磁力-空间碎片离轨“力”器

　　大家看到上面这个图是不是觉得灿若星辰，美轮美奂？猜猜这张图是什么？

　　咳咳，抱歉，我的题目已经暴露目标了，对！这就是围绕在我们可爱的地球爷爷周围的太空垃圾，目前>10cm(一般超过这个大小的垃圾将对航天器/宇航员带来严重威胁)可探测地球轨道中的太空目标已达到20000个，其中95%都是太空垃圾！

　　1978年，美国NASA的科学家Kessler就发出警告：随着航天器数量的增加，航天器与航天器或者太空垃圾会发生碰撞，产生大量太空垃圾，进而产生更多的碰撞，产生巨量*2的垃圾，进而……

　　40年过去了，该效应已成为现实，2009年，俄罗斯废弃的Comos卫星和美国的Iridum卫星相撞，产生了2000多个太空碎片，国际空间站、和平号空间站、哈勃望远镜均受到了太空垃圾的“亲密接触”（下图是被太空垃圾撞击的航天器表面），这些碎片如不主动清理，将会继续大幅度的增加。

　　太空垃圾这么有威胁，有什么办法“干掉“它们吗？比较好的办法就是让他们的轨道降低，低到150km后，就会因为大气阻力的增加而坠落，进入大气层烧毁。这个从原来轨道降低的过程，就是“离轨”，如果太空垃圾能够快速离轨，就能被显著清理。

　　现在我们在太空的机器人技术发展很快，比如飞爪、飞网、空间机器人等均得到了飞速的发展（如下图）。听起来好像全解决了，咱发射一个空间机器人把这些垃圾都抓下来，不就完了吗？不过发射一颗卫星的费用相当于等质量的黄金相当，太空垃圾分布杂乱无章，让我们用一堆黄金换一堆垃圾，这个……不划算哪。

　　那有什么办法是不需要消耗燃料但可以让太空垃圾离轨的吗?让我们把目标瞄向地球磁场。地球磁场保护着我们免受太空风暴的侵扰，在1000km的高度以下，地球磁场就如同一个稳态的巨型磁体。

　　电动绳系是万能的吗？当然不是，首先需要回忆一下安培力公式（熟悉的物理公式，久违了，青春！）

　　F=BIL，F是受到的安培力，它代表了变轨快慢的能力，F越大，变轨越快，B是磁感应强度，地球空间磁场的强度基本是10-5T，I是通电的电流，受空间可收集的带电粒子浓度约束。电动绳系想快速变轨，最主要的方法就是增加绳长L，电动绳系的绳长往往达到数公里，十几公里。绳子一长什么问题又来了，美国的SED-2（1994年发射，绳系展开19.7km）绳系展开仅4天就被空间碎片/微流星切断……断了……那绳子短点呢?短绳变轨慢，效率低，虽然没有燃料消耗可以不断运行，但清理速度过慢，变轨时间越长，越容易与其他物体碰撞。

　　还有什么办法吗？答案也是有的：那就让我们甩起来吧~

　　当我们携带一个可以主动调整的磁体（很简单，就是带个电磁体就好了），控制这个磁体的大小和指向，就可以像甩链球一样开始加速转动，加速转动……如果与太空垃圾连接的部件够结实，这个甩动的速度在理论上是“没有上限”的！当到达对空间碎片离轨速度改变量的要求时，我们就”松手“，让碎片飞一会，然后……其实就没有然后了，这个碎片已经完成离轨了。这个加速时间需要多久呢?其实并不长，对于低轨道空间碎片（事实上70%的空间碎片均处于500km到1000km的低轨道上），10kg左右的空间碎片，以现有的技术水平，用此方法只需要1~10个轨道周期就可以完成离轨的速度改变增量，也就是说短则2小时，多则1天，就可以完成一次低轨道的碎片离轨准备。

　　此外，由于碎片离轨只要求轨道高度的改变，至于甩到哪个轨道，并不重要，因此你可以“花样甩“，让这些碎片像大雁一样，一会排成“人”字，一会排成“一”字……

　　你问闲的没事干嘛“花样甩“？在空间中，动量是守恒的，把一个太空碎片甩出去的同时，航天器也获得了反向的动量，这个动量能干什么? 可以帮助航天器“拥抱” 下一个需要离轨的太空垃圾啊！

　　是的，真的可以有这种操作。

　　其实，目前还没有这种操作，但相信随着空间碎片清理问题的日益严峻，空间碎片离轨会逼着人类出现这样的操作……

　　（作者：李文皓，中国科学院力学研究所先进制造工艺力学重点实验室副研究员）