随着航天技术不断发展，地球轨道上卫星数量呈指数级增长，太空垃圾也日益增多。太空垃圾涵盖了各类人造废弃物及其衍生物，例如运载火箭和航天器发射时剥落的碎片、报废闲置的卫星、航天器表面因长期遭受太空严苛环境侵蚀而脱落的材料碎屑、火箭和航天器在爆炸或碰撞过程中产生的碎片等。
国际上按照尺寸大小将太空垃圾分为三类：尺寸大于10厘米的为大碎片，目前有几万块在宇宙环绕地球轨道中游荡着，它们可以被监测到；紧接着是尺寸介于1至10厘米之间的小碎片，现已超过10多万块；再就是尺寸介于1毫米至1厘米之间的微小碎片，粗略估算有几十万块之多；那些尺寸不大于1毫米的碎片，据估算大概有几亿块。
别看它们单个的尺寸微不足道，但由于数量庞大，它们就如同漫天飞舞的“星际微尘”，密密麻麻地聚集在一起。
近地轨道的太空垃圾
对于运行在近地轨道上的太空垃圾，在大气阻力的影响下会它们逐渐陨落，从而重返大气层烧毁。但在“谢幕”之前，它们可不会少惹麻烦。低轨道太空垃圾以7.9千米/秒的高速飞驰，一旦与航天器相遇，后果不堪设想。轻则会给航天器留下凹坑；重则会穿透航天器，造成部分系统功能失效，甚至会击毁航天器进一步产生灾难性的后果；甚至，还有概率威胁到执行舱外活动的航天员。另外，当太空垃圾再入大气层时，如果没被大气层的高温完全烧毁，还会对地面的生命财产安全构成严重的威胁，如果有以核能为动力的航天器，陨落时还会造成更加严重的后果。
为此，我国科学家们研究了离轨帆，助力低轨道航天器失效后的处理工作。那么，离轨帆为何能成为处理太空垃圾的小能手呢？
离轨帆的精妙构造
离轨帆能在卫星寿命结束的情况下帮助其利用大气阻力缓慢降轨，减少太空垃圾在轨道上的留存时间，降低其对后续航天器的威胁。以一颗700公里高度15公斤级卫星为例，若无离轨措施，卫星寿命结束后还将占据轨道时间长达120年；如配置展开面积为2平方米的薄膜离轨帆，可将在轨时间缩短至10年以内。
离轨帆在太空展开
为了便于卫星携带，科学家们采用了极为纤薄的薄膜材料，其厚度不足头发丝直径的十分之一。通过精确折叠设计和高密度压紧，离轨帆的帆面能够收纳成极小体积，收拢时仅有高尔夫球大小。收纳后，它们被布置在小卫星内部的空隙之中。
金牛座纳星展开离轨帆效果图
以中国首个配置了卫星离轨帆装置的金牛座纳星卫星为例，其薄膜“离轨帆”展开可达到2.25平方米，收拢后却仅有一个高尔夫球大小。了解了离轨帆的构成，它又是如何工作的呢？
大显身手的离轨帆
离轨帆随卫星发射入轨时，呈收拢状态。等卫星、航天器寿命结束后，帆面解锁指令启动，薄膜帆面就会在太空展开，轻薄的帆面会增加航天器的迎风面积。卫星利用低轨环境中稀薄大气形成的气动阻力慢慢降低轨道，进而飞进地球大气。另外，即使航天器发生故障后失控也不用担心，因为薄膜帆只需要少量电流就能够顺利展开，一些失控航天器的离轨需求也能借助它轻松解决。
与传统推力器等主动离轨装置相比，离轨帆优势尽显。成本方面，其研制成本低廉。通用性上，离轨帆更宛如“万能钥匙”，能适配近地轨道的各类规格航天器。然而，在当前的航天工程实践中，离轨帆正在退居为备选方案，这是为什么呢？
原来，科学家们又找到了更高效的解决方案。现在进行卫星发射时，会提前为它预留寿命末期离轨能力。也就是说，当航天器在其使用寿命结束后，能够自主脱离原有轨道并进入大气层烧毁。不过，不用担心离轨帆就此“失业”，随着深空探索的持续推进，离轨帆的独特薄膜结构又被应用到了先进复合材料太阳帆系统里，为新一代太阳帆系统研发提供了关键支撑。
薄膜结构再应用
美国宇航局发射的ACS3
2024年4月23日，美国宇航局（NASA）的先进复合太阳帆系统(ACS3)发射升空，现在它正绕着地球运行，夜间在世界很多地方都能看到它。
太阳帆是什么呢？首先，不要将它与太阳能电池板混淆了，太阳帆可以帮助小型航天器“依靠阳光航行”。太阳帆是一种航天器推进装置，其原理与风帆船只利用风力航行类似，但驱动能量来自太阳光的光压。它通过超薄高反射材料制成的帆面捕获太阳光子，当光子撞击帆面并反射时，其动量转移会产生微小但持续的推力。这种推力可使航天器在无燃料消耗的情况下调整轨道或进行星际航行，特别适用于深空探测器长期任务。
从清理太空垃圾到助力深空探索，这一技术的跨领域应用展现了航天工程中“一材多用”的设计智慧。未来，离轨帆衍生的轻量化薄膜技术或将在更多航天任务中发挥作用，推动可持续太空探索的实践。
部分信息来源于:中国机械工程学会、知网、科普中国、NASA等
（科学性审核：毛新愿，中国科学院空间应用工程与技术中心研究院副研究员）
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