導讀

隨著人類空間活動的日趨頻繁，航天器的報廢、有意或無意的碰撞導致碎片散落軌道各處。目前有近4500噸的太空垃圾運行在地球周圍的軌道上，形成了“行星環”。這些高速運行的太空垃圾對航天器和航天員存在巨大的威脅，一旦與正在運行的衛星相撞，將帶來毀滅性的后果，太空碎片清除技術的發展已經刻不容緩。

一、太空碎片清除項目開展情況

太空垃圾對兩條重要軌道構成巨大威脅，一個是低地球軌道，一個是同步軌道。導航衛星、國際空間站和哈勃太空望遠鏡位于低地球軌道，我國也在低軌執行載人航天任務。而通訊、氣象和偵察衛星使用同步軌道，以便與地球的相對位置保持不變。

從1957年10月第一顆人造地球衛星發射至今，已經發生了多起太空垃圾與航天器相撞事件。美國國家航空航天局（NASA）和歐洲空間局（ESA）的研究表明，為防范“凱斯勒綜合征”的發生，穩定軌道環境的唯一方法是主動清除大碎片。NASA以及ESA的專家建議每年移除5～10個大型空間碎片。

2009年2月10日，美國一顆通信衛星與俄羅斯一顆已經報廢的衛星在西伯利亞790公里上空相撞，碎片散落在軌道上

總的來說，美國、歐洲和日本的空間碎片主動清除研究起步較早，已提出了各自的碎片清除方案，部分關鍵技術已開展在軌演示驗證。但總的來說，當前的發展水平距在軌應用尚有差距，仍處于關鍵技術突破和掌握階段。國外一些典型的發展計劃如下。

1、歐洲空間局“清潔太空”（Clear Space）計劃

2019年12月，歐洲空間局（ESA）網站報道稱已委托瑞士初創公司“清潔太空”（Clear Space）提交方案，于2025年發射“清道夫”清理ESA位于軌道上一塊100公斤重的碎片。這一任務將使ESA在新的在軌服務和碎片清理市場上拔得頭籌。

Clear Space公司由洛桑聯邦理工學院的人員組成，他們提交了“清潔太空-1”任務的相關方案。該計劃已于2020年3月啟動，這也是首個從軌道上清除太空碎片的任務。

“清潔太空-1”任務此次的目標是“織女星火箭二次有效載荷適配器”（Vespa），這一碎片目前位于660公里左右的軌道上。Vespa重約100公斤，大小跟一個小型衛星相當，其形狀相對簡單而且結構堅固，這使它非常適合成為首次太空清理任務的目標。

二次有效載荷適配器Vespa（右側灰色罐）和整流罩中的衛星Proba-V

“清道夫”航天器捕獲目標太空碎片并再入墜毀的過程

同時，ESA正在通過一個名為“主動清除碎片/在軌服務”（In-Orbit Servicing/Active Debris Removal）的新項目，開發必要的制導、導航和控制技術以及會合和捕獲方法，研究結果也將應用于“清潔太空-1”任務。

2、英國薩里航天中心“太空碎片移除”（Remove DEBRIS）項目

2013年，英國薩里航天中心聯合歐洲多家研究機構，在歐盟第七框架計劃（FP7）資助下，啟動“太空碎片移除”項目（Remove DEBRIS）；2014年至2016年間陸續完成核心分系統樣機的地面試驗；2017年完成全系統集成；2018年4月試驗衛星運抵國際空間站，為入軌釋放做準備；2018年6月，試驗衛星成功從國際空間站釋放，開展在軌調試。

從2018年9月起，試驗衛星將在地面站操作指令下，依次開展4項技術在軌驗證（飛網抓捕立方星、空間目標運動跟蹤、魚叉捕獲和拖曳帆離軌），期間試驗衛星軌道高度逐步降低。地面任務控制中心在每項技術驗證結束后將下載試驗衛星與有效載荷的相關數據，并準備下一項技術驗證，每項技術在軌驗證將持續6至8周。

2018年9月16日，“太空碎片移除”任務成功開展世界首次真實太空環境下飛網抓捕立方星技術驗證。飛網抓捕試驗利用飛網裝置對模擬非合作目標的立方星實施抓捕。研究團隊創新研制類似“網墜”的功能質量塊，利用其重量和內置電機轉動，解決拋網舒展與網口收攏等難點。

“太空碎片移除”飛網試驗

2019年2月15日，英國薩里航天中心宣布，“太空碎片移除”項目成功完成世界首次魚叉捕獲模擬空間碎片靶板的在軌驗證。試驗中，鉛筆大小的縮比魚叉以20米/秒的速度刺穿了距離其1.5米的靶板。未來薩里還將進行全尺寸在軌試驗，屆時魚叉和靶板將距離30米遠。

“太空碎片移除”魚叉試驗

試驗衛星與任務載荷完成全部4項技術驗證后，將陸續在6個月內再入大氣層燒毀。魚叉、飛網等太空碎片機械捕獲方式簡單易行，成功率較高，不僅可用于移除太空碎片，維護軌道交通環境，也可用于捕獲在軌運行衛星，具備太空對抗應用潛力。但相關技術距離工程應用還需數年。

3、歐盟第七框架（FP7-SPACE CLEANSPACE）計劃

CLEAN SPACE項目自2011年啟動，2014年5月結束。主要基于地基激光方案移除特定飛行器周圍1～10cm中等尺寸太空碎片，避免飛行器收到太空碎片的碰撞。該項目為FP7空間項目的一部分，它和空間環境認知（Space situational awareness，SSA）、碰撞避免（Collision avoidance)一起構成了空間碎片管理項目。該項目分為五個步驟，如圖所示，1）認真評估空間碎片情況；2）提出全面系統框架，包含碎片的調查、跟蹤、識別、基于激光技術碎片移除系統（該系統為ESA，SSA項目的補充）；3）應對安全管理規范、政治意義及未來合作伙伴；4）發展可用的碎片移除技術（主要是激光）；5）建立發展和實施激光移除碎片系統（Lasser debris removal，LDR）的路線圖。

CLEANSPACE計劃主要步驟

LDR使用來自地球表面的脈沖激光改變近地軌道上太空碎片的運行軌道，如圖所示，激光輻照太空碎片后，將其表面材料燒蝕、汽化或者離化，被燒蝕材料在碎片表面高速噴發，生成足夠的力驅動碎片更換軌道或者進入大氣層燒蝕，從而達到移除航天器周圍碎片，保護航天器運行安全的目標。

CLEAN SPACE項目概念簡析

LDR系統實施路線圖（2015-2026）

CLEAN SPACE項目的特點：1）響應快，在碰撞警報前幾個小時及幾天時間內可以移除有害碎片；2）靈活性高，可以處理LEO軌道幾個碎片，甚至是不同軌道或高度；3）成本低，地基激光系統可以重復使用，不需要空間發射。該項目在發展低成本激光技術時，可以使用SSA項目中大部分技術；4）對空間環境無影響，不會產生與發射或軌道內碰撞相關的新的碎片。

4、美國國家航空航天局“獵戶座”（ORION PROJECT）計劃

1993年，NASA的C.Phipps提出了利用30kW的地基脈沖激光器清除近地空間垃圾的“ORION”計劃。ORION計劃采用地基激光清除近地軌道1～10cm量級空間碎片，減緩空間碎片對空間站、載人飛船和衛星的撞擊威脅。它利用激光燒蝕空間垃圾產生的推力改變空間垃圾的運行軌道，使空間垃圾墜入大氣層燃燒掉。

激光空間碎片清理示意圖

ORION計劃采用平均功率30kW的激光器，重頻2Hz，單脈沖能量15kJ，脈寬10ns，用6m直徑的自適應光學系統作為發射望遠鏡。原計劃近期目標是清除800km以下軌道高度空間碎片，遠期目標是清除1500km以下軌道高度空間碎片。ORION計劃中的中心——Laser Orbital Debris Removal（LODR）一直在研究當中，但是，ORION計劃一直沒有實施。

2014年，C.Phipps將重點從地面激光器轉移到了太空激光器。基于太空的空間可以使目標更近距離地通過，因此可以使用較小的光學元件和激光。它還消除了激光束散射和大氣吸收，支持使用355nm的UV而不是532或1064nm的波長。這進一步減小了望遠鏡的尺寸，還可以降低消融閾值。此外，天基激光器也可用于GEO，而不僅僅是LEO。但是，天基激光器的研究依然要依靠地基和機載的試驗成果來進行。

5、其他

2017年9月，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）發布太空碎片清除系統共同研究和委托公告，旨在征集太空碎片清除系統及其關鍵技術方案，以及商業化可行性方案。JAXA期望借此清除處在700～1000千米軌道高度的大型空間碎片，計劃在十年內以低成本（不超過20億日元）完成系統研發并將其商業化。

2018年6月，俄羅斯精密儀器系統科學生產聯合體（Precision Instrument Systems）向俄羅斯國家航空航天局（Roscosmos）提議基于阿爾泰季托夫光學激光中心研制的三米光學望遠鏡研制用于清除空間碎片的“激光炮”，以通過聚焦激光束使潛在危險的碎片汽化。

2020年6月，日本天空完美公司（SKY Perfect JSAT Corp.）表示，將開發一顆用激光清除太空碎片的衛星，目標是在2026年發射相關服務。該公司表示，衛星通信服務提供商將主要與日本理化學研究所和日本宇宙航空研究開發機構合作制造該衛星。據天空完美公司稱，這顆衛星將發射激光，將空間碎片推進地球大氣層并將其燃燒。該公司計劃在2024年開始試驗，測試激光設備，并計劃在2026年使衛星投入運行。

圖片顯示了衛星的激光是如何清除軌道上的碎片的(由日本天空完美公司提供)

此外，ESA將于2025年發射e.Deorbit航天器，演示驗證大型報廢衛星移除技術。該任務針對的目標極有可能是展開寬度為26米的“歐洲環境衛星”（ENVISAT）。該顆對地觀測衛星已在2012年停用，軌道高度不到800千米，自然脫軌需要150年以上。如果與僅重10千克的太空物體發生碰撞，“歐洲環境衛星”將瓦解成危險的太空碎片。e.Deorbit將首次使用太空漁網或配備抓爪的機械臂來捕獲該衛星，隨后，e.Deorbit將使用自身推進裝置，操縱被捕獲的衛星進入大氣層，兩顆衛星將在大氣層中同時焚毀。

二、太空碎片清除技術應用發展趨勢分析

1、技術發展趨勢分析

除了前面所介紹的激光清除技術和機械移除技術外，還有利用電動系繩、靜電牽引、離子束推移以及膨脹泡沫增阻等方法的技術方案。

電動系繩法是讓導電繩以軌道速度在地磁場中運動，在系繩上感生出電動勢，使電離層中的帶電粒子在系繩頂端被收集起來，在系繩末端被發射出去，形成穩定的電流，地磁場對通電系繩的作用產生了洛倫茲力，洛倫茲力改變衛星的速度。電動系繩會產生比空氣阻力更強大的磁阻力，可在一年內使大型太空碎片從軌道墜落。這種導電系繩將在與地球磁場相互作用時產生推力，不需要額外電源。JAXA在2017年初測試了該技術，但電動系繩未能成功部署，試驗失敗。

美國科羅拉多大學博爾德校區的研究機構構思了靜電牽引裝置（electrostatic tractor）概念。該裝置無需通過接觸，便可將報廢衛星推離擁擠的地球同步軌道。此概念將使用“脈沖電子槍”，利用電子槍產生的能量為數十瓦的脈沖式電子束將衛星推出軌道。

靜電牽引概念

離子束推移與激光推移離軌清除空間碎片的原理類似，是利用遠距離發射的物質（離子）與空間碎片相互作用產生力的原理進行工作。它使用天基離子系統，即離子束管控衛星，向空間碎片發射高能離子束，通過產生足夠的推力使其離軌。在這種方式中，工作衛星不需要與非合作的碎片直接接觸，具有使用簡單，成本低，操作安全的潛在優勢。

膨脹泡沫法構想是依賴于碎片泡沫球所受的大氣阻力，任務航天器向碎片噴射泡沫，增大碎片的面質比，增加碎片的大氣阻力，使碎片相比于自然衰減能夠顯著的降低碎片的軌道壽命。這種方法的創新型體現在避免任務航天器與空間碎片的直接接觸，能夠克服捕獲清除碎片發的困難。泡沫法的一項關鍵技術是真空環境下可靠的泡沫膨脹和碎片附著技術。

綜合來看，經過這些年的科技進步，目前的激光技術已經有了很大的發展，利用激光清除碎片的平均成本僅約幾千美元，考慮到空間碎片的數目成千上萬，激光清除空間碎片可能是唯一實用的選擇；其他技術要么每次僅能清除數目有限的碎片，成本太高，要么仍處于概念研究階段，技術尚不成熟。

2、應用模式發展分析

太空碎片清除技術具有明顯的軍事價值。

人類的外太空活動深深植根于地緣政治。太空碎片清除正構成一個可怕的挑戰，即垃圾清理技術武器化。不論是政府的還是商業的反軌道碎片技術，誰也無法保證在設計上用于摧毀太空垃圾的技術不會用于摧毀他國至關重要的通訊和軍用衛星。一旦發生戰事，空間碎片清除技術可以將清除的目標定位為敵方的衛星，對敵方在軌衛星進行清除或者破壞等。多數主動碎片清除技術完全可以直接用于空間對抗活動。這也是世界各國都高度重視、積極發展主動清除技術的重要原因。無論是老牌還是新興太空強國，都有可能用商業解決方案應對太空垃圾問題，進而掩蓋他們的軍事意圖。

太空碎片清除技術產生巨大的商業價值。

由于空間碎片占有有限的軌道資源，所以很可能具有商業價值。由于地球同步軌道資源有限，且非常寶貴，然而已有的航天器壽命結束后依然占據著軌位，通過空間碎片清除，將占據著資源軌道的廢棄航天器拖至墳墓軌道，空出軌位將可能有利可圖。

如果能明確某一需要清除的碎片的所有方，碎片的所有者可以通過付費來清除該碎片，這需要該客戶對太空環境保護具有高度的責任感。對于一些國家手里那些位于“危險”區域的太空資產，可以通過付費商業空間碎片主動清除技術來保護其空間資產。

小結

當前，航天技術強國廣泛展開太空碎片清除技術研究，有多個項目正在進行當中。捕獲、移動或者拖拽太空碎片的技術也可以用來破壞現役衛星。這很可能會加劇太空武器化的進程，激起各國暗地里的技術競爭。對于我國來說，一方面應當主動承擔起地球軌道碎片處理責任，為維護太空環境做出貢獻。另一方面，也應快速建設自己的空間碎片監測能力，發展多種空間碎片清除技術，在未來的技術競爭中占據主動。