美国宇航局建议使用激光清除和“移位”太空垃圾 天天实时
近年来卫星星座网络的出现，让近地轨道逐渐变得“拥挤”，而这也引发了人们对“太空垃圾”更深入的思考。撞毁卫星、逼迫国际空间站频频变轨、阻碍发射器进入太空、对宇航员安全造成威胁……美国宇航局（NASA）日前再次警告称，未来随着卫星和航空器件发射的爆炸式增长，这些风险只会有增无减，而激光等技术或将带来最高效的解决方案。
为了应对这些隐患，美国国家科学技术委员会国土和国家安全委员会轨道碎片研究与发展机构间工作组空间天气、安全和危害小组委员会2021年1月的一份报告确定了减少轨道碎片构成的风险的三种广泛方法：减少新碎片的产生，更好地跟踪和表征碎片，并找到修复现有碎片的方法。
(资料图片仅供参考)
在美国宇航局技术、政策和战略办公室上个月发布的一份题为“轨道碎片修复的成本和效益分析”的147页报告中，该机构考虑了减少轨道碎片带来的风险的修复方法，包括移动、移除或再利用它们。报告中提到，一些方法可以在不到十年的时间内产生净效益。
目前，主流的太空垃圾清洁技术涵盖了燃料推动、机械臂／抓手、太空“鱼叉”、太空“弹弓”、降落伞、“立方帆”、阳光燃烧、激光清除等十余种方案，不同方案在处理不同的目标时各派用场。而美国宇航局正在考虑使用激光和人工“太空拖船”来清除地球轨道上的太空碎片。
美国宇航局负责技术、政策和战略的副局长Bhavya Lal表示：“我们知道，轨道上的物体数量正在增加，这意味着我们需要仔细研究如何分析卫星和航天器操作员面临的风险。”
Bhavya Lal表示，该报告采用了与以往研究不同的方法，直接关注太空垃圾带来的风险，而不是使用碎片物体的大小或数量等替代指标。新发布的报告还更直接地考虑了潜在的财务成本，并重新讨论了修复的好处，将重点放在近期内降低卫星运营商的财务成本上。
该报告发现，降低作业人员风险的最有效补救方法是清除小碎片并“移位”大的太空垃圾以避免碰撞——而这两项任务都可以用地面／太空激光来完成。
截至2019年1月1日计算机生成的地球轨道上物体的图形，图中大约95％的物体是轨道碎片。近地轨道是距离地球表面2000公里以内的空间区域，这也是轨道碎片最集中的区域，可以看到这一地带如今已宛如巨大的“垃圾场”。（图片来源：美国宇航局轨道碎片计划办公室）
当定向能（如激光）照射一块碎片时，它会对物体产生推力。这种推力对于清除太空垃圾而言太弱，它无法使碎片脱离轨道，但却足以将其推离容易发生碰撞的轨道，因此非常适用于大型太空垃圾的“移位”——使之脱离轨道，而不仅仅是重新定向。
而对于较小的太空垃圾，可以直接采用激光烧蚀。在烧蚀中，激光击中一个物体，该物体被喷射出来，近似垂直于表面，并产生反方向的推力。一般来说，喷出的物质是热气体和等离子体的结合，因此不会给环境带来新的碎片。消融产生的推力比光子压力大得多，但需要更强大的激光束和更高的光学精度。与地面激光器相比，天基激光器的一个缺点是，它产生的能量要少得多，因为它必须在轨道上产生所有的能量。但另一方面，太空激光的光束不会穿过大气层，这意味着它会损失更少的能量。光束变形的可能性也更小，这使得它更准确。
虽然这种激光可能用于反卫星目的，但用于碎片修复的激光功率比用于摧毁航天器的激光功率低约1000倍。用于碎片修复的激光可能会干扰卫星传感器“视力”或致其损坏，但这可以使用通常可用的低功率激光器来完成。据报道，地面上微弱的10瓦激光就能使卫星“眼花缭乱”，而天文台常用的40瓦激光则能永久性地损坏卫星传感器。因此，用于碎片修复的激光与地面光学天文观测站的武器化风险其实是大致相当的。据估计，每清除10万件小碎片（尺寸在1－10厘米之间），就可以避免2300万美元的损失。
该报告中提到，用于修复的激光系统提供了其潜在的跟踪和表征目的等更多优势。虽然太空垃圾清理市场仍处于初期阶段，而且这一市场还有很广的领域未经研究，但要是能够制定支持主动清除碎片和空间可持续性的条例，预估这一市场每年的规模将突破1亿美元。
欧洲航天局（European Space Agency）一项截至去年12月的数据显示，自1957年以来，全球共发射了6370枚火箭，将1．5万多颗卫星送入地球轨道。一些专家估计，已有数万亿件垃圾在太空中徘徊并危及卫星。NASA指出，在确定方法后，缓解太空垃圾泛滥这一问题的努力可能“在不到十年的时间内实现净效益”，不过这需要与政府和军方达成合作。
标签：