清除太空垃圾試驗(yàn)，他們在行動(dòng)

文/ 李會(huì)超

▲ 清除碎片任務(wù)的主星從國際空間站釋放（實(shí)拍圖）

▲ Astroscale 公司的太空垃圾清除計(jì)劃演示任務(wù)ELSA-d 將于2021 年3 月搭乘聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭從哈薩克斯坦拜科努爾航天發(fā)射場發(fā)射升空

▲ ELSA-d 的服務(wù)星（左）和客戶星（右）

目前，越來越多的機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行太空垃圾主動(dòng)清除技術(shù)的探索，希望能夠?yàn)樘绽鴨栴}提供新的解決方案。照此趨勢發(fā)展，有望在空間碎片領(lǐng)域形成一個(gè)具有一定規(guī)模的商業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，先行者極有可能在這個(gè)市場中占據(jù)主動(dòng)和先機(jī)。其中，日本的宇宙尺度公司的ESA-d 任務(wù)和英國薩里大學(xué)清除碎片任務(wù)已經(jīng)取得了比較明顯的進(jìn)展。

“宇宙尺度”“送終”服務(wù)驗(yàn)證任務(wù)

宇宙尺度公司是一家總部位于日本、研發(fā)機(jī)構(gòu)遍布全球的新技術(shù)公司。目前該公司在太空垃圾主動(dòng)清理、衛(wèi)星在軌加注延壽等方面都有布局。2021年3 月，該公司計(jì)劃使用俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)火箭發(fā)射ELSA-d 任務(wù)的兩顆衛(wèi)星，進(jìn)行報(bào)廢失效衛(wèi)星的清理試驗(yàn)。

ELSA-d 任務(wù)由兩顆衛(wèi)星構(gòu)成：一顆是總重約175 千克的服務(wù)星，另一顆為總重17 千克的客戶星。在試驗(yàn)過程中，客戶星將扮演空間碎片的角色，而服務(wù)星則通過自身的主動(dòng)機(jī)動(dòng)接近并抓取客戶星。由于是初步的技術(shù)驗(yàn)證，為了控制成本，客戶星的體積重量都比未來實(shí)際要面對的報(bào)廢衛(wèi)星低。同時(shí)，和衛(wèi)星失效后處于不受控的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所不同的是，客戶星是一顆受控的衛(wèi)星，可以讓ELSA-d 任務(wù)過程中進(jìn)行多次試驗(yàn)，難度也隨著試驗(yàn)的進(jìn)行而逐漸增加。例如，在一開始的試驗(yàn)中，服務(wù)星將會(huì)嘗試捕捉無翻滾的客戶星，而在后續(xù)的試驗(yàn)中，則會(huì)讓客戶星進(jìn)入更接近真實(shí)的翻滾狀態(tài)。在整個(gè)任務(wù)期間，共有7個(gè)難度不同的測試階段。為了完成捕獲任務(wù)，服務(wù)星必須進(jìn)行復(fù)雜的機(jī)動(dòng)變軌操作，對機(jī)動(dòng)的機(jī)動(dòng)度要求較高，因此它沒有采用依靠一臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)提供所有的動(dòng)力，而是在衛(wèi)星的不同位置安裝了多個(gè)動(dòng)力較小的噴嘴，以實(shí)現(xiàn)靈活的動(dòng)力輸出。

ELSA-d的核心部件是一種名叫“對接版”的對接機(jī)構(gòu)，和以往常用的對接結(jié)構(gòu)不同的是，這種對接機(jī)構(gòu)使用磁力作為衛(wèi)星間互相結(jié)合的動(dòng)力。在客戶星的對接板上，布置了用于近距離制導(dǎo)和導(dǎo)航的光學(xué)標(biāo)志和用于精確測定客戶星距離、姿態(tài)的反射器，可以讓服務(wù)星更容易地識(shí)別、評(píng)估、接近和捕獲客戶星。在真實(shí)的報(bào)廢衛(wèi)星清理操作中，服務(wù)星在對接后會(huì)進(jìn)一步拖拽報(bào)廢衛(wèi)星離軌，使它們通過與大氣層的相互作用墜毀，或者進(jìn)入不影響正常衛(wèi)星進(jìn)行服務(wù)的軌道。前不久，近地軌道通信公司“一網(wǎng)”表示將會(huì)和宇宙尺度公司進(jìn)行合作，在每一顆一網(wǎng)公司研制發(fā)射的衛(wèi)星上都安裝該公司開發(fā)的磁性環(huán)，以方便未來的離軌操作。

和太空探索技術(shù)公司的“星鏈”計(jì)劃一樣，“一網(wǎng)”也在籌劃由大量低軌小衛(wèi)星構(gòu)成的低軌衛(wèi)星通信星座。目前，不少專家對這種低軌衛(wèi)星通信星座的空間碎片威脅表示了擔(dān)憂。由于衛(wèi)星星座中衛(wèi)星的數(shù)量極其龐大，如果比例不高的衛(wèi)星出現(xiàn)了問題，其數(shù)量都會(huì)變得十分可觀。

除了在日本的研發(fā)機(jī)構(gòu)外，宇宙尺度公司還擁有遍布全球的研發(fā)機(jī)構(gòu)。ELSA-d 任務(wù)的地面控制工作，將由該家公司設(shè)置在英國的“國家在軌服務(wù)控制中心”來完成。這個(gè)中心由英國政府出資400 萬英鎊資助建成，未來也將助推宇宙尺度公司與英國和歐盟在空間碎片方面的技術(shù)合作。2020 年2 月，宇宙尺度公司還被選為日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)第一個(gè)碎片清除項(xiàng)目第一階段的商業(yè)合作伙伴，將在2022 年日本財(cái)政年度結(jié)束時(shí)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證飛行，通過試驗(yàn)獲得進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)所必需的數(shù)據(jù)。

英國薩里大學(xué)清除碎片任務(wù)

2012 年，歐空局的環(huán)境衛(wèi)星在入軌后失效，成為了一個(gè)新的太空垃圾，在太空中不受控制地翻滾。此次事故促使歐空局開始布局太空垃圾主動(dòng)清理技術(shù)的研發(fā)，希望能夠幫助解決可能會(huì)再次出現(xiàn)的類似問題，應(yīng)對日益嚴(yán)峻的太空垃圾形勢。

來自歐洲各國的工程師們給出了不同部分的工程方案。法國的一個(gè)團(tuán)隊(duì)研制了激光雷達(dá)測距系統(tǒng)，可以為捕捉太空垃圾的衛(wèi)星接近太空垃圾時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航。受19 世紀(jì)捕鯨技術(shù)的啟發(fā)，英國一個(gè)團(tuán)隊(duì)研制了一個(gè)可以在太空中射擊目標(biāo)的魚叉槍裝置，用于捕捉太空垃圾。而德國的團(tuán)隊(duì)則研制了一張可以在微重力條件下對稱打開并緊緊纏繞住目標(biāo)的網(wǎng)，以便清理太空垃圾的衛(wèi)星可以將太空垃圾拖拽清理。

當(dāng)這些技術(shù)匯集到一起后，就形成了清除碎片項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目由英國薩里大學(xué)和空客等企業(yè)出資成立的薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)。作為技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目進(jìn)行過程中，不會(huì)清理實(shí)際的太空垃圾，而是會(huì)利用自身釋放的立方星等實(shí)驗(yàn)裝置，對各種垃圾清理技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證測試。

▲日本宇宙尺度公司設(shè)在英國的地面控制中心

清除碎片任務(wù)的部署方式也比較特別，它并不是由火箭發(fā)射到太空之中，而是隨著其他的貨物和補(bǔ)給，搭乘太空探索技術(shù)公司的龍貨運(yùn)飛船飛往國際空間站，并由國際空間站上的航天員和機(jī)械臂一同釋放到軌道上。這樣雖然可以降低成本、減少風(fēng)險(xiǎn)，但隨之也帶來了新的風(fēng)險(xiǎn)——美國宇航局的官員擔(dān)心萬一在任務(wù)進(jìn)行過程中出現(xiàn)意外，射出的網(wǎng)將會(huì)纏繞住國際空間站的某個(gè)艙室，造成事故。為此，清除碎片任務(wù)的技術(shù)人員不得不反復(fù)地向美國宇航局的技術(shù)人員證明他們的安全性，并最終得到了許可。

▲ 歐洲2012 年入軌失效的環(huán)境衛(wèi)星

▲ELSA-d 衛(wèi)星在廠房中等待運(yùn)輸

清除碎片任務(wù)的主星在2018 年6月從國際空間站中釋放，由此也成為國際空間站部署的最大的衛(wèi)星。同年整個(gè)夏天，英國薩里大學(xué)的團(tuán)隊(duì)對衛(wèi)星進(jìn)行了多項(xiàng)測試，確認(rèn)了技術(shù)狀態(tài)良好后，終于在當(dāng)年9 月開始了第一次漁網(wǎng)捕獲實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的指令在衛(wèi)星飛經(jīng)英國上空時(shí)發(fā)出，但實(shí)驗(yàn)是在當(dāng)時(shí)光照條件更好的亞洲上空進(jìn)行的。由于沒有使用成本較高的測控通信方案，因此地面的技術(shù)人員們并不能實(shí)時(shí)看到衛(wèi)星上的圖像，只能通過傳感器傳回的各類信息推斷實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的情況，并等待衛(wèi)星傳回質(zhì)量不高的、非實(shí)時(shí)的視頻畫面。不過令技術(shù)人員們感到高興的是，雖然網(wǎng)張開的過程不是特別完美，但還是成功地套住了由主星釋放、作為目標(biāo)的立方星，實(shí)驗(yàn)取得了成功。之后幾個(gè)月，它們還成功地使用魚叉擊中了試驗(yàn)用的靶標(biāo)板。這些經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)在經(jīng)過歐空局的進(jìn)一步評(píng)估后，可能會(huì)應(yīng)用于歐空局的清理太空垃圾任務(wù)，清除失控的歐空局環(huán)境衛(wèi)星?！?/p>

▲ 清除碎片任務(wù)使用網(wǎng)狀裝置捕捉失效衛(wèi)星示意圖