奋起反超，中国“太空拖船”的一路狂飙

糖糖班副

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& G0 Z/ p( r! A' \0 C' h, x+ Y导语：3月10日消息，美国国家航空航天局（NASA）2024年科学探索预算为272亿美元，其中10亿美元计划开发新型太空拖船。而此前中国的实践21号（SJ-21）卫星曾让外媒“如临大敌”。太空拖船的作用到底有多么重要？中国在此领域的发展现状是怎样的？
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* F3 Z  h- g: u' S+ ^NASA 预算文件清单
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( T, ]' X. ]( I2 Q% H9 h, u5 P一、“空间碎片”与“太空拖船”
- M9 \) n/ i* s自1957年前苏联把全世界的第一颗人造卫星送上天，至今66年的时间，人类的空间活动共制造了数以亿计的空间碎片（也叫太空垃圾）。空间碎片的构成主要包括：失效航天器、火箭残骸、操作性碎片等。碎片彼此相撞又会产生新的二次解题碎片，目前空间碎片数量还在快速增加。按照这种速度发展下去，人类很难找到没有太空碎片的轨道，清理太空碎片垃圾势在必行。

9 a9 X" G$ D7 O' s0 [% B( N8 b; t空间碎片主要来源分布

根据美国空间监测网（SSN）的数据，地球轨道上10cm 以上太空碎片，数量从 1976 年的约 5000 个增长到了 2018 年的18000 多个，40 多年内增长了近 3 倍；微小碎片（尺寸在 mm 级）的数量更是超过了 200 多亿个。
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尺寸大于 10 cm 的空间可编目物体的数量变化

中国空间碎片行动计划首席科学家都亨介绍，“太空垃圾是必须面对和亟需解决的难题。”通常认为大小在1.5厘米至20厘米的碎片具备破坏力。其中，5厘米大小的碎片可使一颗卫星失效，10厘米大小的碎片可将一颗卫星摧毁，一个仅10克重的空间碎片的太空撞击能量，不亚于一辆以每小时100公里速度行驶的小汽车所产生的撞击能量，对太空飞行器造成了非常大的危险。
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" g$ a' z2 Y! p. y3 M' W! M低地球轨道碎片状态示意图
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太空拖船（Spacetug）最早是1953年美国科幻作家默里·伦斯特(Murray Leinster ) 用它作为太空平台的续集小说的标题。全世界航空航天业一直都在探索清除地球轨道上“太空碎片”的方法，而太空拖船是一种“可能”的解决方案。虽然太空拖船的想法自 1950 年代就已存在，但直到2020 年，美国Northrop Grumman公司才最终证明一颗卫星有可能安全地抓住另一颗卫星（但那是一次加油任务，而不是脱轨任务）。
' }- u) n% q' d8 _) a" P二、中国“空间碎片行动计划”的一路反超
7 O, _! O/ B% |* o) |6 z; m空间碎片成为了近 20 年来航天领域的热点话题之一，为此各主要航天强国也都积极开展便宜、可靠、高效、安全的空间碎片清除研究。已提出的空间碎片主动清除技术主要包括飞网捕获、电动力绳、增阻装置、激光/定向能等，但这些技术目前大都处于理论研究、仿真分析和演示验证阶段，受限于技术难度和成本的制约，很难在短时间内投入工程应用。
中国空间技术研究院副院长，空间碎片行动计划首席专家李明曾在回答记者时表示， 3.6万千米高度高轨道的空间碎片，主要是失效的卫星残骸，对于这种大体及大质量空间碎片，最好的清除办法一般是采用捕捉方法，这种方法可以采用飞网、飞爪或机械臂的方式将其收集在一起,最终将其拖入地球大气层烧毁。
2016年6月25日，中国借长征七号运载火箭首飞，成功发射了“遨龙一号”技术试验卫星，“遨龙一号”是一台空间碎片主动清理飞行器，它的独特之处就是在于它的机械臂。这款机械臂可以抓取废弃卫星和太空碎片，并具有将它们带到大气层燃烧的能力。

机械臂捕获卫星示意图

“遨龙一号”的机械臂系统充分融合了仿生学、机械、电子控制等多科学技术，具备定点停留和不断跟踪绕行目标碎片的能力。既可以让前端保持抓取的灵活性，也可以后端则尽量在抓取过程中保持大的活动空间。
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“遨龙一号”空间碎片主动清除飞行器工作示意图
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% P5 @+ j9 I' y( y6 U2021年6月搭载神舟十二号载人飞船的航天员与大型机械臂搭档，共同完成舱外活动，再次验证我国太空机械臂技术的稳定性。
0 p7 ~3 R6 W/ W  t& J2021年10月24日9时27分，西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功将“实践21（SJ-21）”号卫星送入轨道的。它是一颗技术验证卫星，主要验证的就是太空碎片减缓技术，它不仅能够精确定位和自由变轨，还自带一套太空碎片清理设备，有能力清理有危险的太空垃圾。最早可以追溯到东方红一号卫星的实践系列是一个神秘庞大卫星系列，我国名字里带有“实践”二字的卫星，都不好惹，“SJ-21”卫星其轨道参数就是静止卫星轨道，主要用于“空间碎片减缓技术试验验证”，说白了就是通过技术手段将使得外太空碎片减速，从而坠入地球大气层烧毁的技术。
“SJ-21”将重1吨的北斗G2卫星拖拽升轨到近1.5万公里外的“墓地轨道”需要耗费大量的推进剂。而“SJ-21”号执行完太空垃圾减缓任务之后，又回到自己原先的轨道上，意味着它还可以执行新的任务，它剩余的推进剂还有很多，或者是有补充的途径。充分证明我国的太空加油技术也已经非常成熟了。
+ Y" U2 z8 U% ]) x% C: [三、“SJ-21”卫星让外媒慌了神
# ]$ m5 {6 X/ H" d+ v# @2022年1月16日，美国“突发防务”网站刊发了一篇标题为中国“SJ-21”拖船将垃圾卫星带向死亡地带的报告，
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图源：“突发防务”报道截图
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该报道称，一家美国商业太空监测公司的空间态势感知首席架构师布赖恩·弗莱厄林26日在美国智库“战略与国际研究中心”主办的网络研讨会上宣称，2022年1月22日中国“实践21号（SJ-21）”卫星“似乎正在发挥太空拖船的作用”，它将一颗失效的北斗2号G2导航卫星从拥挤的地球同步轨道上拖离，由此可见，“SJ-21”号卫星，至少具备以飞网、飞爪或机械臂捕捉太空碎片的能力。
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! w2 j( t, S: H$ @“实践-21号SJ-21”在轨成功捕获北斗2号卫星
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& [  B5 ^" f" l2 |6 ]- e2 }; u“实践-21号”卫星清理太空空间碎片模拟图
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4 V$ g! B3 G% X( Z6 @4 ^$ ?画风一转，外媒随即开始怀疑起“SJ-21”卫星的真实意图。中国的卫星显然能够进行近距离操作和对接，也就有能力继续使用这颗卫星和处理其他后续卫星。美国白宫“太空政策”主任奥黛丽·谢弗1月26号称：“考虑到这个问题”太空中“卫星与卫星的互动需要规范”
8 L' i  L9 d, F. m0 T$ v这表明“SJ-21” 试验成功把美国人吓坏了，怀疑中国随时可以根据需要，捕获敌方重要太空资产，当然这些都是美国没有任何证据的狂想。
结语：
3 b7 Y1 i4 ^. J0 B; W“SJ-21”号卫星太空碎片减缓技术验证的成功这是中国航空航天业代表世界向前迈出的重要一步，“SJ-21”卫星从某种程度已经是“太空拖船”了，未来还有很多想象空间，从理论上来看它还可以发展为在轨修理与维护，也可以加注燃料，或者让失控卫星重新获得控制，基本上就是一艘太空在轨“维护站”。
对我国来说积极开展空间环境保护行动，不仅能够展现出我国负责任的航天大国形象，还直接涉及外太空话语权的争夺，并将深远地影响到构建未来外太空交通管理体系过程中的利益博弈，对此必须给予强有力的支持和保证。
参考文献：
1 o1 v& \% D$ {# ?, u% A5 |4 i[1]龚自正, 徐坤博, 牟永强, 等. 空间碎片环境现状与主动移除技术[J]. 航天器环境工程, 2014, 31(2): 129-135
7 e8 v, w/ n' c* NGONG Z Z, XUK B, MUY Q, etal. The spacedebris environment andthe active debrisremoval techniques[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2014, 31(2): 129-135
[2] NASA.Orbital debris quarterly news[R/OL].[2018-06-30].第 1 期 泉浩芳等：空间碎片减缓策略分析及相关政策和标准综述 13
5 U* M( B4 W! n1 J0 h# a, _https://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/quarterly-news/pdfs/odqnv22i2.pdf
) K% U( }% `) |6 X4 r% b5 y9 gNASA. Orbitaldebris quarterly news[R/OL].[2018-06-30].
[3]Support tothe IADC spacedebris mitigation guidelines: IADC-04-06, Rev5.5[R]. Inter-Agency SpaceDebris Coordination Committee (IADC), 2014
[4]陈凌云, 樊宏图, 陈亮. 空间碎片减缓措施研究[J].装备指挥技术学院学报, 2009,20(2): 64-68
3 m& m5 ^' W1 N: @1 Z* W# iCHEN L Y, FAN HT, CHEN L. Research on space debris mitigation measures[J]. Journal ofthe Academy of Equipment Command& Technology, 2009, 20(2): 64-68
[5]汪轶俊, 古艳峰, 唐明亮. 长征四号乙/丙运载火箭末级空间碎片减缓技术研究与应用[J].上海航天, 2017, 34(6): 1-6
WANG YJ, GU YF, TANG ML. Research and application ofspace debris mitigationtechnology for orbital stageof CZ-4B/4C launchvehicle[J]. Aerospace Shanghai, 2017,34(6): 1-6
& J+ A9 K$ D, L" h# S[6]苏惠芳. 规制空间碎片致损责任之国际制度分析[J]. 北京航空航天大学学报(社会科学版), 2015, 28(2): 36-43
SU HF. Analyzing thesources of internationallaw of liability fordamage caused by space debris[J]. Journal of BeijingUniversity of Aeronautics and Astronautics (Social Sciences Edition), 2015, 28(2): 36-43
) d. c6 Y2 k  Z( ?[7]冯国栋. 空间碎片减控国际法律规则研究[J]. 北京航空航天大学学报(社会科学版), 2014, 27(1): 31-34
FENG GD. Study oninternational legal systemon reduction andcontrol of space debris[J]. Journal of Beijing University ofAeronautics and Astronautics(Social Sciences Edition), 2014, 27(1): 31-34
[8]王国语. 空间碎片国际机制发展趋势分析[J]. 航天器环境工程, 2015,32(2): 147-151