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? 本報記者 李洋

我國空間站天和核心艙太陽翼電纜，因空間碎片撞擊導(dǎo)致部分供電能力損失，經(jīng)神舟十七號乘組2次出艙活動完成我國首次艙外維修任務(wù)；神舟二十號返回前再次被空間碎片擊中，造成飛船舷窗玻璃出現(xiàn)裂紋……

空間碎片也即“太空垃圾”，是指繞地球軌道運行但不具備任何用途的各種人造物體及其殘骸。

這些被稱為“太空高速公路隱形殺手”的碎片，正在以7.9公里/秒的第一宇宙速度運行，即使是芝麻粒大小的碎片，其撞擊力也遠超“子彈”。

可喜的是，我國即將有清理“太空垃圾”的利器。航天馭星控股子公司蘇州三垣航天科技有限公司（以下簡稱“三垣航天”）總經(jīng)理楊棟近日在接受記者采訪時表示，該企業(yè)首顆技術(shù)驗證星已完成研制，計劃于近期發(fā)射，主要驗證柔性機械臂在太空環(huán)境中的可靠性，后續(xù)將逐步推進衛(wèi)星交會接近、目標捕獲等關(guān)鍵技術(shù)驗證，預(yù)計2027年左右實現(xiàn)真正意義上的“太空垃圾”清理操作。

“太空垃圾”清理難

距離地面500公里以內(nèi)的“太空垃圾”，有機會在一二十年內(nèi)受大氣阻力等因素影響，墜入大氣層燒毀。而在稍遠一些的大氣層，如距離地面800公里、1000公里的“太空垃圾”，能“飄”幾百年。

公開資料顯示，僅長度在1毫米至1厘米之間的“太空垃圾”，就有1.3億個；尺寸超10厘米的在軌碎片已超 4 萬個。

“隨著衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量增多，這些垃圾會大大增加航天器碰撞的風險，直接影響后續(xù)航天發(fā)射和在軌航天器的正常運行?！睏顥澅硎?。

空間碎片撞擊會帶來哪些連鎖反應(yīng)？楊棟解釋說，一方面，對載人飛船來說，碎片打穿船體可能導(dǎo)致漏氣，無法維持宇航員生存所需的氧氣和氣壓，后果致命；對其他航天器而言則有可能會造成設(shè)備損傷甚至完全失去工作能力。另一方面，大碎片可能會引發(fā)航天器碰撞，繼而造成大量碎片。

然而，人類清理“太空垃圾”的能力剛剛邁出第一步。放眼全球，尚未聽說任何一家商業(yè)公司成功執(zhí)行“太空垃圾”清理任務(wù)。

楊棟表示，究其原因，首先是成本高，涉及新衛(wèi)星制造成本、發(fā)射成本、觀測捕獲成本等。其次是技術(shù)難度大。要在太空捕獲比子彈快幾十倍的碎片，需要與碎片保持方向、速度一致，實現(xiàn)相對靜止才能抓取。此外，環(huán)境條件苛刻。需克服太空的極端環(huán)境，太陽直射時溫度達100多攝氏度，陰影區(qū)達零下200多攝氏度，溫差極大，對設(shè)備材質(zhì)、散熱、成像測量都有嚴苛要求。

據(jù)介紹，目前，多個航天發(fā)達國家已建立起較為完善的地面監(jiān)測與跟蹤體系，通過大型相控陣雷達、光學(xué)望遠鏡及激光測距系統(tǒng)對直徑10厘米以上的軌道物體進行編目管理。例如，我國于1970年發(fā)射的“東方紅一號”衛(wèi)星雖早已失效，但因其結(jié)構(gòu)完整且軌道明確，自發(fā)射起就被全球多個觀測站持續(xù)跟蹤，至今仍被記錄在案，成為具有明確國家歸屬的歷史性航天遺產(chǎn)。然而，對于由碰撞或爆炸產(chǎn)生的大量小型碎片，尤其是毫米至厘米級的微小殘片，現(xiàn)有技術(shù)難以有效識別與歸因。在此背景下，發(fā)展主動清除技術(shù)已成為各國研究重點。

將車規(guī)級產(chǎn)品引入太空

在大氣層外的黑背景下，哪怕是長度超過10厘米的碎片，也很難被觀測到。找到需要清理的“太空垃圾”，并把機器人送到目標附近，堪比“大海撈針”。

楊棟表示，清理“太空垃圾”，目前的技術(shù)路徑本質(zhì)上是“以星治星”——需發(fā)射新衛(wèi)星捕獲“太空垃圾”，再將其帶入大氣層燒毀，相當于“用一顆新衛(wèi)星清理一個舊垃圾”。

“三垣航天已經(jīng)可以實現(xiàn)讓‘太空垃圾’清理機器人從地球出發(fā)追到高速移動的目標，然后停下來看目標的真實情況，再進一步跟著走并趁目標不注意后抓著它拖出軌道扔進大氣層焚毀。而這一系列操作不需要依賴鈦合金等航天材料，可以用成本更低的工業(yè)材料實現(xiàn)?！睏顥澱f。

據(jù)介紹，三垣航天研究了3種捕獲“太空垃圾”的方式。第一種捕獲方式類似于捕魚的邏輯。傳統(tǒng)捕魚方法是使用漁網(wǎng)，這種方法直觀且自然，但不可避免地存在一個問題：由于漁網(wǎng)是柔性物體，捕獲目標后在太空中會晃動，嚴重影響機器人衛(wèi)星的軌道控制。在嚴重情況下，雙方都可能失去平衡，無法繼續(xù)控制。第二種捕獲方法是使用機械臂抓取，類似于給捕魚船配備魚叉或網(wǎng)爪。這種方式抓取牢固，因為機械臂是剛性結(jié)構(gòu)。但其難點在于控制難度極大，尤其是要實現(xiàn)高精度控制，例如將機械臂的運動從單軸擴展到多軸，每增加一個軸就會多出3個自由度，控制難度呈指數(shù)級增加。第三種捕獲方式是花瓣型包絡(luò)方式，類似于章魚用觸角包裹物體。這種方式結(jié)合了剛性材料的穩(wěn)定性，同時采用類似網(wǎng)狀捕獲而非抓取的方式。即使目標物體存在自旋，由于被完全包裹，因而控制難度相對較小。

三垣航天創(chuàng)新性地將工業(yè)級、車規(guī)級產(chǎn)品引入太空領(lǐng)域，通過結(jié)構(gòu)加固、優(yōu)化散熱、加固連接器等方式，適配太空極端環(huán)境。

“‘太空垃圾’清理是基礎(chǔ)，技術(shù)要求相對低，只要能抓住目標并將其拖拽進大氣層燒毀就行，對抓取精度要求不高。目前，除了空間碎片清理，三垣航天還致力于提供航天器在軌延壽以及航天器在軌維修等在軌服務(wù)?！睏顥澱f。

太空加油最成熟的市場是地球同步軌道的通信衛(wèi)星，需求明確且效益可觀。

要維持定點運行，衛(wèi)星必須時刻消耗燃料，一旦燃料耗盡，軌道就會偏移，像“畫8字”一樣越來越偏，最終導(dǎo)致地面天線無法對準，通信中斷。

一顆地球同步軌道通信衛(wèi)星造價通常在20億元以上，設(shè)計壽命約15年，一年能創(chuàng)造1.5億-2億元的經(jīng)濟效益。加50公斤燃料大概能滿足一年的定點維持需求，加油相關(guān)成本（衛(wèi)星研制、發(fā)射等）不超過創(chuàng)造效益的一半。美國諾格公司子公司Space Logistics曾經(jīng)給Intelsat（國際通信衛(wèi)星組織）的兩顆通信衛(wèi)星各完成5年的延壽服務(wù)，技術(shù)和商業(yè)化都很成功，也帶動很多國際航天企業(yè)涉足這一領(lǐng)域。

而航天器在軌維修和制造聽起來像科幻，但并非遙不可及?，F(xiàn)階段可以考慮攻克一些標準化、相對簡單的場景，未來幾年也會逐步嘗試解決更復(fù)雜的維修和零部件更換問題。

楊棟表示，清理垃圾、太空加油、太空維修3個任務(wù)，有望只用同一個機械臂就能夠完成。技術(shù)有通用性，柔性臂可以通過不同組合實現(xiàn)多種功能。比如中空結(jié)構(gòu)里走管路，就能當“加油槍”用；裝上3根、4根或8根類似章魚爪的結(jié)構(gòu)，就能柔性抓取目標；前端替換不同工具（剪刀、相機、螺釘?shù)叮?，就能完成維修操作。

西垣0號衛(wèi)星即將首發(fā)

據(jù)悉，三垣航天由航天科技五院、西北工業(yè)大學(xué)、航天科工集團等單位團隊聯(lián)合發(fā)起成立，其核心成員曾參與我國首個空間在軌操作機器人研發(fā)，這為其技術(shù)落地奠定了堅實基礎(chǔ)。

三垣航天投融資總監(jiān)姚亞鑫對記者表示，三垣航天能夠大幅度降低“太空垃圾”清理成本，關(guān)鍵在于掌握如下核心技術(shù)：軌道追蹤控制技術(shù)，可從遠距離逐步接近目標并實現(xiàn)同軌飛行；未知環(huán)境多維多場信息融合重建方案，能通過近距離懸停觀測確定目標狀態(tài)；空間非合作目標視覺感知與定位系統(tǒng)，可實現(xiàn)與目標的同速相對靜止跟蹤；大容錯范圍被動消旋目標捕獲機構(gòu)，能夠穩(wěn)穩(wěn)抓取目標并拖離軌道。

目前，三垣航天碎片清理技術(shù)已完成地面驗證，即將具備商業(yè)化服務(wù)能力，其2026年清理200公斤LEO廢棄衛(wèi)星的報價僅6000萬元，每公斤30萬元，不足瑞士同類產(chǎn)品的1/20，且具備盈利空間。此外，該企業(yè)還將目標測量分系統(tǒng)等技術(shù)成果對外銷售，近期以分系統(tǒng)銷售為主，后續(xù)將面向星座計劃推出整星產(chǎn)品。

姚亞鑫透露，三垣航天將于近日發(fā)射首顆技術(shù)驗證星西垣0號。這顆衛(wèi)星命名結(jié)合“西北工業(yè)大學(xué)”的“西”與“三垣航天”的“垣”，“0”體現(xiàn)程序員從零計數(shù)的習(xí)慣，將承擔空間碎片清理、航天器在軌延壽前期驗證、離軌方案驗證3項任務(wù)，目前衛(wèi)星已完成研發(fā)，進入最終測試階段。

不過，從技術(shù)落地到商業(yè)化仍面臨多重挑戰(zhàn)。政策上，全球“太空垃圾”清理缺乏硬性約束，市場需求釋放受限；資金上，太空在軌服務(wù)研發(fā)周期長、投入大，該企業(yè)雖已完成3輪融資，但后續(xù)驗證仍需數(shù)千萬元資金，且發(fā)射驗證存在失敗風險，一旦失敗，前期投入將全部損失。

“三垣航天除了銷售整顆機器人衛(wèi)星外，還將機器人衛(wèi)星研制過程中的一些技術(shù)成果進行轉(zhuǎn)化。例如，企業(yè)的目標測量分系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了銷售。此外，太空智算系統(tǒng)以及地面測試試驗系統(tǒng)等成果也受到眾多研究院所和高校的關(guān)注?！币嗹握f。

作為國內(nèi)商業(yè)航天領(lǐng)域的首顆“太空垃圾”清理技術(shù)驗證星，西垣0號即將發(fā)射，不僅是三垣航天技術(shù)落地的關(guān)鍵一步，更有望為我國乃至全球空間碎片治理提供低成本、可復(fù)制的解決方案，推動太空在軌服務(wù)產(chǎn)業(yè)邁向商業(yè)化階段。

受訪者供圖