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磁力“吸塵器” 現(xiàn)已加入太空“大掃除”工具箱

2021年04月20日 16:00:58 來源:科技日報 作者:何亮

  相較于逐一清除垃圾碎片個體的方法,探尋批量、成片、成區(qū)域清理太空垃圾的技術(shù)需求更加緊迫。

  中國科學(xué)院國家天文臺研究員

  平勁松

  近日,日本Astroscale公司發(fā)射的ELSA-d衛(wèi)星成功進入550公里近地軌道,它由175千克的衛(wèi)星主體和17千克的靶標兩部分組成。衛(wèi)星主體上配備有磁對接系統(tǒng),將在太空中釋放靶標并進行捕捉,以此模擬太空垃圾的回收。

  相關(guān)報道介紹,靶標將被釋放3次。在最后一次實驗中衛(wèi)星主體將在大范圍內(nèi)搜索靶標,飛行至同步旋轉(zhuǎn)狀態(tài)后對其進行捕捉。如果實驗成功,將來有可能在衛(wèi)星上推廣磁對接系統(tǒng),以便清理太空垃圾,保護空間軌道安全。

  通過磁力捕捉回收太空垃圾是否可行?4月18日,科技日報記者采訪了中國科學(xué)院國家天文臺平勁松研究員。

  磁力對接不失為一種有益嘗試

  通常情況下,兩個空間飛行器在飛行軌道上交叉會合,進而受控連接成為一個整體,這項技術(shù)多用于航天飛機、空間站模塊、載人載貨地—空運輸轉(zhuǎn)移空間艙之間的各類對接拼接業(yè)務(wù)。平勁松在接受科技日報記者采訪時表示,該項技術(shù)在我國嫦娥五號探測器采樣返回任務(wù)中對接上升艙和返回艙體時得到完美應(yīng)用。作為一種基本的航天飛控技術(shù),將其用于空間抓捕——兩個飛行物體一方受控一方自由飛行,在二者非常接近時受控物體對自由飛行物體實施物理捕獲——是一種有效的應(yīng)用拓展。

  對接捕獲的方式各不相同,一個通用的方式是在密接的逼近和抓捕階段,通過適用于近距離導(dǎo)航測量的光學(xué)成像敏感器或者激光雷達誘導(dǎo)方式逐步抵近或接觸目標,進而拋物抓捕。拋出的抓捕端可以是剛性錨或鏈錨、柔性繩網(wǎng)、伸展機械臂等。而此次日本Astroscale公司采取的磁對接方法則是一種另類的拋物抓捕“技術(shù)練習(xí)”。平勁松表示,衛(wèi)星主體上帶有光學(xué)標記的鐵磁對接板可以對靶標實施抓捕,并且可以多次釋放、抓捕靶標,以提升技術(shù)水平。

  平勁松強調(diào),這次也同時驗證了鐵磁對接板在空間吸附微小碎片的能力,可以針對含有鐵、鎳等可磁化物質(zhì)的空間碎片使用該方法。

  批量處理太空垃圾的技術(shù)需求迫切

  廢棄的衛(wèi)星和不受控空間金屬碎片是太空垃圾的主要“家族成員”。它們運動速度快、沖擊力強,極可能撞上甚至撞毀在軌衛(wèi)星、火箭、宇宙空間站,對人類的太空活動構(gòu)成了極大威脅。

  特別是近年來不斷新增的低軌道導(dǎo)航通信增強星座,以近10%的短期快速失效率淘汰衛(wèi)星設(shè)備,進一步增加了太空垃圾的數(shù)量。因此,采取低成本、有效方式清理太空垃圾,是未來人類空間活動的必要過程。

  Astroscale公司將要進行的第三次捕捉,是主體衛(wèi)星進行的一次真實抓捕操作的全過程模擬演練——主體衛(wèi)星模擬了遠距離搜索碎片,并對目標碎片進行主動定位和抵近交會,最后予以捕獲。

  平勁松對此波操作給出的評價是,這種方法在控制自身規(guī)避被碎片直接撞擊的風(fēng)險前提下對目標垃圾碎片進行捕捉,是一種比較靠譜的手段。原因在于,對于使用磁鐵吸附捕獲的碎片,捕獲成功后可以通過主體變軌墜入大氣進行銷毀!跋噍^于逐一清除垃圾碎片個體的方法,探尋批量、成片、成區(qū)域清理太空垃圾的技術(shù)需求更加緊迫。”平勁松補充說。

  太空垃圾商業(yè)化清理未來可期

  Astroscale公司的這次大膽嘗試,正式開啟了太空垃圾清理的商業(yè)化大門。

  伴隨著商業(yè)航天和商業(yè)衛(wèi)星技術(shù)的迅猛發(fā)展,現(xiàn)今擁有一顆衛(wèi)星的技術(shù)門檻越來越低。平勁松表示,在相關(guān)政府和大型航天機構(gòu)買單的前提下,類似Astroscale公司這樣,以清理太空垃圾為主營業(yè)務(wù)的商業(yè)公司必將以低費效比的模式贏得商機,并且把這項業(yè)務(wù)逐步發(fā)展為太空產(chǎn)業(yè)的一個重要分支。

  為此,人們有理由期待下一個典型的太空垃圾清理業(yè)務(wù)——歐空局采購的“清潔太空一號”商業(yè)衛(wèi)星將于2025年清理2013年發(fā)射升空的“維斯帕”航天器的上面級。

  按照計劃,“清潔太空一號”將由“織女星-C”火箭發(fā)射升空,先被部署到500公里高度的軌道上進行一系列的測試。當(dāng)衛(wèi)星的狀態(tài)確認正常后,將會逐步調(diào)高軌道,開始進行捕捉“維斯帕”航天器上面級的工作。

  平勁松介紹,在此過程中,衛(wèi)星將以自動化的方式完成大部分工作,但在一些關(guān)鍵的狀態(tài)點,仍然需要人工介入,確認能否繼續(xù)。成功捕獲目標后,“清潔太空一號”將會和太空垃圾一起進入破壞性軌道,通過與大氣層相互作用的方式燃燒殆盡。

  “清潔太空一號”捕捉“維斯帕”航天器上面級的方式就像“吃豆人”。平勁松表示,它裝備有4個機械臂,當(dāng)靠近目標時,張開的機械臂向中央合抱,完成捕獲過程。因“維斯帕”航天器上面級的運動狀態(tài)具有很大的不確定性和隨機性,因此“清潔太空一號”必須利用基于視覺的人工智能等技術(shù),準確判斷目標的位置和狀態(tài),才能成功完成捕獲。

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  人類為減少太空垃圾操碎了心

  此前,人類處理太空垃圾的常用手段有很多,早期的無奈之舉是棄之不用,任其長期存在于軌道飛行。也就是把即將失效的地球同步軌道衛(wèi)星移入更高的“墳?zāi)管壍馈保ㄟ^關(guān)閉或自毀衛(wèi)星的工作功能,拋棄地球同步軌道衛(wèi)星。

  針對低軌道的衛(wèi)星,人們則采用主動、半主動和被動方式進一步降低衛(wèi)星運行軌道。在大氣阻尼作用下軌道高度衰減,衛(wèi)星墜入大氣銷毀。這類操作的典型事例包括載人空間站任務(wù)結(jié)束后的處置,以及繞月球和深空探測器任務(wù)結(jié)束后的受控硬“著陸”等。

  平勁松告訴科技日報記者,隨著太空垃圾增多,多國國營和商業(yè)航天公司在嘗試新方法清理太空垃圾。日本的國際空間站貨運飛船,嘗試了釋放金屬導(dǎo)索吸附微小太空垃圾,通過放電讓吸附的垃圾減速并降低高度,進而墜入大氣層燒毀。

  針對不受控的小型空間垃圾碎片,多國航天公司主張使用吸附、抓捕、網(wǎng)捕的提議和嘗試較多,其中一個提議是使用“太空魚叉”將其擊碎,碎片的一部分會墜入大氣,另一部分就按照小型垃圾碎片處理。

  何亮

[編輯: 陳嘉宜]
(本文來源:科技日報)
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