机器人、鱼叉和渔网:我们将如何清理我们的轨道垃圾

2018年4月4日，SpaceX的“龙”号太空舱停泊在国际空间站(ISS)，运载着大量物资和科学实验。在宇航员转移到轨道前哨内部的3吨装备中，有一个100公斤重的航天器，大约是一台洗衣机的尺寸。这艘名为“移除碎片”(RemoveDebris)的航天器自此成为迄今为止从国际空间站发射到太空的最大卫星。它也是首个通过一系列四项实验在轨道上测试主动空间碎片清除技术的卫星平台。

积极的空间碎片清除技术将在防止空间环境危机全面爆发方面发挥类似的作用，正如碳捕获和储存预计将在减缓全球变暖方面发挥作用一样。人们正在开发鱼叉、渔网、机械臂和其他设备，使垃圾清除飞船能够抓住一颗报废的卫星，并将其拉向地球大气层，在那里它将被烧毁。

专家估计，如果轨道环境要保持稳定，每年必须从近地轨道(海拔高达2000公里)上移除5颗大型卫星。否则，所谓的凯斯勒综合症，即不可阻挡的碰撞级联，每一次新的太空碰撞都会产生大量碎片，进一步摧毁其他航天器，可能会成为现实。

事实上，根据欧洲航天局(ESA)空间碎片办公室主任霍尔格·克拉格的说法，早在1978年，美国天体物理学家唐纳德·凯斯勒就预测了这种现象，现在已经可以观测到这种现象的最初迹象。

2016年8月，欧洲航天局几乎失去了价值2.8亿欧元的Sentinel-1A卫星，该卫星是欧盟带头的哥白尼地球观测计划的一部分，原因是与一块子弹大小的空间碎片相撞。

该机构的控制人员第一次发现，这艘重2170公斤的航天器正在从其693公里的轨道上滑落，当时它的计划是7年的任务，不过执行了两年多一点。卫星机载计算机的数据显示，它的1000万太阳能翼中的一个产生的电能减少了。研究小组重新启动了一个机载摄像头，这一摄像头最初是用来监测航天器首次到达轨道时太阳能电池板的部署情况。视频显示，其中一个太阳能机翼上有一个40厘米的洞，据克拉格说，这一定是由一块约1厘米大小的太空垃圾造成的。

“我们很幸运，因为我们可以继续任务，但如果物体击中了卫星的主体，后果可能会严重得多，”克拉格说。

他继续说:“在碰撞过程中产生了7个碎片，现在由空间碎片监测系统跟踪。”“其中一个与姐妹航天器Sentinel-1B发出了联合警报，后者在同一轨道上飞行，但距离为180度。”

这个场景有点像奥斯卡获奖影片《地心引力》。据凯斯勒说，近地轨道上10%的卫星正在经历类似的碰撞。由于这些卫星不携带摄像头，它们出现问题的确切原因可能永远无法确定。

由于太空技术成本高昂，很多事情都岌岌可危，专家们呼吁有关各方开始至少像对待气候变化一样认真对待太空环境危机。

RemoveDebris宇宙飞船是将这一努力变为现实的第一步。

它携带了三种技术，未来可能被用于更快地将报废卫星从近地轨道移走，以防止毁灭性的碰撞——鱼叉、渔网和拖帆。它还携带一个新颖的基于视觉的导航系统，包括一个激光雷达激光系统和一个光学相机，用于跟踪漂浮物体，以实现平滑捕获。

该卫星于6月20日通过NanoRacks的Kaber微型卫星部署器从国际空间站释放，并在10月实验计划开始前服役。

萨里大学空间工程教授、萨里太空中心主任、“清除碎片”任务的首席研究员古列尔莫·阿格列蒂解释说:“尽管实验本身相对较短，但它们之间可能有很长的间隔。总的来说，我们计划在今年年底前完成整个任务。”

为了演示，航天器携带了自己的空间碎片——两个10x10x20cm大小的2U立方体卫星。第一艘DebrisSAT将用于网络捕获实验，第二艘用于验证基于视觉的导航系统。

萨里大学(University of Surrey)前RemoveDebris项目经理杰森•福肖(Jason Forshaw)表示:“一开始，我们会弹出一颗小型立方体卫星——一扇门打开，一些弹簧就会把它推出去。”“之后我们将在规定的时间部署捕获小立方体卫星的网。听起来很简单。你可以在地球上进行大量测试，但还没有人在恶劣和动态的空间环境中证明过这一点。”

福肖说，在一次适当的任务中，网将用一根缆绳连接到“追逐者”飞船上。捕捉到碎片后，追猎飞船将使用它的推进器使其脱离轨道。为了演示的目的，工程师们决定不使用系绳。

福肖解释说:“系绳可能会出现很多问题。“例如，立方体卫星可能反弹并击中你的主卫星。”

研究人员将拍摄网捕航天器的过程，将镜头传回地球，并用它来分析实验。根据福肖的说法，网络中的立方体卫星将在一年内自然脱离轨道。

之后，第二颗立方体卫星将被释放，当它从主航天器上飘开时，研究人员将用它来训练基于视觉的导航系统。在真正的任务中，追猎飞船在试图捕获目标之前会使用这样的系统来评估目标。在这种情况下，研究人员将只收集数据，进一步微调交会技术背后的算法。

最后，一支笔大小的钛鱼叉将穿过1.5米的距离射入一个10 × 10厘米的固定板中，固定板将从主航天器的一个吊杆上延伸出来。

网和帆是由RemoveDebris项目的合作伙伴空中客车公司制造的。在其位于斯蒂夫尼奇的设施中，该公司的工程师已经在测试一种更大的鱼叉，将来有一天可以用来移除地球观测卫星Envisat——近地轨道上最大的太空垃圾之一。

Envisat大约有一辆双层巴士那么大，在服役10年后，于2012年4月停止对ESA控制器的响应。由于控制人员意外地与卫星失去了联系，他们没有设法进行任何操作，将这颗8吨重的巨型卫星送到较低的高度，因此它将在太空安全指南建议的25年内脱离轨道。

从那以后，Envisat一直在缓慢地从770公里的轨道上滑落，但根据欧洲航天局清洁空间计划的负责人路易莎·因诺琴蒂(Luisa Innocenti)的说法，Envisat要自然脱离轨道需要200年时间。

因诺琴蒂说:“据估计，Envisat在此期间与另一块碎片相撞的风险在15%到20%之间。”“然而，如果我们开始发射更多的卫星，它也可能会上升一个数量级”——这正是我们所预期的。

如果Envisat与另一块碎片相撞，或击中正在运行的航天器，将产生大量碎片，它们将在太空中穿梭，威胁到它们所经过的一切。

这不是第一次碰撞了。2009年2月，一架已报废的俄罗斯宇宙-2251号宇宙飞船撞击并摧毁了当时功能正常的通信航天器铱33号。这次撞击产生了成千上万的碎片，其中许多碎片仍然在轨道环境中飞驰。

因此，欧空局正在制定计划，在本世纪20年代中期发射一艘垃圾回收飞船来清除Envisat。

今年3月初，空中客车公司测试了一个几乎与捕获Envisat所需的鱼叉一样大的鱼叉。该装置由钛、钢和铝制成，长1米，重2.2公斤，以每秒25米的速度穿过1.5米的距离击中面包板。

空中客车公司高级项目工程师阿利斯泰尔•韦曼表示:“我们正试图证明，我们可以用我们的鱼叉设计成功捕获航天器的一部分。”“要捕获Envisat，鱼叉必须有1.5米长，2.5公斤重。与Envisat相比，它非常小。”

“我们围绕Envisat设计鱼叉，因为它是最大的碎片。如果你能抓住Envisat，你就能抓住一切。”

到今年年底，Wayman和他的团队想要进行一次更真实的测试，将鱼叉发射到25米的距离，就像捕获太空中的一颗真正的卫星一样。

鱼叉的研发是由欧洲航天局的清洁空间计划资助的，它是envisa移除任务的竞争者。然而，根据Innocenti的说法，该机构已经决定选择机械臂，因为它也可以用于在轨服务——为运行中的卫星进行维修和加油——因此更有可能获得政府的支持。

然而，Wayman认为，随着空间碎片问题的加剧，对鱼叉技术的商业需求将会增加。

“我们围绕Envisat设计鱼叉，因为它是最大的碎片，”Wayman说。“如果你能捕获Envisat，你就能捕获一切。积极的空间碎片清除变得越来越重要。每年我们都不能实现将5大块空间碎片从轨道上剥离的目标，情况就会变得更糟，我们更有可能发生更多的碰撞。”

RemoveDebris团队表示，他们的任务不会留下任何碎片。所有用于实验的卫星将在一年内在大气中燃烧。两颗小型立方体卫星将自然脱离轨道。据阿格列蒂教授介绍，这个重达100公斤的主航天器将在完成所有预定的实验后，展开一个3米长的拖曳帆，将加速轨道衰变过程，从数月到数周。该帆由耐热聚酰亚胺Kapton制成，通过增加国际空间站相对较低高度残留大气产生的阻力，使卫星减速。

阿格列蒂说:“该系统有一个可充气的吊杆，可以将帆移离卫星一点。”“帆本身通过四个碳纤维制成的吊杆展开，拉动帆的四个象限。”

与鱼叉和渔网不同，被动碎片清除帆技术几乎已经准备好投入商业应用。阿格列蒂说，开发该设备的萨里大学已经在与可能有兴趣在不久的将来在他们的航天器上部署这种系统的商业合作伙伴进行洽谈。

据阿格列蒂说，尽管太阳帆在“有合理数量的残留大气”的低空工作效率最高，但它也可以在较高的高度工作，利用太阳风来减慢航天器的速度。

阿格列蒂说:“这大大加快了脱离轨道的过程。”“原本需要几年时间的东西变成了几个月或几周，需要100年才能脱离轨道的东西在几年之内就会消失。”这将有助于运营商满足在任务结束后25年内击落卫星的要求。在这25年期间，只有60%的卫星脱离轨道，这导致空间环境日益杂乱。

阿格列蒂说:“目前的情况还不算太严重，但我们必须防止事态发展到那种地步。”“碰撞的风险是真实的风险，而不是想象出来的。我们希望确保当我们将新卫星送入轨道时，由于碎片撞击而造成损坏的可能性尽可能低。”

阿格列蒂说，说到底，成本可能是决定性因素，工程师们在设计脱离轨道的装置时——无论是主动的还是被动的——都必须考虑到这一点。

“这有点像清理海洋的问题，”阿格利蒂说。“谁来为它买单?”如果成本不太高，人们就会去做，但如果成本很高，就很难说服人们。”