命運多舛，前程難測
——瑞士“清潔太空一號”發(fā)展回顧

+巴特

論及漫步太空的科幻作品，漫畫《星空清理者》可謂其中里程碑式的經(jīng)典之作。在這部作品里，由于太空垃圾的數(shù)量在大規(guī)模宇宙開發(fā)中急劇增加，近地軌道在二十一世紀下半葉已不堪重負，專責清理太空垃圾的“星空清理者”也由此成為在宇宙生活工作的人們的一種特殊職業(yè)。“星空清理者”穿上厚重的防護服，在捕獲、回收廢棄衛(wèi)星的同時，甚至還要躲避高速飛行的空間碎片的致命襲擊。

《星空清理者》誕生于2002年，彼時微電子和互聯(lián)網(wǎng)技術對社會的巨大沖擊尚未顯現(xiàn)，馬斯克則剛剛建立了他的SpaceX。為了清理種類繁多、情況復雜的在軌垃圾，似乎總需要有人來從事“星空清理者”這份浪漫而危險的職業(yè)。然而近年來，隨著各國一系列空間機器人演示驗證項目的立項、實施，“星空清理者”這份冒著生命危險的工作，似乎可以由機器人代勞了。瑞士洛桑聯(lián)邦理工(Swiss Federal Institute for Technology in Lausanna,EPFL)提出的清潔太空一號(CleanSpace One,CSO)，即是旨在清理太空垃圾的代表性項目。

初衷雖然美好，但清潔太空一號自2012年立項以來，卻已因各種原因進行了四輪總體方案更迭，任務日期也一拖再拖。本文意在梳理清潔太空一號設計方案的前后變革，以供讀者參考。

一、2012：誕生之初

2012年2月，洛桑聯(lián)邦理工下轄的瑞士航天中心(EPFL Swiss Space Center)宣布了其設計、制造一顆用于驗證太空垃圾清理技術的“清潔太空一號”衛(wèi)星的計劃[1]。項目旨在制造一顆帶有柔性抓捕機構的，尺寸為30×10×10cm的3U立方星，以實現(xiàn)對2009年、2010年發(fā)射的兩顆近地軌道瑞士衛(wèi)星的攔截、捕獲、再入銷毀。

按照清潔太空一號技術團隊的規(guī)劃，該項目的預算約為1100萬美元，工程周期3年左右，并有望在2016年前后升空執(zhí)行任務。為完成這一任務，技術團隊需要攻克的難題主要有二：一是有效攔截在軌目標所需的精確軌道調整能力，二是緊湊有效的空間用電機及抓捕機構設計。

如瑞士航天中心主任Volker Gas所述，“清潔太空一號”項目的愿景，是“希望提供并出售一系列的具有可持續(xù)特性的成熟技術系統(tǒng)，來實現(xiàn)不同種衛(wèi)星的離軌任務”，為日益嚴重的太空垃圾威脅提供一種經(jīng)濟上可行的技術解決方案。（參見圖1）

二、2013：方案雛形

到了2013年，隨著EPFL在“清潔太空一號”項目上與歐空局(ESA)展開合作，蘇黎世聯(lián)邦理工(ETH Zurich)、瑞士應用科學大學(the Swiss Universities of Applied Science)等大學以及瑞士航天系統(tǒng)公司(Swiss Space Systems)也加入該項目并提供技術支持。[2]

在項目資金方面，瑞士航天系統(tǒng)公司的加入為“清潔太空一號”項目注入了1500萬瑞士法郎的資金，其中500萬瑞士法郎用于衛(wèi)星的制造、組裝、測試以及建造地面設施，而剩下的1000萬則是瑞士航天系統(tǒng)公司將衛(wèi)星發(fā)射入軌所需的費用。

圖1 清潔太空一號的早期構想

由于瑞士航天系統(tǒng)公司的加入與資金支持，清潔太空一號的發(fā)射入軌方案有了重大的改變。在EPFL與瑞士航天系統(tǒng)公司的合作方案中，清潔太空一號將搭載亞軌道可復用航天飛機(Suborbital Reusable Shuttle,SOAR)入軌以完成其太空垃圾清理任務，如圖二所示。SOAR是一種采用水平發(fā)射方式的、可攜帶250kg載荷的小型航天飛機，在發(fā)射時，它先由改裝的空客A300背負升空，達到指定高度（約10km）后點火分離。在其軌道的最高點（約80km）處釋放攜帶清潔太空一號的入軌器，入軌器繼而點火將清潔太空一號送入約700km高的軌道執(zhí)行任務。按照清潔太空團隊的預想，由于SOAR的可復用性，發(fā)射入軌的費用將會因此而有效降低。

在這一發(fā)射方案下，技術團隊進一步修改完善了清潔太空一號的PHASE 2013衛(wèi)星設計方案，他們摒棄了立方星的構想并將其重新定義成了一顆體積27U，質量35-40kg的微衛(wèi)星[3]。在PHASE 2013方案中（參見圖2），清潔太空一號的目標明確為SwissCube立方星以及一枚廢棄的Vespa上面級(Vespa upper structure)[4]。SwissCube為EPFL航天中心2009年發(fā)射的1U立方星，質量約為0.82千克，主要任務為大氣輝光觀測。Vespa則是歐空局2013年發(fā)射的Vega火箭的上面級部分，其外形為圓柱-圓錐結合體，直徑約2.1m，高約1.3米，質量約150kg。

為了有效降低生產(chǎn)成本，也為了更好的實現(xiàn)其成熟商用系統(tǒng)的愿景，在這一版本的清潔太空一號設計方案中，除去抓握器、目標視覺追蹤系統(tǒng)、結構系統(tǒng)等確需定制的部件外，設計團隊盡可能的采用了COTS器件完成設計。其星務管理電腦采用了Gomspace的A712D處理器，通信分系統(tǒng)采用了Gomspace提供的型號為ANT430的UHF波段收發(fā)機以及Clyde Space的2M帶寬S波段收發(fā)機，電源分系統(tǒng)則由Gomspace以及Clyde Space提供的14組3U太陽能電池、78Wh蓄電池以及電源管理系統(tǒng)構成。推進分系統(tǒng)方面，該版設計方案采用了冷氣-電推進混合系統(tǒng)。TNO提供了名為冷氣發(fā)生器(Cold Gas Generators)的冷氣推進器，該推進器尺寸為，集成了儲罐、供給系統(tǒng)以及5個推力器，能夠產(chǎn)生速度增量為20m/s的6向推力，主要用于衛(wèi)星的姿態(tài)控制與機動。在軌道控制方面，清潔太空一號則寄希望于一款EPFL自己開發(fā)的名為MicroThrust的微膠體電推進器，該推進系統(tǒng)干重約700g，能夠以3000s的比沖、0.6mN的推力提供650m/s的速度增量。姿態(tài)控制分系統(tǒng)方面，姿態(tài)敏感器件包括CubeSat Shop提供的6具精度為的太陽敏感器、Zarm Technik提供的三軸數(shù)字磁力計、丹麥科技大學(DTU)提供的型號為Micro-Advanced Stellar Compass的星敏感器以及型號為ADIS 16375的慣性測量單元；姿態(tài)控制器除去冷氣發(fā)生器外，還包括三組Sinclair Interplanetary提供的RW-0.060動量輪及Zarm Technik提供的MT5-2-M的磁力矩器。

圖2 清潔太空一號的PHASE 2013方案

為使清潔太空一號有效的完成太空垃圾的捕捉，設計團隊將工作的重點放在了目標物感知和定位系統(tǒng)以及捕獲裝置兩大分系統(tǒng)的研發(fā)上。

圖3 DEA軟體抓握器

圖4 清潔太空一號的PHASE 2015方案

圖5 清朗空間一號方案示意

在目標物感知與與定位系統(tǒng)的設計上，PHASE 2013方案將這一任務劃分為兩部分：目標物的中距離探測以及目標物的近距離觀察建模。在目標物的近距離觀察建模方面，PHASE 2013方案測試了三種可行路線。第一種路線使用一臺高動態(tài)范圍的智能相機對目標物進行二維的觀測成像。第二種路線則使用代爾夫特理工開發(fā)的一套基于星敏感器的視覺建模系統(tǒng)，該路線的優(yōu)勢在于方案已經(jīng)在飛行任務中驗證了可靠性。第三條路線則使用紅外3D相機實現(xiàn)目標物的動態(tài)感知，該路線的優(yōu)勢在于其使用有源觀測裝置，因而不受照明條件限制，缺點則在于其功耗和有限的探測距離。

在捕獲裝置的設計上，由于待捕獲目標為已經(jīng)廢棄的上面級或衛(wèi)星，不僅具有不同的幾何外形，還可能存在不受控的姿態(tài)運動。因此，研究人員希望使用柔性軟體抓持器以實現(xiàn)對這類非合作目標的有效、無損、穩(wěn)定抓持。根據(jù)模擬[4]，如果希望清潔太空一號能在1秒時間內完成對Vespa上面級的穩(wěn)定抓持，抓握器需要提供約4.3N的抓握力；以SwissCube為目標，則抓握力的需求降到了6.5mN。為了實現(xiàn)緊湊、輕便的柔性抓握器設計，清潔太空一號的技術團隊以介電彈性體（dielectric elastomer）為材料、采用最小能量結構（Dielectric elastomer minimum energy structure,DEMES）制造方法設計了一套四指抓握器，如圖3所示。在入軌前，抓握器處于折疊狀態(tài)以滿足運載和發(fā)射的體積外形要求；而入軌后，柔性抓握器被釋放并處于握緊狀態(tài)；給介電彈性體通以約3000V的電壓，抓握器展開以包裹目標物；除去負載電壓，抓握器即可長期有效的抓握目標物[5]。在測試中，DEA抓握器能夠提供約2mN的抓握力，技術團隊認為，還需要進一步改進抓握器設計方法與生產(chǎn)工藝以達到設計所需的抓握力目標。另外，基于最小能量結構設計的DEA抓握器需要在制造時進行彈性體的預拉伸(prestretch)，這使得DEA中的彈性薄膜在成型后始終處在被拉伸的受力狀態(tài)，目前所使用的彈性薄膜材料在長時間拉伸狀態(tài)下會產(chǎn)生不可忽略的蠕變，這也嚴重限制了DEA抓握器的使用壽命[6]。

到2014年，清潔太空一號的PHASE 2013方案基本完成了詳細的設計，而隨著這一輪的方案更迭，清潔太空一號的計劃任務時間也被延遲到了2018年[7]。

三、2015：改弦更張

然而，時間進入2015年后，清潔太空一號初步完成的總體方案再次遭到更換。在EPFL對外公布的PHASE 2015設計方案中，清潔太空一號衛(wèi)星繼續(xù)“擴容增重”，成為一顆總重80kg、邊長40cm的立方體外形衛(wèi)星[8]；而這一輪方案修改，最顯著的變化則是其抓捕機構的更換。新的抓捕機構拋棄了機械臂-軟體機械爪的設計，采用了可展開的體裝式蛛網(wǎng)捕捉器。蛛網(wǎng)捕捉器以六根帶有曲率的碳/環(huán)氧樹脂雙穩(wěn)態(tài)卷材復合材料(carbon/epoxy bistable reeled composites,BRCs)桿作為操縱機構和剛性支架，并在桿之間張起平行的網(wǎng)繩構成完整的抓捕器。BRC桿具有雙穩(wěn)態(tài)特性，它的結構類似魔術棒，是由具有平面矩形幾何的碳/環(huán)氧樹脂復合材料沿短邊卷曲形成帶有側開口的空心桿。沿長邊卷曲的時候，BRC桿即進入緊湊的存儲狀態(tài)，滿足衛(wèi)星的運輸和發(fā)射需要。展開時，抓捕機構的6根BRC管分布在正六邊形棱臺的6條棱上，與管之間張出的平行網(wǎng)共同構成抓捕包絡，以捕捉目標物SwissCube。（參見圖4）

雖然EPFL航天中心并沒有直接說明其更改設計方案的原因，但可以推測，設計方案的大規(guī)模更迭可能由以下幾種原因造成：

第一，如參與研發(fā)的博士生Christophe Paccolat所述[9]，“目標物SwissCube在空間環(huán)境中不僅僅是一個的簡單立方體，其表面具有不同反射度的部件在太陽光照下呈現(xiàn)出復雜的視覺特性，使得清潔太空一號對目標進行精確視覺定位的難度大大增加，這可能造成對速度和距離的錯誤估計”。視覺定位的較低精度增加了DEA抓握器準確抓持SwissCube的難度。由于DEA抓握器的設計僅僅能剛好包括SwissCube，DEA抓握器的柔性并不能有效消除視覺定位帶來的誤差，也因此，一個帶有誤差的抓取動作可能直接將SwissCube彈開，造成任務的失敗。而抓捕包絡更大的蛛網(wǎng)抓捕機構顯然能更好的避免這個問題。

第二，在前續(xù)的實驗測試中，DEA抓握器的抓握力尚不能達到工程的實際需要，而這一問題并沒有得到解決。

第三，2013年的初步設計方案雖然能夠捕獲SwissCube一類的小型目標，但對Vespa一類的大型目標無能為力。為了獲得更好的目標兼容性以及商業(yè)可行性，抓捕機構從機械臂連接的DEA抓握器變?yōu)榱酥刖W(wǎng)狀捕捉器。

EPFL的研究人員在提出了PHASE 2015的設計方案后，將清潔太空一號的任務時間進一步推遲到了2020年[8]。

到2018年，清潔太空一號的技術團隊在EPFL的支持下成立了初創(chuàng)公司“ClearSpace Today”（以下簡稱CST），以進一步完善清潔太空一號的設計并將這一模式商業(yè)化[10]。他們認為，PHASE 2015方案的兼容性足夠好，不僅能實現(xiàn)捕捉清除SwissCube的特定任務，更能有效兼容針對300kg以下的各類太空垃圾的清除任務[11]，這也從技術上確保了該項目的商業(yè)可行性。

四、2020：更大的目標

在2019年12月，CST公司憑借多年的技術積累，成功與歐空局簽訂了一份執(zhí)行殘骸清除任務的合同。在這份合同中，CST將運用在清潔太空一號項目上的技術積累，設計清朗空間一號（ClearSpace One）衛(wèi)星，以在2025年完成清除Vespa上面級的任務[12]。清朗空間一號任務將置于歐空局的主動殘骸清除/在軌服務（Debris Removal/ In-Orbit Servicing,ADRIOS）項目下，并由歐空局提供主要的資金支持。[13]根據(jù)歐空局的估計，這一清除任務（研發(fā)、制造、發(fā)射）將會花費約1.2億歐元。因此，歐空局將首先向CST公司提供約7千萬歐元的資金，以支持CST前三年的研發(fā)制造任務。除此以外的資金，CST公司將通過兩種方式獲得。一是向私人企業(yè)募集，二則是由歐空局在2022年的部長級會議上對項目進行審核后由歐空局提供[12]。

基于清潔太空一號方案的設計經(jīng)驗，CST公司提出了新的、運用四支剛性機械臂捕捉Vespa上面級的方案。據(jù)CST公司CEO Luc Piguet所述，該航天器“質量大約400千克，將具有高度的自主性。在首次任務中，航天器將依賴化學推進系統(tǒng)進行軌道機動，并隨目標物一起再入大氣層銷毀。而后續(xù)型號將換裝化學-電推混合推進系統(tǒng)，以實現(xiàn)單機多次殘骸清理”[12]。ESA認為，Vespa上面級具有簡潔的幾何外形，是進行首次太空垃圾清理演示驗證的理想目標。除此之外，Vespa上面級還與大多數(shù)小衛(wèi)星具有類似的質量，諸如質量120千克的SkySat衛(wèi)星、質量150千克的OneWeb互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星。如若首次任務成功，將為空間殘骸清理更長遠的發(fā)展提供堅實的基礎。在任務規(guī)劃方面，清朗空間一號將首先依照歐空局的要求、由歐洲制造的發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射至500km的近地軌道進行調試和技術測試；隨后，清朗空間一號再升軌至Vespa上面級所在的軌道（），以實現(xiàn)交會抓捕。（參見圖5）

隨著歐空局大規(guī)模資金的注入，EPFL的“商業(yè)可行”的太空垃圾清理愿景逐漸變得堅實起來。雖然前后已足八年，方案四經(jīng)更迭，但清潔太空一號及其后續(xù)方案的發(fā)展，誰也不敢如女巫占卜般去描畫一個確定詳細的未來。畢竟，馬斯克在2002年創(chuàng)辦SpaceX的時候，大多數(shù)人都覺得他是個瘋子。清潔太空一號的未來，我們還需拭目以待。

注釋

[1]Spark J.CleanSpace One Satellite to Clean Up Space Debris[EB/OL].,2012(2012)[2020-03-25].http://www.spacesafetymagazine.com/news/cleanspace-satellite-clean-spacedebris/.

[2]Pousaz L.Orbital Cleanup Satellite to be Launched in Partnership with S3 -EPFL[EB/OL].,2013(2013)[2020-03-24].https://actu.epfl.ch/news/orbital-cleanup-satellite-to-belaunched-in-partne/.

[3]Richard M,Kronig L G,Belloni F,Gass V,Araromi,Oluwaseun Adelowo Gavrilovich I,Shea H,Paccolat C,Thiran J-P.Uncooperative Rendezvous and Docking for MicroSats[C]//6th International Conference on Recent Advances in Space Technologies.,2013(June):12-14.

[4]Gavrilovich I,Shea H.Phase 0CleanSpace One Gripper Report[J].,2013:1-57.

[5]Rosset S,Araromi O A,Shintake J,Shea H R.IOP Publishing,2014.Model and design of dielectric elastomer minimum energy structures[J].Smart Materials and Structures,2014,23(8):085021.

[6]Araromi O A,Gavrilovich I,Shintake J,Rosset S,Shea H R.Towards a deployable satellite gripper based on multisegment dielectric elastomer minimum energy structures[C]//BARCOHEN Y.Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD).,2014,9056:90562G.

[7]CleanSpace One Gets Boost with Launch Agreement[EB/OL].,2013(2013)[2020-03-25].http://www.spacesafetymagazine.com/news/cleanspace-boost-launch-agreement/.

[8]Space Technology at EPFL[R].,2015.

[9]A giant Pac-Man to gobble up space debris[EB/OL].,2015(2015)[2020-03-25].https://phys.org/news/2015-07-giant-pacman-gobble-space-debris.html.

[10]Perrin S.How a startup plans to clean up space -EPFL[EB/OL].,2017(2017)[2020-03-24].https://actu.epfl.ch/news/how-a-startupplans-to-clean-up-space-2/.

[11]Brisson P.ClearSpace,a public interest undertaking for our cognosphere -EPFL[EB/OL].,2019(2019)[2020-03-24].https://actu.epfl.ch/news/clearspace-a-public-interestundertaking-for-our-c/.

[12]Henry C.Swiss startup ClearSpace wins ESA contract to deorbit Vega rocket debris -SpaceNews.com[EB/OL].,2019(2019)[2020-03-25].https://spacenews.com/swiss-startupclearspace-wins-esa-contract-to-deorbitvega-rocket-debris/.

[13]Williams M.An Upcoming ESA Mission is Going to Remove one Piece of Space Junk From Orbit -Universe Today[EB/OL].,2019(2019)[2020-03-25].https://www.universetoday.com/144353/an-upcoming-esamission-is-going-to-remove-one-piece-ofspace-junk-from-orbit/.