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空間碎片是指地球軌道上或再入大氣層的一切已失效人造物體，包括其碎塊或部件，俗稱“太空垃圾”。圖片來源／ESA

?空間碎片何處來？

空間碎片是人類航天活動的產(chǎn)物。空間碎片的定義非常嚴(yán)格，是指地球軌道上或再入大氣層的一切已失效人造物體，包括其碎塊或部件，俗稱“太空垃圾”?？臻g碎片的構(gòu)成主要包括：失效航天器、火箭殘骸、操作性碎片、解體碎片（指由前三類物體在軌運(yùn)行過程中爆炸或碰撞產(chǎn)生的碎片）。

低地球軌道碎片狀態(tài)示意圖。版權(quán)／NASA

越是衛(wèi)星密集的軌道，空間碎片數(shù)量越多。高度2000公里以下的低地球軌道和36000公里附近的地球同步軌道是空間碎片的最為密集的區(qū)域。從數(shù)量上看，在當(dāng)前所有地球周圍的空間物體中，解體碎片占比多達(dá)60%；火箭殘骸占比8%；操作性碎片占比8%；失效航天器占比12%；另外一些還有異常碎片占比2%。工作的航天器只占了一點(diǎn)點(diǎn)，大概10%。經(jīng)觀測分析，目前已經(jīng)知道的大于10厘米的空間碎片大約有2.3萬個，可能還有6000-7000個沒有看到或追蹤到，總數(shù)在3萬個左右；1厘米到10厘米之間的碎片據(jù)估計有90萬個；毫米級的碎片大概有1億多。

躲避空間碎片

在太空中，空間碎片運(yùn)行速度接近第一宇宙速度（7.9km/s），是狙擊槍子彈最大出膛速度的幾倍。一旦空間碎片與航天器發(fā)生碰撞，輕則導(dǎo)致航天器表面磨損、功能失效，重則導(dǎo)致航天器的在軌解體，甚至對航天員的人身安全構(gòu)成威脅。如何躲避空間碎片是航天器空間飛行面臨的一個非常嚴(yán)峻的問題。

對航天器開展碰撞預(yù)警，避免其遭受大碎片碰撞，可以提高航天器空間飛行的安全性。碰撞預(yù)警包含發(fā)射預(yù)警和在軌預(yù)警兩個階段工作。發(fā)射預(yù)警是預(yù)測發(fā)射之后短期內(nèi)有沒有碎片和航天器未來可能去的軌道、位置有危險的交會，一旦發(fā)現(xiàn)危險，通過改變發(fā)射時間來躲避碰撞。在軌預(yù)警是指預(yù)測穩(wěn)定運(yùn)行的航天器在未來一段時間內(nèi)是否與空間碎片存在危險交會，一般通過控制航天器進(jìn)行軌道機(jī)動規(guī)避來躲避危險交會碎片。在軌機(jī)動規(guī)避的方式有兩種：一種是改變航天器到達(dá)與碎片軌道交會點(diǎn)的時間，避免碰撞的發(fā)生；另一種是抬高或者降低航天器的軌道，使得變軌后的軌道與原定交會點(diǎn)有高度差，從而規(guī)避碰撞。

1998年奮進(jìn)號航天飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)期間拍攝到的疑似空間碎片。版權(quán)／NASA

主要航天國家和國際組織都會對所屬重點(diǎn)航天器執(zhí)行碰撞預(yù)警和機(jī)動規(guī)避。截至2020年，國際空間站已執(zhí)行規(guī)避危險碎片操作28次，其中僅2020年就有3次。歐洲空間局（ESA）平均每顆低軌衛(wèi)星每年需執(zhí)行兩次避碰操作。我國神舟五號飛船開始，發(fā)射預(yù)警和在軌預(yù)警已經(jīng)成為常態(tài)化的事情。隨著空間碎片環(huán)境的不斷惡化，航天器碰撞預(yù)警需求將急劇增加。

清除空間碎片

隨著航天活動的蓬勃發(fā)展，如不加以治理，空間碎片環(huán)境將快速惡化。在軌空間碎片大量累積將導(dǎo)致航天器運(yùn)行風(fēng)險隨之增加，甚至造成軌道空間無法利用。

為維護(hù)外空活動的長期可持續(xù)發(fā)展，需要采取主動措施從地球軌道上移除一些對空間碎片環(huán)境長期演化有較大影響的空間碎片。目前，空間碎片主動清除的方式主要可以分為兩類：一類是接觸式的，如機(jī)械臂抓，網(wǎng)捕等；另一類是非接觸式的，如激光推移、離子束推移等。不管何種方法，其目的都是讓碎片離開當(dāng)前軌道，避免再次與其他在軌碎片發(fā)生碰撞。國際上目前已經(jīng)開展了一些概念研究和初步的演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

1993年，NASA提出利用地基脈沖激光器清除近地軌道垃圾的“獵戶座”（ORION）計劃。該計劃擬采用地基激光清除空間碎片，以減緩空間碎片對載人航天的威脅。后期該計劃將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至在軌的激光清除。

2013年，英國薩里太空中心聯(lián)合歐洲多家研究機(jī)構(gòu)，在歐盟第七框架計劃（FP7）資助下，啟動“空間碎片移除”計劃。2018年6月，試驗(yàn)衛(wèi)星“RemoveDEBRIS”脫離空間站開始入軌運(yùn)行。該計劃演示了空間目標(biāo)的網(wǎng)捕、魚叉清除過程，以及碎片在軌跟蹤技術(shù)。

2018年9月，試驗(yàn)衛(wèi)星成功網(wǎng)捕用于模擬空間碎片的立方體衛(wèi)星；同年10月，試驗(yàn)衛(wèi)星星載探測設(shè)備對立方體衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)和移動進(jìn)行跟蹤。2019年2月，試驗(yàn)衛(wèi)星的“魚叉”成功撞擊并擊穿目標(biāo)面板，驗(yàn)證了其抓捕空間碎片的能力。

2018年9月，空間碎片移除計劃（Remove DEBRIS）的試驗(yàn)衛(wèi)星，成功網(wǎng)捕用于模擬空間碎片的立方體衛(wèi)星。版權(quán)／NASA

2019年12月，ESA委托瑞士初創(chuàng)公司“清潔太空”（Clear Space）計劃已于2020年3月啟動，并將于2025年發(fā)射航天器清理ESA位于軌道上一塊碎片——織女星火箭二次有效載荷適配器（Vespa）。

近年來，我國在空間碎片主動清除方面也取得了長足發(fā)展。2016年6月，我國發(fā)射自主研制的“遨龍一號”空間碎片主動清除飛行器，開展了空間碎片探測、識別、跟蹤與操作等在軌演示驗(yàn)證試驗(yàn)，為后續(xù)開展空間碎片主動清除創(chuàng)造了基本條件。

2016年6月我國發(fā)射自主研制的“遨龍一號”空間碎片主動清除飛行器工作示意圖。

作者簡介

江海，博士，中國科學(xué)院國家天文臺空間碎片監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)用研究團(tuán)組高級工程師，中國科學(xué)院大學(xué)碩士生導(dǎo)師。長期從事空間碎片監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究，發(fā)表相關(guān)論文40余篇，獲得發(fā)明專利多項(xiàng)，合作出版空間碎片相關(guān)專著1部。

王東方，博士?，F(xiàn)任中國科學(xué)院國家天文臺空間碎片監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)用研究團(tuán)組工程師。主要從事空間碎片環(huán)境模型建模技術(shù)研究、航天器防護(hù)、航天器碰撞預(yù)警等研究。發(fā)表相關(guān)論文20余篇。

來源：中國國家天文

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