日本空間碎片移除技術(shù)新進(jìn)展淺析

賈平,許柏,賈琳,張肇瑞,劉慧,耿嘉

(1.中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院,北京 100037;2.戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天系統(tǒng)部裝備部裝備保障隊(duì),北京 100000)

1 引言

2021年至今,日本在頂層戰(zhàn)略和路線的牽引下,同時(shí)推進(jìn)多個(gè)空間碎片移除項(xiàng)目發(fā)展,率先開(kāi)展了磁力捕獲技術(shù)在軌驗(yàn)證,同時(shí)探索機(jī)械臂捕獲的可行性等研究,采取了統(tǒng)籌規(guī)劃、循序漸進(jìn)、國(guó)際合作等系列發(fā)展舉措。日本與歐洲均計(jì)劃于2025年左右提供世界首次商業(yè)服務(wù),以加速搶占太空環(huán)境治理首席國(guó)家的地位。與歐洲相比,日本近兩年進(jìn)展更多更大,有望奪得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),將對(duì)世界商業(yè)航天市場(chǎng)、太空安全局勢(shì)等產(chǎn)生重要影響,其研究進(jìn)展和舉措值得密切跟蹤研究。

2 發(fā)展背景

2.1 太空態(tài)勢(shì)感知與攻防能力需求迫切

近年,日本將太空作為新作戰(zhàn)域,謀求在平戰(zhàn)時(shí)期有效利用太空。在此背景下,其太空態(tài)勢(shì)感知與攻防能力需求不斷增大。日本內(nèi)閣《宇宙基本計(jì)劃》將“增強(qiáng)太空態(tài)勢(shì)感知能力”作為重點(diǎn)修訂內(nèi)容;防衛(wèi)省《防衛(wèi)計(jì)劃大綱》和《防衛(wèi)白皮書(shū)》等明確“太空成為新作戰(zhàn)域”,并提出發(fā)展太空防御技術(shù);已成立負(fù)責(zé)太空目標(biāo)監(jiān)視的宇宙部隊(duì),正發(fā)展所需裝備?？臻g碎片移除技術(shù)具有軍民兩用性,既可監(jiān)視和移除空間碎片,也具有監(jiān)視和移除毀傷現(xiàn)役衛(wèi)星的應(yīng)用潛力,是日本尋求太空態(tài)勢(shì)感知與攻防能力的優(yōu)選方案。

2.2 衛(wèi)星離軌和危險(xiǎn)碎片移除商業(yè)服務(wù)需求增大

隨著微小衛(wèi)星星座部署越來(lái)越多,軌位資源更加稀缺,空間碎片數(shù)量連年攀升,與衛(wèi)星碰撞風(fēng)險(xiǎn)隨之增大。同時(shí),聯(lián)合國(guó)和平利用外層空間委員會(huì)(COPUOS)規(guī)定,衛(wèi)星應(yīng)在任務(wù)結(jié)束后離軌或機(jī)動(dòng)到處置軌道。在此背景下,美國(guó)、歐洲、日本近年越發(fā)重視發(fā)展空間碎片移除技術(shù),尋求開(kāi)辟新興商業(yè)航天市場(chǎng),以滿足退役衛(wèi)星離軌、空出稀缺軌位的需求,以及移除高碰撞風(fēng)險(xiǎn)空間碎片、保障太空資產(chǎn)安全的需求。

2.3 持續(xù)研究?jī)?chǔ)備碎片移除技術(shù)基礎(chǔ)

日本是較早開(kāi)展空間碎片移除技術(shù)研究的國(guó)家之一?？臻g碎片交會(huì)逼近技術(shù)方面:1997年,“工程試驗(yàn)衛(wèi)星”-7(ETS-Ⅶ)項(xiàng)目在軌驗(yàn)證了針對(duì)合作目標(biāo)的交會(huì)對(duì)接技術(shù)和地面遙操作等技術(shù)。空間碎片捕獲技術(shù)方面:ETS-Ⅶ項(xiàng)目亦驗(yàn)證了機(jī)械臂捕獲和在軌模塊更換技術(shù),可用于捕獲退役衛(wèi)星;2017年,“空間碎片清理者”(SDMR)項(xiàng)目完成輕型折疊機(jī)械臂樣機(jī)試驗(yàn)?？臻g碎片拖曳離軌方面:SDMR和“白鸛號(hào)集成繩系實(shí)驗(yàn)”(KITE)驗(yàn)證任務(wù)均研究利用電動(dòng)繩系系統(tǒng)拖曳空間碎片離軌,后者在2017年開(kāi)展繩系裝置在軌驗(yàn)證,但繩系未能展開(kāi)。上述項(xiàng)目的技術(shù)研究和在軌驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn),為日本近兩年快速發(fā)展空間碎片移除技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 最新進(jìn)展

日本宇宙尺度(Astroscale)公司和富士通公司多角度開(kāi)展空間碎片移除項(xiàng)目。其中,Astroscale公司處于日本甚至國(guó)際業(yè)界領(lǐng)先地位,初步驗(yàn)證了針對(duì)合作目標(biāo)的捕獲技術(shù),同時(shí)積極推進(jìn)低軌退役小衛(wèi)星和火箭上面級(jí)移除任務(wù),有望在2024年率先提供服務(wù)。

3.1 開(kāi)展針對(duì)低軌合作目標(biāo)的磁力捕獲技術(shù)驗(yàn)證

2021年,Astroscale公司通過(guò)“宇宙尺度壽終服務(wù)-驗(yàn)證”(ELSA-d)系統(tǒng),開(kāi)展世界首次磁力空間碎片捕獲技術(shù)在軌驗(yàn)證,如圖1所示。同年3月,服務(wù)衛(wèi)星和模擬空間碎片的目標(biāo)衛(wèi)星通過(guò)磁力吸附,一起進(jìn)入550km太陽(yáng)同步軌道并進(jìn)行調(diào)試;8月,服務(wù)衛(wèi)星將目標(biāo)衛(wèi)星推離數(shù)厘米,而后在地面人員操控下利用永磁體機(jī)構(gòu)吸附姿態(tài)穩(wěn)定的目標(biāo)衛(wèi)星,初步驗(yàn)證了捕獲能力。2022年4月,服務(wù)衛(wèi)星在推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)生部分故障的情況下,從1700km機(jī)動(dòng)至距目標(biāo)衛(wèi)星159m的距離,同時(shí)驗(yàn)證了搜索和檢查目標(biāo)的能力。

圖1 ELSA-d在軌驗(yàn)證概念圖Fig.1 Concept diagram for on-orbit demonstration of ELSA-d

3.2 開(kāi)始研制服務(wù)低軌合作小衛(wèi)星的航天器平臺(tái)

2021年5月,Astroscale英國(guó)分公司授予瑞典AAC克萊德航天公司合作合同,以研制ELSA-M航天器平臺(tái)。ELSA-M基于ELSA-d驗(yàn)證的交會(huì)逼近技術(shù)并進(jìn)行優(yōu)化,同樣采用磁力捕獲方案;可在1次任務(wù)中移除3～4個(gè)退役低軌小衛(wèi)星;此研制已獲歐洲航天局(ESA)、英國(guó)航天局和一網(wǎng)公司等資助;平臺(tái)將于2022年完成研制,航天器將在2024年入軌服務(wù)。一網(wǎng)公司已承諾為后續(xù)發(fā)射的“一網(wǎng)”衛(wèi)星安裝鐵磁對(duì)接板,以便接受ELSA-M的壽終離軌服務(wù)。

3.3 開(kāi)展針對(duì)非合作火箭上面級(jí)逼近詳查航天器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)

Astroscale公司正在開(kāi)展“宇宙尺度-日本主動(dòng)碎片移除”(ADRAS-J)航天器關(guān)鍵設(shè)計(jì),并于2021年9月向美國(guó)火箭實(shí)驗(yàn)室公司采購(gòu)發(fā)射服務(wù)。該航天器用于落實(shí)日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)“商業(yè)移除碎片驗(yàn)證”(CRD2)計(jì)劃第一階段,旨在針對(duì)日本在軌火箭上面級(jí),驗(yàn)證與非合作目標(biāo)的交會(huì)逼近技術(shù),對(duì)其表征并收集相關(guān)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)(JAXA稱這將是全球首批大型空間碎片觀測(cè)數(shù)據(jù)),如圖2所示。該航天器基于ELSA-M和ELSA-d技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā),裝有紅外相機(jī)和激光雷達(dá)等傳感器,質(zhì)量180kg,計(jì)劃2022年總裝,2023年發(fā)射。

圖2 ADRAS-J開(kāi)展CRD2第一階段任務(wù)概念圖Fig.2 Concept of ADRAS-J carrying out CRD2 Phase 1 mission

3.4 開(kāi)展針對(duì)低軌非合作衛(wèi)星的機(jī)械臂移除任務(wù)可行性研究

2021年10月,Astroscale公司獲英國(guó)航天局資助,開(kāi)展“通過(guò)創(chuàng)新抓捕清潔外空任務(wù)”(COSMIC),擬在2025年前移除多顆英國(guó)退役低軌衛(wèi)星。該公司正與歐洲泰雷茲·阿萊尼亞航天公司和加拿大MDA公司合作開(kāi)展可行性研究。COSMIC航天器可重復(fù)使用,平臺(tái)基于ELSA-M研制,有效載荷采用機(jī)械臂而非ELSA-M的磁力捕獲裝置。

3.5 首提量子啟發(fā)計(jì)算與人工智能結(jié)合的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)方案

2021年7月,日本富士通公司英國(guó)分公司與美國(guó)亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司、英國(guó)格拉斯哥大學(xué)合作提出該系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程為:輸入空間碎片數(shù)據(jù);利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算最佳軌道轉(zhuǎn)移成本;“數(shù)字退火”計(jì)算機(jī)根據(jù)任務(wù)時(shí)長(zhǎng)、成本、風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)先級(jí)確定最佳軌道轉(zhuǎn)移方案;將轉(zhuǎn)移方案?jìng)鬏斀o空間碎片移除任務(wù)。該系統(tǒng)將使空間碎片移除任務(wù)高效選擇被移除目標(biāo)、確定所需最少推進(jìn)劑和最短時(shí)間、規(guī)劃最佳移除軌跡,從而節(jié)約成本和縮短周期。在輸入數(shù)據(jù)相同的情況下,該系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃用時(shí)0.083s,且可根據(jù)外界條件和任務(wù)需求變化快速重算,而傳統(tǒng)系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃用時(shí)14400s。

4 發(fā)展舉措

日本空間碎片移除技術(shù)發(fā)展舉措主要體現(xiàn)在:政府主導(dǎo),自上以戰(zhàn)略政策和發(fā)展路線牽引,自下以資金和技術(shù)資源托扶;國(guó)內(nèi)多方聯(lián)動(dòng),循序漸進(jìn),以移除非合作目標(biāo)為導(dǎo)向;國(guó)際合作先于競(jìng)爭(zhēng),技術(shù)發(fā)展與國(guó)際規(guī)則制定同步。

4.1 政府統(tǒng)籌規(guī)劃支持民商機(jī)構(gòu)發(fā)展

首次從國(guó)家層面明確空間碎片移除技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略。日本于2020年發(fā)布新版《宇宙基本計(jì)劃》,將推動(dòng)總務(wù)省、防衛(wèi)省、文部科學(xué)省等政府部門與大學(xué)、私營(yíng)公司合作;吸引衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商參與發(fā)展,建立參與者評(píng)估制度;在2021年推進(jìn)建立內(nèi)閣府牽頭、相關(guān)部門分工的工作機(jī)制。

JAXA為商業(yè)項(xiàng)目提供資金和技術(shù)支持。綜合上述發(fā)展動(dòng)向看,Astroscale公司是目前與日本政府機(jī)構(gòu)合作最為緊密的公司之一。一方面,JAXA為其ELSA-d項(xiàng)目提供了諸多支持,例如共同開(kāi)展地面試驗(yàn)和在軌驗(yàn)證數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,以及提供目標(biāo)逼近和捕獲技術(shù)。另一方面,JAXA還通過(guò)CRD2計(jì)劃為其ADRAS-J航天器提供資金和技術(shù)支持。這些舉措體現(xiàn)了上述政策的落實(shí)情況,即推動(dòng)政府部門與私營(yíng)公司合作。

4.2 制定漸進(jìn)發(fā)展路線尋求非合作目標(biāo)移除能力

內(nèi)閣府牽頭制定2027年前發(fā)展路線。根據(jù)2019年內(nèi)閣府聯(lián)合防衛(wèi)省、文部科學(xué)省等制定的路線圖,日本空間碎片移除技術(shù)發(fā)展路線如下:2022年前,實(shí)現(xiàn)空間碎片觀測(cè)技術(shù)重大突破,明確逼近繞飛方式;2023～2027年開(kāi)展捕獲技術(shù)、半自主控制再入技術(shù)和碎片移除基準(zhǔn)系統(tǒng)等在軌驗(yàn)證;2024年發(fā)射大型空間碎片移除試驗(yàn)衛(wèi)星,2025年開(kāi)展移除驗(yàn)證。

在研項(xiàng)目大致遵循路線圖,按“由小到大、由合作到非合作、先觀后捕”思路發(fā)展。一是被移除目標(biāo)尺寸由小到大。移除“一網(wǎng)”衛(wèi)星等小型目標(biāo)的ELSA-M計(jì)劃2024年服務(wù),移除在軌火箭上面級(jí)等大型目標(biāo)的CRD2計(jì)劃2026年開(kāi)展驗(yàn)證。二是被移除目標(biāo)類型由合作到非合作。ELSA-d率先驗(yàn)證移除裝有對(duì)接板、姿態(tài)先可控后不可控目標(biāo),CRD2和COSMIC隨后驗(yàn)證移除無(wú)交會(huì)對(duì)接裝置、姿態(tài)不可控目標(biāo)。三是先逼近觀測(cè)后捕獲移除。CRD2先通過(guò)ADRAS-J驗(yàn)證交會(huì)逼近和繞飛觀測(cè)火箭上面級(jí),再通過(guò)后續(xù)項(xiàng)目驗(yàn)證捕獲和再入大氣技術(shù)。

4.3 廣泛開(kāi)展國(guó)際合作并積極制定國(guó)際規(guī)則

《宇宙基本計(jì)劃》明確提出與盟國(guó)和友好國(guó)家合作開(kāi)展空間碎片移除活動(dòng),并牽頭制定相關(guān)國(guó)際規(guī)則。一是合作國(guó)家/組織廣。上述項(xiàng)目在開(kāi)展過(guò)程中與美國(guó)、歐洲、英國(guó)、加拿大等的政府研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司都有廣泛合作,如美國(guó)亞馬遜公司、ESA、加拿大MDA公司等。二是合作內(nèi)容廣,涉及航天器研制、發(fā)射、地面站建設(shè)與技術(shù)研究、投資、提供服務(wù)等各方面。截至2021年10月,Astroscale公司已獲資1.91億美元。三是通過(guò)制定國(guó)際規(guī)則提高國(guó)際影響力,包括宣傳日本在空間碎片移除領(lǐng)域,為確保可持續(xù)和穩(wěn)定利用太空所作貢獻(xiàn)。在技術(shù)研究過(guò)程中,即制定國(guó)際規(guī)則,有利于技術(shù)在應(yīng)用后搶占話語(yǔ)權(quán)。

5 結(jié)語(yǔ)

日本空間碎片移除技術(shù)迅猛發(fā)展,國(guó)際影響力不斷提升,呈現(xiàn)出開(kāi)辟新興航天市場(chǎng)之態(tài)勢(shì)。隨著大規(guī)模低軌小衛(wèi)星星座激增,空間碎片移除需求愈大,未來(lái)越可能催生競(jìng)爭(zhēng)激烈的新興航天市場(chǎng)。Astroscale公司計(jì)劃2024年提供服務(wù),且已與一網(wǎng)公司等全球多家潛在客戶溝通合作意向。日本與歐洲雖合作甚廣,但競(jìng)爭(zhēng)并存,在研制速度與客戶訂單較理想的情況下,有望在空間碎片移除市場(chǎng)一較高下。同時(shí),日本空間碎片移除技術(shù)將有助其獲取較強(qiáng)的太空態(tài)勢(shì)感知和太空攻防能力,主要體現(xiàn)在:正在發(fā)展的天基交會(huì)逼近和觀測(cè)技術(shù),將促進(jìn)日本逐步建立并完善天地協(xié)同的太空域感知能力;日本衛(wèi)星安裝鐵磁對(duì)接板后,服務(wù)衛(wèi)星可攜其變軌躲避威脅或修正軌道;服務(wù)衛(wèi)星機(jī)動(dòng)性較強(qiáng),可通過(guò)撞擊使目標(biāo)航天器偏軌。