清潔太空一號：世界首個太空垃圾清除任務

文/ 余霖

▲ “清潔太空一號”任務捕獲“維帕斯”的概念圖

歐洲空間局與瑞士初創公司清潔太空公司（clearspace）SA 領導的工業團隊于2020 年12 月1 日簽署了一項價值8600 萬歐元（約合6.8 億人民幣）的合同，用來購買一項獨特的服務：首次從軌道上清除一個太空垃圾。

地球周圍的太空正變得越來越擁擠，越來越多的衛星在到達它們的使用壽命后停駐在軌道上，而較高軌道上的衛星可以持續存在數百年甚至數千年之久。除此之外，棄置的火箭級如果沒被推入大氣層，也會成為太空垃圾的另一個主要源頭。這些無用的太空垃圾威脅著正常工作的衛星和航天員的安全。特別是近年興起的低軌互聯網熱潮，更是加速了這一趨勢。。

根據歐空局與瑞士清潔太空公司簽訂的項目合同，世界上第一個太空垃圾清潔衛星“清潔太空一號”將于2025 年發射。

任務描述

目前，人類已經提出了許多清除太空垃圾的技術途徑，利用航天器將太空垃圾抓取后帶離軌道的做法是最為成熟的。清潔太空公司將在2025 年啟動這個主動清除太空垃圾的項目，即“清潔太空一號”任務（ClearSpace-1）采取的也是這種形式。

該任務的目標是織女星運載火箭二級的有效載荷適配器“維斯帕”上面級。這個上面級已經在太空飄蕩了7年，在“織女星”第二次飛行之后，于2013 年遺留在了太空之中，位于大約801 千米×664 千米的高空逐漸報廢軌道上?！熬S斯帕”上面級的外形為圓柱和圓錐的結合體，直徑約為2.1 米，高約為1.3 米，質量約為112 千克，大小接近一顆小型衛星，相對簡單的形狀和堅固的結構讓它成為了首次捕獲的合適目標，后續任務將捕獲體型更大、更具挑戰性的目標物，最終將進行多目標捕獲。

▲ 飄浮在太空軌道的空間碎片

▲ “清潔太空一號”準備與“維帕斯”匯合

按照計劃，“清潔太空一號”將由織女星-C 火箭發射升空，先被部署到500 千米高度的軌道上進行一系列的測試。當衛星的狀態確認正常后，“清潔太空一號”將會逐步調高軌道，利用四重機械臂進行交會和捕獲，在歐空局的監督下開始進行捕捉“維斯帕”的工作。如果順利的話，“清潔太空一號”將把它抓獲后拖帶重新進入地球大氣層，通過與大氣層相互作用的方式燃燒殆盡。

商業模式

相比直接采購并運行整個任務，歐空局這次選擇的是一種新的業務開展途徑：為服務合同買單。

歐空局僅對這次任務進行了部分購買，并非為“清潔太空一號”的研發全部買單，也就是除8600 萬歐元的資金外，清潔太空公司本身還將通過其他商業投資者募集余下的2400 萬歐元任務費用。

除此之外，歐空局也為任務的關鍵飛行技術提供了支持，通過“主動垃圾清除/在軌檢修”計劃，發展成該機構主動清潔太空項目的一部分。其中包括先進的制導、導航和控制系統，以及基于視覺的人工智能（AI），這使得“追捕”衛星可以自主、安全地靠近目標，并使用機械臂實現捕獲。

挑戰難題

清潔太空公司是一家分拆公司，由洛桑聯邦理工學院經驗豐富的太空垃圾研究組成員成立，目前正領導一支包括來自多個歐洲國家的公司在內的工業團隊，相應的資助將來自瑞士、捷克、德國、瑞典、波蘭、英國、葡萄牙和羅馬尼亞的多個企業。

歐空局前局長沃納說：“考慮到現在為止進行的所有軌道捕獲，它們的實現都是針對配合性的、完全受控的目標物體。而對于太空垃圾來說，這樣的控制是不可能存在的。相反，太空垃圾會漂移，通常還會隨機翻滾，是非合作目標，其運動狀態具有很大的不確定性和隨機性。因此，首次捕獲和處理非配合性的太空物體，代表了一項極富挑戰性的成就。但是隨著衛星總數在未來十年中的迅速增長，定期清除，對控制太空垃圾的數量變得至關重要，這么做的目的是防止可能導致太空垃圾問題進一步惡化的一系列相互碰撞?！?/p>

清潔太空公司的創始人兼首席執行官盧格·皮古特說：“在軌道速度下，即使是一顆小小的螺絲釘也可能因撞擊受到爆炸般的沖擊力，而這是任務設計者所無法避免的。相反，我們需要通過主動清除太空垃圾來應對這種威脅?！薄拔覀兊摹宪嚒O計將用于清理關鍵的垃圾軌道，如若不然，這些軌道可能因太空垃圾的存在而無法供未來的任務所使用?！宪嚒O計將消除軌道所有者日益增加的風險威脅和不利條件，同時讓整個航天業受益。我們的目標是建立可負擔且可持續的在軌服務?！?/p>

▲ “織女星”二級有效載荷適配器的上部

歐空局清潔太空項目辦公室的負責人路易莎·伊諾森蒂補充說：“具體計劃是，將這次開創性的太空垃圾捕獲任務作為基礎，發展出一個可重復進行的商業案例，不僅適用于全球負責任的參與者來清除太空垃圾，還適用于在軌維修：同樣的技術將能讓衛星進行在軌加油和維修，從而延長衛星的使用壽命。最終，我們預計這一趨勢將擴展到在軌組裝、制造和回收?！薄?/p>

▲ 清潔太空一號衛星