空间垃圾清除：可持续轨道面临的挑战与解决方案

空间垃圾清除：可持续轨道面临的挑战与解决方案

随着人类活动不断向太空延伸，空间垃圾问题日益严峻。失效卫星、火箭碎片等空间垃圾不仅威胁着在轨运行的航天器，还可能引发连锁碰撞，导致地球轨道无法使用。本文将探讨空间垃圾的性质、清除技术及其面临的挑战。

什么是太空垃圾？

太空垃圾是指在地球轨道上运行的不再有任何用途的人造物体。这包括各种各样的物质，从报废的卫星和废弃的火箭级到过去碰撞或故障产生的较小碎片。这些物体大小不一——从微小的油漆斑点和金属碎片到大型报废卫星和火箭级——但都对正在进行的太空任务构成威胁。

太空中的物体以极高的速度飞行，速度可达每小时 28,000 公里（每小时 17,500 英里）。在这样的速度下，即使是微小的碎片颗粒也会对运行中的卫星和航天器造成严重损害。太空碎片主要集中在低地球轨道 (LEO)，但也可以在更高的轨道上发现，包括地球静止轨道，随着太空任务的增多，问题将继续加剧。

日益严重的问题

随着太空探索和卫星发射的增多，太空垃圾的规模令人震惊，而且情况还在不断恶化。据最近的估计，目前轨道上追踪到的大于 10 厘米的物体有 29,000 多个。然而，许多较小的碎片（数十万个）太小而无法追踪，但仍然对航天器构成危险。

太空垃圾的不断积累给当前和未来的太空作业带来了诸多挑战。即使是与高速飞行的微小碎片相撞，也可能对卫星和航天器造成灾难性的破坏。此外，此类碰撞产生的新碎片会形成反馈回路，从而加速碎片问题。

这一日益严重的问题将产生重大影响，尤其是当太空活动对全球基础设施越来越重要时。卫星提供通信、天气预报和导航等基本服务，这些系统的任何损坏都可能对商业和政府运营产生广泛影响。

凯斯勒综合征的风险

太空垃圾问题最令人担忧的方面之一是可能出现凯斯勒综合症——一种自我延续的连锁碰撞，会产生越来越多的碎片。这种情况发生在两个碎片物体碰撞时产生一团较小的碎片，这些碎片随后会与其他物体碰撞，产生更多的碎片。这种反馈回路最终可能会使某些轨道区域对卫星运行来说过于危险，导致地球轨道空间的大部分区域实际上无法使用。

凯斯勒综合症并非遥不可及的假设威胁，而是一种日益严重的风险。2007 年中国反卫星试验和 2009 年俄罗斯一颗废弃卫星与一颗商业通信卫星相撞凸显了此类事件的现实性。这些事件大大增加了太空垃圾的数量，表明即使是相对较小的碰撞也会导致轨道上碎片数量的急剧增加。

随着卫星数量和太空任务不断增加，凯斯勒综合征的可能性也越来越大。如果不采取积极措施减少碎片的产生并清除现有碎片，级联效应的风险可能会严重威胁太空探索和卫星运行的未来。

空间垃圾清除技术

太空垃圾问题是可持续太空运营面临的一个关键挑战。随着卫星和任务数量的增加，有效的技术和策略对于确保地球轨道的长期可用性至关重要。本节讨论两个主要重点领域：针对现有碎片的主动碎片清除 (ADR) 和旨在防止产生新碎片的报废 (EOL) 卫星处置。

主动碎片清除 (ADR)

ADR 技术旨在物理地移除或改变太空垃圾的轨迹，解决对卫星和任务的直接威胁。

机器人捕获系统

机器人系统使用先进的机械臂或类似机制来捕获和脱离轨道的碎片。ESA 的 ClearSpace-1 任务就是这项技术的典型例子，它使用机械臂附着在一颗报废卫星上，并将其移至较低的轨道，以便进行受控再入。

• 优点：精度高，能够瞄准大型碎片。
• 挑战：管理在不可预测的条件下以高达 28,000 公里/小时的速度行驶的物体需要强大的跟踪和自主控制系统。

太空拖船

太空拖船是专门设计用来捕获碎片或报废卫星并将其移至处置轨道的航天器。这些飞行器通常使用离子推进器等电力推进系统来实现高效且可控的移动。

• 例如：NASA 的 OSAM-1 任务探索了可以延长卫星寿命和协助碎片管理的维修技术。
• 挑战：设计对接机制，以适应不同大小和形状的碎片，同时管理捕获过程中的动量。

激光烧蚀

激光烧蚀法使用高功率激光加热或蒸发碎片表面，产生推力来改变其轨道。与物理捕获方法不同，激光烧蚀法不需要发射额外的航天器。

• 研究：美国宇航局和其他组织正在探索地面和太空激光系统。
• 挑战：精确瞄准小碎片并克服能量和大气干扰。

报废卫星处置

EOL 处置策略重点是卫星任务完成后安全脱离轨道，防止进一步碎片堆积。

• 受控脱轨：卫星使用机载推进系统减速并重新进入地球大气层，然后燃烧殆尽。这种方法对于地球静止卫星来说很常见，它们通常会被移至“墓地”轨道以避免干扰活跃卫星。低地球轨道 (LEO) 上的卫星必须有足够的燃料和控制系统来确保受控重返大气层，因此设计考虑至关重要。
• 自主处置系统：一些卫星现在配备了自主系统，可以在使用寿命结束或发生故障时启动脱离轨道。这些系统减少了对地面干预的依赖，并确保遵守碎片减缓准则。
• 先进推进系统：大型卫星（例如太空望远镜）需要离子推进器或太阳帆等先进推进系统，才能精确、逐步地进行处置。这些技术即使在遥远的轨道上也能实现安全脱轨。自主 EOL 系统正在开发中，以使处置更安全、更高效，特别是对于预算有限的商业卫星而言。

将 ADR 技术与 EOL 策略相结合对于解决日益严重的太空垃圾问题至关重要。机器人捕获系统、太空拖船和激光烧蚀可为现有垃圾提供即时解决方案，而受控脱轨和先进推进系统则有助于防止未来垃圾堆积。随着太空活动的扩大，这些技术将在确保地球轨道环境的长期可持续性方面发挥关键作用。

案例研究：现实世界中清除太空垃圾的努力和成功

随着太空垃圾问题日益严重，政府太空机构和私营公司都已开始采取积极措施，开发主动清除碎片 (ADR) 技术。在本节中，我们将探讨两个关键示例：ESA 的 ClearSpace-1 任务和 NASA 正在进行的项目，以及私营部门的贡献。

RemoveDEBRIS：测试清除太空垃圾的技术

RemoveDEBRIS 项目专注于测试主动碎片清除 (ADR) 技术，旨在解决日益严重的太空垃圾问题。目前地球轨道上有超过 40,000 个物体（相当于约 7,600 吨），与运行中的卫星和空间站相撞的风险很大。该项目旨在探索清理太空并防止进一步堆积碎片的有效方法。

RemoveDEBRIS 任务由萨里大学萨里太空中心 (SSC) 牵头，并由空中客车、萨里卫星技术有限公司 (SSTL) 等多家公司联合参与。该任务利用了由空中客车 SSTL 子公司建造和运营的一颗实验卫星，该卫星目前已在轨道运行。

该项目由欧盟第七框架计划共同资助。

关键技术与实验

• 网络捕获系统：该捕集网系统由空中客车公司在德国不来梅开发，其捕集目标为直径达 2 米、重量达 2 吨的碎片。该捕集网于 2018 年 9 月进行了一次演示测试，其中 RemoveDEBRIS 航天器释放了一个代表太空碎片的立方体卫星目标。捕集网成功捕获了立方体卫星，随后让其脱离轨道并在重返地球大气层时燃烧殆尽。捕集网技术历经六年开发，包括在落塔、抛物线飞行和热真空室中进行测试。
• 基于视觉的导航 (VBN) 系统：VBN 系统由空中客车公司在法国图卢兹设计，是跟踪和定位碎片的关键技术。在 2018 年 10 月的演示中，VBN 系统使用 2D 摄像头和 3D 激光雷达监测从航天器释放的立方体卫星目标的移动。该系统成功跟踪了目标的旋转和移动，并使用其基于 GPS 的位置来验证 VBN 系统的准确性。
• 鱼叉技术：鱼叉技术由空客位于英国斯蒂夫尼奇的工厂开发，并于 2019 年 2 月进行了测试。在测试中，鱼叉被发射到安装在 RemoveDEBRIS 航天器延伸臂上的卫星面板上。鱼叉以每秒 20 米的速度行进，成功穿透目标，展示了其捕获太空垃圾的能力。
• 拖曳帆实验：RemoveDEBRIS 计划的最后一个实验是测试萨里航天中心开发的拖曳帆。拖曳帆将被展开，将航天器拉入地球大气层，加速其脱轨过程。该系统旨在将卫星的自然脱轨时间从两年半缩短至约八周。

欧洲航天局的 ClearSpace-1 任务：主动清除碎片的突破性进展

ClearSpace-1 是一项开创性的任务，旨在清除地球轨道上的太空垃圾。这将是有史以来第一次捕获并安全击落卫星的行动，展示了清理太空的复杂近距离操作，使未来探索更加安全。

ClearSpace-1 将瞄准 2001 年发射的 95 公斤 PROBA-1 卫星，该卫星目前位于低地球轨道。目标尺寸：0.6 米 × 0.6 米 × 0.8 米 目标是移除卫星，以防止其进一步加剧日益严重的太空垃圾问题。该任务是欧洲航天局 (ESA)、OHB SE、ClearSpace 和其他工业合作伙伴之间的合作。

发射日期（计划）：2028 年

关键技术

ClearSpace-1 旨在开发和演示主动清除碎片 (ADR) 的基本技术，其中包括高精度机器人系统和太空近距离操作。本次任务将演示的一些关键技术包括：

2. 机械臂：该任务将使用四个机械臂捕获碎片，凸显了这项复杂任务所需的精度。
3. 主动碎片清除 (ADR)：此次任务将展示安全清除和脱离轨道的太空垃圾所需的先进技术。

美国宇航局的太空垃圾清除计划

几十年来，NASA 一直积极参与太空垃圾研究和减缓工作。该机构致力于改进太空垃圾跟踪系统、加强垃圾预防协议以及开发主动清除垃圾的技术。NASA 的努力还包括为航天器制定操作指南，以尽量减少新垃圾的产生。

除了清除工作外，NASA 还致力于减少碎片，即减少产生新的太空垃圾。NASA 通过其太空碎片研究计划，一直在研究更好的碎片跟踪系统，并制定卫星报废处理的最佳做法。例如，NASA 鼓励卫星运营商设计具有脱轨能力的航天器，确保它们在任务结束后能够安全地在地球大气层中燃烧殆尽。

美国宇航局积极参与太空垃圾清除工作，为未来的太空可持续发展计划奠定了基础。通过展示在轨维修和清除垃圾的可行性，美国宇航局的项目可能会激发政府和私营部门解决方案的进一步发展。

OSAM-1：卫星服务和空间基础设施

在轨服务、组装和制造 1 (OSAM-1) 任务是 NASA 的一项开创性项目，旨在建立先进的太空服务和基础设施开发能力。与麦克萨科技美国宇航局将 OSAM-1 设想为一种经济高效的解决方案，可以延长卫星寿命、减少轨道碎片并为新的太空架构铺平道路。

OSAM-1 包含五项关键创新：

2. 自主导航：与卫星安全会合的传感器和算法。
3. 航空电子设备维修：实时数据处理，实现机器人的精确操作。
4. 灵巧机械臂：两个多功能臂，可执行复杂的维修任务。
5. 高级工具：专为卫星服务量身定制的多功能工具。
6. 推进剂输送系统：一种通过精确的温度、压力和速率控制为卫星加油的系统。

尽管 OSAM-1 潜力巨大，但它仍面临重大的技术、财务和进度挑战。经过独立审查，NASA 于 2024 年决定停止该项目，原因是：

• 计划于 2026 年发射，成本高昂且集成风险高。
• 对于更广泛的在轨服务社区来说，投资回报率较低。
• 缺乏坚定的过渡伙伴来继续执行任务。

OSAM-1 的愿景和技术为太空运营的新时代奠定了基础。该任务展示了机器人维修和在轨组装的潜力，有望延长卫星寿命、减少轨道碎片并扩大太空探索和商业化的机会。虽然 OSAM-1 本身不会发射，但它的创新将继续影响可持续且具有成本效益的太空基础设施的发展。

LunaRecycle 挑战

美国宇航局发起了 LunaRecycle 挑战赛，为回收太空任务产生的废弃物提供高达 $3 百万（274 万欧元）的奖金。这项挑战赛至关重要，因为太空探索，尤其是针对月球和火星的长期任务，会产生大量废弃物，包括食品包装、废弃衣物和科学实验材料。

NASA 正在寻求节能、低质量、低影响的回收技术，以帮助减少未来太空任务的废物。目标是将废物转化为有用的产品，以支持科学和探索，使长期任务更加可持续。

两个竞赛赛道：

2. 硬件开发：团队的任务是设计能够回收月球表面废物的系统。
3. 虚拟系统设计：团队将创建一个能够回收废物并制造产品的系统的虚拟模型。

LunaRecycle 挑战赛与 NASA 为定于 2025 年 9 月进行的 Artemis II 任务做准备的时间不谋而合。这次任务将标志着自阿波罗任务以来首次载人绕月飞行，宇航员将到达月球 7,400 公里以外的地方。随着 NASA 计划执行月球表面及更远地区的任务，确保太空的可持续性变得至关重要。定于 2026 年进行的 Artemis III 任务旨在让宇航员降落在月球南极附近，未来的废物管理技术将在那里至关重要。

这项挑战不仅解决了太空可持续性的实际需求，还旨在激励全球回收技术的进步，为未来的太空探索和地球环境可持续性做出贡献。随着长期任务变得越来越普遍，回收和再利用太空材料的能力对于减少对地球资源的依赖和确保任务成功至关重要。

太空垃圾清除的未来：创新解决方案和人工智能

随着太空垃圾不断增加，创新技术正在为高效、可持续的解决方案铺平道路。其中，人工智能和自动化作为变革工具脱颖而出。

人工智能驱动的追踪

人工智能系统通过实时分析大量数据集，彻底改变了碎片追踪方式。机器学习算法可以预测碎片运动，优先处理高风险目标，并为碎片清除任务提供可操作的见解。这提高了效率并降低了碰撞风险，使轨道管理更加精确。

自主捕获系统

配备机械臂或牵引器的人工智能制导航天器可以自动识别和捕获碎片。这些系统利用计算机视觉来适应碎片不可预测的运动，以最少的人为干预实现精确清除。这种方法已经在 ESA 的 ClearSpace-1 任务等项目中进行了测试。

激光技术和群体

在人工智能的引导下，地面或太空激光会轻轻地将小碎片推入再入轨道，而不会造成碎片。未来的概念包括由人工智能驱动的卫星群协同工作以跟踪、捕获和运输碎片。

通过预测进行预防

人工智能对于防止出现新的碎片也至关重要。通过预测卫星碰撞并优化报废处理，运营商可以降低风险。人工智能驱动的设计确保未来的航天器在建造时考虑到可持续性。

公私合作

欧空局的 ClearSpace-1 等项目以及 Astroscale 等公司的私人计划都凸显了合作的重要性。他们共同将概念转化为切实可行的解决方案。

结论

太空垃圾危机需要立即采取协调一致的行动。机器人捕获系统、激光烧蚀和人工智能驱动的跟踪等先进技术对于解决现有垃圾并防止进一步堆积至关重要。政府、私营公司和研究人员之间的合作是实施可持续解决方案的关键。随着太空探索的不断扩大，优先考虑轨道安全对于维护卫星运行的好处和确保太空活动的长期可行性至关重要。