歐洲“移除碎片”試驗(yàn)衛(wèi)星即將進(jìn)行在軌試驗(yàn)

王雪瑤（北京空間科技信息研究所）

2018年4月2日，由歐洲薩瑞航天中心（SSC）負(fù)責(zé)研制的“碎片移除”（RemoveDebris）試驗(yàn)衛(wèi)星搭載獵鷹-9（Falcon-9）火箭上的貨運(yùn)“龍”（Dragon）飛船運(yùn)送至“國(guó)際空間站”（lSS）。2018年6月20日，“國(guó)際空間站”航天員使用空間站實(shí)驗(yàn)艙遙控機(jī)械臂系統(tǒng)成功在軌釋放RemoveDebris試驗(yàn)衛(wèi)星，試驗(yàn)衛(wèi)星也成功與地面建立聯(lián)系。按照計(jì)劃，該衛(wèi)星將在軌開(kāi)展人造“空間碎片”網(wǎng)捕任務(wù)演示、視覺(jué)導(dǎo)航（VBN）任務(wù)演示、魚(yú)叉捕獲任務(wù)演示、“阻力帆”離軌任務(wù)演示4項(xiàng)在軌試驗(yàn)任務(wù)，其任務(wù)時(shí)間分別定為2018年9月、12月以及2019年2月和3月。雖然RemoveDebris任務(wù)使用人造空間碎片作為抓捕目標(biāo)，不是一次完整意義上的主動(dòng)碎片移除任務(wù)，但這將成為世界首例主動(dòng)碎片移除（ADR）試驗(yàn)任務(wù)。

1 項(xiàng)目背景

RemoveDebris試驗(yàn)衛(wèi)星是由歐洲委員會(huì)（EU）和薩瑞航天中心資助，由薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司（SSTL）領(lǐng)導(dǎo)、空客防務(wù)與航天公司（ADS）等10家商業(yè)公司在“第七研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)框架計(jì)劃”（FP7）的支持下，共同研制的主動(dòng)碎片移除技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)。該任務(wù)將成為世界首例主動(dòng)碎片移除試驗(yàn)任務(wù)，主要為未來(lái)主動(dòng)碎片移除任務(wù)提供低成本的在軌技術(shù)驗(yàn)證，進(jìn)一步推動(dòng)歐洲乃至世界主動(dòng)碎片移除路線的發(fā)展。

多年來(lái)，空間碎片捕獲移除項(xiàng)目的發(fā)展曾經(jīng)面臨著資金緊張的難題，其政府資助與保險(xiǎn)補(bǔ)貼資金有限，而且商業(yè)公司也并不熱衷這一發(fā)展方向。但是近年來(lái)空間碎片數(shù)量劇增，造成空間碰撞事件頻發(fā)，空間碎片超高速撞擊會(huì)穿透航天器表面并破壞航天器內(nèi)部器件和系統(tǒng)，并造成航天器嚴(yán)重?fù)p傷，甚至導(dǎo)致航天器徹底解體或爆炸失效，并形成大面積碎片云，危害極大。而且隨著寬帶衛(wèi)星星座的規(guī)劃發(fā)展與大規(guī)模部署，空間碰撞風(fēng)險(xiǎn)也在進(jìn)一步增加，因此目前對(duì)空間碎片的移除需求越來(lái)越大，碎片移除市場(chǎng)的前景也逐漸廣闊，主動(dòng)碎片移除在這一契機(jī)下發(fā)展起來(lái)。同時(shí)，歐洲航天局（ESA）在碎片移除方向提出了“清潔太空”發(fā)展路線圖，主要目標(biāo)聚焦點(diǎn)包括發(fā)展空間碎片減緩技術(shù)，而RemoveDebris技術(shù)試驗(yàn)也將為這一目標(biāo)做出貢獻(xiàn)，進(jìn)而推動(dòng)路線圖的發(fā)展。

2 衛(wèi)星情況

RemoveDebris試驗(yàn)衛(wèi)星由SSTL—42“移除衛(wèi)星”（RemoveSat）試驗(yàn)平臺(tái)和2顆2U立方體試驗(yàn)“碎片衛(wèi)星”（DebrisSat）組成，質(zhì)量約為150kg，將成為迄今為止從“國(guó)際空間站”釋放的最大衛(wèi)星。RemoveSat平臺(tái)外形為0.65m×0.65m×0.72m立方體，搭載2臺(tái)監(jiān)控相機(jī)，1臺(tái)專(zhuān)用于拍攝網(wǎng)捕試驗(yàn)過(guò)程，視場(chǎng)為65°×54°，另1臺(tái)專(zhuān)用于拍攝魚(yú)叉捕獲試驗(yàn)過(guò)程，視場(chǎng)為17°×14°，2臺(tái)監(jiān)控相機(jī)能夠以10幀/s的速度采集1280×1024像素的圖像。平臺(tái)數(shù)據(jù)下傳采用S頻段，速率為2Mbit/s。2顆試驗(yàn)“碎片衛(wèi)星—1/2”（DebrisSat—1/2）是人造“空間碎片”試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，由薩瑞航天中心負(fù)責(zé)研制，其中DebrisSat—1是網(wǎng)捕試驗(yàn)的抓捕目標(biāo)，用于試驗(yàn)網(wǎng)捕碎片技術(shù)；DebrisSat—2是視覺(jué)導(dǎo)航任務(wù)的非合作自主交會(huì)目標(biāo)，用于試驗(yàn)自主視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)。RemoveDebris試驗(yàn)任務(wù)的地面操作中心是位于薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司的任務(wù)操作中心（MOC）。

“移除碎片”任務(wù)試驗(yàn)平臺(tái)

3 在軌主動(dòng)碎片移除技術(shù)試驗(yàn)

一般來(lái)說(shuō)，空間碎片主動(dòng)移除過(guò)程包括與空間碎片進(jìn)行非合作交會(huì)、近距離接近、在軌捕獲和離軌等關(guān)鍵步驟，RemoveDebris試驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃在軌進(jìn)行視覺(jué)導(dǎo)航、網(wǎng)捕、魚(yú)叉捕獲和“阻力帆”離軌4項(xiàng)關(guān)鍵主動(dòng)碎片移除演示試驗(yàn)，來(lái)提高相關(guān)主動(dòng)碎片移除技術(shù)的成熟度。RemoveDebris試驗(yàn)之所以進(jìn)行視覺(jué)導(dǎo)航任務(wù)演示，是因?yàn)榛谝曈X(jué)的相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)是碎片主動(dòng)移除的非合作交會(huì)和近距離接近過(guò)程中所需要的關(guān)鍵技術(shù)，也是在空間碎片移除類(lèi)復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行首次嘗試應(yīng)用；之所以進(jìn)行在軌網(wǎng)捕碎片和魚(yú)叉捕獲碎片任務(wù)演示，是因?yàn)檫@將是未來(lái)碎片移除在軌抓捕過(guò)程中較為關(guān)鍵的2項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)又結(jié)合整個(gè)項(xiàng)目成本考慮，例如歐洲首個(gè)低軌大型碎片移除任務(wù)“歐洲離軌”（e.Deorbit）經(jīng)反復(fù)論證后選擇網(wǎng)捕抓捕方案；最后進(jìn)行“阻力帆”離軌演示任務(wù)，是因?yàn)榧纫?yàn)證主動(dòng)碎片移除的離軌關(guān)鍵技術(shù)，又需要符合歐洲“清潔太空”發(fā)展路線圖的要求，避免產(chǎn)生新的空間碎片，實(shí)現(xiàn)碎片減緩的任務(wù)目標(biāo)。

網(wǎng)捕碎片演示任務(wù)

網(wǎng)捕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

RemoveDebris試驗(yàn)衛(wèi)星的首個(gè)在軌演示任務(wù)是網(wǎng)捕DebrisSat—1目標(biāo)碎片衛(wèi)星。網(wǎng)捕系統(tǒng)是發(fā)展前景最好的空間碎片捕獲結(jié)構(gòu)之一，適用于不同形狀、尺寸和翻滾率的目標(biāo)。RemoveDebris任務(wù)網(wǎng)捕系統(tǒng)由德國(guó)空客防務(wù)與航天公司負(fù)責(zé)研制。抓捕網(wǎng)需要依靠部署質(zhì)量塊的加速運(yùn)動(dòng)將其拉出存儲(chǔ)裝置，才能實(shí)現(xiàn)展開(kāi)部署。RemoveDebris抓捕網(wǎng)由凱夫拉爾纖維制作而成，展開(kāi)后為5m直徑的大型半球形網(wǎng)，凈質(zhì)量0.6kg，網(wǎng)眼尺寸80mm，可防止目標(biāo)物在捕獲后逸出。抓捕網(wǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)捕獲尺寸達(dá)2m，在軌演示任務(wù)期間將捕獲直徑約1m的DebrisSat—1目標(biāo)碎片衛(wèi)星，未來(lái)更大型的網(wǎng)捕系統(tǒng)可捕獲直徑12m的空間目標(biāo)。

在該演示任務(wù)試驗(yàn)中，首先RemoveSat衛(wèi)星平臺(tái)將模擬空間碎片的DebrisSat—1目標(biāo)衛(wèi)星以5cm/s的速度低速?lài)娚涠觯趪姵鲞^(guò)程中，DebrisSat—1衛(wèi)星充氣膨脹至直徑約1m的八面體結(jié)構(gòu)。隨后，RemoveSat衛(wèi)星平臺(tái)釋放抓捕網(wǎng)，抓捕網(wǎng)一旦接觸到目標(biāo)后，網(wǎng)末端部署質(zhì)量塊將會(huì)帶動(dòng)抓捕網(wǎng)纏繞目標(biāo)，同時(shí)啟動(dòng)方向鎖定離合器將抓捕網(wǎng)卷起，防止其重新打開(kāi)。最后，DebrisSat—1衛(wèi)星與抓捕網(wǎng)共同加速離軌。

視覺(jué)導(dǎo)航演示任務(wù)

網(wǎng)捕任務(wù)完成后，RemoveDebris試驗(yàn)衛(wèi)星將完成視覺(jué)導(dǎo)航試驗(yàn)任務(wù)。法國(guó)空客防務(wù)與航天公司負(fù)責(zé)視覺(jué)導(dǎo)航方案設(shè)計(jì)與設(shè)備系統(tǒng)研制，法國(guó)國(guó)家信息與自動(dòng)化研究所（Inria）負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)視覺(jué)導(dǎo)航算法。RemoveDebris視覺(jué)導(dǎo)航試驗(yàn)任務(wù)主要通過(guò)試驗(yàn)衛(wèi)星平臺(tái)的星載拍攝設(shè)備獲取目標(biāo)實(shí)際在軌圖像與數(shù)據(jù)，演示最先進(jìn)的圖像處理與導(dǎo)航算法，其中平臺(tái)星載拍攝設(shè)備包括1臺(tái)傳統(tǒng)的2D相機(jī)和1臺(tái)創(chuàng)新型閃光成像激光雷達(dá)（LiDAR Camera），前者屬于無(wú)源成像儀，后者屬于3D主動(dòng)成像儀。試驗(yàn)衛(wèi)星可通過(guò)測(cè)算2臺(tái)成像儀對(duì)于非合作交會(huì)目標(biāo)的信號(hào)相位差實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。這將是歐洲首次使用創(chuàng)新型閃光成像激光雷達(dá)來(lái)進(jìn)行自主視覺(jué)導(dǎo)航，未來(lái)這一技術(shù)將會(huì)應(yīng)用于空間碎片追蹤與捕獲任務(wù)。

在該演示任務(wù)試驗(yàn)中，首先模擬碎片的DebrisSat—2目標(biāo)衛(wèi)星在平臺(tái)釋放位置打開(kāi)太陽(yáng)電池翼并開(kāi)啟星載服務(wù)，同時(shí)平臺(tái)對(duì)DebrisSat—2目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行GPS鎖定并開(kāi)啟平臺(tái)與目標(biāo)星之間的星間鏈路。隨后，RemoveSat衛(wèi)星平臺(tái)釋放DebrisSat—2目標(biāo)衛(wèi)星，平臺(tái)星載2D相機(jī)與閃光成像激光雷達(dá)對(duì)DebrisSat—2進(jìn)行拍攝測(cè)距與自主導(dǎo)航試驗(yàn)。在這一過(guò)程中，DebrisSat—2目標(biāo)衛(wèi)星上收集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也會(huì)通過(guò)星間鏈路傳回RemoveSat試驗(yàn)平臺(tái)，用于輔助導(dǎo)航。

魚(yú)叉捕獲演示任務(wù)

視覺(jué)導(dǎo)航任務(wù)完成后，RemoveDebris試驗(yàn)衛(wèi)星將完成魚(yú)叉捕獲任務(wù)演示。魚(yú)叉捕獲系統(tǒng)也是未來(lái)空間碎片捕獲設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之一，此次試驗(yàn)將為未來(lái)魚(yú)叉式捕獲空間碎片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。RemoveDebris魚(yú)叉捕獲試驗(yàn)系統(tǒng)由可展開(kāi)式目標(biāo)結(jié)構(gòu)與魚(yú)叉捕獲系統(tǒng)組成，薩瑞航天中心負(fù)責(zé)研制可展開(kāi)式魚(yú)叉目標(biāo)結(jié)構(gòu)，捕獲裝置研制經(jīng)驗(yàn)較為豐富的英國(guó)空客防務(wù)與航天公司負(fù)責(zé)研制魚(yú)叉捕獲裝置。

在該演示任務(wù)試驗(yàn)中，首先RemoveSat衛(wèi)星平臺(tái)通過(guò)延伸可展開(kāi)式懸臂，移出固定在懸臂末端的鋁蜂窩質(zhì)目標(biāo)板，到達(dá)1.5m處的目標(biāo)試驗(yàn)位置；隨后，平臺(tái)彈射魚(yú)叉捕獲裝置對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行叉捕試驗(yàn)，魚(yú)叉通過(guò)系繩與衛(wèi)星平臺(tái)連接，平臺(tái)內(nèi)部的沖壓式加速器可為魚(yú)叉提供20m/s的彈出速度，使魚(yú)叉有能力叉捕目標(biāo)板；最后，衛(wèi)星平臺(tái)收回懸臂、魚(yú)叉與目標(biāo)板，以防對(duì)最后的“阻力帆”部署產(chǎn)生影響。

“阻力帆”離軌演示任務(wù)

為避免在空間中產(chǎn)生更多碎片，保持清潔的太空環(huán)境，在整個(gè)在軌演示任務(wù)最后，RemoveDebris試驗(yàn)衛(wèi)星將進(jìn)行“阻力帆”離軌任務(wù)演示。RemoveDebris的“阻力帆”是由薩瑞航天中心研制，整個(gè)“阻力帆”系統(tǒng)由部署器、帆面展開(kāi)機(jī)構(gòu)、碳纖維骨架和帆膜構(gòu)成，其中部署器可伸長(zhǎng)約1m，“阻力帆”完全展開(kāi)可達(dá)10m2。

在該演示任務(wù)試驗(yàn)中，首先RemoveSat衛(wèi)星平臺(tái)伸長(zhǎng)桅桿式“阻力帆”部署器約1m；隨后平臺(tái)通過(guò)電機(jī)控制帆面展開(kāi)機(jī)構(gòu)，使碳纖維骨架與帆面充分展開(kāi)；“阻力帆”展開(kāi)后會(huì)產(chǎn)生較大阻力，因此RemoveDebris試驗(yàn)衛(wèi)星會(huì)加速離軌。由于“阻力帆”的尺寸很大，試驗(yàn)平臺(tái)在加速離軌過(guò)程中不能保證星地的無(wú)障礙通信與星上的全功率完整，地面控制中心可通過(guò)衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)、功率數(shù)據(jù)和通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)等來(lái)評(píng)估部署“阻力帆”對(duì)試驗(yàn)衛(wèi)星的影響，也可跟蹤試驗(yàn)衛(wèi)星的離軌軌跡，并與無(wú)“阻力帆”離軌的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

4 總結(jié)

RemoveDebris試驗(yàn)任務(wù)的目標(biāo)是以較低成本在軌演示網(wǎng)捕、魚(yú)叉捕獲空間碎片，自主視覺(jué)導(dǎo)航及離軌等關(guān)鍵主動(dòng)碎片移除技術(shù)，這些新型技術(shù)可用于未來(lái)的主動(dòng)碎片移除任務(wù)。RemoveDebris試驗(yàn)任務(wù)將成為世界首例在軌使用網(wǎng)捕系統(tǒng)和魚(yú)叉捕獲系統(tǒng)進(jìn)行空間碎片捕獲的任務(wù)，并首次將立方體衛(wèi)星用作“人造碎片”目標(biāo)。雖然此次任務(wù)使用“人造碎片”立方體衛(wèi)星作為目標(biāo)，不是一項(xiàng)完整的主動(dòng)碎片移除任務(wù)，但是完成該任務(wù)將是未來(lái)實(shí)現(xiàn)完整主動(dòng)碎片移除操作任務(wù)的重要一步，可以推動(dòng)歐洲及世界主動(dòng)碎片移除路線圖的發(fā)展，也是未來(lái)實(shí)現(xiàn)“清潔太空”目標(biāo)的重要前提。