磁力“吸塵器”加入太空大掃除工具箱 太空垃圾商業化清理未來可期

近日，日本Astroscale公司發射的ELSA-d衛星成功進入550公里近地軌道，它由175千克的主體和17千克的靶標兩部分組成，靶標將模擬太空垃圾，主體上配備有磁對接系統，將在太空中釋放靶標并進行捕捉，以此模擬太空垃圾的回收實驗。

相關報道介紹，靶標將被釋放3次。在最后一次實驗中衛星主體將在大范圍內搜索靶標，飛行至同步旋轉狀態后對其進行捕捉。如果實驗成功，將來有可能在衛星上推廣磁對接系統，以便清理太空垃圾，保護空間軌道安全。

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，進而受控連接成為一個整體，這項技術多用于航天飛機、空間站模塊、載人載貨地—空運輸轉移空間艙之間的各類對接拼接業務。平勁松在接受科技日報記者采訪時表示，該項技術在我國嫦娥五號探測器采樣返回任務中對接上升艙和返回艙體時得到完美應用。作為一種基本的航天飛控技術，將其用于空間抓捕是一種有效地應用拓展，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航測量的光學成像敏感器或者激光雷達誘導方式逐步抵近或接觸目標，進而拋物抓捕。拋出的抓捕端可以是剛性錨或鏈錨、柔性繩網、伸展機械臂等。

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

平勁松強調，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、鎳等可磁化物質的空間碎片使用該方法。

批量處理太空垃圾的技術需求迫切

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

特別是近年來不斷新增的低軌道導航通信增強星座，以近10%的短期快速失效率淘汰衛星設備，進一步增加了太空垃圾的數量。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公司將要進行的第三次捕捉，是主體衛星進行的一次真實抓捕操作的全過程模擬演練——主體衛星模擬了遠距離搜索碎片，并對目標碎片進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避被碎片直接撞擊的風險前提下對目標垃圾碎片進行捕捉，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、成區域清理太空垃圾的技術需求更加緊迫。”

太空垃圾商業化清理未來可期

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

伴隨著商業航天和商業衛星技術的迅猛發展，現今擁有一顆衛星的技術門檻越來越低。平勁松表示，在相關政府和大型航天機構買單的前提下，類似Astroscale公司這樣，以清理太空垃圾為主營業務的商業公司必將以低費效比的模式贏得商機，并且把這項業務逐步發展為太空產業的一個重要分支。

為此，人們有理由期待下一個典型的太空垃圾清理業務——歐空局采購的“清潔太空一號”商業衛星將于2025年清理2013年發射升空的“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”火箭發射升空，先被部署到500公里高度的軌道上進行一系列的測試。當衛星的狀態確認正常后，將會逐步調高軌道，開始進行捕捉“維斯帕”航天器上面級的工作。

平勁松介紹，在此過程中，衛星將以自動化的方式完成大部分工作，但在一些關鍵的狀態點，仍然需要人工介入，確認能否繼續。成功捕獲目標后，“清潔太空一號”將會和太空垃圾一起進入破壞性軌道，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個機械臂，當靠近目標時，張開的機械臂向中央合抱，完成捕獲過程。因“維斯帕”航天器上面級的運動狀態具有很大的不確定性和隨機性，因此“清潔太空一號”必須利用基于視覺的人工智能等技術，準確判斷目標的位置和狀態，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星移入更高的“墳墓軌道”，通過關閉或自毀衛星的工作功能，拋棄地球同步軌道衛星。

針對低軌道的衛星，人們則采用主動、半主動和被動方式進一步降低衛星運行軌道。在大氣阻尼作用下軌道高度衰減，衛星墜入大氣銷毀。這類操作的典型事例包括載人空間站任務結束后的處置，以及繞月球和深空探測器任務結束后的受控硬“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飛船，嘗試了釋放金屬導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)