庞之浩 

最近，欧洲航天局（简称欧航局）宣布，该组织将于2025年启动世界第一个在轨移除太空垃圾（又叫空间碎片）的任务，即发射太空清洁1号航天器，用这一特殊航天器在轨试验移除太空垃圾的技术。欧航局把该任务委托由瑞士初创公司太空清洁公司领导的财团进行，耗资约为1.17亿欧元。

地球周围的太空垃圾

到2019年底，全球共发射了9467个航天器。现在，共有约7500吨的人造物体正在绕地球飞行，其中有1800多颗卫星目前在轨工作，还有数千颗失效的卫星以及数百万个零部件和碎片在轨飞行。未来几年，卫星的数量还将增加一个数量级，尤其是将出现多个由大量小卫星组成的巨型太空互联网卫星星座。

例如，2020年1月7日，美国太空探索技术公司以“一箭60星”的方式发射了第三批“星链”。该公司最终将建成由4.2万颗“星链”卫星组成的太空互联网卫星星座。尽管太空探索技术公司号称“星链”的卫星都装备了电推发动机，寿命到期后将主动降低轨道以更快地再入大气层，满足25年内再入大气层的规定，但还是大大增加了太空垃圾的产生机会。例如，2019年9月2日，已出现欧航局的“风神”卫星为避免与一颗“星链”卫星相撞，而实施了一次机动避障的危险事件。早在2009年2月10日，俄罗斯2251号卫星与美国铱星33号卫星就曾以11.64千米/秒的相对速度碰撞，产生了2201个能够被监测编目的太空垃圾。所以，太空垃圾不断增多的问题正日益恶化，在今后还会变得越来越严重。太空垃圾越多，就越容易发生碰撞，从而形成更多的碎片，甚至有可能出现多米诺骨牌现象，因此，会对在轨运行的航天器产生很大的威胁。目前，在地球轨道中大于10厘米的太空垃圾超过2.2万个，1～10厘米的太空垃圾达6万个，1毫米～1厘米的太空垃圾至少3亿个。当今，人类可以对大于10厘米的太空垃圾进行监测，从而在它将与正常工作的航天器发生碰撞前通过机动航天器来“躲避”。对于1毫米～1厘米的太空垃圾，虽然现在还无法监测到，但能通过航天器自身壳体来“抗击”。最危险的是1～10厘米的太空垃圾，既无法通过监测来“躲避”，也难以用自身壳体“抗击”它的猛烈碰撞。为此，不少航天国家感到忧心忡忡，并正在积极研究对策，开发新技术，包括移除失效的卫星，以免太空垃圾撞坏在轨正常运行的航天器；努力提高监测太空垃圾的分辨率，以便监测到1～10厘米的太空垃圾的飞行。目前，清理太空垃圾有多种方案，不过欧航局等一些国家和组织的研究表明，维持稳定轨道环境的有效方法就是主动移除较大的太空垃圾。所以，欧航局于2019年12月率先启动了采用在轨主动移除太空垃圾方式的太空清洁1号任务。他们将先开发制导、导航和控制技术以及会合和捕获方法等相关技术。

太空清洁1号在轨工作示意图

太空清洁1号是一种新型四臂垃圾收集机器人，它可抓住太空垃圾并抱紧。其重量不到400千克，具备“高度自主性”，拟采用化学推进。但是以后的有关型号有可能采用由化学推进和电推进相结合的混合推进系统。

这次太空清洁1号将移除位于660千米高近地球轨道的“织女星二次有效载荷适配器”。该太空垃圾是欧航局2013年用“织女星”火箭发射欧航局的“星上自主性项目-植被”遥感卫星时留下的。这个100千克重的太空垃圾大小相当于1颗小型卫星，结构坚固，形状简单，适合作为太空移除目标。

将先用运载火箭把太空清洁1号送入500千米高的轨道进行调测，然后太空清洁1号变轨进入“织女星二次有效载荷适配器”所在的600多千米高的轨道捕获它，最终太空清洁1号把“织女星二次有效载荷适配器”拖入大气层烧毁。

如果上述试验获得成功，将使欧航局在太空垃圾移除市场上拔得头筹，为未来在轨移除太空垃圾任务铺平道路。

现在，还有不少其它移除太空垃圾的新技术正在开发。例如，激光主动移除技术、充气阻尼移除技术、电动力束缚移除技术、交会捕捉移除技术和喷射移除技术等。但这些技术目前还停留在“纸上谈兵”阶段，需要较长时间的深入探索、不断试验。移除太空垃圾的技术挺复杂，例如，它要求不能产生更多的太空垃圾，成本要比较低。

研究表明，地面激光技术、机载激光技术、气球和薄膜技术适合移除小于10厘米的低轨道太空垃圾；天基激光器技术适合移除小于10厘米的低轨道、中轨道、地球静止轨道太空垃圾；阻力增强装置技术适合移除大于10厘米的低轨道太空垃圾；动量交换束缚技术适合移除大于10厘米的低轨道、地球静止轨道太空垃圾；电动力束缚技术适合移除大于10厘米的低轨道太空垃圾；捕获/转移飞行器、太阳帆技术适合移除大于1米的低轨道、中轨道、地球静止轨道太空垃圾。

捕网艺术概念图

总之，随着航天器的不断增加，未来移除太空垃圾有望成为一个新产业。

本文作者：庞之浩，航天五院512所研究员，神舟传媒公司首席科学传播顾问，全国空间探测技术首席科学传播专家，卫星应用产业协会首席专家，中国遥感应用协会专家委员会委员，中国首次太空授课专家团队组成员，中国科普作家协会常务理事，北京科普创作协会副理事长，知识就是力量、太空探索、中国国家天文和科普创作杂志编委，多次参加中央电视台重大航天活动直播。