太空垃圾丨懒到自困地球or及早清理？
2019年3月，“清除碎片”（RemoveDEBRIS）卫星任务圆满完成，展示了对解决太空垃圾问题的技术探索。
在近地轨道上迅速增长的碎片极大地限制了地球表面2000km以内的太空区域的使用。美国国防部估计，在近地轨道上有大约500000块碎片或空间垃圾。
随着火箭的不断发射，太空卫星也在增加，太空中物体碰撞的概率增大。很有可能会产生更多的碎片，形成一种危险的级联效应，被称为凯斯勒综合征。
世界上主要的航天机构都认为轨道碎片是一个严重的问题。
减少新碎片的产生将是未来轨道飞行任务的重要组成部分。清除现有的碎片也是如此。美国国家航空航天局（NASA）得出的结论是，为了稳定太空碎片的增长，每年必须清除5～10个最大的碎片物体——体型从冰箱到城市公交车大小不等的报废卫星。
然而，由于技术和经济方面的挑战，只有少数碎片从轨道上被移走。
1.
清洁空间的项目
欧盟委员会自2012年以来资助了“清洁空间”（Clean Space）项目，欧洲航天局（ESA）投入了极大的精力来开发和测试主动清除碎片的技术。
RemoveDEBRIS由欧盟委员会赞助，是迄今为止最受关注的活跃碎片清除项目。
ESA正在评估的其他主动清除技术包括：一颗带有机械臂的卫星，该卫星的机械臂可以抓住碎片并将其拖到较低的轨道上，碎片会在大气中燃烧；一种安装在卫星上的锥形网，可以打开并夹住废弃的卫星。
其他航天机构正在探索使用地面激光烧蚀废弃的卫星和其他碎片的前缘，使这些物体减速并重新进入大气层。
RemoveDEBRIS航天器由航空航天公司和研究机构组成的国际财团设计和建造，包括空中客车公司（Airbus）、萨里卫星技术有限公司、瑞士电子与微技术中心（CSEM）、法国国家信息与自动化研究所（INRIA）、荷兰小卫星公司（ISIS）、斯泰伦博斯大学（南非），以及萨里大学（英国）的萨里航天中心共同领导该项目。
2.
RemoveDEBRIS的任务
2018年4月，重100kg的RemoveDEBRIS实验平台（图1）搭载SpaceX猎鹰9号火箭前往国际空间站（ISS），以测试四种明显具有航空探测能力的碎片清除技术：网、导航系统、鱼叉和拖帆。
☝ 图1
RemoveDEBRIS由NASA宇航员Ricky Arnold送入气闸中。
RemoveDEBRIS是国际空间站上部署的最大的卫星，它成功地完成了四个任务中的三个，测试从轨道上清除碎片的技术。
图片来源：NASA/NanoRacks。
2018年6月，ISS上的Canadarm2机械臂将RemoveDEBRIS任务定位到轨道上。
三个月后，RemoveDEBRIS发射了一颗鞋盒大小的卫星。这颗立方体卫星向外漂移了7m，并将一组帆充气，使其整体尺寸增加到1m宽。然后发射出一个直径为5m的网，将立方体卫星包裹起来。
在接下来的几个月里，网慢慢地增加了立方体卫星的阻力，将它扔进地球大气层，并于2019年3月烧毁。
RemoveDEBRIS随后于2018年12月发射了另一颗立方体卫星，利用机载的视觉导航系统，包括一组二维摄像头和三维激光雷达技术，在太空中密切跟踪旋转的物体。这项试验表明，导航系统可以在未来的任务中用于跟踪空间碎片，并将其作为目标进行清除。
在其任务的第三阶段，即2019年2月，RemoveDEBRIS发射了一个乒乓球拍大小的铝靶，由卫星部署的碳纤维吊杆支撑。然后，卫星以20m/s的速度向目标发射了一支钢笔大小的钛鱼叉，并将其卷起（图2）。
☝ 图2
RemoveDEBRIS卫星的“太空鱼叉”设计用于碾碎和卷绕轨道上的太空垃圾。
在地面测试中，鱼叉的设计是在类似于轨道测试任务中使用的铝制乒乓球拍板上进行测试的。
图片来源：Airbus/The RemoveDEBRIS Consortium。
一个月后，RemoveDEBRIS太空船部署了薄纸般的聚酯板拖帆。原计划是：在卫星400km的高度10m2的帆捕获剩余空气分子，最终使卫星减速并加速降落到地球大气中。由于设计上的限制，在飞船的一侧展开了帆，而飞船的车载摄像头看不到它。
地面观测表明，航天器的轨道没有明显改变，其太阳能电池板仍能接收到充足的阳光，这表明该帆可能没有完全展开。因此，目前为止，最后一次实验的结果还不确定。
3.
后续
不管怎样，萨里空间中心主任Guglielmo Aglietti说，这次任务在多个方面都取得了成功。“在技术方面，我们已经证明这些方法可以在太空中工作，”他说，“太空中任何物体的行为都与地面上的有所不同，研究某些物体在轨道上的实际行为是很重要的。这将有助于设计下一个任务。”
该任务的另一项成就是提高了公众对空间碎片问题的认识。“这很重要，”Aglietti说，“因为如果清洁空间的任务最终要由政府或国家航天机构资助，拥有良好的公众舆论显然会有所帮助。”
尽管大多数的RemoveDEBRIS演示都有效，但它们还是有一定的局限性。随着阻力帆实验的结果悬而未决，具有讽刺意味的是，至少在目前，RemoveDEBRIS已经成为另一块太空垃圾。
✎改编丨沈晓晶
凯斯勒综合征
在太空垃圾过于密集的情况下，一颗卫星偏离轨道或者遭到一颗流星的撞击时会产生连锁反应，进而有大量卫星被毁，变成太空垃圾。
由于存在太多的太空垃圾，以至于宇宙飞船无法安全飞离，最后将人类围困于地球。
☟ 改编原文
Chris Palmer. Space Trash Removal [J]. Engineering, 2019, 5(4)
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