在太空“乱丢垃圾”？罚款！罚款！

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2023年10月，美国联邦通信委员会首次对空间碎片案例开出罚单，美国一家企业被要求付出15万美元，只因它没有将一颗到寿卫星移入墓地轨道。随着人类航天活动蓬勃发展，空间碎片安全问题日益突出，国际监管逐渐严格，但也创造了新的航天市场需求。为此，各国航天力量正在摸索空间碎片清理和减缓方面的各种招数。



地球周边密集分布的航天器与空间碎片结果图
空间碎片威胁不容忽视
本文提到的空间碎片特指所谓“太空垃圾”，重要是人类空间活动遗留的无用人造物体及其残骸，包括废弃的火箭末级、卫星及其各种组件。这些空间碎片可能源于航天器到寿报废、意外事故以及动能拦截武器试验等诸多人为和非人为的空间活动。
自1957年10月第一颗人造卫星成功发射至今，据不完全统计，地球轨道上积累了近万吨人造空间物体，其中仅有约5%是正常工作的航天器，其余普遍是各种各样的空间碎片。监测显示，尺寸超过1厘米的空间碎片数目到达百万等级，更小的空间碎片可能数以亿计。
近年来，空间碎片数目迅速增长，缘故原由除了人类空间活动更频繁之外，还源于空间碎片、航天器之间碰撞情况加剧。随着轨道物体和每年航天发射产生的碎片增加，碎片碰撞的概率增大，进而产生更多碎片，引发恶性循环。



触目惊心的空间碎片威胁结果图
20世纪70年代，美国宇航局科学家唐纳德·凯斯勒以致提出了“凯斯勒效应”的概念，认为当空间碎片数目到达一定的临界点时，就会引发连锁在轨碰撞，使航天器无法在外层空间安全运行。
一般来说，运行轨道高度在300千米以下的空间物体会在较短时间内再入大气层并烧毁，但轨道高度在600千米以上的空间碎片在理论上有可能存在数十年以致数百年。它们分布并不均匀，重要聚集在卫星密集部署的区域，即2000千米高度以下的低轨道区域、地球同步轨道和中地球轨道区域。
1993年，美国、俄罗斯、日本等多方航天机构共同发起成立了机构间空间碎片协调委员会，旨在协调各国航天力量行动，共同解决空间碎片问题。2012年末，该委员会在《未来低轨道环境稳定性》的报告中表示，低轨道的某些区域，空间碎片数目过多，已不再稳定，碰撞产生的碎片数目将会超过其自然灭亡的数目。
随着大规模低轨贸易星座加快部署，预计数以万计的卫星将在不远的未来入轨。它们普遍部署在低地球轨道，必将显著提拔管理难度，加剧航天器碰撞风险。
瑞士再保险公司的一项研究结果表明，一颗截面积10平方米的卫星每年与直径大于1厘米的太空碎片碰撞的概率已超过万分之一。美军联合空间操作中央平均每天会发出数十次在轨碰撞预警，每年航天器需举行100多次碰撞规避。
空间碎片的运行速度可能超过7千米/秒，动能足以对在轨航天器造成巨大威胁。按照现役航天器的主流防护水平，与直径大于1厘米的空间碎片发生碰撞，就有可能导致航天器损毁。
1991年底，俄罗斯两颗失效卫星相撞，导致一颗一分为二，另一颗变成了大量无法跟踪的碎片。1996年7月24日，欧空局的阿里安火箭碎片以14.8千米/秒的相对速度击中了在轨的法国樱桃电子侦探卫星的重力梯度稳定杆，使后者姿态失控。2009年2月10日，俄罗斯“宇宙-2251”卫星与美国铱星33号卫星以11.64千米/秒的相对速度相撞，产生了超过2200个可监测编目的空间碎片，对该区域的其他66颗铱星构成了巨大的威胁。
据悉，为了避免空间碎片“攻击”，欧洲的斯波特系列光学成像卫星每年至少要变轨4次。国际空间站等大型航天器每年更需要举行多次变轨机动，规避较大的空间碎片。
国际社会对于空间碎片清理与减缓的关注度与日俱增。2021年6月，在《空间碎片减缓指南》修订版中，机构间空间碎片协调委员会提出了4条空间碎片减缓措施：
第一，限制航天器在轨期间产生碎片，假如不可行，也应尽量淘汰所产生的碎片数目、体积和在轨时间。原则上，各国不应当开展任何可能产生空间碎片的空间活动筹划，除非经评估后证实其对轨道环境和其他航天器的长期影响处于可以接受的低水平。
第二，最大限度地降低航天器在轨解体的可能性，包括航天器正常运行阶段和任务结束后阶段，并且不举行故意粉碎和其他有害活动。
第三，对到寿航天器举行离轨处置，其中，对于地球静止轨道上的航天器，应当将其移动到墓地轨道；对于近地轨道上的航天器，应当使其坠入大气层。
第四，尽力避免航天器发生在轨碰撞。
第五，联合国和平利用太空委员会在《空间碎片减缓指南》的基础上制定了《空间碎片减缓准则》，提出了7项准则，和上述发起在总体上一致。
火箭空间碎片减缓措施
一般来说，运载火箭只有火箭末级会遗留在地球轨道上，成为空间碎片。想要减缓这方面的空间碎片产生，航天单位需要接纳一系列措施：首先，火箭末级分离有效载荷的过程中，尽可能淘汰空间碎片释放；然后，有效载荷分离后，火箭末级应接纳钝化措施，以便消除其在轨解体产生碎片的风险；最后，火箭末级应尽可能离开运行轨道，控制其留轨时间。



火箭末级完成释放载荷任务后有必要举行钝化处理
所谓“钝化”，是指火箭末级完成任务后释放剩余推进剂，排放高压气体。为了确保任务成功，航天发射任务结束后，火箭末级通常残留数百千克剩余推进剂。为了减缓空间碎片产生，火箭末级有必要设置在星箭分离后及时排放贮箱内剩余推进剂和高压气瓶余气的功能，从而消除在轨解体的潜在伤害。
火箭末级完成任务后，钝化过程重要是通过专用的排放管路释放剩余推进剂。在其内部增压输送系统中，需要为燃料和氧化剂各增设一套排放电爆活门和排放管，分别通过它们将贮箱内的剩余推进剂排放出箭体，同时确保排放方案对火箭发射载荷入轨的工作不造成悲观影响。
此外，火箭末级实施钝化时还要分析推进剂排放所产生的羽流场，以便对排放方案举行优化，尽量减小对箭体姿态的干扰，同时避免钝化过程对卫星等载荷造成干扰和“污染”。
为了确保火箭贮箱内的剩余推进剂尽快排出，在星（船）箭分离后，有必要接纳推进剂管理措施，使推进剂在排放过程中沉底。具体来说，推进剂管理一般采用姿控沉底发动机，形成一个惯性力场，使推进剂可靠沉底。利用剩余推进剂排放过程中产生的力，还可以显著改善火箭末级的离轨结果。
所谓“离轨”，是指火箭末级完成既定飞行任务后，人为地使其撤离有效载荷所处轨道，为此举行机动飞行，属于火箭末级留轨时间的控制方法，重要有主动离轨和被动离轨两种。
主动离轨是任务结束后，火箭末级利用动力装置举行轨道机动，逐渐减速并降低轨道近所在高度，离开载荷运行轨道，或者直接再入大气层。这里的火箭末级动力装置包括液体推进剂发动机、姿控发动机或固体火箭等。
被动离轨是任务结束后，借助外部作用力，降低火箭末级轨道，目前重要技术手段包括增阻装置、太阳帆和轨道索等。火箭可配置具有多次点火工作能力的发动机及相应配套系统，在星箭（船）分离后，发动机再次点火，实施火箭末级主动离轨。
按照最新的国际趋势，火箭末级离轨的基本要求包括：火箭末级离轨措施应不影响火箭既定飞行任务的可靠性和安全性，或经评估后认为带来的风险是可接受的；火箭末级离轨结果应该尽量符合联合国空间碎片工作组编制的《空间碎片减缓指南》规定，“航天器在结束其运行任务后，在轨道空间滞留时间不得超过25年”，某些国家和组织的航天新规提出了更短的在轨滞留时间指标；火箭末级离轨过程中应确保不产生新的空间碎片。
卫星空间碎片减缓措施
卫星等载荷进入环地轨道后，重要通过4种途径产生空间碎片：
一是入轨过程中产生的空间碎片。有的卫星采用固体推进剂远所在发动机，在远所在实施变轨机动，最终进入准同步轨道，之后发动机与卫星分离，成为空间碎片的紧张来源。
二是运行过程中产生的操作性空间碎片。卫星在运行过程中会丢弃废弃物，如电线的附属物、睁开天线的压紧机构、远所在助推发动机防热罩、固体推进剂推力器的喷口盖、有效载荷的保护罩、爆炸螺栓、弹簧、包带等。
三是因工作寿命结束而产生的空间碎片，也就是服役期满后无法及时离轨再入地球大气层或进入墓地轨道的卫星。
四是太空环境影响下产生的空间碎片。太空中，各种环境衰减因素复杂，必然对航天器产生悲观影响，好比其表面油漆涂层脱落，就有可能变成空间碎片。
一般认为，随着时间推移，受太阳活动和大气阻力的影响，处于低地球轨道的空间碎片最终会再入大气层烧毁，但高轨道的空间碎片未必会云云。因此，想要减缓卫星等载荷的空间碎片产生，应从源头入手，重要措施包括钝化处理、主动离轨和主动清除。
钝化处理指的是为了避免退役的卫星等载荷在未来发生爆炸，及时接纳耗尽推进剂、电池电量等措施。据不完全统计，已知的大约550起在轨卫星等航天器解体事故中，因未举行钝化处理产生的空间碎片数目最多。
主动离轨指的是卫星等航天器利用推力器、气球、光帆等手段离开工作轨道，随后近地轨道上的卫星降轨进入大气层烧毁，地球同步轨道卫星升轨进入坟墓轨道，从而保护在轨航天器不受空间碎片撞击，至少大幅降低撞击风险。
在传统上，钝化处理和主动离轨措施都要求卫星等航天器自身增加相应的硬件措施，或者携带更多推进剂，确保在寿命末期可以或许举行相关操作。但限于各种因素，接纳这些措施、满足国际准则要求的卫星并不占据绝对多数。
事实上，目前卫星在方案设计中就要考虑空间碎片减缓要求，确守卫星在完成任务后具备处置能力，淘汰释放操作性空间碎片，具体要求重要分为3个方面。
在卫星方案可行性论证阶段，地球同步轨道卫星开发初期就应确认潜在的空间碎片风险，采用操作性空间碎片减缓设计，满足剩余推进剂排放、蓄电池钝化、高压气瓶内气体排放、任务末期和任务完成后空间碎片处置要求等。
在方案设计阶段，卫星应对储能系统或单机提出钝化设计要求，涉及电源系统的蓄电池组、控制系统的飞轮系统和推进系统等；应对操作性空间碎片提出减缓产生要求，如可分离式辐冷罩改为睁开式；应具备对推进剂和增压气体剩余量举行测量的手段；应考虑离轨控制所需的燃料预留，如将卫星轨道近所在抬高200千米，需要11米/秒的速度增量。
在卫星设计材料上，科研人员也要优化取舍，选择不易产生空间碎片的材料和工艺。好比，采用复合材料制造高压气瓶和贮箱，通过辐射、冲击、温度交变等试验，优选出可防止空间碎片大量产生的材料和工艺。
主动清除措施五花八门
有研究表明，地球轨道上近1/3的编目空间碎片是由最大的10次空间解体事件产生的，因此，在积极防备空间碎片产生的基础上，很有必要对在轨空间碎片举行治理。假如可以或许将较大的空间碎片移除，将会显著改善空间环境，有效遏制“链式碰撞”的发生。
据不完全统计，在地球静止轨道上，超过10%的退役卫星要么仍留在原位，要么轨道抬升高度不足；在低地球轨道上，大量卫星不具备退役后变轨机动能力，无法主动离轨。国外航天企业、科研机构针对不同尺寸的空间碎片，提出了多种主动清除方法、策略，不仅希望提拔航天器运行安全性，还希望拓展新的贸易航天市场。
美国轨道服务商维维卫星公司提出了任务扩展飞行器（英文简称MEV）概念，希望发射太空机器人，将退役后“搁浅”的卫星重新定位到不同的轨道。美国系绳无限公司推出了名为“捕捉小卫星与空间碎片并去除其自旋”（英文简称WRANGLER）的方案，希望借助较复杂的在轨飞行器组合体，大量捕获退役的小型航天器，使其尽快再入大气层。



国外研发的MEV太空机器人被设计用于拖曳退役卫星变轨



美国系绳无限公司的WRANGLER方案概念图
更多的美国贸易航天企业提出了五花八门的空间碎片清除方案，重要技术设备包括轨道拖船方案、高机动性空间飞行器、太阳同步轨道天基紫外激光发射器等，希望将批量废弃卫星送到墓地轨道或熔毁。
早在2012年，欧空局就以移除失控的欧洲环境卫星为目标，广泛征集欧盟航天企业，开展任务论证和技术开发，初步确定的主动移除技术手段包括机械臂、“触须”、飞网、离子束等。



使用飞网回收空间碎片概念图
2016年，空客防务与航天公司联合10个欧洲合作伙伴共同实施“航天器自我清除技术”项目，对具有成本效益和高可靠性的清除模块原型举行初始研究，希望确保航天器在失效、失控及结束寿命时主动脱离轨道。
2018年6月，空客公司下属萨瑞卫星技术公司研制的空间碎片移除任务试验卫星从国际空间站上部署。同年9月至2019年3月，该卫星陆续成功完成了利用飞网和“鱼叉”捕获立方星、空间目标运动跟踪、离轨帆拖曳立方星等技术在轨验证。



卫星退役后可利用离轨帆主动离轨
2020年12月1日，欧空局与瑞士工业团队签署了价值8600万欧元（约合6.8亿人民币）的合同，购买独特的“清洁太空-1”任务服务：发射太空机器人，与2013年织女星火箭遗留在太空中的二级载荷适配器上半部分会合，将其捕获，再拖带进入地球大气层烧毁。届时，太空机器人将利用人工智能自主评估目标并匹配运动状态，具体抓捕行动将在欧空局监督下通过机械臂举行。目前，该任务正在举行推进子系统制造、卫星组装集成和测试工作，有望于2025年发射。



太空机器人机械臂捕获空间碎片概念图
日本航天力量在此领域也比较活泼。日本宇宙航空开发机构与日东制网公司正在合作开发所谓“太空电磁网”，将搭载于香川大学的超小型卫星上，开展清理空间碎片的技术试验。此外，日本东京理化学研究所提出方案，希望在国际空间站上安装光纤激光器，利用日本实验舱的宇宙空间天文台超视场望远镜，清理直径1厘米的空间碎片。

来源：https://view.inews.qq.com/k/20250403A05QLN00
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