太空垃圾清除计划

2024年11月19日，停靠在国际空间站的俄罗斯“进步89号”货运飞船推进器持续点火约5.5分钟，让国际空间站避开了一块2015年解体的报废国防气象卫星的碎片。

6天后，“进步89号”又启动推进器约3.5分钟，使国际空间站的轨道升高约500米，以便避开另一大块太空碎片。

不到一周的时间里，国际空间站两次采取行动躲避太空碎片。而根据美国国家航空航天局（NASA）2022年的报告，1999年以来，国际空间站已采取32次主动规避行动，以避免与可追踪的大型物体发生碰撞。

目前人类可利用的太空范围主要集中在距离地面高度2000公里内的近地轨道、高度介于2000至20000公里的中地球轨道，以及高度为5786公里的地球同步轨道。但这个看似广阔的空间正在变得越来越拥挤。根据欧洲航天局2024年9月的统计，自1957年太空时代开始以来，人类已成功发射火箭约6740次，把近2万个卫星送入地球轨道，其中超过1万个卫星仍在运行中。近10年里，全球发射进入太空的物体数量激增，其中绝大多数来自SpaceX、蓝色起源等私人公司的商业发射。

空间日益拥挤无疑增加了风险，太空碎片，也就是俗称的太空垃圾就是其中之一。太空垃圾包括寿命已尽而报废的人造卫星、因事故和故障而失控的人造卫星、发射航天器时使用的火箭及其零件、大块碎片碰撞产生的小碎片等。

1957年以来，在太空发生分解、爆炸、碰撞等导致碎片化的事件超过650次。2009年，运行中的美国卫星“铱星33”与俄罗斯的废弃卫星“宇宙2251”发生碰撞，是有史以来首次发生在近地轨道的人造卫星意外碰撞事件。这次事件产生了1800多块超过10厘米的碎片，还有约20万个大小在1至10厘米之间的碎片。欧洲航天局空间碎片办公室的模型预估，2024年在轨的碎片物体数量已经超过1.3亿个。

事实上，美国科学家唐纳德·凯斯勒早在1978年就关注到这一风险，提出了“凯斯勒综合征”理论，他指出，当地球轨道上的太空碎片密度达到一定临界值，碰撞事件的发生频率会显著增加，从而触发连锁反应，产生更多的碎片，这些碎片不断累积可能导致特定轨道变得无法使用—本质上是一种太空碎片的恶性循环。

但风险里也蕴藏着商机。过去十多年里，一些专注于太空垃圾清理的创业公司出现，通过创新技术提供相应的解决方案，试图在这个新兴领域建立一个可持续的商业模式。

太空清洁工

2013年，日本企业家冈田光信创立了Astroscale，这家公司的主要业务就是清理太空垃圾。《纽约时报》记者2016年探访Astrosacle的总部时，冈田光信身着蓝色的T恤接待来访者，上面写着公司的口号—“太空清洁工”。

冈田光信从小就对太空充满好奇，儿时的梦想是成为一名宇航员。15岁时，冈田光信参加了美国太空和火箭中心组织的太空训练营，在那里见到了日本首位航天员毛利卫，后来他还曾就读普渡大学商学院—“登月第一人”阿姆斯特朗的母校。大学毕业后，在做了一系列和太空毫无关联的工作后，接近40岁时，冈田光信重新想起了自己的太空梦。

为了了解太空领域的热门话题，冈田光信参加了几次与太空相关的国际会议，太空垃圾的问题被反复提及。然而，冈田光信发现，这些讨论常常只是抽象的概念，并没有实际的解决方案，有演讲者称，需要5年甚至更久时间才能开发出相应的解决方案。冈田光信认为，一个受商业利润驱使的小型私营公司或许能更快地解决问题，Astroscal也成为全球第一家清理太空垃圾的创业公司。

但技术的开发的确比想象中要艰难。Astroscale总部大厅里的一个装置形象地展示了捕获和清理太空垃圾的挑战性：一个半透明的塑料圆球内放置着几十个白色棉球和一个红色棉球，每次打开装置的开关，喷射的气流都会将一个新的棉球送入轨道，Astroscale的任务就是在密集的棉球群中抓住那个红色棉球—也就是一块太空垃圾。

Astroscale的项目也是以失败开始的。2017年，Astroscale发射了首个示范任务卫星“IDEAOSG1”，该小型卫星重25千克，计划在600至800千米高度的轨道运行，用来跟踪和测量近地轨道上无法从地面观测到的小型碎片。然而，负责运载它的俄罗斯“联盟-2.1b”号火箭在抵达预定轨道前与地面失联，事故原因后来被认定为程序设置错误，与IDEAOSG1一同荷载于该火箭的共19颗卫星均未能进入预定轨道，原本旨在监测太空垃圾的IDEAOSG1很有可能也成了太空垃圾的一部分。

4年后，Astroscale终于成功发射了ELSA-d，该项目旨在验证和展示寻找与捕获太空碎片并使其安全脱轨的核心技术，这是Astroscale向卫星运营商提供的寿命终止服务（End-of-LifeServeice），也是全球太空垃圾清理领域的首个商业任务。

ELSA-d由服务器卫星和客户端卫星组成，服务器卫星重184千克，拥有磁性抓取装置，用于捕获碎片，重量16千克的客户端卫星则用来模拟失效卫星，即需要清理的太空碎片。自2021年3月成功发射进入轨道后，ELSA-d已完成了一系列技术演示，包括服务器与客户端的分离、搜索和定位目标、远距离接近和捕获目标等。

在此基础上，Astroscale开始尝试清除太空垃圾这一核心任务。ADRAS-J是基于ELSA-d的技术、与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）合作的商业项目，第一阶段的目标是安全接近轨道中客户指定的碎片物体，提供关于该物体的图像等观测信息，以更好了解其所处的环境，第二阶段的目标就是捕获和清除太空碎片。

2024年2月，ADRAS-J成功发射并开始在轨运行，完成了定点观测、绕飞观测等任务，2024年12月，ADRAS-J完成了与目标碎片的最终接近尝试，目前二者距离仅15米。

ADRAS-J的目标物体是已经存在于太空轨道中的物体，这意味着它面临的技术难度和风险更大，但这是Astroscale验证其核心技术的实际可行性的必经之路。该公司目前还在筹备ELSA-M和COSMIC两个类似性质的任务，欧洲通信卫星制造商OneWeb、欧洲航天局和英国航天局是这两个项目的合作伙伴。

凭借在太空垃圾清理领域的率先尝试和相应技术的突破，Astroscale已成长为行业内最大的公司。除了日本总部，它还在英国、美国、法国、以色列等7个国家成立了子公司或办事处。截至2023年2月，Astroscale的全球团队已有超过400名员工。

创立11年来，Astroscale完成了10轮融资，累计获得3.97亿美元，投资者包括由日本政府与19家民营企业合资成立的投资公司INCJ、东京大学旗下的创投机构UTokyoIPC、全日空控股公司、三菱电机等。2024年6月，Astroscale在东京证券交易所上市，IPO发行价为850日元（约合39.2元人民币），上市首日股价最高飙升86%，公司市值一度达到1724亿日元（约合79.6亿元人民币）。

机械臂、雷达、加油站

Astroscale采用的主要技术是主动捕获与清除（ADR），也就是通过物理设备和手段主动捕获和移除太空垃圾，这是目前清理太空垃圾最为主流和成熟的技术路线。

成立于2018年的瑞士初创公司ClearSpace也采用了ADR技术，但与Astroscale的电磁吸附技术不同，ClearSpace开发了一种机械手臂来捕获太空垃圾。2020年，ClearSpace获得了欧洲航天局价值8600万欧元的合同，随后便启动了“ClearSpace-1”开发任务，为欧洲航天局完成太空垃圾清除任务。ClearSpace-1的核心装置是一个拥有四臂的机械“爪子”，它可以抓住太空碎片，然后一起进入大气层烧毁。

许多创业公司也在探索激光清除、被动缓解、地面监测与管理及其他在轨服务等技术路线。其中，ADR和激光清除是直接捕获和清理已有的太空垃圾，其他技术则更多是通过监测、预警等前期手段和延长卫星寿命等在轨服务，降低太空垃圾产生的概率，属于“防患于未然”。

2016年创立的硅谷公司LeoLabs便是通过地面雷达网络追踪近地轨道的太空碎片和运行中的卫星，提供太空态势感知、轨道碰撞预警等服务。截至2024年2月，LeoLabs已在全球建设6个雷达站点和10个雷达，监控超过2万个太空物体，包括7000多颗近地轨道卫星。

目前有记录的太空碎片化事件类型及占比

LeoLabs还引入了人工智能来观测异常的卫星活动，每周生成相应的报告，列出异常情况排名前50位的卫星。基于创立8年来广泛建设的雷达网络及数据积累，LeoLabs有充足的数据来训练算法。LeoLabs表示，未来它还将对自己的雷达网络编程，以便在发现异常活动后自主跟踪卫星。

美国公司OrbitFab则提出了“太空加油站”的概念，计划在轨道上建立燃料补给设施，为卫星提供加注服务以延长其运行寿命。2019年，OrbitFab曾试验在国际空间站内的不同“贮箱”之间输送水，以测试微重力环境下的推进剂转输能力。2024年3月，OrbitFab宣布其卫星加油接口RAFTI已通过飞行资格认证并投入商用。

NASA在2024年5月发布的一份报告将处理太空垃圾的技术路线分为清除、减缓和追踪三大类，并比较分析了不同技术路线的收益成本。报告指出，减缓和追踪技术与直接清除碎片同样具有成本效益，其中，及时避免碰撞是最具成本效益的，可以避免产生更多碎片。在最理想的情况下，及时避免碰撞的收益可达到成本的300倍，而清除厘米级大小的碎片带来的收益是成本的100倍。

此外，在航天器任务结束后的25年内使其脱离轨道的减缓行动的收益成本比较高，且废弃航天器越快完成离轨，收益成本比越高，使用拖曳装置比使用阻力装置离轨表现更突出。另一个收益成本比比较高的措施是增加航天器对3毫米小碎片的防御能力，根据NASA模型的计算，这一措施在30年内能产生的收益将是成本的1000倍。

能尽早攻克技术难关的创业公司的收益率无疑将更高。要知道，不论采用哪种技术路线，通常都需要较长的开发时间，而且还需要面对随时可能发生的意外情况。

ClearSpace-1就因为一次碰撞事件更改了任务目标。它最初的清除目标是一个名为Vespa的有效载荷适配器—火箭发射系统中的重要组件，主要作用是连接运载火箭和搭载的卫星，发射任务结束、卫星与运载火箭完成分离后，有效载荷适配器通常会留在轨道上，由于没有自主离轨能力而成为太空垃圾。

Vespa重量约112千克，相当于一颗小型卫星，在2013年的织女星火箭发射任务完成后被废弃，欧洲航天局原计划在2026年通过ClearSpace-1将其清除。然而2023年8月，Vespa与另一块太空碎片发生碰撞，分裂为更多碎片，大大增加了清除难度，ClearSpace-1不得不暂时放弃这一任务，将清除目标改为2001年发射升空的PROBA-1卫星。