歐洲的空間碎片清除技術(shù)發(fā)展及其啟示

焉寧，唐慶博，陳蓉，李揚(yáng)

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京100076)

1 引言

空間碎片，是指人類(lèi)在空間進(jìn)行活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的各種廢棄物及其衍生物。特別是執(zhí)行完發(fā)射任務(wù)的運(yùn)載火箭末級(jí)/上面級(jí)、失效失控航天器等大尺寸目標(biāo)，或者大量潛在的退役小衛(wèi)星和衛(wèi)星星座，將嚴(yán)重威脅著有限的空間軌道資源和在軌運(yùn)行航天器的安全，因此備受人們關(guān)注[1]。有必要對(duì)低軌大型失效航天器實(shí)施主動(dòng)離軌、受控再入，降低其再入大氣層未能完全燒毀帶來(lái)的威脅和隱患，從而保障地面生命財(cái)產(chǎn)的安全。

自從2012年起，歐洲空間局 (ESA)的 “清潔太空” (Clean Space)倡議主動(dòng)系統(tǒng)地考慮了全生命周期的空間活動(dòng)，包括從早期的概念設(shè)計(jì)到任務(wù)壽命結(jié)束，甚至考慮如何清除空間碎片?！扒鍧嵦铡背h有三個(gè)分支[2]，主要包括ecodesign(通過(guò)生態(tài)設(shè)計(jì)降低對(duì)人類(lèi)的影響)、cleansat(通過(guò)衛(wèi)星設(shè)計(jì)減少空間碎片)和e.deorbit(通過(guò)主動(dòng)清除技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間碎片離軌)。

本文重點(diǎn)結(jié)合 e.deorbit、RemoveDEBRIS等計(jì)劃，對(duì)歐洲在此方面的技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行梳理和總結(jié)，并對(duì)我國(guó)空間碎片減緩與主動(dòng)清除技術(shù)發(fā)展思路提出了建議。

2 歐洲的空間碎片清除技術(shù)任務(wù)

2.1 e.deorbit任務(wù)

e.deorbit的任務(wù)目標(biāo)是移除近地軌道保護(hù)區(qū)域內(nèi)歐洲航天局自有的大型空間碎片 (比如廢棄衛(wèi)星ENVISAT)，以減少太空垃圾所造成的問(wèn)題。按照此目標(biāo)，e.deorbit任務(wù)共分解為6個(gè)步驟，即發(fā)射入軌、進(jìn)入指定LEO軌道測(cè)試、變軌調(diào)相至目標(biāo)軌道、與目標(biāo)交會(huì)、捕獲目標(biāo)、使目標(biāo)離軌[3]。早期設(shè)想的空間碎片捕獲及清除手段主要包括:機(jī)械臂、夾持機(jī)構(gòu)/觸須、飛網(wǎng)、離子束、安裝太陽(yáng)帆、安裝推進(jìn)模塊等，如圖1所示。

2012-2014年，開(kāi)展了以空間碎片服務(wù)再定向方法的主動(dòng)清除研究，準(zhǔn)備采用歐洲運(yùn)載火箭 “織女星”的上面級(jí)作為e.deorbit捕獲系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)施了e.deorbit計(jì)劃的階段A研究工作。

2014年12月，歐洲空間局 (ESA)與德國(guó)宇航中心 (DLR)就碎片主動(dòng)清除在軌演示驗(yàn)證(IOD)聯(lián)合任務(wù)簽署了諒解備忘錄[4]。DLR已經(jīng)開(kāi)展了多年的在軌服務(wù)任務(wù)研究，如DLR的DEOS計(jì)劃。

2015年，ESA從軌道上移除太空垃圾的e.deorbit任務(wù)進(jìn)入階段B1，開(kāi)展任務(wù)設(shè)計(jì)工作。在2016年12月舉行的歐洲部長(zhǎng)會(huì)議上積極推動(dòng)了e.deorbit任務(wù)，列入了下一次部長(zhǎng)會(huì)議的議程，但最終決定是否能夠獲得批準(zhǔn)是在2019年，預(yù)計(jì)2024年發(fā)射并執(zhí)行任務(wù)[5]。目前制定的具體任務(wù)計(jì)劃為:

(1)2024年1月由歐洲運(yùn)載火箭 “織女星”改進(jìn)型VEGA-C發(fā)射升空，并在300km的圓軌道試運(yùn)行，通過(guò)軌道轉(zhuǎn)移及調(diào)相至目標(biāo)軌道；

(2)2024年2月，采用先進(jìn)圖像處理技術(shù)實(shí)施目標(biāo)監(jiān)視；

圖1 擬采用的空間碎片捕獲及清除技術(shù)方案示意圖Fig.1 Schematic of space debris capture and removal techniques

圖2 ESA與DLR之間的空間碎片主動(dòng)清除在軌驗(yàn)證諒解備忘錄Fig.2 MoU between ESA and DLR for an ADR in-orbit demonstration

(3)2024年3月，采用復(fù)雜GNC技術(shù)實(shí)施交會(huì)和同步運(yùn)動(dòng)，并采用創(chuàng)新的機(jī)器人技術(shù)捕獲目標(biāo) (如機(jī)械臂、飛網(wǎng)、魚(yú)叉等機(jī)構(gòu))，然后實(shí)現(xiàn)組合體穩(wěn)定；

(4)2024年4月，實(shí)施離軌處置。

2.2 RemoveDEBRIS任務(wù)

碎片清除任務(wù) (RemoveDEBRIS Mission)是歐盟框架7(European Union Framework 7)的研究項(xiàng)目，為耗資1130萬(wàn)歐元的低成本任務(wù)。該任務(wù)旨在驗(yàn)證碎片主動(dòng)清除關(guān)鍵技術(shù)，包括在真實(shí)的太空環(huán)境下使用飛網(wǎng)、魚(yú)叉、拖拽帆以及基于視覺(jué)的導(dǎo)航技術(shù)，原計(jì)劃在2016年發(fā)射。但根據(jù)目前的實(shí)際情況，擬定于2018年4月通過(guò)獵鷹-9運(yùn)載火箭發(fā)射，用于技術(shù)驗(yàn)證的衛(wèi)星將在國(guó)際空間站上釋放。母星約120kg，拖拽帆展開(kāi)面積達(dá)10m2，模擬的碎片目標(biāo)為立方星，每顆重約3kg[6]。

RemoveDEBRIS任務(wù)的第一項(xiàng)試驗(yàn)是利用飛網(wǎng)捕獲太空碎片目標(biāo)。首先從演示平臺(tái)上發(fā)射第一顆立方體衛(wèi)星DebrisSat 1，然后衛(wèi)星可展開(kāi)裝置充氣，形成模擬碎片目標(biāo)，演示平臺(tái)將發(fā)射飛網(wǎng)捕獲目標(biāo)，并切斷飛網(wǎng)，如圖4(a)所示。隨后開(kāi)展第二項(xiàng)試驗(yàn)，從演示平臺(tái)上伸展出十字靶標(biāo)，然后發(fā)射自帶的魚(yú)叉命中靶標(biāo)，如圖4(b)所示。接著開(kāi)展第三項(xiàng)試驗(yàn)，釋放第二顆立方體衛(wèi)星DebrisSat 2，使用平臺(tái)上的視覺(jué)導(dǎo)航設(shè)備對(duì)空間碎片進(jìn)行觀測(cè)和成像，如圖4(c)所示。最后開(kāi)展第四項(xiàng)試驗(yàn)，從演示平臺(tái)上伸展出機(jī)構(gòu)，然后展開(kāi)制動(dòng)帆，促使衛(wèi)星加速脫離軌道，并在大氣層中燒毀，如圖4(d)所示。

2.3 DEOS任務(wù)

空間系統(tǒng)演示驗(yàn)證技術(shù)衛(wèi)星 (TECSAS)任務(wù)是由歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)空間運(yùn)輸公司聯(lián)合德國(guó)宇航中心 (DLR)提出的，并與俄羅斯聯(lián)邦航天局、加拿大航天局聯(lián)合開(kāi)展的一個(gè)研究項(xiàng)目，旨在演示驗(yàn)證空間機(jī)器人在軌服務(wù)的可行性和技術(shù)的成熟性。項(xiàng)目于2006年結(jié)束之后，DLR繼續(xù)開(kāi)展了名為 “德國(guó)在軌服務(wù)任務(wù)”(DEOS)的計(jì)劃，重點(diǎn)對(duì)LEO軌道非合作目標(biāo)的交會(huì)、捕獲和離軌等技術(shù)進(jìn)行了研究。DEOS計(jì)劃攜帶七自由度機(jī)械臂，臂展4.2m，機(jī)械臂設(shè)計(jì)為能夠捕獲空間翻滾目標(biāo)，單軸角速度不超過(guò) 5°/s，捕獲位置為 ENVISAT的星箭對(duì)接環(huán)[7]。

2.4 CleanSpace One衛(wèi)星

2015年7月，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員公布了 “太空清潔一號(hào)”(CleanSpace One)衛(wèi)星捕獲目標(biāo)的模擬動(dòng)畫(huà)。目前，該衛(wèi)星已經(jīng)通過(guò)原理樣機(jī)研制階段，下一步是開(kāi)發(fā)工程樣機(jī)，計(jì)劃最早于2018年發(fā)射升空。

圖3 e.deorbit任務(wù)最新方案設(shè)想圖Fig.3 Artist’s concept of the e.deorbit mission

“太空清潔一號(hào)”衛(wèi)星第一個(gè)清理目標(biāo)是2009年瑞士發(fā)射的一顆衛(wèi)星，將使用精確制導(dǎo)與控制系統(tǒng)進(jìn)入近地軌道，利用相機(jī)識(shí)別太空垃圾，并接近目標(biāo)，之后將其捕獲。 “太空清潔一號(hào)”衛(wèi)星選擇了類(lèi)似 “吃豆子”(Pac-Man)游戲的捕獲方案，采用一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)張開(kāi)，在捕捉目標(biāo)后閉合。這種方案能夠提供比爪子和人造機(jī)械手更大的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)空間。成功捕捉到太空垃圾后，“太空清潔一號(hào)”衛(wèi)星將攜帶太空垃圾一起在地球大氣層燃燒殆盡[8]。

3 歐洲的空間碎片清除技術(shù)路線(xiàn)圖

圖4 RemoveDEBRIS任務(wù)方案示意圖Fig.4 RemoveDEBRIS mission demonstration

圖5 DEOS計(jì)劃及地面試驗(yàn)Fig.5 DEOS mission and ground test

歐空局 “清潔太空”團(tuán)隊(duì) (Clean Space Team)于2013年9月份發(fā)布了空間碎片減緩的總路線(xiàn)圖，表明了e.deorbit、DEOS和CleanSpace One等項(xiàng)目之間的關(guān)系[9]。該團(tuán)隊(duì)根據(jù)大眾對(duì)環(huán)境問(wèn)題以及對(duì)空間開(kāi)發(fā)的可持續(xù)關(guān)注，希望通過(guò)采取行動(dòng)，將威脅與挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化為機(jī)遇，并提出了倡議的目標(biāo)是通過(guò)保護(hù)環(huán)境來(lái)保證未來(lái)的空間活動(dòng)。

ESA在其2015年底發(fā)布的e.deorbit實(shí)施計(jì)劃中給出了系統(tǒng)研究、剛性捕獲機(jī)構(gòu)、柔性捕獲機(jī)構(gòu)、GNC及電子設(shè)備的詳細(xì)發(fā)展路線(xiàn)圖，其中的系統(tǒng)研究路線(xiàn)圖如圖8所示。

ESA于2012年開(kāi)展了階段A(見(jiàn)圖7)的協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)施工作，提出了相應(yīng)的研究成果，并給出了夾持機(jī)構(gòu)捕獲和飛網(wǎng)捕獲的初步方案[10]。

(1)夾持結(jié)構(gòu)方案，如圖9(左)所示:

1)夾持機(jī)構(gòu)+推桿

2)需要機(jī)械臂

3)VEGA運(yùn)載火箭發(fā)射 (1590kg)

4)化學(xué)推進(jìn)，2個(gè)425N噴管，總質(zhì)量的52%為推進(jìn)劑

5)激光雷達(dá)、遠(yuǎn)距離和近距離相機(jī)、反作用飛輪+推力器

6)受控再入

(2)飛網(wǎng)方案，如圖9(右)所示:

1)飛網(wǎng)射向目標(biāo)

圖6 CleanSpace One計(jì)劃及捕獲網(wǎng)兜地面樣機(jī)Fig.6 CleanSpace One and capture net ground mockup

圖7 ESA于2013年發(fā)布的空間碎片減緩總路線(xiàn)圖Fig.7 ESA’s space debris mitigation roadmap released in 2013

2)一個(gè)飛網(wǎng)+一個(gè)冗余備份

3)VEGA運(yùn)載火箭發(fā)射 (1560kg)

4)化學(xué)推進(jìn)，2個(gè)425N噴管+2個(gè)220N噴管，總質(zhì)量的56%為推進(jìn)劑

5)激光雷達(dá)、遠(yuǎn)距離相機(jī)、推力器

6)受控再入

隨后開(kāi)展的階段A研究工作中，空客、Kayser-Threde和Thales分別就剛性捕獲方案和柔性捕獲方案提出各自的捕獲技術(shù)、附著方式、有效載荷、質(zhì)量和經(jīng)費(fèi)等，如表1和表2所示。

圖8 ESA于2015年在e.deorbit實(shí)施計(jì)劃中給出的系統(tǒng)研究路線(xiàn)圖Fig.8 ESA’s system research roadmap by e.deorbit implementation plan in 2015

圖9 夾持結(jié)構(gòu)方案 (左)和飛網(wǎng)方案 (右)Fig.9 Clamping structure(left)and fly net(right)

表1 剛性捕獲方案對(duì)比Tab.1 Comparison of robotic capture concept

續(xù)表1

表2 柔性捕獲方案對(duì)比Tab.2 Comparison of flexible capture concept

表3 ESA于2015年底提出的后續(xù)研究工作Tab.3 Upcoming activity descriptions by ESA at the end of 2015

通過(guò)e.deorbit實(shí)施階段A的研究工作，目前共識(shí)別出5項(xiàng)主要風(fēng)險(xiǎn)，作為階段B1的重點(diǎn)[4]:

①產(chǎn)生更多碎片的風(fēng)險(xiǎn)

②未成功捕獲的風(fēng)險(xiǎn)

③追捕和目標(biāo)航天器碰撞的風(fēng)險(xiǎn)

④對(duì)地面造成傷亡風(fēng)險(xiǎn)

⑤計(jì)劃延期的風(fēng)險(xiǎn)

捕獲技術(shù)與GNC軟件的技術(shù)成熟度較低意味著需要更多經(jīng)費(fèi)支持和研發(fā)，但首次任務(wù)除了利潤(rùn)和發(fā)射費(fèi)用以外，階段B2/C/D/E的總經(jīng)費(fèi)上限為150萬(wàn)歐元[3]。

4 空間碎片主動(dòng)清除任務(wù)所面臨的挑戰(zhàn)

按照e.deorbit任務(wù)實(shí)施空間碎片主動(dòng)清除的6個(gè)步驟，并結(jié)合e.deorbit任務(wù)識(shí)別出的5項(xiàng)主要風(fēng)險(xiǎn)，可見(jiàn)執(zhí)行空間碎片主動(dòng)清除任務(wù)主要面臨著以下三方面的挑戰(zhàn):

(1)相對(duì)目標(biāo)懸停后對(duì)翻滾目標(biāo)的識(shí)別、接近及同步運(yùn)動(dòng)。

采用高動(dòng)態(tài)高精度探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置、姿態(tài)的準(zhǔn)確測(cè)量和估計(jì)，為懸停、接近和同步運(yùn)動(dòng)提供重要輸入。基于自主探測(cè)感知實(shí)現(xiàn)對(duì)待捕獲目標(biāo)特征的識(shí)別，為剛性捕獲提供捕獲點(diǎn)。主動(dòng)清除飛行器應(yīng)具備高精度的位置和姿態(tài)控制能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的接近及同步運(yùn)動(dòng)。

(2)無(wú)論是采用機(jī)械臂等剛性捕獲方式還是飛網(wǎng)等柔性捕獲方式，均應(yīng)安全可靠，不產(chǎn)生新的空間碎片。

對(duì)于剛性捕獲翻滾目標(biāo)，應(yīng)在操作環(huán)節(jié)設(shè)置相應(yīng)的柔順控制，防止捕獲過(guò)程中的沖擊對(duì)目標(biāo)或自身造成損壞，避免產(chǎn)生新的碎片。而以飛網(wǎng)為代表的柔性捕獲方式，應(yīng)注重網(wǎng)口收攏的研究，提升捕獲可靠性。

圖10 在距離目標(biāo)50m附近的位置懸停，識(shí)別翻滾目標(biāo)，并接近、同步運(yùn)動(dòng)Fig.10 Hovering and identifying the tumbling target at a distance of 50m，with approaching and synchronizing

圖11 無(wú)論是采用機(jī)械臂還是飛網(wǎng)，安全的捕獲方式，實(shí)現(xiàn)?？縁ig.11 Either with a robotic arm or a net， capture it in a secure way

(3)在捕獲后，應(yīng)采取安全可控的方式實(shí)現(xiàn)變軌、離軌，實(shí)現(xiàn)空間碎片主動(dòng)清除。

對(duì)于剛性捕獲方式應(yīng)對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)接管控制，對(duì)組合體的質(zhì)量特性進(jìn)行在軌辨識(shí)，利于姿態(tài)穩(wěn)定，為組合體離軌提供必要條件。而對(duì)于柔性捕獲方式，則應(yīng)通過(guò)機(jī)構(gòu)鎖緊相應(yīng)的柔性繩網(wǎng)，提升變軌、離軌的安全性。

5 啟示與建議

參照歐洲在空間碎片清除方面的研究工作、技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖、工程任務(wù)實(shí)施計(jì)劃，結(jié)合我國(guó)開(kāi)展空間碎片減緩技術(shù)的研究現(xiàn)狀，提出后續(xù)的發(fā)展建議:

(1)開(kāi)展多種途徑的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與驗(yàn)證。

RemoveDEBRIS演示驗(yàn)證集成飛網(wǎng)、魚(yú)叉、視覺(jué)導(dǎo)航、制動(dòng)帆等多種技術(shù)開(kāi)展在軌演示驗(yàn)證，CleanSpace One計(jì)劃以2009年發(fā)射的在軌目標(biāo)開(kāi)展捕獲及離軌技術(shù)驗(yàn)證，具備一定的工程應(yīng)用能力。建議我國(guó)應(yīng)持續(xù)跟蹤國(guó)外空間碎片主動(dòng)清除技術(shù)，開(kāi)展深入研究，不斷提升技術(shù)成熟度。

(2)加快推進(jìn)空間碎片清除工程化實(shí)施。

e.deorbit項(xiàng)目明確以清除ENVISAT為目標(biāo)開(kāi)展多種途徑的技術(shù)方案論證，為后續(xù)2024年計(jì)劃實(shí)施的主動(dòng)清除任務(wù)實(shí)施提供重要依據(jù)。建議我國(guó)也應(yīng)結(jié)合多種途徑的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，加快推進(jìn)空間碎片清除工程化實(shí)施。

(3)瞄準(zhǔn)商業(yè)市場(chǎng)開(kāi)展空間碎片清除服務(wù)。

具備空間碎片清除工程化應(yīng)用能力后，應(yīng)充分借助運(yùn)載火箭及上面級(jí)發(fā)射后的剩余能力，提供空間碎片清除商業(yè)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)高效率低成本運(yùn)營(yíng)，為商業(yè)航天的多元化發(fā)展提供有效支撐。