磁力“吸塵器”加入太空大掃除工具箱 太空垃圾商業(yè)化清理未來可期

近日，日本Astroscale公司發(fā)射的ELSA-d衛(wèi)星成功進(jìn)入550公里近地軌道，它由175千克的主體和17千克的靶標(biāo)兩部分組成，靶標(biāo)將模擬太空垃圾，主體上配備有磁對接系統(tǒng)，將在太空中釋放靶標(biāo)并進(jìn)行捕捉，以此模擬太空垃圾的回收實驗。

相關(guān)報道介紹，靶標(biāo)將被釋放3次。在最后一次實驗中衛(wèi)星主體將在大范圍內(nèi)搜索靶標(biāo)，飛行至同步旋轉(zhuǎn)狀態(tài)后對其進(jìn)行捕捉。如果實驗成功，將來有可能在衛(wèi)星上推廣磁對接系統(tǒng)，以便清理太空垃圾，保護(hù)空間軌道安全。

通過磁力捕捉回收太空垃圾是否可行，捕獲成功后主體帶著靶標(biāo)一起墜入大氣層燒毀是否可靠，還有無其他可行方法?帶著這些問題，4月18日，科技日報記者采訪了中國科學(xué)院國家天文臺平勁松研究員。

磁力對接不失為一種有益嘗試

通常情況下，兩個空間飛行器在飛行軌道上交叉會合，進(jìn)而受控連接成為一個整體，這項技術(shù)多用于航天飛機(jī)、空間站模塊、載人載貨地—空運(yùn)輸轉(zhuǎn)移空間艙之間的各類對接拼接業(yè)務(wù)。平勁松在接受科技日報記者采訪時表示，該項技術(shù)在我國嫦娥五號探測器采樣返回任務(wù)中對接上升艙和返回艙體時得到完美應(yīng)用。作為一種基本的航天飛控技術(shù)，將其用于空間抓捕是一種有效地應(yīng)用拓展，即兩個飛行物體一方受控一方自由飛行，在二者非常接近時受控物體對自行飛行物體實施物理捕獲。

對接捕獲的方式各不相同，一個通用的方式是在密接的逼近和抓捕階段，通過適用于近距離導(dǎo)航測量的光學(xué)成像敏感器或者激光雷達(dá)誘導(dǎo)方式逐步抵近或接觸目標(biāo)，進(jìn)而拋物抓捕。拋出的抓捕端可以是剛性錨或鏈錨、柔性繩網(wǎng)、伸展機(jī)械臂等。

日本Astroscale公司采取的磁對接方法是拋物抓捕的一種“技術(shù)練習(xí)”，平勁松表示，練習(xí)時借助飛行器上帶有光學(xué)標(biāo)記的鐵磁對接板對靶標(biāo)實施抓捕，并且可以多次釋放靶標(biāo)并抓捕，提升技術(shù)水平。

平勁松強(qiáng)調(diào)，這次也同時驗證了鐵磁對接板在空間吸附微小碎片的能力，可以針對含有鐵、鎳等可磁化物質(zhì)的空間碎片使用該方法。

批量處理太空垃圾的技術(shù)需求迫切

廢棄的衛(wèi)星和不受控空間金屬碎片是太空垃圾的主要“家族成員”。它們運(yùn)動速度快、沖擊力強(qiáng)，極可能撞上甚至撞毀在軌衛(wèi)星、火箭、宇宙空間站，對人類的太空活動構(gòu)成了極大威脅。

特別是近年來不斷新增的低軌道導(dǎo)航通信增強(qiáng)星座，以近10%的短期快速失效率淘汰衛(wèi)星設(shè)備，進(jìn)一步增加了太空垃圾的數(shù)量。因此，采取低成本、有效方式清理太空垃圾，是未來人類空間活動的必要過程。

Astroscale公司將要進(jìn)行的第三次捕捉，是主體衛(wèi)星進(jìn)行的一次真實抓捕操作的全過程模擬演練——主體衛(wèi)星模擬了遠(yuǎn)距離搜索碎片，并對目標(biāo)碎片進(jìn)行主動定位和抵近交會，最后予以捕獲。

平勁松對此波操作給出的評價是，這種方法在控制自身規(guī)避被碎片直接撞擊的風(fēng)險前提下對目標(biāo)垃圾碎片進(jìn)行捕捉，是一種比較靠譜的手段。原因在于，對于使用磁鐵吸附捕獲的碎片，捕獲成功后可以通過主體變軌墜入大氣進(jìn)行銷毀。“相較于逐一清除垃圾碎片個體的方法，探尋批量、成片、成區(qū)域清理太空垃圾的技術(shù)需求更加緊迫。”

太空垃圾商業(yè)化清理未來可期

Astroscale公司的這次大膽嘗試，正式開啟了太空垃圾清理的商業(yè)化大門。

伴隨著商業(yè)航天和商業(yè)衛(wèi)星技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)今擁有一顆衛(wèi)星的技術(shù)門檻越來越低。平勁松表示，在相關(guān)政府和大型航天機(jī)構(gòu)買單的前提下，類似Astroscale公司這樣，以清理太空垃圾為主營業(yè)務(wù)的商業(yè)公司必將以低費效比的模式贏得商機(jī)，并且把這項業(yè)務(wù)逐步發(fā)展為太空產(chǎn)業(yè)的一個重要分支。

為此，人們有理由期待下一個典型的太空垃圾清理業(yè)務(wù)——歐空局采購的“清潔太空一號”商業(yè)衛(wèi)星將于2025年清理2013年發(fā)射升空的“維斯帕”航天器的上面級。

按照計劃，“清潔太空一號”將由“織女星-C”火箭發(fā)射升空，先被部署到500公里高度的軌道上進(jìn)行一系列的測試。當(dāng)衛(wèi)星的狀態(tài)確認(rèn)正常后，將會逐步調(diào)高軌道，開始進(jìn)行捕捉“維斯帕”航天器上面級的工作。

平勁松介紹，在此過程中，衛(wèi)星將以自動化的方式完成大部分工作，但在一些關(guān)鍵的狀態(tài)點，仍然需要人工介入，確認(rèn)能否繼續(xù)。成功捕獲目標(biāo)后，“清潔太空一號”將會和太空垃圾一起進(jìn)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”捕捉“維斯帕”航天器上面級的方式就像“吃豆人”。平勁松表示，它裝備有4個機(jī)械臂，當(dāng)靠近目標(biāo)時，張開的機(jī)械臂向中央合抱，完成捕獲過程。因“維斯帕”航天器上面級的運(yùn)動狀態(tài)具有很大的不確定性和隨機(jī)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(shù)，準(zhǔn)確判斷目標(biāo)的位置和狀態(tài)，才能成功完成捕獲。

人類為太空垃圾操碎了心

此前，人類處理太空垃圾的常用手段有很多，早期的無奈之舉是棄之不用，任其長期存在于軌道飛行。也就是把即將失效的地球同步軌道衛(wèi)星移入更高的“墳?zāi)管壍?rdquo;，通過關(guān)閉或自毀衛(wèi)星的工作功能，拋棄地球同步軌道衛(wèi)星。

針對低軌道的衛(wèi)星，人們則采用主動、半主動和被動方式進(jìn)一步降低衛(wèi)星運(yùn)行軌道。在大氣阻尼作用下軌道高度衰減，衛(wèi)星墜入大氣銷毀。這類操作的典型事例包括載人空間站任務(wù)結(jié)束后的處置，以及繞月球和深空探測器任務(wù)結(jié)束后的受控硬“著陸”等。

平勁松告訴科技日報記者，隨著太空垃圾增多，多國國營和商業(yè)航天公司在嘗試新方法清理太陽垃圾。日本的國際空間站貨運(yùn)飛船，嘗試了釋放金屬導(dǎo)索吸附微小太空垃圾，通過放電讓吸附的垃圾減速并降低高度，進(jìn)而墜入大氣層燒毀。針對不受控的小型空間垃圾碎片，多國航天公司主張使用吸附、抓捕、網(wǎng)捕的提議和嘗試較多，其中一個提議是使用“太空魚叉”將其擊碎，碎片的一部分會墜入大氣，另一部分就按照小型垃圾碎片處理。(何 亮)