奮起反超，中國“太空拖船”的一路狂飆

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導(dǎo)語：3月10日消息，美國國家航空航天局（NASA）2024年科學(xué)探索預(yù)算為272億美元，其中10億美元計(jì)劃開發(fā)新型太空拖船。而此前中國的實(shí)踐21號（SJ-21）衛(wèi)星曾讓外媒“如臨大敵”。太空拖船的作用到底有多么重要？中國在此領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀是怎樣的？

NASA 預(yù)算文件清單

一、“空間碎片”與“太空拖船”

自1957年前蘇聯(lián)把全世界的第一顆人造衛(wèi)星送上天，至今66年的時(shí)間，人類的空間活動共制造了數(shù)以億計(jì)的空間碎片（也叫太空垃圾）。空間碎片的構(gòu)成主要包括：失效航天器、火箭殘骸、操作性碎片等。碎片彼此相撞又會產(chǎn)生新的二次解題碎片，目前空間碎片數(shù)量還在快速增加。按照這種速度發(fā)展下去，人類很難找到?jīng)]有太空碎片的軌道，清理太空碎片垃圾勢在必行。

空間碎片主要來源分布

根據(jù)美國空間監(jiān)測網(wǎng)（SSN）的數(shù)據(jù)，地球軌道上10cm 以上太空碎片，數(shù)量從 1976 年的約 5000 個(gè)增長到了 2018 年的18000 多個(gè)，40 多年內(nèi)增長了近 3 倍；微小碎片（尺寸在 mm 級）的數(shù)量更是超過了 200 多億個(gè)。

尺寸大于 10 cm 的空間可編目物體的數(shù)量變化

中國空間碎片行動計(jì)劃首席科學(xué)家都亨介紹，“太空垃圾是必須面對和亟需解決的難題。”通常認(rèn)為大小在1.5厘米至20厘米的碎片具備破壞力。其中，5厘米大小的碎片可使一顆衛(wèi)星失效，10厘米大小的碎片可將一顆衛(wèi)星摧毀，一個(gè)僅10克重的空間碎片的太空撞擊能量，不亞于一輛以每小時(shí)100公里速度行駛的小汽車所產(chǎn)生的撞擊能量，對太空飛行器造成了非常大的危險(xiǎn)。

低地球軌道碎片狀態(tài)示意圖

太空拖船（Spacetug）最早是1953年美國科幻作家默里·倫斯特(Murray Leinster ) 用它作為太空平臺的續(xù)集小說的標(biāo)題。全世界航空航天業(yè)一直都在探索清除地球軌道上“太空碎片”的方法，而太空拖船是一種“可能”的解決方案。雖然太空拖船的想法自 1950 年代就已存在，但直到2020 年，美國Northrop Grumman公司才最終證明一顆衛(wèi)星有可能安全地抓住另一顆衛(wèi)星（但那是一次加油任務(wù)，而不是脫軌任務(wù)）。

二、中國“空間碎片行動計(jì)劃”的一路反超

空間碎片成為了近 20 年來航天領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題之一，為此各主要航天強(qiáng)國也都積極開展便宜、可靠、高效、安全的空間碎片清除研究。已提出的空間碎片主動清除技術(shù)主要包括飛網(wǎng)捕獲、電動力繩、增阻裝置、激光/定向能等，但這些技術(shù)目前大都處于理論研究、仿真分析和演示驗(yàn)證階段，受限于技術(shù)難度和成本的制約，很難在短時(shí)間內(nèi)投入工程應(yīng)用。

中國空間技術(shù)研究院副院長，空間碎片行動計(jì)劃首席專家李明曾在回答記者時(shí)表示， 3.6萬千米高度高軌道的空間碎片，主要是失效的衛(wèi)星殘骸，對于這種大體及大質(zhì)量空間碎片，最好的清除辦法一般是采用捕捉方法，這種方法可以采用飛網(wǎng)、飛爪或機(jī)械臂的方式將其收集在一起,最終將其拖入地球大氣層燒毀。

2016年6月25日，中國借長征七號運(yùn)載火箭首飛，成功發(fā)射了“遨龍一號”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，“遨龍一號”是一臺空間碎片主動清理飛行器，它的獨(dú)特之處就是在于它的機(jī)械臂。這款機(jī)械臂可以抓取廢棄衛(wèi)星和太空碎片，并具有將它們帶到大氣層燃燒的能力。

機(jī)械臂捕獲衛(wèi)星示意圖

“遨龍一號”的機(jī)械臂系統(tǒng)充分融合了仿生學(xué)、機(jī)械、電子控制等多科學(xué)技術(shù)，具備定點(diǎn)停留和不斷跟蹤繞行目標(biāo)碎片的能力。既可以讓前端保持抓取的靈活性，也可以后端則盡量在抓取過程中保持大的活動空間。

“遨龍一號”空間碎片主動清除飛行器工作示意圖

2021年6月搭載神舟十二號載人飛船的航天員與大型機(jī)械臂搭檔，共同完成艙外活動，再次驗(yàn)證我國太空機(jī)械臂技術(shù)的穩(wěn)定性。

2021年10月24日9時(shí)27分，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運(yùn)載火箭成功將“實(shí)踐21（SJ-21）”號衛(wèi)星送入軌道的。它是一顆技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星，主要驗(yàn)證的就是太空碎片減緩技術(shù)，它不僅能夠精確定位和自由變軌，還自帶一套太空碎片清理設(shè)備，有能力清理有危險(xiǎn)的太空垃圾。最早可以追溯到東方紅一號衛(wèi)星的實(shí)踐系列是一個(gè)神秘龐大衛(wèi)星系列，我國名字里帶有“實(shí)踐”二字的衛(wèi)星，都不好惹，“SJ-21”衛(wèi)星其軌道參數(shù)就是靜止衛(wèi)星軌道，主要用于“空間碎片減緩技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證”，說白了就是通過技術(shù)手段將使得外太空碎片減速，從而墜入地球大氣層燒毀的技術(shù)。

“SJ-21”將重1噸的北斗G2衛(wèi)星拖拽升軌到近1.5萬公里外的“墓地軌道”需要耗費(fèi)大量的推進(jìn)劑。而“SJ-21”號執(zhí)行完太空垃圾減緩任務(wù)之后，又回到自己原先的軌道上，意味著它還可以執(zhí)行新的任務(wù)，它剩余的推進(jìn)劑還有很多，或者是有補(bǔ)充的途徑。充分證明我國的太空加油技術(shù)也已經(jīng)非常成熟了。

三、“SJ-21”衛(wèi)星讓外媒慌了神

2022年1月16日，美國“突發(fā)防務(wù)”網(wǎng)站刊發(fā)了一篇標(biāo)題為中國“SJ-21”拖船將垃圾衛(wèi)星帶向死亡地帶的報(bào)告，

圖源：“突發(fā)防務(wù)”報(bào)道截圖

該報(bào)道稱，一家美國商業(yè)太空監(jiān)測公司的空間態(tài)勢感知首席架構(gòu)師布賴恩·弗萊厄林26日在美國智庫“戰(zhàn)略與國際研究中心”主辦的網(wǎng)絡(luò)研討會上宣稱，2022年1月22日中國“實(shí)踐21號（SJ-21）”衛(wèi)星“似乎正在發(fā)揮太空拖船的作用”，它將一顆失效的北斗2號G2導(dǎo)航衛(wèi)星從擁擠的地球同步軌道上拖離，由此可見，“SJ-21”號衛(wèi)星，至少具備以飛網(wǎng)、飛爪或機(jī)械臂捕捉太空碎片的能力。

“實(shí)踐-21號SJ-21”在軌成功捕獲北斗2號衛(wèi)星

“實(shí)踐-21號”衛(wèi)星清理太空空間碎片模擬圖

畫風(fēng)一轉(zhuǎn)，外媒隨即開始懷疑起“SJ-21”衛(wèi)星的真實(shí)意圖。中國的衛(wèi)星顯然能夠進(jìn)行近距離操作和對接，也就有能力繼續(xù)使用這顆衛(wèi)星和處理其他后續(xù)衛(wèi)星。美國白宮“太空政策”主任奧黛麗·謝弗1月26號稱：“考慮到這個(gè)問題”太空中“衛(wèi)星與衛(wèi)星的互動需要規(guī)范”

這表明“SJ-21” 試驗(yàn)成功把美國人嚇壞了，懷疑中國隨時(shí)可以根據(jù)需要，捕獲敵方重要太空資產(chǎn)，當(dāng)然這些都是美國沒有任何證據(jù)的狂想。

結(jié)語：

“SJ-21”號衛(wèi)星太空碎片減緩技術(shù)驗(yàn)證的成功這是中國航空航天業(yè)代表世界向前邁出的重要一步，“SJ-21”衛(wèi)星從某種程度已經(jīng)是“太空拖船”了，未來還有很多想象空間，從理論上來看它還可以發(fā)展為在軌修理與維護(hù)，也可以加注燃料，或者讓失控衛(wèi)星重新獲得控制，基本上就是一艘太空在軌“維護(hù)站”。

對我國來說積極開展空間環(huán)境保護(hù)行動，不僅能夠展現(xiàn)出我國負(fù)責(zé)任的航天大國形象，還直接涉及外太空話語權(quán)的爭奪，并將深遠(yuǎn)地影響到構(gòu)建未來外太空交通管理體系過程中的利益博弈，對此必須給予強(qiáng)有力的支持和保證。

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