宇宙也需要“保潔”？新型推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)非接觸清除太空垃圾

近日，上海自動(dòng)化儀表四廠日本研究團(tuán)隊(duì)提出一種創(chuàng)新的非接觸式清除太空垃圾技術(shù)，進(jìn)而研發(fā)出一種新型等離子推進(jìn)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(xué)報(bào)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?jiān)?，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(yùn)行，動(dòng)能巨大，若與它們相撞可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞尚在運(yùn)作的航天器，甚至威脅到宇航員在艙外活動(dòng)時(shí)的生命安全，某些太空垃圾在返回大氣層時(shí)也會(huì)對(duì)地面安全造成威脅。

　　因此，上海自動(dòng)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(guó)科研團(tuán)隊(duì)紛紛投身其中，試圖找到更為安全、且經(jīng)濟(jì)的清理方案。傳統(tǒng)的清理方法，如使用機(jī)械臂抓取或發(fā)射專門衛(wèi)星進(jìn)行捕獲，都存在著成本高昂、操作復(fù)雜以及可能引發(fā)二次碰撞等風(fēng)險(xiǎn)。而此次日本研究團(tuán)隊(duì)提出的新型非接觸式清理技術(shù)，無(wú)疑為這一難題的解決提供了新方向。

　　日本東北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)指出，這些不受控制的碎片顯著提升了人類可持續(xù)進(jìn)行太空活動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。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(fēng)險(xiǎn)。相比之下，利用等離子推進(jìn)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(diǎn)。

　　研究團(tuán)隊(duì)此次提出并驗(yàn)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(yùn)行速度，促使其脫離軌道，并在重返大氣層時(shí)燃燒殆盡。然而，傳統(tǒng)的單向噴射會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反沖力，導(dǎo)致清除衛(wèi)星偏離目標(biāo)，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(wú)電極等離子體推進(jìn)器”，能夠同時(shí)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(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入了一種名為“尖點(diǎn)”的特殊磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，專門用于約束等離子體羽流，有效防止其擴(kuò)散。在模擬太空環(huán)境的真空管實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)不僅成功實(shí)現(xiàn)了自我平衡，更將減速力提升至此前研究報(bào)道的三倍之多。

　　其實(shí)，早在2011年，日本本州島岡山縣一臺(tái)遠(yuǎn)程控制雷達(dá)已開始工作，該雷達(dá)主要作用是跟蹤太空垃圾的移動(dòng)。這是世界上一臺(tái)專門用來跟蹤太空垃圾移動(dòng)的雷達(dá)，在其他一些國(guó)家都是借助于軍用雷達(dá)來記錄或確定太空垃圾。

　　上海自動(dòng)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(jì)，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(guó)航天飛船“挑戰(zhàn)者號(hào)”不幸與一塊直徑僅為0.2毫米的涂料剝離物相撞，導(dǎo)致舷窗受損，不得不中止飛行。前蘇聯(lián)的“禮炮—7”號(hào)軌道站也曾多次遭受此類微小“塵?！钡钠茐摹?986年，“阿麗亞娜”號(hào)火箭在進(jìn)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(dǎo)致兩顆日本通信衛(wèi)星報(bào)廢。1991年9月15日，美國(guó)發(fā)射的“發(fā)現(xiàn)者”號(hào)航天飛機(jī)險(xiǎn)些與前蘇聯(lián)的火箭殘骸相撞，當(dāng)時(shí)兩者之間的距離僅2.74千米，幸虧地球指揮系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出警告信號(hào)，才使“發(fā)現(xiàn)者”號(hào)免于災(zāi)難。

　　上海自動(dòng)化儀表三廠樁樁案例表明，清除太空垃圾勢(shì)在必行。此次日本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的推進(jìn)系統(tǒng)采用廉價(jià)且豐富的氬氣作為工質(zhì)，具備良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。團(tuán)隊(duì)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(jí)，太空垃圾的清除將有望不再成為航天領(lǐng)域的一個(gè)重大難題。