如何利用机器人清理太空垃圾？

尽管我们不太关注，但是越来越多的人在日常生活中需要依赖这些在太空的卫星，像地球观测卫星，通信卫星和全球定位系统等等。轨道碎片不仅仅威胁太空的开发和探测，同样也威胁着我们依赖的太空信息和服务。 为能长期使用地球上空的轨道，这些日益增长的太空垃圾亟需清理。这些措施包括，通过设计在发射前安全消除潜在碎片，以及清理已经在轨的碎片。后者的清理成本要比前者高两个数量级。

关于减缓和清理轨道碎片的可持续解决方案需要考虑几个方面，而且需要国际社会的共同努力。这些方面包括技术开发，政治和法律框架，财政和商业，以及提高政治和公共层面意识的策略以在问题变得严重之前将其解决。

（轨道碎片） 太空垃圾的类型 自从1957年前苏联发射人类第一颗人造卫星斯普特尼克1号开启人类的太空时代以来，地球上空的轨道中无用人造的污染物越来越多，对当前和未来的太空活动造成的风险日益增加。 美国的空间监视网络在地球上空的轨道上已经追踪到了超过23000个尺寸比垒球大的物体，而其中只有1100个仍在服役的卫星。NASA官方估计约有500000件比弹珠大的太空垃圾环绕着地球，而且可能有超过一亿个细小的碎片，其中有些只有盐粒大小，总重量可达数百万公斤。 这些垃圾中主要部分是报废的卫星，火箭壳体，以及由爆炸和解体产生的卫星和火箭壳体碎片，或者由在轨意外碰撞和任务相关的残骸等等。任务相关的残骸包括从太空中核动力发动机固体火箭发动机点火产生的残渣、冷却剂等，以及在轨操作时丢入太空的垃圾等。 目前太空垃圾的状况有多糟？ 由于大型碎片之间的碰撞碎片的数量目前仍在持续增加，碎片引起的一系列碰撞，有可能彻底阻止人类探索太空。 近期造成轨道碎片大幅增加的两次事件包括2007年中国反卫星导弹试验和2009年俄罗斯报废的Cosmos2251卫星和铱星33的碰撞事故。 由于相对速度很高（17500英里/小时，8公里/秒），太空中的轨道碎片，哪怕是直径小于1厘米微型碎片也能造成致命的伤害。“一个1厘米的螺母的冲击力和手榴弹相当，”欧洲航天局表示。任何大于0.1毫米的碎片都可以穿透航天服。由于油漆颗粒和其它碎片的冲击，NASA不得不经常更换航天飞机的窗户，平均每次飞行此项花费高达40000美元。

（脱轨任务）

2011年，国际空间站上的宇航员不得不进入联盟号救援飞船，以躲避250m以外的一块碎片，当时留给他们的时间只有18分钟。 从经济上来看，太空垃圾增加了卫星运营的成本。包括，受碎片冲击引起的卫星损毁，碰撞防止演练，额外的保险，为碰撞保护而增加的重量，而这又会增加发射的成本，此外还包括发射窗口限制，轨道资源减少等。而最终政府运营的空间系统的费用由用户和纳税人买单。 太空垃圾清理方案 潜在的活动碎片清理方案取决于太空垃圾尺寸的大小。当前提出的解决方案着眼点都是使大型碎片脱离轨道。移除大型碎片可以减少碎片之间的碰撞，从而避免引起碎片数量的继续增加。 所提的方案包括电动系链，单臂或者多臂机械手，太空捕捉器，太空弹弓，动量交换链，地基激光，泡沫球，太阳帆，化学推进，离子束牧羊犬等等。 美国国防部先进研究项目局DARPA提出了名为Phoenix项目的解决方案。Phoenix是一个机器人航天器，能够捕捉并拆解那些仍能使用的硬件，例如碟形天线等，它能将其保留下来供其它新任务使用。 电动系链方案，由日本宇宙航空研究开发机构提出。电动系链的电流能够降低报废卫星或者其它太空碎片的速度，进而使其坠入大气层燃烧殆尽。 Star科技和研究公司提议使用太阳能动力的纳米卫星网络清理碎片，卫星之间由3公里长的导电胶带连接，在其穿过地球磁场时可以产生电压，从而捕获卫星。

（Phoenix） 国际空间大学的一项研究（2012年）建议使用下面三种方法分别清理中型、大型和超大型的空间碎片。 激光轨道碎片清理法：使用地基的激光降低中型尺寸（直径1厘米至10厘米）碎片的速度，使其坠入大气层并燃尽。这种方法可能是消除碎片最具成本效益比的方法。 蜘蛛卫星：这是一种可以重复使用的卫星，其在整个任务期间，能够让大量的大型空间碎片脱离轨道。这过程中使用了捕捉网和气球，这种简单的被动脱轨机构使其成为一种可靠的概念，预计不久就可以实施。 狩猎者：带机械手的小型航天器。能够利用电力推进捕捉超大型碎片，然后使用化学推进控制这些碎片脱轨坠入大气层。 所有这些解决方案都需要面对法律问题，包括归属问题，责任和义务问题，知识产权问题，以及在轨碎片清理技术的军事应用带来的政治问题、出口管制和地理政治学问题等。 目前，最大的轨道碎片风险和清除工作的重心是宽度达26m的欧洲的Envisat卫星。之前这个卫星每年平均需要进行2-4次碰撞防止演练以避免轨道碎片，但是2012年该卫星意外失联。由于突然中断联系，不能进行终结其生涯的脱轨操作，预计接下来150年其都将在轨道上默默行驶。 这颗卫星仍有大量未使用的机载燃料，碎片的撞击很容易就能导致爆炸，并产生前所未有的碎片群。地球轨道上这些由像Envisat产生的碎片而造成的一连串碰撞将影响我们的经济和生活方式。尽管通过媒体，特别是像地心引力这样的电影，增进了公众对太空垃圾的认识，但是仍需国际各个层面的合作以建立一个可持续发展的太空环境。

授权译自Robotics Business Review