太空垃圾:天空中的垃圾堆

在埃隆·马斯克(Elon Musk)发射第一组星链(Starlink)卫星的前一年，他在猎鹰重型火箭(Falcon Heavy)上发射了一辆午夜樱桃色的特斯拉跑车(Tesla Roadster)，由一个穿着宇航服的假人“驾驶”。今天，“斯塔曼”和他的特斯拉继续以每小时几千英里的速度在太空中旋转，同时1000多颗“星链”卫星已抵达地球轨道，为全球提供高速卫星互联网。但我们有个问题。

简单地说，我们的地球轨道是一团糟，而且还在变得更糟。在撰写本文时，大约有6200颗卫星在环绕地球运行，其中近3000颗已经报废，被归类为“太空垃圾”。这只是个大问题。

欧洲航天局的最新数据显示，地球上有近1.29亿个碎片，大小从1毫米到10厘米以上不等。碎片从油漆斑点、螺母、螺栓和冰冻的卫星冷却剂到宇航员工具、火箭部件，还有Starman和他的特斯拉(根据你的观点)，可能还在循环听着David Bowie的《Space Oddity》。

显然，卫星与碎片碰撞的机会正在增加，而来自Starlink和OneWeb等公司的新一波超级星座电信卫星正在加剧这一问题。仅星链公司就打算最终发射4万多颗卫星。

在此期间，卫星运营商在避开垃圾方面做得很好，这在很大程度上要归功于世界领先的美国军方的太空监视网络(Space Surveillance Network)，以及中国、俄罗斯和欧洲的类似系统。事实上，到了2027年，俄罗斯国家航天公司(Roscosmos)将再发射一颗卫星来监测太空碎片。

尽管如此，行业数据显示，碎片与卫星的碰撞在过去三年中翻了一番。由于太空的高速撞击——在近地轨道上大约22,000英里每小时——即使是亚毫米的碎片也会对太空飞行构成现实威胁。如果一个手机大小的东西击中了一颗卫星，这可能意味着该卫星的灯和地球上的一大块互联网接入都将被切断。

“空间碎片和卫星碰撞的风险不是科幻小说。这是有可能的，它确实会发生，它将影响地球上的生命，”英国航天局(UKSA)的空间监视和跟踪负责人雅各布·吉尔说。“我们的日常生活依赖卫星数据，包括电信、GPS信号以及国防和安全。

他补充说:“SpaceX和OneWeb等公司非常负责任，但在近地轨道上，没有单一的规则来规范你的行为。”“越来越多的行业参与者在发射卫星，这导致(运营商)出现更多问题——我认为人们并不总是意识到我们对太空的依赖有多严重。”

日本Astroscale公司英国和欧洲未来业务主管杰森·福肖博士对此表示赞同。据这位航空航天工程师说，太空碎片是一个“巨大的问题”，而且“正在变得更糟”。

他说:“我们知道有数百万个更小的碎片，每一个都对我们的卫星构成威胁，我们只是无法跟踪它们。当较大的卫星在太空中相撞时，就像2009年美国和俄罗斯的卫星铱和科斯莫斯发生的那样，会产生更多的小碎片，这是非常危险的。”

吉尔认为，迫切需要国际监管来着手解决碎片问题，因为世界各国目前在太空的操作方式各不相同。他说:“有些人非常认真地对待这个问题，而另一些人可能以不同的方式对待它。”

为此，英国航天局最近与联合国外层空间事务办公室合作，资助和促进空间可持续性，吉尔希望这将有助于解决碎片问题急需的国际推动。他补充说:“如果我们不着手处理这个问题，就会有未来的后果。”“更多的碰撞将会发生，我们将失去人们每天使用的太空服务……(监管)已经被谈论了很多，但我仍然没有看到多少直接行动。”

抛开监管不谈，吉尔和福肖都认为清理轨道废弃物势在必行。最好的方法是什么还没有定论，但已经有一些不错的项目在进行中，并取得了很好的进展。

去年9月，英国安全局向7个总部位于英国的项目提供了约100万英镑的资金，用于开发探测和跟踪碎片的新型传感器，以及分析后续大量数据的人工智能方法。其中，D-Orbit UK将改进最近发射的恒星跟踪器传感器，并开发雷达来成像和描述围绕空间物体移动的碎片。Lumi Space公司将率先使用激光测距技术，再次发现和跟踪物体。与此同时，富士通将创建机器学习方法和量子启发处理，以改进清除碎片的任务计划。

然而，Astroscale通过其“终末期服务演示”(ELSA-d)将活动提升到一个新的水平。该任务计划于2021年3月在哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场由联盟-2号火箭发射升空，包括一颗184公斤重的母舰卫星，称为“服务者”和一个16公斤重的吊舱状“客户端”，作为需要从轨道上移除的假报废卫星碎片。至关重要的是，母舰配备了基于视觉的导航、交会接近传感器和磁对接机制，而客户端安装了铁磁对接板。

一旦进入太空，服务人员将反复释放和对接假卫星碎片，同时它也会像许多废弃的太空物体一样移动和翻滚，也会在几公里外“丢失”和回收客户端。整个任务将由英国的一个地面控制中心指挥，如果成功的话，将在大约两年内看到母卫星和它的客户端一起在最后的火焰中脱离轨道。

“翻滚捕捉可能是整个任务中最具挑战性的部分之一，这种演示以前从未在太空中以半自主的方式进行过，”福肖强调说。“当你捕捉一个翻滚的物体时，你需要在多个轴上精确地调整服务人员与客户端的位置和速度，这是极其复杂的。”

作为这项工作的一部分，服务机上的传感器和激光测距仪首先通过对接板上的标记跟踪客户端，然后将滚动数据传输到地面控制中心。然后，飞行动力学计算被发送回服务提供商，然后，正如福肖所说，服务提供商“跳舞”进入正确的轨迹，接近并与客户对接。

“服务人员以被动安全的轨迹接近客户——一个‘行走的椭圆’，这不允许它与客户相撞，”Forshaw说。“然后它会越来越近，用本地传感器有效地锁定客户端，完成最终接近，最终使用磁捕获系统与客户端对接。”

考虑到未来的商业活动，客户端上的铁磁对接板被设计为安装在任何卫星上，承载所有重要的光学表面标记，使废弃的空间物体更容易被探测、接近、捕获和脱轨。目前，Astroscale公司正在“鼓励”客户将发射卫星安装在对接板上，以便将来的终末期任务，以及可能的未来服务。

福肖说:“如果一颗卫星报废了，它将来可能需要脱离轨道，所以这只是你想要安装这种非常轻便和廉价的对接板的众多原因之一。”“我们一直在积极清除碎片方面与OneWeb密切合作;OneWeb已经同意在所有卫星上安装对接板。”

重要的是，在未来的商业任务中——已经被命名为ELSA——“M”是“多客户端”的意思——服务提供商将捕获并将几个客户端拖到较低的轨道上，在进行自己最后的燃烧下降之前进行脱轨。福肖说:“基本技术是一样的，但一个服务商的成本可以分摊到三次移除作业上，关键的限制是当燃料耗尽时。”

迄今为止，人们对临终服务的态度褒贬不一。一些卫星运营商对此非常热心;其他人则完全不感兴趣。福肖说:“我们确实认为许多卫星星座公司并没有完全参与可持续发展战略，我们认为在这一领域需要更多的监管。”“我认为，在未来5到10年里，我们将看到更多这样的任务，在大约15年的时间里，将有许多人被移除。

他补充说:“ELSA-d不仅仅是为了清除碎片和报废服务，它还开启了一整套在轨服务，如加油和资产搬迁。”“一旦你证明你可以自主对接，你就可以做很多事情。”

事实上，对于Astroscale来说，报废卫星只是一个开始。该公司还与日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)合作，演示一项更雄心勃勃的任务:从地球轨道上回收一个更大、更不合作的火箭主体。

目前，Astroscale正在为ADRAS-J开发导航和成像系统，这是一颗侦察型卫星，到2022年底，它将在距离大型火箭上层几米的范围内运行，以测量其特征和运动。该卫星将使用ELSA-d的大部分技术以及红外摄像机和激光雷达来了解碎片环境。福肖说:“这种传感器不同于ELSA-d，但控制系统和导航背后的智能是基于类似的算法。”

带着必要的数据，JAXA将发射第二艘航天器来击落火箭，这是该任务变得更“科幻”的地方。捕获机制尚未确认，但2018年和2019年由萨里航天中心、萨里卫星技术有限公司和空中巴士公司执行的“移除碎片”卫星任务依靠的是一个网包裹目标立方体卫星和一个鱼叉叉起并拖下一块碎片。

当时，福肖是萨里太空中心RemoveDEBRIS项目的联合项目经理。他说:“渔网和鱼叉很适合捕捉翻滚的物体，但通常只能使用一次，这与可以多次停靠和离开的磁性或机器人系统相比是一个缺点。”

鉴于此，他预计JAXA的第二艘飞船将依赖于大型火箭上层的有效载荷适配器固定装置来对接，并使用一个尖头状的机制来抓住碎片。他说:“这个任务要到2025年或2026年才会发射，所以仍然需要大量的技术开发。”

鱼叉、太空网和像叉子一样的抓取器听起来很神奇，但其他太空机构非常重视这些技术。去年12月，欧空局与瑞士初创公司ClearSpace签署了一份合同，该公司从EPFL空间中心延伸出去，也将从轨道上清除一件空间碎片。计划于2025年进行的这项耗资1亿欧元的任务将使用ClearSpace-1“追逐者”卫星进行交会，捕获并从2013年放置在处理轨道上的Vega二次有效载荷适配器上取下重达112公斤的1.6m x 2m部件。

这个不合作的、翻滚的目标在大小、形状和质量上都接近一个典型的小星座卫星，使它成为一个合适的首要目标。在接下来的任务中，抓捕任务将更具挑战性。与Astroscale类似，ESA和ClearSpace希望建立一个在轨服务和空间碎片清除的商业市场。

欧空局系统工程师、ClearSpace-1系统主管萨尔马德·阿齐兹说:“许多人对空间碎片问题感兴趣已经有一段时间了，但从成员国和工业界获得所有必要的资金和支持一直很困难。”因此，欧空局决定从ClearSpace获得这项服务，而不是执行一次性任务。

他补充说:“在第一个例子中，我们将清除欧空局的碎片，但我们的想法是在商业基础上继续这样做。”“如果我们能取得成功，那么我认为我们将为未来的任务提供一个非常有效的模板，可以减少我们的机构成本，并让企业承担更多的责任，承担这些任务的所有权。”

在第一次任务中，追踪卫星将通过维加- c发射系统，从欧洲法属圭亚那的库鲁太空港发射到近地轨道。利用葡萄牙的Elecnor DEIMOS及其合作伙伴开发的制导、导航和控制系统，ClearSpace-1将使其轨道与有效载荷适配器匹配，并使用发电机、推进器和天线靠近碎片。然后，它将使用一组由4个轻型铝合金机械臂(阿齐兹称之为“触手”)来抓取和固定碎片。

阿齐兹说:“这种触须解决方案比网状解决方案更有优势，因为它更坚固、更稳定——我们将能够安全地抓住碎片，并在整个脱轨燃烧过程中保持可控的位置。”

据系统工程师介绍，该装置可以容纳不同形状的碎片，并能够捕获和释放大量目标。他说:“你可以想象它捕获目标，将其带入轨道轨道，释放，然后返回另一块碎片。”

JAXA和ESA的任务都计划在未来4到5年内发射，而业内人士表示，美国宇航局、俄罗斯航天局和中国国家航天局也对类似的努力感兴趣。最近几个月，俄罗斯初创企业StartRocket与网络安全巨头卡巴斯基(Kaspersky)合作，开发了一种“泡沫碎片收集器”，它可以释放聚合泡沫臂，在碰撞后吸收任何碎片。

假设技术和经济上的成功能够与广泛的监管相辅相成，那么设想由一支卫星舰队清理太空旅行留下的碎片，为随后无疑将出现的数千颗卫星让路也并非不可能。

2019年，欧洲航天局的一艘地球观测航天器不得不点燃推进器，以躲避星链卫星，而在2020年，国际空间站不得不三次重新定位，以避免碎片撞击。这只是每年为防止地球轨道坠毁而进行的数百项演习中的两个例子。地球轨道坠毁可能会破坏全球互联网接入和电信。

福肖强调说:“过去只有几千颗卫星进入太空，但现在我们有SpaceX和亚马逊等供应商计划向太空发射数万颗卫星。”“当(太空物体)数量增加一倍、三倍甚至四倍时，就会有非常真实和重大的碰撞风险，卫星运营商真的需要非常小心。”