基于2019 年度国家技术发明奖二等奖项目“主动碎片清除微纳GNC 系统技术”，本文介绍了“空间碎片”的相关情况。
2021年3月10日，美国海洋大气管理局的NOAA-17气象卫星在其轨道上突然发生爆炸，爆炸后生成了16个“轨道碎片”，这些碎片高速飞离卫星本体，但却又仍留在轨道上，将会对航天安全产生巨大威胁。实际上，这16个碎片就是新产生的16块太空垃圾。
太空垃圾是近些年被提得越来越多的一个概念，指的是在绕地球轨道上运行，但不具备任何用途的各种人造物体，这些物体小到固态火箭的燃烧残渣，大到在发射后被遗弃的火箭末级。自从人类在20世纪50年代发射人造物体进入太空以来，太空中各类废弃的人造物体越来越多，以至于开始影响人类后续对太空的利用。
空间碎片有什么影响？
全球数十亿人每天依靠卫星数据来让生活更便利，而遗留在太空中的废弃卫星就成了太空垃圾，污染着太空环境。随着各国太空探索的脚步越走越远，太空垃圾的数量逐年递增，所带来的问题也越发突出。太空垃圾与温室气体、核废料存储等问题一样，短期内对人类的影响不大，但如果长期得不到处理，会对人类社会产生巨大影响。
首先，它们有撞击其他航天器的风险。由于太空垃圾以轨道速度运行，动能巨大，若与它们相撞可能会损坏尚在运作的航天器：10厘米以上的大碎片，撞击到航天器会直接造成航天器解体；1～10厘米的中碎片，很难被监测到，撞击到航天器会造成部分功能损失或失效。这些碎片也会威胁到宇航员的生命安全。其次，每年约400个空间碎片会再入大气层，其中有部分经大气层时未完全被烧毁，陨落到地面会对安全造成严重威胁。第三，虽然有相当一部分太空垃圾最终坠入地球大气层烧毁，但据估算，现在仍有超过4 500吨的太空垃圾残留在轨道上。随着太空垃圾急剧增加，航天器频轨资源短缺，当密度达到一定程度时，太空垃圾会布满近地轨道（LEO），令人类在数百年内无法进行太空探索。第四，太空垃圾的数目与日俱增，而且不同的垃圾会在各自不同方向和高度的轨道上运转，想要将它们回收或是控制不仅难度大，而且成本高。
事实上，早在1978年，美国宇航局（NASA）科学家唐纳德 · 凯斯勒（Donald Kessler）就提出了凯斯勒综合征理论，即低地球轨道上的碎片和其他人造物体造成的太空污染将会继续增加，并导致卫星碰撞的风险增加；当某一轨道高度的空间碎片密度超过一个临界值时，将发生碎片链式撞击效应，产生一系列潜在的卫星碰撞的多米诺骨牌效应；链式碰撞过程将造成该高度轨道资源的永久破坏，彻底不可用。
针对空间碎片，目前怎么办？
空间碎片数以万计，且分散于不同的轨道，即使发射航天器去抓取，也只能一个轨道一个轨道地利用交会对接的方法接近碎片进行清理，这是目前技术可行的方案。但面对不同轨道高度、不同轨道倾角的几十万个碎片，目前的技术和资金是任何一个国家都无法承受的。
近地轨道是距地球表面2 000公里以内的空间区域，大多数空间碎片位于近地轨道上
因此，目前针对空间碎片只是处于一个监视的阶段。主要采取的方式是当发现空间碎片会对卫星产生碰撞危险时，采取被动避碰策略。对10厘米以上较大尺寸的空间碎片，采取持续观测、编目预警和及时躲避等被动规避措施；但对于1～10厘米的空间碎片，它们既难以编目又难以防护，造成的危害较严重，目前还没有找到更好的解决方案；对于尺寸1厘米以下的空间碎片，主要施行卫星表面防护措施。
不过，随着卫星在民用和商用领域的不断拓展，卫星的发射数量明显增加。未来几年，卫星的数量将增加一个数量级，也将出现多个由成百上千颗卫星组成的巨型星座。这些小卫星在失效后将成为新的空间碎片；即便现在就开始停止所有发射，碰撞仍会产生新碎片。新的发射窗口将被一步步压缩，科学研究卫星也将不得不置于更遥远的轨道，因此被动的处理方法将导致航天器的研制、发射和运维成本急剧增加，对空间碎片采取主动处理成为不得不考虑的选择。
主动清除空间碎片的方法
稳定轨道环境的唯一方法是主动清除，我们需要开发新技术，在避免产生新碎片的同时清除已有碎片。通常，离地球越高，大气越稀薄。对于近地轨道的卫星，不用特别处理，它们早晚会在大气阻力作用下坠入大气层烧毁；空间站的运行高度是三四百公里，在这个高度上仍有空气阻力，碎片几个月到几十年内就可以逐渐减速坠入大气层。这也是为什么卫星和空间站过一段时间就要提高运行高度的原因。
不过，对于1 000公里以上的碎片，大气阻力几乎忽略不计，碎片几百年几千年内都不太可能掉下来，这就需要想办法让碎片离轨坠入大气层。主动清理空间碎片的方法有两种：一种是接触式的，如机械臂抓、网捕等；第二种是非接触式的，如激光推移、离子束推移等。不管何种方法，其目的都是让碎片离开当前轨道。
捕获移除方式 由地面操控航天器施行清除，通过直接接触对碎片产生作用力，拖动其离轨，目前可使用的抓捕方案较多，如机械臂、飞网、飞矛、飞爪、鱼叉等。这种捕获方式简单易行，成功率较高，也较为成熟，是工程应用近期可实现的方式。这种方式不仅可用于移除空间碎片，也可用于捕获在轨运行卫星，具备太空对抗应用潜力。不过，这些技术到工程应用也还需几年。
电动力绳系离轨 这种清理方法以电动力绳系航天器为基础， 通过其电动力缆绳释放捕获器对非合作目标实施准确、可靠捕获，之后利用电动力绳系切割磁感应线产生电动力，使组合体减速降轨，再入大气层烧毁。该方法由于磁场限制，目前只适用于近地轨道碎片的清除，且存在系绳易断裂或难以释放等问题，在轨技术验证仍不成熟。
激光推移离轨或清除 对于尺寸稍大的空间碎片，利用高能脉冲在碎片表面照射产生“物质燃烧流动推力”，从而改变碎片的运行轨道，实现降轨后再入大气层；对于微小型空间碎片，利用激光光束能量极高的特点，直接用高能连续光波冲击碎片使其汽化焚毁。该方法操作简单， 响应快速，可无限重复使用，能进行远距离、非接触清除，成本低，可以清除多种尺寸空间碎片。虽然该方法目前的技术能力有限，但也有了很大的发展，从长远看，该技术是最有前景的。
增阻离轨 通过粘着泡沫、膨胀式气球、折叠阻力帆等增加碎片的大气阻力，从而降低速度离轨。增阻离轨针对不同特性碎片需要选取不同方案，泡沫、气球等物易因操作不当导致产生新的空间碎片，使得清除效率降低。
空间碎片清除技术仍处于在轨演示验证阶段
为应对日益严峻的空间碎片问题，各国积极开展空间碎片清除技术研究。美国、欧洲和日本的空间碎片主动清除研究起步较早，已提出了各自的碎片清除方案，部分关键技术已开展在轨演示验证，但当前的发展水平距离实际应用还有差距。
英国萨里太空中心“空间碎片移除”计划 2013年，英国萨里太空中心联合欧洲多家研究机构，在欧盟第七框架计划（FP7）资助下，启动“空间碎片移除”（Remove DEBRIS）计划，并在2018年9月至2019年3月陆续完成飞网抓捕、空间目标视觉导航、鱼叉捕获、拖曳帆离轨等在轨验证试验。“空间碎片移除”计划是目前为止最受关注的碎片清除项目，它的实施加速了碎片移除技术的实用化进程。
欧洲空间局“清洁太空”计划 2019年12月，欧洲空间局（ESA）委托瑞士初创公司“清洁太空”（Clear Space）进行碎片清除研究，该计划于2020年3月启动，并于2025年发射航天器清理ESA位于轨道上一块碎片——织女星火箭二次有效载荷适配器（Vespa），这一碎片重约100千克，大小跟一个小型卫星相当，形状相对简单且结构坚固，非常适合成为首次清理任务的目标。此外，ESA还将于2023年发射e.Deorbit航天器，演示验证大型报废卫星移除技术，目标是2012年已停用的“欧洲环境卫星”，拟采用的移除方案包括机械臂、飞网、离子束等。
美国宇航局“猎户座”计划 1993年，美国宇航局（NASA）提出利用地基脉冲激光器清除近地轨道垃圾的“猎户座”（ORION）计划。“猎户座”计划采用30kW的地基激光清除近地轨道上1～10厘米尺寸的空间碎片。2014年，“猎户座”计划将重点从地面激光器转移到天基激光器。天基激光器可以使用较小的光学元件和激光，并可用于地球同步轨道（GEO）。不过，天基激光器的研究依然要依靠地基和机载的试验成果来进行。
日本宇宙航空研究开发机构“商业碎片移除”演示项目 2017年9月，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）发布空间碎片清除系统共同研究委托公告，旨在征集空间碎片清除方案，清除处在700～1 000千米轨道高度的大型碎片，计划在十年内以低成本完成系统研发并商业化。2020 年初，日本宇宙尺度公司拿下JAXA商业碎片移除演示项目（共两个阶段）第一阶段的合同。该阶段是在2023 年3 月31 日前发射一颗演示卫星，逼近日本H-II A 火箭的上面级；第二阶段是在2026 年3月31 日前完成对火箭上面级的对接， 并加速其离轨再入大气层。
我国空间碎片清除发展进入快车道
近年来，我国在空间碎片主动清除方面取得了长足发展。2016 年6 月，我国发射自主研制的“遨龙一号”空间碎片主动清除飞行器。遨龙一号通过伸出的一只机械手臂对空间碎片模拟器进行抓捕，开展了空间碎片非合作目标探测、识别、跟踪与操作等在轨试验，为后续非合作目标在轨捕获创造了基本条件。
由于空间碎片可能处于翻滚状态，而空间光照为平行光，对碎片进行视觉观测时，视场内的碎片目标明暗对比强烈，且翻滚运动使得对目标的相对测量面临极大挑战；同时，大型失效卫星上安装的帆板、天线等组件，会随动翻滚，逼近捕获中容易发生碰撞，自主安全逼近面临极大挑战；第三，对于翻滚状态目标的抓捕，很难抓稳、抓准，还容易导致抓捕卫星本身失稳，同样也面临着极大挑战。因此需要研究新的空间碎片制导、导航与控制（GNC）系统，才能更好地为空间碎片接近、绕飞、停靠与抓捕等任务提供支撑。
上海航天控制技术研究所刘付成团队在工作现场
2020年1月，由上海航天控制技术研究所刘付成研究员领衔的团队以“主动碎片清除微纳GNC系统技术”获得了2019年度国家技术发明奖二等奖（也是2018年度上海市技术发明奖一等奖）。如前所述，现在空间碎片数量众多，主动捕获清除必须满足经济、高效的需求。微纳卫星具有研制成本低、周期短等优势，因此，基于微纳卫星的大碎片捕获与清除，是国际公认的最迫切、最高效的方案。但是，微纳卫星的重量、功耗、尺寸受限，能够安装的敏感器、捕获装置等都面临微型化要求，相比大卫星，测量、捕获能力受限。
团队针对资源受限下的翻滚碎片测量、规划、逼近与捕获控制等核心难题，经过十年持续攻关，形成了一整套创新成果。比如，发明了碎片目标表面的角点、圆环、线条等多类特征的组合动态跟踪方法，解决了资源受限下的翻滚目标超近距离视觉测量问题；发明了自主逼近安全路径的简化快速规划方法，解决了天线、帆板等多障碍物随动翻滚下的防撞安全接近问题；发明了能够自适应估计与补偿外界干扰的跟踪与控制方法，解决了旋转和平动同步下的碎片目标稳定跟踪和柔顺捕获难题；发明了多视场融合立体视觉敏感器、三轴集成微飞轮等产品，满足了碎片清除微纳卫星对测量和控制产品的高集成、高效能需求。
微纳卫星捕获大型碎片示意图
主动碎片清除微纳GNC系统技术成果可以有效提高航天器在轨捕获碎片时测量与控制的稳定性、精准性和自主性。该技术在多个航天器型号中得到应用，大幅提升了我国微纳航天器的精确测量、自主规划、耦合控制、融合集成水平，并为我国后续相关型号任务奠定了扎实的技术基础。
总的说来，我国在空间碎片清除领域处于技术验证阶段，众多高校和科研院所正不断加强对空间碎片捕获清除相关技术的研究力度，形成了大量研究成果，预期未来会涌现出大量关键技术飞行验证计划。
我国将主动承担起空间碎片处理责任
2020年9 月18 日，2020年宇航领域十大科学问题和技术难题在2020 年中国航天大会上由中国科学院院士、中国航天科技集团有限公司研究发展部部长王巍发布，其中一项就是“空间碎片清除中的核心技术”：“空间碎片清除是当前及未来航天任务必须面对的重要问题，发展该项技术，既是保护空间资产、维护人类空间安全和资源需要，也将促进相关高新技术创新发展。”
事实上，空间碎片清除能产生巨大的价值：在经济方面，如果能明确某一需要清除的碎片所有方，可以通过商业付费来清除该碎片，形成空间碎片清除的产业化运营；在军事方面，空间碎片清除正构成一个可怕的挑战，一旦发生战争，该技术将可以清除敌方卫星，直接用于空间对抗活动，这也是世界各国都高度重视、积极发展主动清除技术的重要原因。对于我国来说，一方面应当主动承担起空间碎片处理的责任，另一方面也应发展多种清除技术，在未来的技术竞争中占据主动。
地球同步轨道区域（约36 000公里）图像，大约95％的物体是空间碎片，即不是功能性卫星
看看如今我们地球同步轨道区域的图像，太空碎片围绕地球形成了“行星环”。科幻电影中，落魄的星球表面，被各种太空垃圾包围，而科技发达的星球表面，则是壮丽的星际舰队护卫。相信大家都不想我们的地球被大量的太空垃圾包围，那么就请你帮忙想想有些什么方法可以把太空垃圾清除掉吧，比如，是否可以发射一个超级黏的卫星，把碎片都黏起来呢？或者用强力磁铁把碎片吸住？大家一起脑洞大开地发挥想象吧……
本文由上海市“科技创新行动计划”科普项目 （19DZ2332500）资助