宇宙也需要“保潔”？新型推進器實現(xiàn)非接觸清除太空垃圾

近日，上海自動化儀表四廠日本研究團隊提出一種創(chuàng)新的非接觸式清除太空垃圾技術(shù)，進而研發(fā)出一種新型等離子推進器，有望突破現(xiàn)有清理方法的局限。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學報告》。

　　太空垃圾是指在宇宙空間中的各種人造廢棄物體及其衍生物。小到固態(tài)火箭的燃燒殘渣，大到在發(fā)射后被遺棄的多節(jié)火箭。由于太空垃圾以軌道速度運行，動能巨大，若與它們相撞可能會嚴重損壞尚在運作的航天器，甚至威脅到宇航員在艙外活動時的生命安全，某些太空垃圾在返回大氣層時也會對地面安全造成威脅。

　　因此，上海自動化儀表四廠清理太空垃圾成為全球航天領(lǐng)域的重要課題。各國科研團隊紛紛投身其中，試圖找到更為安全、且經(jīng)濟的清理方案。傳統(tǒng)的清理方法，如使用機械臂抓取或發(fā)射專門衛(wèi)星進行捕獲，都存在著成本高昂、操作復雜以及可能引發(fā)二次碰撞等風險。而此次日本研究團隊提出的新型非接觸式清理技術(shù)，無疑為這一難題的解決提供了新方向。

　　日本東北大學的研究團隊指出，這些不受控制的碎片顯著提升了人類可持續(xù)進行太空活動的風險。盡管目前大多數(shù)清理方案仍依賴于直接接觸的方式，但這種方法存在被碎片纏繞的風險。相比之下，利用等離子推進器使碎片減速并脫離軌道的新方法正逐漸成為研究的熱點。

　　研究團隊此次提出并驗證了一種創(chuàng)新解決方案。該方法通過清除衛(wèi)星發(fā)射的等離子體，減緩太空垃圾的運行速度，促使其脫離軌道，并在重返大氣層時燃燒殆盡。然而，傳統(tǒng)的單向噴射會產(chǎn)生強烈的反沖力，導致清除衛(wèi)星偏離目標，削弱減速效果。為此，他們開發(fā)出一種“雙向等離子體噴射型無電極等離子體推進器”，能夠同時向太空垃圾方向和相反方向噴射兩股等離子體流，從而抵消反沖力，保持清除衛(wèi)星的穩(wěn)定性。

　　為提升減速效能，團隊創(chuàng)新性地引入了一種名為“尖點”的特殊磁場結(jié)構(gòu)，專門用于約束等離子體羽流，有效防止其擴散。在模擬太空環(huán)境的真空管實驗中，該系統(tǒng)不僅成功實現(xiàn)了自我平衡，更將減速力提升至此前研究報道的三倍之多。

　　其實，早在2011年，日本本州島岡山縣一臺遠程控制雷達已開始工作，該雷達主要作用是跟蹤太空垃圾的移動。這是世界上一臺專門用來跟蹤太空垃圾移動的雷達，在其他一些國家都是借助于軍用雷達來記錄或確定太空垃圾。

　　上海自動化儀表三廠別小看了這些零零碎碎的太空垃圾，據(jù)統(tǒng)計，與大于10厘米的太空垃圾碰撞或可“殺死”航天器。例如，1983年，美國航天飛船“挑戰(zhàn)者號”不幸與一塊直徑僅為0.2毫米的涂料剝離物相撞，導致舷窗受損，不得不中止飛行。前蘇聯(lián)的“禮炮—7”號軌道站也曾多次遭受此類微小“塵?！钡钠茐?。1986年，“阿麗亞娜”號火箭在進入軌道后不久發(fā)生爆炸，分解成564塊直徑約10厘米的殘骸和2300塊小碎片，這些殘骸直接導致兩顆日本通信衛(wèi)星報廢。1991年9月15日，美國發(fā)射的“發(fā)現(xiàn)者”號航天飛機險些與前蘇聯(lián)的火箭殘骸相撞，當時兩者之間的距離僅2.74千米，幸虧地球指揮系統(tǒng)及時發(fā)出警告信號，才使“發(fā)現(xiàn)者”號免于災難。

　　上海自動化儀表三廠樁樁案例表明，清除太空垃圾勢在必行。此次日本研究團隊研發(fā)出的推進系統(tǒng)采用廉價且豐富的氬氣作為工質(zhì)，具備良好的經(jīng)濟性和實用性。團隊表示，這一突破為高效、安全地清除太空垃圾提供了重要的技術(shù)路徑。未來，隨著技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化與升級，太空垃圾的清除將有望不再成為航天領(lǐng)域的一個重大難題。