太空碎片：日益增长的威胁与轨道清理技术

我们对太空的探索和利用为人类带来了巨大的利益，从全球通信和导航到天气预报和科学发现。然而，数十年的太空活动也带来了一个日益严重的问题：太空碎片，也被称为轨道碎片或太空垃圾。这些碎片对运行中的卫星、未来的太空任务以及太空活动的长期可持续性构成了重大威胁。

什么是太空碎片？

太空碎片包括所有在地球轨道上运行的无功能人造物体。这包括：

• 报废卫星：已达到其使用寿命但仍停留在轨道上的卫星。
• 火箭体：将卫星送入轨道的火箭末级。
• 碎裂碎片：因爆炸、碰撞或老化而解体的卫星和火箭碎片。
• 任务相关碎片：在卫星部署或任务操作期间释放的物体，如镜头盖或适配器环。
• 微小碎片：即使是微小的物体，如油漆碎片或固体火箭发动机的熔渣，由于其高速运动，也能造成重大损害。

美国空间监视网络（SSN）追踪在低地球轨道（LEO）上大于10厘米的物体和在地球静止轨道（GEO）上大于1米的物体。然而，还有数百万计的更小碎片，它们太小而无法被追踪，但仍然构成威胁。

太空碎片的危险

太空碎片构成的危险是多方面的：

碰撞风险

由于在轨道上的高速飞行（在低地球轨道通常为7-8公里/秒），即使是小块碎片也可能对运行中的卫星造成严重损害。与一个小物体的碰撞就可能导致一颗卫星失效或被摧毁，从而造成宝贵服务的损失并产生更多碎片。

例如：2009年，一颗报废的俄罗斯卫星“宇宙2251号”与一颗运行中的铱星通信卫星相撞，产生了数千块新的碎片。

凯斯勒综合征

由NASA科学家唐纳德·凯斯勒（Donald Kessler）提出的凯斯勒综合征，描述了这样一种情景：低地球轨道上的物体密度足够高，以至于物体之间的碰撞可能引发连锁反应，产生更多碎片，使太空活动变得越来越危险和不切实际。这个失控的过程可能导致某些轨道区域在几代人的时间内都无法使用。

增加任务成本

卫星运营商必须投入资源来追踪碎片、执行避碰机动以及加固卫星以防撞击。这些活动增加了任务的成本和复杂性。

对载人航天的威胁

太空碎片对载人航天构成直接威胁，包括国际空间站（ISS）。国际空间站有防护罩以抵御小碎片的撞击，但对于较大的物体，则需要空间站执行避碰机动。

太空碎片的现状

在过去的几十年里，太空碎片的数量一直在稳步增加。根据欧洲航天局（ESA）的数据，截至2023年：

• 大约有36,500个大于10厘米的物体正在被追踪。
• 估计有100万个介于1厘米到10厘米之间的物体。
• 超过1.3亿个小于1厘米的物体。

大部分碎片集中在低地球轨道，这也是地球观测、通信和科学研究使用最频繁的轨道区域。

轨道清理技术：解决问题之道

解决太空碎片问题需要多管齐下的方法，包括碎片减缓、空间态势感知（SSA）和主动碎片清除（ADR）。碎片减缓侧重于防止新碎片的产生，而SSA则涉及追踪和监测现有碎片。ADR是本篇博文的重点，指的是主动将碎片从轨道上清除。

许多创新技术正在为ADR进行开发和测试。这些技术大致可分为以下几类：

捕获方法

捕获方法用于在碎片脱轨或移动到更安全轨道之前，物理地抓住或约束它。目前正在探索几种方法：

• 机械臂：这是一种多功能工具，可用于抓取和操纵碎片。它们通常配备有专门的末端执行器（抓手），以牢固地抓住不同类型的物体。
• 捕网：可以部署大网来捕获碎片物体，特别是那些翻滚或形状不规则的物体。捕获后，网和碎片可以一起脱轨。
• 鱼叉：鱼叉用于穿透并固定碎片物体。这种方法适用于捕获固体物体，但可能不适用于易碎或已损坏的物品。
• 系绳：电动系绳可以利用地球磁场将碎片拖出轨道。它们对大型物体的脱轨很有效，但需要精确控制。
• 泡沫或气凝胶捕获：使用一团粘性泡沫或气凝胶来包裹和捕获碎片。这种方法仍处于早期开发阶段。

脱轨方法

一旦捕获到碎片，就需要使其脱轨，即让它返回地球大气层烧毁。有几种方法可用于脱轨：

• 直接脱轨：使用推进器直接降低碎片的轨道，直到它再入大气层。这是最直接的方法，但需要大量的推进剂。
• 大气阻力增强：部署一个大的阻力帆或气球来增加碎片的表面积，从而增加大气阻力并加速其再入。
• 电动系绳：如上所述，系绳也可以通过与地球磁场的相互作用产生阻力来进行脱轨。

非捕获方法

一些ADR技术不涉及物理捕获碎片。这些方法在简单性和可扩展性方面具有潜在优势：

• 激光烧蚀：使用高功率激光使碎片物体表面汽化，产生推力，逐渐降低其轨道。
• 离子束牧羊人：使用离子束将碎片物体推离运行中的卫星或推入更低的轨道。这种方法是非接触式的，避免了捕获过程中的碰撞风险。

轨道清理任务与技术实例

已有多项任务和技术被开发出来，以验证ADR的可行性：

• RemoveDEBRIS（欧洲航天局）：该任务展示了多种ADR技术，包括捕网、鱼叉和阻力帆。它成功使用捕网捕获了一个模拟碎片目标，并部署了阻力帆以加速自身的脱轨。
• ELSA-d（Astroscale）：该任务展示了使用磁性对接系统捕获和脱轨模拟碎片目标的能力。它包括一个服务航天器和一个代表碎片的客户航天器。
• ClearSpace-1（欧洲航天局）：该任务计划于2026年发射，旨在捕获并脱轨一个Vespa（织女星运载火箭二级有效载荷适配器）末级，这是织女星火箭发射后留在轨道上的一块碎片。它将使用机械臂来捕获Vespa。
• ADRAS-J（Astroscale）：ADRAS-J任务旨在与一块现有的大型碎片（日本火箭的末级）进行交会，以探查其状况和运动。这些数据对于规划未来的清除任务至关重要。
• e.Deorbit（欧洲航天局 - 提案）：一个计划中的任务，旨在使用机械臂捕获并脱轨一颗大型废弃卫星。该任务旨在展示清除大型复杂碎片的技术可行性。

挑战与考量

尽管ADR技术取得了进展，但仍存在一些挑战和需要考量的问题：

成本

ADR任务的开发和执行成本高昂。发射航天器并在轨道上执行复杂机动的成本可能非常巨大。开发具有成本效益的ADR解决方案对于使碎片清除在经济上可行至关重要。

技术发展

许多ADR技术仍处于早期开发阶段，需要进一步的测试和完善。开发可靠高效的捕获和脱轨方法对于ADR任务的成功至关重要。

法律与监管框架

关于ADR的法律和监管框架仍在发展中。存在关于碎片清除过程中造成的损害责任、被清除碎片的所有权以及ADR技术可能被用于攻击性目的等问题。国际合作和建立明确的法律准则是确保负责任和可持续的ADR活动所必需的。

目标选择

选择正确的碎片对象进行清除对于最大化ADR工作的有效性至关重要。优先清除对运行中卫星构成最大威胁的大型、高风险物体是必不可少的。应考虑物体的尺寸、质量、高度和碎裂潜力等因素。

政治与伦理考量

ADR引发了政治和伦理方面的考量，例如ADR技术可能被用于军事目的或不公平地针对他国卫星。国际透明度和合作对于解决这些关切并确保ADR用于全人类的利益至关重要。

国际努力与合作

认识到太空碎片问题的全球性，许多国际组织和倡议正在努力解决这个问题：

• 联合国外层空间和平利用委员会（UN COPUOS）：该委员会为太空相关问题（包括太空碎片减缓）的国际合作提供了一个论坛。它已经制定了被航天国家广泛采用的太空碎片减缓准则。
• 机构间空间碎片协调委员会（IADC）：该委员会是各航天机构交流信息和协调空间碎片相关活动的论坛。它为太空碎片减缓制定共识性准则，并促进对ADR技术的研究。
• 太空可持续性评级（SSR）：由世界经济论坛领导的一项倡议，旨在促进太空中的可持续实践。SSR根据碎片减缓措施和避碰能力等因素评估太空任务的可持续性。

这些国际努力对于促进合作、分享最佳实践以及制定解决太空碎片问题的共同方法至关重要。

轨道清理的未来

轨道清理的未来可能涉及技术进步、政策变革和国际合作的结合。值得关注的主要趋势和发展包括：

• ADR技术的进步：持续研究和开发更高效、更具成本效益的ADR技术，如机械臂、捕网和激光烧蚀。
• 在轨服务能力的发展：开发能够执行在轨服务（如加油、维修和卫星重新定位）的航天器。这些能力也可用于碎片清除。
• 实施更严格的碎片减缓措施：航天国家和组织采取更严格的碎片减缓措施，包括对卫星寿命末期脱轨和钝化的要求。
• 增强的空间态势感知：改进对太空碎片的追踪和监测，以更好地评估碰撞风险并规划避碰机动。
• 建立全面的法律和监管框架：为ADR活动制定明确的法律准则，解决责任、所有权以及ADR技术用于军事目的等问题。

解决太空碎片问题对于确保太空活动的长期可持续性以及维护太空探索和利用为人类带来的利益至关重要。通过投资ADR技术、实施更严格的碎片减缓措施以及促进国际合作，我们可以为子孙后代创造一个更安全、更可持续的太空环境。

结论

太空碎片是对我们太空基础设施和未来太空探索日益增长的威胁。发展轨道清理技术对于减轻这一风险至关重要。尽管挑战依然巨大，但持续的研究、国际合作和政策进步为实现一个更清洁、更安全的轨道环境带来了希望。世界各国政府、航天机构和私营公司的承诺对于确保太空活动的长期可持续性以及太空为人类持续带来的利益至关重要。