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清理太空垃圾要動真格的了——歐空局2025年怎樣去太空回收垃圾?

  • 分類:行業資訊
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2020-12-17 15:44
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【概要描述】

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  太空垃圾一直是困擾著航天活動開展的一個問題。隨著微小衛星技術的成熟,擁有一顆衛星的門檻越來越低,地球軌道上航天器數量持續快速增長,使太空垃圾帶來的潛在風險進一步增大。

  近期,歐空局和“清潔太空”公司簽訂合同,將在2025年發射世界上第一個太空垃圾清潔衛星“清潔太空一號”。我們約請航天學博士李會超和讀者聊聊與此有關的一些事。

  “清潔太空一號”捕獲維斯帕上面級示意圖

  問:歐空局計劃2025年去太空回收垃圾,具體采用的是什么方式?

  答:目前,人們已經提出了許多清除太空垃圾的技術路線,而利用航天器將太空垃圾抓取后帶離軌道的主動清除技術發展得最為成熟。我國的“傲龍一號”曾進行過在太空中抓取目標的試驗;歐空局的“清理碎片”計劃,以國際空間站為試驗平臺,成功測試了網式和魚叉式的太空垃圾清理手段。不過,以往開展的試驗,都人為釋放了“靶星”,并沒有清理實際存在的太空垃圾。

  “清潔太空一號”也采取主動抓取后帶離的清除方式。然而,它的目標卻是已經在太空中飄蕩了7年的一塊太空垃圾——2013年發射升空的“維斯帕”上面級。“維斯帕”上面級的外形為圓柱和圓錐的結合體,直徑約為2.1米,高約為1.3米,重量約為100千克。這個航天器在完成幫助衛星入軌的任務后,就遺留在高度約七八百公里的軌道上。“維斯帕”具有簡單的形狀和堅固的外形,抓取這種外形的航天器相對比較簡單,也不用擔心抓取過程中目標航天器解體從而制造出更多的太空垃圾,因此是初次試驗時難度合理的目標。而它的重量也與近年來發展迅猛的微小衛星接近,任務所獲得的數據和經驗能夠為未來清理失效的微小衛星提供重要參考,而這正是“清潔太空”公司未來的目標市場。

  按照計劃,“清潔太空一號”將由“織女星-C”火箭發射升空,先被部署到500公里高度的軌道上進行一系列的測試。當衛星的狀態確認正常后,將會逐步調高軌道,開始進行捕捉“維斯帕”的工作。在此過程中,衛星將以自動化的方式完成大部分工作,但在一些關鍵的狀態點,仍然需要人工介入,確認能否繼續。成功捕獲目標后,“清潔太空一號”將會和太空垃圾一起進入破壞性軌道,通過與大氣層相互作用的方式燃燒殆盡。

  “清潔太空一號”采用了類似“吃豆人”的方式捕捉“維斯帕”。它裝備有四個機械臂,當靠近目標時,張開的機械臂向中央合抱,完成捕獲過程。和之前開展的捕捉合作目標的試驗性任務所不同的是,“維斯帕”和其他太空垃圾都是非合作目標,其運動狀態具有很大的不確定性和隨機性,因此“清潔太空一號”必須利用基于視覺的人工智能等技術,準確判斷目標的位置和狀態,才能成功完成捕獲。實際上,“清潔太空一號”的雛形在2012年就已經提出,在技術迭代過程中一度計劃使用其他的捕獲方式。例如,在2013版的方案中,計劃采用柔性捕獲裝置,抓握器在高電壓作用下展開,撤除電壓后會收縮,像一層外皮一樣包裹住目標,完成捕獲。而在2015版的方案中,則提出了利用外形類似蜘蛛網的捕獲裝置。而最終選擇四個機械臂,則是綜合考慮了抓取能力、技術成熟度的選擇。

  “清潔太空一號”的設計最初由洛桑聯邦理工大學下屬的瑞士航天中心提出。經過多輪技術迭代后,項目的運行方式也發生了變化。目前,“清潔太空一號”由創業公司“清潔太空”負責,以商業化的方式獲得歐空局資助。本次任務獲得了歐空局8600萬歐元的資金,而資金的用途是購買一次太空垃圾清理服務,并非為“清潔太空一號”的研發全部買單。項目所需的其余2400萬歐元經費則由“清潔太空”公司自行籌集。一旦技術成熟,“清潔太空”公司將會提供太空垃圾清理的商業服務,供各航天機構和公司使用。

  近地軌道太空垃圾情況示意圖

  問:目前存在于太空中的太空垃圾主要來源于什么?

  答:1989年,空間碎片監測機構發現一顆名為“宇宙線背景探測器”的衛星產生了約76塊空間碎片,且這些碎片都是直徑大于10厘米的較大空間碎片。衛星失效后在軌道上解體,是太空垃圾的主要來源之一。奇怪的是,這顆衛星在碎片產生后仍在正常工作,并沒有發生因運行異常而解體的情況。后來,這顆衛星甚至圓滿完成了壽命期內的全部觀測工作,但產生空間碎片的原因仍然沒有找到。雖然類似的事件并不多見,但這種“奇特”現象的發生說明目前人們對空間碎片產生的機制仍然沒有完全充分的理解。

  除了失效的衛星外,火箭的二級、三級或上面級等推動衛星入軌的部分,也是太空垃圾的主要來源之一。這些航天器中一般還殘留著部分推進劑,在發射后一天至幾十年的時間中,殘留的推進劑有可能會發生爆炸,產生少則幾塊、多則數百塊的空間碎片,且這些碎片的飛行速度各異。根據歐空局今年10月發布的年度空間環境報告,由火箭剩余部分爆炸產生的太空垃圾危險程度最高。

  衛星間的碰撞會產生數量極為龐大的太空垃圾。2009年2月11日,美國通信衛星“銥星33”與已經報廢多年的俄羅斯衛星“宇宙2251”在西伯利亞上空發生激烈碰撞,釀成了人類歷史上首次衛星與衛星相撞的重大事故。本次碰撞產生了多達2000塊體積較大的太空垃圾,以及數量更多又無法追蹤的小太空垃圾。

  問:如果太空垃圾無節制地繼續增長將會帶來什么后果?

  答:如果太空垃圾無節制地繼續增長,將會引發“凱斯勒效應”——空間碎片在太空中進入連環撞擊的狀態,軌道資源因為太空垃圾的污染而枯竭,人類再也無法將航天器發射到特定軌道上去。

  近年來,如SPACEX“星鏈”等近地通信衛星星座,為太空垃圾問題帶來了新的挑戰。按照目前SPACEX的設想,星鏈衛星網使用的衛星總數將高達1.2萬顆,相當于全世界現在在軌工作衛星數的好幾倍。其他商業太空公司也提出了類似的近地通信衛星星座計劃,衛星數量從幾百顆到上千顆不等。根據有關機構的研究,對于成千上萬顆小衛星組成的地軌星座系統,必須有99%以上的衛星能夠在結束工作后即時離軌。對于正常工作的衛星來說,一般都會預留燃料,在壽命將盡時利用發動機控制衛星降低軌道,快速進入與大氣層強烈相互作用并下墜焚毀的階段。然而,如果衛星在工作過程中意外失效,就不能完成即時離軌,只能等待衛星與中高層稀薄大氣的緩慢作用,使衛星的軌道逐漸降低,經歷很長的時間后才能進入大氣層焚毀。而根據今年11月哈佛-史密松天體物理中心的研究,目前入軌的800顆星鏈衛星已經有約3%失效,成為了新的太空垃圾。有關研究人員已經通過多種渠道呼吁政府部門和航天企業對大規模通信星座帶來的太空垃圾新威脅加以重視。

  國際空間站上觀察到的一塊空間碎片

  問:關于太空垃圾對航天工程的實際影響,有什么例子能和讀者講講嗎?

  答:對于太空垃圾帶來的后果,國際空間站也曾遭遇“驚魂一刻”。2015年7月16日凌晨,空間碎片監測機構發現了一塊太空垃圾正以危險的方式接近國際空間站。這塊編號為36912號的太空垃圾的大小大概相當于一個餐盤,來源于一顆解體的蘇聯軍事氣象衛星。這顆衛星在入軌兩年多后停止工作,在隨后的幾十年中,碎片一直在不停地從這顆衛星上脫落,成為太空垃圾。36912可能曾經是這顆衛星的熱屏蔽罩的一部分。

  由于36912的軌道比較特別,空間碎片監測網中只有極小一部分臺站能夠對其實施監控。36912盤狀的形狀和較低的質量,使得其軌道很容易受到太陽活動引起的高層大氣密度變化的影響。當它從監控的盲區再次出現在臺站的監控范圍中時,軌道較之前可能已經發生了較大的變化。2015年7月16日凌晨,空間碎片監測機構更新了碎片的軌道數據后,驚恐地發現這塊碎片將在幾小時內接近國際空間站,而碰撞概率已經提高到了非常高的千分之一。

  按照目前載人航天的避碰規程,當撞擊概率大于十萬分之一時,撞擊風險為中等,如果不影響任務的正常開展,航天器需要進行軌道機動以規避太空垃圾。而當撞擊概率大于萬分之一時,航天器在任何情況下都必須采取軌道機動。千分之一的撞擊概率已經屬于高風險威脅。

  然而,由于發現風險的時間太晚,國際空間站已經來不及對碎片進行規避。國際空間站的艙體在設計時已經考慮了太空垃圾的防護問題,在艙體外部安裝了惠普爾保護罩。這種保護罩由一層或多層薄的金屬片構成。當空間碎片擊中保護罩時,保護罩能夠吸收一部分撞擊的能量,并讓碎片解體,從而降低碎片對艙體外壁的沖擊。然而經過估算后,技術人員發現國際空間站的防護能力不足以抵御36912的撞擊。他們只能讓空間站上的宇航員進入對接在空間站上的“聯盟”號飛船中避險,并關閉部分艙室的艙門。如果空間站徹底崩潰,“聯盟”號則可以充當救生艇,帶宇航員們離開空間站。

  好在這一事件最終有驚無險。這塊碎片最終以約每小時5萬公里的相對速度掠過國際空間站,距空間站僅有幾公里。雖然這次國際空間站幸免于難,但在太空垃圾數量持續增長的情況下,空間碎片撞擊的威脅將會長期存在,而且會越來越高。

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