卫星救援：太空垃圾危机下的技术挑战与未来

太空垃圾危机与卫星救援的紧迫性

随着人类航天活动的日益频繁，近地轨道上的太空垃圾数量急剧增加。欧洲航天局估计，目前轨道上直径超过1厘米的卫星和航天器碎片超过120万块，即使是如此小的碎片也足以在碰撞中造成严重损坏。过去，卫星通常是一次性使用的，燃料耗尽或出现故障后就被废弃或替换。然而，如今拥挤的轨道环境使得这种“用完即弃”的模式难以为继，救援失效卫星并清理太空垃圾变得至关重要。

非合作目标捕获：技术挑战的核心

救援失效卫星，尤其是那些没有为对接而设计的“非合作目标”，面临着巨大的技术挑战。与带有标准对接接口的卫星不同，这些失效卫星可能正在翻滚、姿态失控，且没有明确的抓取点。

目标运动状态的精确估计

要捕获一颗翻滚的卫星，服务航天器必须同时估计多个参数：目标的位置、速度、朝向以及朝向的变化率。服务航天器上的摄像头和激光测距传感器可以提供线索，通过这些数据，服务航天器可以在接近目标前估算其运动状态。然而，由于目标无法提供帮助，且可能以不可预测的方式运动，这一过程充满不确定性。

接触瞬间的动力学控制

当服务航天器的机械臂接触翻滚的卫星时，接触力会使服务航天器后退。机械臂就像一个长杠杆，即使其末端受到轻微的推动，也可能使服务航天器偏离航线。刚性抓取会产生剧烈的冲击，而更柔性的、具有减震功能的抓取则可以防止卫星弹开。服务航天器需要配备机载控制系统，在机械臂伸出时保持自身安全距离，并在卫星出现意外运动时及时撤退。研究人员正在研究如何协调服务航天器的本体、推进器和机械臂，使接触成为可控的动量传递，而非意外碰撞。

结构强度与抓取点的选择

对于没有标准对接接口的卫星，工程师需要先确定安全的附着点，并估计目标的形状、质量和运动状态，而这些信息往往不完整。即使找到了潜在的附着点，该策略也可能失败。太阳能电池板、天线或绝缘毯可能不足以承受服务航天器的载荷。例如，NASA的尼尔·格雷尔斯·斯威夫特天文台就没有任何标准化的固定装置，这使得救援任务“LINK”成为典型的非合作目标捕获案例。

未来方向：标准化设计与主动碎片清除

为了降低卫星救援的难度和风险，未来的卫星设计应考虑可服务性。在卫星上安装标准化的抓取装置和导航标记，可以大大减少不确定性，使服务航天器更容易定位和连接。然而，这些功能并不能完全取代精确的导航。服务航天器仍然需要灵活地在轨道上移动。

目前，业界正在探索两种互补的路径：

• 合作目标服务：如Astroscale公司的ELSA-M任务，将捕获装有磁性对接板的商业卫星。这些卫星在发射前就配备了可服务设计。
• 非合作目标清除：如欧洲空间局的ClearSpace-1任务，计划于2029年捕获未准备的、非合作的Proba-1卫星，并将其拖入大气层烧毁。

服务航天器通常停留在轨道上，而不是返回地球。有些服务航天器，如任务扩展飞行器，会将协助后的卫星停放在更高的“墓地轨道”上，然后脱离并继续执行其他任务；另一些则会与目标一起坠入大气层烧毁。

结论

未来几年将揭示航天工业是否真正放弃一次性卫星，转而建造可被捕获和维修的卫星，或者只是更巧妙地处理废弃卫星，使其在返回途中烧毁。无论哪种方式，随着太空垃圾问题的日益严重，卫星救援技术都将变得越来越重要。

原标题：Rescuing satellites is harder than it looks. A growing space junk problem will make doing so more important。 来源：phys.org。

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