會(huì)合和捕獲方法，研究結(jié)果也將應(yīng)用于“清潔太空-1”任務(wù)。

2、英國(guó)薩里航天中心“太空碎片移除”（Remove DEBRIS）項(xiàng)目

2013年，英國(guó)薩里航天中心聯(lián)合歐洲多家研究機(jī)構(gòu)，在歐盟第七框架計(jì)劃（FP7）資助下，啟動(dòng)“太空碎片移除”項(xiàng)目（Remove DEBRIS）；2014年至2016年間陸續(xù)完成核心分系統(tǒng)樣機(jī)的地面試驗(yàn)；2017年完成全系統(tǒng)集成；2018年4月試驗(yàn)衛(wèi)星運(yùn)抵國(guó)際空間站，為入軌釋放做準(zhǔn)備；2018年6月，試驗(yàn)衛(wèi)星成功從國(guó)際空間站釋放，開(kāi)展在軌調(diào)試。

從2018年9月起，試驗(yàn)衛(wèi)星將在地面站操作指令下，依次開(kāi)展4項(xiàng)技術(shù)在軌驗(yàn)證（飛網(wǎng)抓捕立方星、空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)跟蹤、魚(yú)叉捕獲和拖曳帆離軌），期間試驗(yàn)衛(wèi)星軌道高度逐步降低。地面任務(wù)控制中心在每項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證結(jié)束后將下載試驗(yàn)衛(wèi)星與有效載荷的相關(guān)數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)備下一項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證，每項(xiàng)技術(shù)在軌驗(yàn)證將持續(xù)6至8周。

2018年9月16日，“太空碎片移除”任務(wù)成功開(kāi)展世界首次真實(shí)太空環(huán)境下飛網(wǎng)抓捕立方星技術(shù)驗(yàn)證。飛網(wǎng)抓捕試驗(yàn)利用飛網(wǎng)裝置對(duì)模擬非合作目標(biāo)的立方星實(shí)施抓捕。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研制類似“網(wǎng)墜”的功能質(zhì)量塊，利用其重量和內(nèi)置電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，解決拋網(wǎng)舒展與網(wǎng)口收攏等難點(diǎn)。

“太空碎片移除”飛網(wǎng)試驗(yàn)

2019年2月15日，英國(guó)薩里航天中心宣布，“太空碎片移除”項(xiàng)目成功完成世界首次魚(yú)叉捕獲模擬空間碎片靶板的在軌驗(yàn)證。試驗(yàn)中，鉛筆大小的縮比魚(yú)叉以20米/秒的速度刺穿了距離其1.5米的靶板。未來(lái)薩里還將進(jìn)行全尺寸在軌試驗(yàn)，屆時(shí)魚(yú)叉和靶板將距離30米遠(yuǎn)。

“太空碎片移除”魚(yú)叉試驗(yàn)

試驗(yàn)衛(wèi)星與任務(wù)載荷完成全部4項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證后，將陸續(xù)在6個(gè)月內(nèi)再入大氣層燒毀。魚(yú)叉、飛網(wǎng)等太空碎片機(jī)械捕獲方式簡(jiǎn)單易行，成功率較高，不僅可用于移除太空碎片，維護(hù)軌道交通環(huán)境，也可用于捕獲在軌運(yùn)行衛(wèi)星，具備太空對(duì)抗應(yīng)用潛力。但相關(guān)技術(shù)距離工程應(yīng)用還需數(shù)年。

3、歐盟第七框架（FP7-SPACE CLEANSPACE）計(jì)劃

CLEAN SPACE項(xiàng)目自2011年啟動(dòng)，2014年5月結(jié)束。主要基于地基激光方案移除特定飛行器周圍1～10cm中等尺寸太空碎片，避免飛行器收到太空碎片的碰撞。該項(xiàng)目為FP7空間項(xiàng)目的一部分，它和空間環(huán)境認(rèn)知（Space situational awareness，SSA）、碰撞避免（Collision avoidance)一起構(gòu)成了空間碎片管理項(xiàng)目。該項(xiàng)目分為五個(gè)步驟，如圖所示，1）認(rèn)真評(píng)估空間碎片情況；2）提出全面系統(tǒng)框架，包含碎片的調(diào)查、跟蹤、識(shí)別、基于激光技術(shù)碎片移除系統(tǒng)（該系統(tǒng)為ESA，SSA項(xiàng)目的補(bǔ)充）；3）應(yīng)對(duì)安全管理規(guī)范、政治意義及未來(lái)合作伙伴；4）發(fā)展可用的碎片移除技術(shù)（主要是激光）；5）建立發(fā)展和實(shí)施激光移除碎片系統(tǒng)（Lasser debris removal，LDR）的路線圖。

CLEANSPACE計(jì)劃主要步驟

LDR使用來(lái)自地球表面的脈沖激光改變近地軌道上太空碎片的運(yùn)行軌道，如圖所示，激光輻照太空碎片后，將其表面材料燒蝕、汽化或者離化，被燒蝕材料在碎片表面高速噴發(fā)，生成足夠的力驅(qū)動(dòng)碎片更換軌道或者進(jìn)入大氣層燒蝕，從而達(dá)到移除航天器周圍碎片，保護(hù)航天器運(yùn)行安全的目標(biāo)。

CLEAN SPACE項(xiàng)目概念簡(jiǎn)析

LDR系統(tǒng)實(shí)施路線圖（2015-2026）

CLEAN SPACE項(xiàng)目的特點(diǎn)：1）響應(yīng)快，在碰撞警報(bào)前幾個(gè)小時(shí)及幾天時(shí)間內(nèi)可以移除有害碎片；2）靈活性高，可以處理LEO軌道幾個(gè)碎片，甚至是不同軌道或高度；3）成本低，地基激光系統(tǒng)可以重復(fù)使用，不需要空間發(fā)射。該項(xiàng)目在發(fā)展低成本激光技術(shù)時(shí)，可以使用SSA項(xiàng)目中大部分技術(shù)；4）對(duì)空間環(huán)境無(wú)影響，不會(huì)產(chǎn)生與發(fā)射或軌道內(nèi)碰撞相關(guān)的新的碎片。

4、美國(guó)國(guó)家航空航天局“獵戶座”（ORION PROJECT）計(jì)劃

1993年，NASA的C.Phipps提出了利用30kW的地基脈沖激光器清除近地空間垃圾的“ORION”計(jì)劃。ORION計(jì)劃采用地基激光清除近地軌道1～10cm量級(jí)空間碎片，減緩空間碎片對(duì)空間站、載人飛船和衛(wèi)星的撞擊威脅。它利用激光燒蝕空間垃圾產(chǎn)生的推力改變空間垃圾的運(yùn)行軌道，使空間垃圾墜入大氣層燃燒掉。

激光空間碎片清理示意圖

ORION計(jì)劃采用平均功率30kW的激光器，重頻2Hz，單脈沖能量15kJ，脈寬10ns，用6m直徑的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)作為發(fā)射望遠(yuǎn)鏡。原計(jì)劃近期目標(biāo)是清除800km以下軌道高度空間碎片，遠(yuǎn)期目標(biāo)是清除1500km以下軌道高度空間碎片。ORION計(jì)劃中的中心——Laser Orbital Debris Removal（LODR）一直在研究當(dāng)中，但是，ORION計(jì)劃一直沒(méi)有實(shí)施。

2014年，C.Phipps將重點(diǎn)從地面激光器轉(zhuǎn)移到了太空激光器。基于太空的空間可以使目標(biāo)更近距離地通過(guò)，因此可以使用較小的光學(xué)元件和激光。它還消除了激光束散射和大氣吸收，支持使用355nm的UV而不是532或1064nm的波長(zhǎng)。這進(jìn)一步減小了望遠(yuǎn)鏡的尺寸，還可以降低消融閾值。此外，天基激光器也可用于GEO，而不僅僅是LEO。但是，天基激光器的研究依然要依靠地基和機(jī)載的試驗(yàn)成果來(lái)進(jìn)行。

5、其他

2017年9月，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）發(fā)布太空碎片清除系統(tǒng)共同研究和委托公告，旨在征集太空碎片清除系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)方案，以及商業(yè)化可行性方案。JAXA期望借此清除處在700～1000千米軌道高度的大型空間碎片，計(jì)劃在十年內(nèi)以低成本（不超過(guò)20億日元）完成系統(tǒng)研發(fā)并將其商業(yè)化。

2018年6月，俄羅斯精密儀器系統(tǒng)科學(xué)生產(chǎn)聯(lián)合體（Precision Instrument Systems）向俄羅斯國(guó)家航空航天局（Roscosmos）提議基于阿爾泰季托夫光學(xué)激光中心研制的三米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡研制用于清除空間碎片的“激光炮”，以通過(guò)聚焦激光束使?jié)撛谖ｋU(xiǎn)的碎片汽化。

2020年6月，日本天空完美公司（SKY Perfect JSAT Corp.）表示，將開(kāi)發(fā)一顆用激光清除太空碎片的衛(wèi)星，目標(biāo)是在2026年發(fā)射相關(guān)服務(wù)。該公司表示，衛(wèi)星通信服務(wù)提供商將主要與日本理化學(xué)研究所和日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)合作制造該衛(wèi)星。據(jù)天空完美公司稱，這顆衛(wèi)星將發(fā)射激光，將空間碎片推進(jìn)地球大氣層并將其燃燒。該公司計(jì)劃在2024年開(kāi)始試驗(yàn)，測(cè)試激光設(shè)備，并計(jì)劃在2026年使衛(wèi)星投入運(yùn)行。

圖片顯示了衛(wèi)星的激光是如何清除軌道上的碎片的(由日本天空完美公司提供)

此外，ESA將于2025年發(fā)射e.Deorbit航天器，演示驗(yàn)證大型報(bào)廢衛(wèi)星移除技術(shù)。該任務(wù)針對(duì)的目標(biāo)極有可能是展開(kāi)寬度為26米的“歐洲環(huán)境衛(wèi)星”（ENVISAT）。該顆對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星已在2012年停用，軌道高度不到800千米，自然脫軌需要150年以上。如果與僅重10千克的太空物體發(fā)生碰撞，“歐洲環(huán)境衛(wèi)星”將瓦解成危險(xiǎn)的太空碎片。e.Deorbit將首次使用太空漁網(wǎng)或配備抓爪的機(jī)械臂來(lái)捕獲該衛(wèi)星，隨后，e.Deorbit將使用自身推進(jìn)裝置，操縱被捕獲的衛(wèi)星進(jìn)入大氣層，兩顆衛(wèi)星將在大氣層中同時(shí)焚毀。

二、太空碎片清除技術(shù)應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)分析

1、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

除了前面所介紹的激光清除技術(shù)和機(jī)械移除技術(shù)外，還有利用電動(dòng)系繩、靜電牽引、離子束推移以及膨脹泡沫增阻等方法的技術(shù)方案。

電動(dòng)系繩法是讓導(dǎo)電繩以軌道速度在地磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，在系繩上感生出電動(dòng)勢(shì)，使電離層中的帶電粒子在系繩頂端被收集起來(lái)，在系繩末端被發(fā)射出去，形成穩(wěn)定的電流，地磁場(chǎng)對(duì)通電系繩的作用產(chǎn)生了洛倫茲力，洛倫茲力改變衛(wèi)星的速度。電動(dòng)系繩會(huì)產(chǎn)生比空氣阻力更強(qiáng)大的磁阻力，可在一年內(nèi)使大型太空碎片從軌道墜落。這種導(dǎo)電系繩將在與地球磁場(chǎng)相互作用時(shí)產(chǎn)生推力，不需要額外電源。JAXA在2017年初測(cè)試了該技術(shù)，但電動(dòng)系繩未能成功部署，試驗(yàn)失敗。

美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德校區(qū)的研究機(jī)構(gòu)構(gòu)思了靜電牽引裝置（electrostatic tractor）概念。該裝置無(wú)需通過(guò)接觸，便可將報(bào)廢衛(wèi)星推離擁擠的地球同步軌道。此概念將使用“脈沖電子槍”，利用電子槍產(chǎn)生的能量為數(shù)十瓦的脈沖式電子束將衛(wèi)星推出軌道。

靜電牽引概念

離子束推移與激光推移離軌清除空間碎片的原理類似，是利用遠(yuǎn)距離發(fā)射的物質(zhì)（離子）與空間碎片相互作用產(chǎn)生力的原理進(jìn)行工作。它使用天基離子系統(tǒng)，即離子束管控衛(wèi)星，向空間碎片發(fā)射高能離子束，通過(guò)產(chǎn)生足夠的推力使其離軌。在這種方式中，工作衛(wèi)星不需要與非合作的碎片直接接觸，具有使用簡(jiǎn)單，成本低，操作安全的潛在優(yōu)勢(shì)。

膨脹泡沫法構(gòu)想是依賴于碎片泡沫球所受的大氣阻力，任務(wù)航天器向碎片噴射泡沫，增大碎片的面質(zhì)比，增加碎片的大氣阻力，使碎片相比于自然衰減能夠顯著的降低碎片的軌道壽命。這種方法的創(chuàng)新型體現(xiàn)在避免任務(wù)航天器與空間碎片的直接接觸，能夠克服捕獲清除碎片發(fā)的困難。泡沫法的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是真空環(huán)境下可靠的泡沫膨脹和碎片附著技術(shù)。

綜合來(lái)看，經(jīng)過(guò)這些年的科技進(jìn)步，目前的激光技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，利用激光清除碎片的平均成本僅約幾千美元，考慮到空間碎片的數(shù)目成千上萬(wàn)，激光清除空間碎片可能是唯一實(shí)用的選擇；其他技術(shù)要么每次僅能清除數(shù)目有限的碎片，成本太高，要么仍處于概念研究階段，技術(shù)尚不成熟。

2、應(yīng)用模式發(fā)展分析

太空碎片清除技術(shù)具有明顯的軍事價(jià)值。

人類的外太空活動(dòng)深深植根于地緣政治。太空碎片清除正構(gòu)成一個(gè)可怕的挑戰(zhàn)，即垃圾清理技術(shù)武器化。不論是政府的還是商業(yè)的反軌道碎片技術(shù)，誰(shuí)也無(wú)法保證在設(shè)計(jì)上用于摧毀太空垃圾的技術(shù)不會(huì)用于摧毀他國(guó)至關(guān)重要的通訊和軍用衛(wèi)星。一旦發(fā)生戰(zhàn)事，空間碎片清除技術(shù)可以將清除的目標(biāo)定位為敵方的衛(wèi)星，對(duì)敵方在軌衛(wèi)星進(jìn)行清除或者破壞等。多數(shù)主動(dòng)碎片清除技術(shù)完全可以直接用于空間對(duì)抗活動(dòng)。這也是世界各國(guó)都高度重視、積極發(fā)展主動(dòng)清除技術(shù)的重要原因。無(wú)論是老牌還是新興太空強(qiáng)國(guó)，都有可能用商業(yè)解決方案應(yīng)對(duì)太空垃圾問(wèn)題，進(jìn)而掩蓋他們的軍事意圖。

太空碎片清除技術(shù)產(chǎn)生巨大的商業(yè)價(jià)值。

由于空間碎片占有有限的軌道資源，所以很可能具有商業(yè)價(jià)值。由于地球同步軌道資源有限，且非常寶貴，然而已有的航天器壽命結(jié)束后依然占據(jù)著軌位，通過(guò)空間碎片清除，將占據(jù)著資源軌道的廢棄航天器拖至墳?zāi)管壍溃粘鲕壩粚⒖赡苡欣蓤D。

如果能明確某一需要清除的碎片的所有方，碎片的所有者可以通過(guò)付費(fèi)來(lái)清除該碎片，這需要該客戶對(duì)太空環(huán)境保護(hù)具有高度的責(zé)任感。對(duì)于一些國(guó)家手里那些位于“危險(xiǎn)”區(qū)域的太空資產(chǎn)，可以通過(guò)付費(fèi)商業(yè)空間碎片主動(dòng)清除技術(shù)來(lái)保護(hù)其空間資產(chǎn)。

小結(jié)

當(dāng)前，航天技術(shù)強(qiáng)國(guó)廣泛展開(kāi)太空碎片清除技術(shù)研究，有多個(gè)項(xiàng)目正在進(jìn)行當(dāng)中。捕獲、移動(dòng)或者拖拽太空碎片的技術(shù)也可以用來(lái)破壞現(xiàn)役衛(wèi)星。這很可能會(huì)加劇太空武器化的進(jìn)程，激起各國(guó)暗地里的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，一方面應(yīng)當(dāng)主動(dòng)承擔(dān)起地球軌道碎片處理責(zé)任，為維護(hù)太空環(huán)境做出貢獻(xiàn)。另一方面，也應(yīng)快速建設(shè)自己的空間碎片監(jiān)測(cè)能力，發(fā)展多種空間碎片清除技術(shù)，在未來(lái)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)。