国防科普加油站（7）飞网捕获系统：太空垃圾的“清除器”

“结绳而为网罟，以佃以渔”，说的是中华民族的人文始祖伏羲，从蜘蛛结网中受到启发，发明了渔网、教人打渔的故事。今天，面对太空垃圾影响在轨航天器安全和后续航天发射的问题，科学家们从渔网捕鱼中受到启发，发明出了一种专门捕获太空垃圾的“飞网捕获技术”。

在浩瀚无垠的太空中，太空垃圾是如何产生、“飞网”又是怎样捕获那些杂乱无章、速度极快的太空垃圾呢？

图1 空间飞网捕获太空垃圾概念

太空垃圾：太空“交通安全”大隐患

随着航天技术的迅猛发展，航天器发射越来越频繁，它给人类生产生活带来各种便利的同时，也不可避免地造成大量太空垃圾滞留在茫茫宇宙中，既对在轨运行的航天器和后续航天发射构成严重威协，又使空间轨道资源日益成为紧缺资源。

所谓太空垃圾，是指人类在太空活动中产生的废弃物及衍生物，主要包括航天发射的抛弃物、火箭末子级、火箭爆炸物、废弃航天器，以及飞行器解体及碎片之间相互碰撞产生的碎片等。当太空垃圾密度超过一定数量时，就会产生相互碰撞，碰撞产生的碎片又将诱发更多的碰撞，如此连锁反应，导致太空垃圾数量急剧增加。据欧洲航天局可跟踪空间目标数据库编目统计，截至2020年1月，尺寸大于10厘米的太空垃圾数量已超3.4万个，尚有数以万计的微小碎片未在编目之内。太空垃圾的质量从几克至几吨不等，尺寸在几毫米至数十米之间。有些太空垃圾个头不大，但飞行速度极快，达到约每秒6至7公里，对航天发射、在轨卫星和载人航天器同样具有极大威胁。

图2 严峻的太空垃圾形式

如果把航天器发射、在轨运行的轨道比作地球上的一条条高速公路，那么，这些高速路上，同样各种车辆日夜穿梭，川流不息。不通的是，它没有警察，没有交通管制，没有道路维护和清扫人员。发生交通事故，也没有人处理和清理路障。随着航天发射的日益频繁，进入太空门槛不断降低，大量航天器过期失效，导致太空垃圾的不断增多，使这条高速路就变得越来越拥挤、脏乱，到处充斥着各种报废车辆、交通事故残片等抛弃物。在这样的高速公路上行驶，即便是技术再过硬的司机也难以避免的发生交通事故，甚至是防不胜防。2009年，美国“铱星33”卫星与俄罗斯失效的“宇宙2251”卫星相撞，引起世界航天领域极大关注，让国际社会进一步认识到太空垃圾对航天器构成的严重威胁。

在航天器发射日益频繁和在轨航天器不断增多的情况下，清除太空垃圾就成为一项紧迫的课题。

清除太空垃圾：手段虽多效果却不尽人意

茫茫太空路，征途艰险多。如何确保航天器发射、在轨运行安全和空间轨道资源的可持续性呢？办法总比困难多，科学们经过长期探索，想出了一系列应对太空垃圾的手段，目前主要以下几种清除手段。

首先是规避，即以轨道监测预测技术为基础，根据目前跟踪观测到的太空垃圾数据，在航天器发射时间和运行轨道选择上，避开日前所能掌握的太空垃圾，这一预防性规避手段只能尽力而为，不能确保万无一失。还有一种主动性规避手段，即提升航天器的“驾驶技术”，通过航天器的主动变轨来躲避轨道碎片的碰撞，但由于太空垃圾多且速度极快，技术实现难度较大。

其次是预防，通过航天器前期任务规划，降低航天器自身成为太空垃圾的可能性，让它到达运行寿命或失效时自动驶离太空高速公路。如运载器或卫星完成任务后的排空剩余燃料、消耗蓄电池能量等钝化措施，卫星寿命末期的自主离轨销毁等，这种预防措施受太空环境、寿命周期等制约，实现起来并不容易。但目前已有成功范例，2020年12月，我国嫦娥五号上升器完成月球样本转移任务后，按照地面指令受控离轨，再次降落到月球表，没有滞留太空成为垃圾，这是我国减少太空垃圾、保持空间环境清洁的一次成功实践。

第三是防护，让航天器穿上“防护铠甲”，通过在其外表加装铝板、高强度复合材料板等防护装置，以阻挡住太空垃圾的“袭击”。这种防护手段可以防止规模较小的冲击损害，但不能有效防护大型碎片的撞击，且“防护铠甲”会增加航天器重量，导致发射成本大幅增加。

最后是清除，通过太空捕获拖船进行“道路救援拖离”，降低太空垃圾轨道使其进入大气层烧毁，或者抬高太空垃圾的轨道，将其遗弃在不常用的轨道高度上。这项技术带来的问题是捕获难度大，特别对于运动状态未知的非合作航天器或是极小航天碎片更是无能为力。

总的说来，以上手段虽然能在一定程度上规避、清除或减少太空垃圾，但无法应对所有的太空垃圾，更无法从根本上抑制航天器间相互碰撞而产生更多的太空垃圾。国外一项研究表明，即使停止一切航天器发射任务，太空垃圾也会因为不断的连续碰撞而不可遏止的增加。清除日益增多的太空垃圾呼唤更先进的技术手段。

飞网捕获技术：堪称太空垃圾的“清洁工”

远古时代，伏羲发明结绳而为网罟，授人以渔，开启了渔业史上最早的捕捞作业。随着人类社会发展，网的捕获对象从水中游弋的鱼类，逐步扩展到地面奔跑的野兽、空中飞行鸟禽，到了近现代，网捕的应用进一步拓展，出现了诸如警用网枪、飞机拦阻网等产品。

今天，航天领域的科学家从网捕应用拓展中异想天开：运用柔性飞网对太空垃圾进行捕获，清除太空“高速公路”上的障碍。经过长期探索与攻关，发明出了一种由发射器、系绳、飞网、收口机构等部件组成的空间飞网捕获系统，执行捕获任务时，发射一艘载有飞网捕获系统的太空拖船，发现并接近太空垃圾后，选择时机向捕获目标发射展开一张由柔性绳索编织而成的大型飞网，将太空垃圾包裹起来，再通过收口机构收紧网口完成捕获，最后由太空拖船拖离出太空“高速公路”。

图3 空间飞网捕获系统组成

与传统机械臂爪等刚性捕获方式相比，飞网的柔性可以有效减缓捕获过程中发生碰撞，通过对太空拖船的控制，让其在距捕获目标百米以外实施捕获，安全性能相对较高。飞网属于一种稀疏结构，使用很少的材料就可以覆盖相当大的空间范围，质量三千克左右的飞网，捕获面积可达近千平方米，对太空垃圾的识别与测量、太空拖船制导控制的精度要求相对较低，非常适合自旋废弃卫星和大型空间碎片等太空垃圾的清除，具有安全性高、捕获面积大、控制精度要求低等特点。

俗话说：理想很丰满，现实很骨感。太空飞网捕获技术虽好，但实现起来却不那么容易。主要面临以下技术难题：首先是对飞网制作的材料性能要求高，必须具有高强度、低密度、耐高低温、抗强辐射、耐热氧、柔软光滑等特性，能满足捕获任务和空间环境需求，同时具备上述性能要求的新材料目前尚在研发之中，估计还要待以时日。其次是飞网折叠封贮技术，需要有合理的折叠封贮方法，保证飞网内部自我隔离和避免穿透、打结，并对飞网拉出网舱过程进行有效时序控制，解决飞网缠绕等工程应用难题，保证飞网系统高可靠展开。第三是高可靠收口技术，飞网捕获到太空垃圾后，如何达到自适应触发、高可靠收口和有效收紧锁死网口，还有一系列关键技术需要突破。最后是绳系复合体的离轨控制，飞网捕获系统是一个由拖船、系绳、飞网及捕获物构成的绳系复合体，在实施过程中，如何有效利用系绳张力实施目标消旋控制、复合体转向控制、拖曳离轨控制，最终将捕获的太空垃圾清除出“太空高速公路”，其涉及技术领域广泛且要求苛刻。

然而，科学技术的发展一再证明：“只有想不到，没有做不到。”相信不久的将来，伏羲的后代们一定能将渔网的应用拓展至太空，在清除太空垃圾、和平利用太空做出自己的贡献，为缓解空间轨道资源日益紧缺的现状提供有力技术支撑。(作者：王握文、高庆玉、宁凡明 来源：国防科技大学“科普中国”共建基地)