打扫太空

李忠东

这里有一个惊人的数据——从1957年人类第一颗人造卫星进入太空起，世界各国现在已经发射了5000多个卫星、火箭和探测器等航天器。随着航天活动的日益频繁，地球轨道上的太空垃圾也越积越多。

太空垃圾泛滥成灾

太空垃圾大小各异，有的是一整个失控的卫星，有的则是航天器发生碰撞后产生的碎片。据不完全统计，目前各类太空碎片已经超过了4000万个，它们无时无刻不在威胁着航天任务的安全。

如今，碎片的数量正以每年2%～5%的速度递增。按照这个速度计算，如果我们对其不加以清理，那么近地轨道在300年后就可能被太空垃圾填满。

太空垃圾的来源非常广泛。例如，完成任务后的运载火箭和卫星等航天器，有的会很快进入大气层烧毁，有的则会长时间停留在轨道上。再如，载人航天活动留下的摄像机、工具、航天服手套等。

人类仅用光学望远镜和雷达能观测到的太空碎片，每年大约就会净增200个，它们主要集中在地球同步轨道、半同步轨道高度区域和2000千米以下的高度区域。

太空垃圾的数量与航天发射的频率成正比，发射次数越多，火箭助推器和“退休”卫星落下的垃圾也就越多。以2001年为例，在陨落的太空垃圾中，属于俄罗斯的超过120吨，属于美国的将近30吨。

小垃圾的大危害

为了了解太空垃圾的影响，同时研究它们对航天器的危害，“挑战者号”航天飞机（HMS Challenger）曾在1984年4月，将一个圆柱形的“长期暴露装置”释放到近地轨道。该装置在69个月后被回收，科研人员仅凭肉眼检查，就在它表面发现了3.2万多个撞击凹痕（其中最大的直径为0.5厘米），这相当于每天被撞击15次，平均每绕地球一周就被撞击一次。

太空垃圾的体积通常不大，但它们都以每秒6～7千米的速度运行。由于相对速度很大，极小的一块太空垃圾都足以给人造卫星或者载人飞船造成巨大损伤。一块10克重的太空垃圾与人造卫星相撞产生的能量，相当于两辆轿车分别以100千米的时速迎面相撞产生的能量，这足以将卫星瞬间打穿或击毁。如果它们和载人飞船相撞，后果更是不堪设想。

此外，如果进入大气层的大块太空垃圾不能被彻底烧毁，同样也会伤及人类。2007年7月，国际空间站宇航员克莱顿·安德森在太空行走期间，将一个635千克重的有毒氨水罐抛入太空。它在太空漂浮了16个月后，于2008年11月2日晚坠入澳大利亚和新西兰之间的茫茫大海，万幸的是，这块电冰箱大小的太空垃圾并没有击中过往船只。

其实在人类航天史上，太空垃圾造成的事故和灾难屡见不鲜。1983年，“挑战者号”航天飞机与一块直径0.2毫米的涂料碎片相撞，导致舷窗被损，只好提前返回地球。1986年，欧空局的“阿丽亚娜号”火箭进入轨道后不久便发生爆炸，形成了564块10厘米大小的残骸和2300块小碎片，这些密集的“弹丸”后来直接造成两颗日本通信卫星失灵。2009年2月11日，美国的“铱星-33”与俄罗斯的一颗报废卫星“宇宙2251”，在距地面800千米的太空中相撞，一时间碎片四溅。

一份美国宇航局于去年公布的报告显示，环绕地球轨道的太空垃圾数量已经达到了一个临界点，足以给航天器离开地球带来重重阻碍。

瑞士卫星“吃”掉垃圾

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的科学家指出，尽管我们只要预先知道太空垃圾的位置和速度，便可以计算出它未来运动的轨道，并通知有可能与之相撞的航天器改变轨道规避，但这只是治标之策。我们想要解决太空垃圾难题，还是需要从垃圾本身入手。

为此，EPFL推出了“洁天一号”（Clean Space One）航天器研发项目。“洁天一号”能像家用吸尘机一样，回收太空中废弃的卫星碎片，然后将它们拖入大气层中烧毁。据研发人员预测，“洁天一号”的造价在1100万美元左右，预计最早于2018年发射。

科学家为“洁天一号”设计了两个工作方案：一是通过打扫装置收集太空垃圾，然后将整个装置连同吸入的残骸，拖入地球大气层中让其自行烧毁；二是把打扫装置保留在地球轨道，将吸入的碎片排放到地球大气层中。

目前，该研发项目还需要解决三大难题。首先，科学家需要研制出小型发动机，保证能把打扫装置准确送到垃圾运行的轨道上。其次，研发人员需要根据自然界生物及植物的形态，制造出一种仿生学抓取机制，就好像海葵那样的触手，能够抓紧高速转动的废物，并且同时保持自身稳定。最后，我们需要做到能把废物引导至地球大气层中的预设地点，随后焚烧。

“洁天一号”的能耐

事实上，EPFL的科学家已经在研制一种仅有几百克重的微型卫星推进器。这种推进器使用离子化合物作燃料，利用电喷射离子产生推力。这种推进器仅需0.1升燃料便可使该装置飞往月球。不过，这种名为“微推力”（Micro Thrust）的迷你发动机，并非用于将卫星送入轨道，而是帮助卫星在太空中实现机动转向。目前的卫星通常都需要使用笨重且昂贵的发动机，科学家希望“微推力”发动机能够开启一个低成本探索太空的新时代。根据计算，如果采用这种发动机，那么一颗1千克重的纳米卫星能凭100毫升燃料，在6个月左右的时间内进入月球轨道。

EPFL的科学家赫尔伯特·谢尔表示：“虽然微型卫星的成本远低于大体积卫星，但它们目前还缺少高效的推进系统。不过，‘微推力发动机却能够解决这个问题，它能让卫星在以时速4万千米的速度绕轨道飞行时改变方向。我们计划将其安装在‘洁天一号上。”

此外，“洁天一号” 可以通过携带的摄像头跟踪目标，靠离子微型推进器接近目标。这个半自动探测器的制导和控制系统相当先进，不仅能保证探测器进入正确轨道，还能让它以每小时2.8万千米的速度接近较大的垃圾碎片目标。同时，科学家为了保证“洁天一号”能够捕获直径仅为10厘米的轨道垃圾（这种大小的太空垃圾由于反射面变化较大，会对清洁探测器在计算速度和距离关系时产生干扰，因此较难捕获），还测试了一种全新的接近目标算法，这套算法能够对捕获目标的各种参数进行测定，比如碎片是否发生旋转等，保证探测器的捕获率。

但在成功捕获垃圾后，同样有难题需要解决。一旦“洁天一号”抓取了目标，它与碎片的整体重心便会发生改变，甚至可能以不受控制的方式旋转。目前，科学家正在设法让探测器在捕获垃圾后，能够率先稳定自身的轨道，随后引导自身以曲线的方式进入大气层。

近在眼前

2009年，“洁天一号”航天器的第一个目标已经实现——研发人员发射了一颗直径为10厘米的“Swiss Cube”微型空间研究卫星。作为“洁天一号”航天器项目的概念验证，这颗卫星以2.8万千米的时速在轨道上运行了7年之久。而将于2018年发射的“洁天一号”会以同样2.8万千米的时速在轨道上靠近并捕获“Swiss Cube”，再将其抛入地球的大气层，在超过1000摄氏度（1832华氏度）的再入温度当中烧成灰烬。

EPFL的科学家们力图通过这项计划，掌握捕获系统的设计和操作方法。

其实在EPFL紧锣密鼓研发“洁天一号”航天器项目的同时，欧空局也在探究未来捕获近地轨道附近废弃卫星的可行性，并提出了“清洁太空行动”计划（Clean Space Initiative）。其中的“脱轨任务”（e.deorbit mission），旨在搜寻和清除轨道高度为800～1000千米太空区域的废弃人造卫星残骸。研究人员旨在测试失重环境下，他们的垃圾收集网捕获和移除废旧卫星、运载火箭碎片和其他漂浮在太空的人造碎片的能力。

其实我们都很清楚，想要探索宇宙，了解太空，发射人造航天器必然是无法舍弃的必要手段。但如果人类想要走得更远，看得更广，那么加速研发清理和回收太空垃圾的技术，势在必行。