近日，欧空局发布消息称，原计划在2026年发射空间碎片主动移除飞行器，前往太空清理一块太空垃圾，却意外地在其附近发现了更多空间碎片，推测应是那块太空垃圾因碰撞所产生的。那么欧空局相关任务可能遭遇哪些挑战？清除太空垃圾、减缓空间碎片增长面临着怎样的形势？这又体现着欧空局怎样的考量呢？
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未“出师”遭遇意外
此次空间碎片意外增加事件之所以引起欧空局关注，主要是因为欧空局已经在那块太空垃圾上打了很多年的主意。
那块太空垃圾诞生于2013年。当时，欧空局的织女星火箭执行第二次卫星发射任务后，在轨道上遗留了一个卫星支架，也是织女星火箭的有效载荷适配器的上半部分，整体呈圆锥形，直径约2.1米，高约1.3米，质量112公斤左右。目前，该支架大致位于800公里×660公里高度的地球轨道上，形状相对简单，结构较坚固，因此被欧空局判定为执行空间碎片主动清除任务“极为合适”的捕获目标。
2020年12月，欧空局与瑞士清洁太空公司的工业团队签署了价值8600万欧元的合同，采购了独特的“清洁太空-1”服务。简单地说，该任务将发射太空机器人，接近那个卫星支架，利用4个机械臂将其捕获，再拖带进入地球大气层烧毁。在此过程中，太空机器人将借助人工智能来自主评估目标状况并匹配运动。此次捕获则将在欧空局监督下进行。
机械臂有望成为航天器清理空间碎片的有效手段
这个太空机器人的系统构成比较复杂，由众多西方航天企业负责研制：推进子系统用于驱使其精细稳定地变轨并接近目标；先进的“神经系统”辅助规划任务进程，直接指挥4个机械臂背后的电子设备；综合传感系统包括远程雷达系统和2台微型摄像机，不仅用于导航定位、发现目标，还能在捕获目标操作期间提供必要的视觉辅助；处理器面板帮助人工智能和后方团队分析目标图像，及时高效决策；为保障任务可靠性，太空机器人会具备复合结构及高效的热控制系统。
可以说，这将是航天史上第一次通过精确、复杂的近距离操作从轨道上移除太空垃圾的任务。后续，欧空局希望实现更复杂、更宏大的主动清除太空垃圾目标，不断提高任务难度，最终实现单次发射清除多个目标。
按欧空局估计，最近这次空间碎片意外碰撞导致小部分卫星支架硬件损失，不会对“清洁太空-1”任务的实施产生重大影响。但考虑到任务的前提是目标硬件完好无损，因此欧空局正在进行至少持续数周的评估，以便确定下一步应对措施。
换个角度来看，这次意外更加凸显了空间碎片碰撞“增殖”的危险前景。早在20世纪70年代，美国航天专家唐纳德·凯斯勒就提出了“凯斯勒效应”，即空间碎片数量达到一定的临界点时，就会引发在轨连锁碰撞，进而超出人类的控制能力，最终很可能造成地球周围空间充满碎片，人类再也无法安全利用。
主动清除需求更迫切
由于空间碎片问题具有国际性，1993年美、俄、日等多方共同发起成立了机构间空间碎片协调委员会，旨在协调各国航天统一行动，共同解决空间碎片问题。此后，各国对于空间碎片问题日益关注，提出了形形色色的应对空间碎片威胁的解决方案。
太空垃圾近年迅速增加
一方面是采取航天器自身防护措施，主要包括3种情况：对于小于1厘米的空间碎片，卫星等航天器可以依靠结构、材料及必要的防护加固手段来“硬扛”；对于1～10厘米大小的空间碎片，各国解决思路存在分歧；对于10厘米以上的较大碎片，地面团队需要时刻关注，根据航天器与空间碎片的轨道运行趋势，及时计算出航天器与碎片发生碰撞的概率，一旦到达预警值，就让航天器实施规避机动。
另一方面则是希望从源头上解决空间碎片问题，主动改善空间环境。初步分析，有关技术措施主要包括钝化处理、主动离轨和主动清除3类。
钝化处理指的是为了避免退役航天器在未来发生爆炸，提前耗尽其推进剂、电池电量等。要知道，长期以来，平均每年发生超过12起在轨航天器解体事故，而在已知的约550起此类事故中，未钝化航天器解体产生的碎片最多。
主动离轨指的是航天器利用自身携带的推力器、气球、光帆等，离开工作轨道，近地轨道卫星降轨进入大气层烧毁，地球同步轨道卫星升轨进入“坟墓轨道”，从而保护正常工作的航天器不受碎片撞击，至少大幅降低意外撞击风险。
主动清除一般需要发射专用航天器，通过机械臂抓捕、网兜和“鱼叉”捕捉等方式捕获较大的空间碎片，然后专用航天器启动动力，将空间碎片带离轨道。
不难看出，钝化处理和主动离轨措施都需要航天器增加相应的硬件或携带更多推进剂，代价不小，可靠性也存在隐患。根据国际准则，运营商应在航天器任务结束后25年内从低地球轨道移除航天器，但实际上仅有60%的任务运营商照此执行。因此，主动清除就成为清理大量空间碎片的有效手段。
欧空局欲“执牛耳”
欧盟在环保领域的民意基础强大，因此清除空间碎片很早就获得了广泛支持。2002年，多方发布了《空间碎片减缓指南》，欧空局同步发布了《欧洲空间碎片安全与消除标准》。2004年，意大利、英国、法国、德国联合签署了《欧洲空间碎片减缓行为准则》。2014年，欧空局颁布了空间碎片减缓政策行政指令。2015年，欧空局发布了空间碎片减缓合规核查准则，提供了具体的核查方法和空间碎片减缓措施。
近年来，欧空局每年定期发布太空环境报告，对全球太空行为给太空环境造成的影响以及国际空间碎片减缓措施的成效进行评估，还公开了未来空间可持续性目标：到2030年，拥有一支能够抵御空间碎片威胁的航天器“舰队”；具有监测和安全管理“空间交通”的能力，包括清理或处置轨道上的现有碎片；开发航天器自动防撞系统，力求不产生新的空间碎片。
具体来看，2012年欧空局以移除失控的环境卫星为目标，召集欧盟卫星制造商，开展清除太空垃圾任务论证和技术开发，考虑的主动清除技术包括机械臂、“触须”、飞网、离子束等。
特殊材料网兜捕获空间碎片想象图
自2016年起，空客公司与诸多欧洲伙伴共同研究“航天器自我清除技术”，对具有成本效益和高可靠性的设备原型进行初始研究，希望帮助航天器在失效、失控及结束寿命时自动脱离轨道。
2018年6月，空客公司下属萨瑞卫星技术公司研制的空间碎片移除任务试验卫星在国际空间站进行部署。2018年9月～2019年3月，该任务陆续成功完成了真实太空环境下网兜捕获立方星、空间目标运动跟踪、“鱼叉”捕获、拖曳帆离轨等4项试验。
在今年6月举行的巴黎航展期间，欧空局局长与欧盟多家航天企业高管表示，将共同制定“太空零碎片计划”，争取减缓空间碎片产生，重点关注近地轨道情况，促进太空活动的安全性和长期可持续性。
欧空局今年计划召开一系列研讨会，在年底完成起草《零碎片宪章》纲领文件，要求到2030年，加入该纲领的国家和组织及时将寿命结束的航天器报废离轨，或者向航天企业购买空间碎片主动清除服务。显然，欧空局一系列计划有助于改善轨道空间安全状况，同时有望促进新兴商业航天产业发展，包括在轨清理、补加、维修等在轨服务。
回顾2022年11月，欧空局22个成员国在巴黎举行会议，将太空项目开支创纪录地提高17%，通过了3年169亿欧元预算，准备在航天领域与世界强国展开竞争。随着“太空零碎片计划”的提出以及“清洁太空”等任务坚持推进，欧空局显然希望借助空间环境治理的“大义名分”，为欧盟航天企业开辟新市场，夺取在轨服务这个航天技术制高点。
来源：科普中国 编辑：朱月华