清除太空垃圾試驗，他們在行動

文/ 李會超

▲ 清除碎片任務的主星從國際空間站釋放（實拍圖）

▲ Astroscale 公司的太空垃圾清除計劃演示任務ELSA-d 將于2021 年3 月搭乘聯(lián)盟號運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 的服務星（左）和客戶星（右）

目前，越來越多的機構正在進行太空垃圾主動清除技術的探索，希望能夠為太空垃圾問題提供新的解決方案。照此趨勢發(fā)展，有望在空間碎片領域形成一個具有一定規(guī)模的商業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，先行者極有可能在這個市場中占據(jù)主動和先機。其中，日本的宇宙尺度公司的ESA-d 任務和英國薩里大學清除碎片任務已經(jīng)取得了比較明顯的進展。

“宇宙尺度”“送終”服務驗證任務

宇宙尺度公司是一家總部位于日本、研發(fā)機構遍布全球的新技術公司。目前該公司在太空垃圾主動清理、衛(wèi)星在軌加注延壽等方面都有布局。2021年3 月，該公司計劃使用俄羅斯的聯(lián)盟號火箭發(fā)射ELSA-d 任務的兩顆衛(wèi)星，進行報廢失效衛(wèi)星的清理試驗。

ELSA-d 任務由兩顆衛(wèi)星構成：一顆是總重約175 千克的服務星，另一顆為總重17 千克的客戶星。在試驗過程中，客戶星將扮演空間碎片的角色，而服務星則通過自身的主動機動接近并抓取客戶星。由于是初步的技術驗證，為了控制成本，客戶星的體積重量都比未來實際要面對的報廢衛(wèi)星低。同時，和衛(wèi)星失效后處于不受控的運動狀態(tài)所不同的是，客戶星是一顆受控的衛(wèi)星，可以讓ELSA-d 任務過程中進行多次試驗，難度也隨著試驗的進行而逐漸增加。例如，在一開始的試驗中，服務星將會嘗試捕捉無翻滾的客戶星，而在后續(xù)的試驗中，則會讓客戶星進入更接近真實的翻滾狀態(tài)。在整個任務期間，共有7個難度不同的測試階段。為了完成捕獲任務，服務星必須進行復雜的機動變軌操作，對機動的機動度要求較高，因此它沒有采用依靠一臺主發(fā)動機提供所有的動力，而是在衛(wèi)星的不同位置安裝了多個動力較小的噴嘴，以實現(xiàn)靈活的動力輸出。

ELSA-d的核心部件是一種名叫“對接版”的對接機構，和以往常用的對接結構不同的是，這種對接機構使用磁力作為衛(wèi)星間互相結合的動力。在客戶星的對接板上，布置了用于近距離制導和導航的光學標志和用于精確測定客戶星距離、姿態(tài)的反射器，可以讓服務星更容易地識別、評估、接近和捕獲客戶星。在真實的報廢衛(wèi)星清理操作中，服務星在對接后會進一步拖拽報廢衛(wèi)星離軌，使它們通過與大氣層的相互作用墜毀，或者進入不影響正常衛(wèi)星進行服務的軌道。前不久，近地軌道通信公司“一網(wǎng)”表示將會和宇宙尺度公司進行合作，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。

和太空探索技術公司的“星鏈”計劃一樣，“一網(wǎng)”也在籌劃由大量低軌小衛(wèi)星構成的低軌衛(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)量都會變得十分可觀。

除了在日本的研發(fā)機構外，宇宙尺度公司還擁有遍布全球的研發(fā)機構。ELSA-d 任務的地面控制工作，將由該家公司設置在英國的“國家在軌服務控制中心”來完成。這個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)機構第一個碎片清除項目第一階段的商業(yè)合作伙伴，將在2022 年日本財政年度結束時進行技術驗證飛行，通過試驗獲得進一步改進技術所必需的數(shù)據(jù)。

英國薩里大學清除碎片任務

2012 年，歐空局的環(huán)境衛(wèi)星在入軌后失效，成為了一個新的太空垃圾，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清理技術的研發(fā)，希望能夠幫助解決可能會再次出現(xiàn)的類似問題，應對日益嚴峻的太空垃圾形勢。

來自歐洲各國的工程師們給出了不同部分的工程方案。法國的一個團隊研制了激光雷達測距系統(tǒng)，可以為捕捉太空垃圾的衛(wèi)星接近太空垃圾時進行導航。受19 世紀捕鯨技術的啟發(fā)，英國一個團隊研制了一個可以在太空中射擊目標的魚叉槍裝置，用于捕捉太空垃圾。而德國的團隊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。

當這些技術匯集到一起后，就形成了清除碎片項目。這個項目由英國薩里大學和空客等企業(yè)出資成立的薩里衛(wèi)星技術有限公司負責。作為技術試驗項目，該項目進行過程中，不會清理實際的太空垃圾，而是會利用自身釋放的立方星等實驗裝置，對各種垃圾清理技術進行驗證測試。

▲日本宇宙尺度公司設在英國的地面控制中心

清除碎片任務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給，搭乘太空探索技術公司的龍貨運飛船飛往國際空間站，并由國際空間站上的航天員和機械臂一同釋放到軌道上。這樣雖然可以降低成本、減少風險，但隨之也帶來了新的風險——美國宇航局的官員擔心萬一在任務進行過程中出現(xiàn)意外，射出的網(wǎng)將會纏繞住國際空間站的某個艙室，造成事故。為此，清除碎片任務的技術人員不得不反復地向美國宇航局的技術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)星在廠房中等待運輸

清除碎片任務的主星在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。同年整個夏天，英國薩里大學的團隊對衛(wèi)星進行了多項測試，確認了技術狀態(tài)良好后，終于在當年9 月開始了第一次漁網(wǎng)捕獲實驗。整個實驗的指令在衛(wèi)星飛經(jīng)英國上空時發(fā)出，但實驗是在當時光照條件更好的亞洲上空進行的。由于沒有使用成本較高的測控通信方案，因此地面的技術人員們并不能實時看到衛(wèi)星上的圖像，只能通過傳感器傳回的各類信息推斷實驗進行的情況，并等待衛(wèi)星傳回質(zhì)量不高的、非實時的視頻畫面。不過令技術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、作為目標的立方星，實驗取得了成功。之后幾個月，它們還成功地使用魚叉擊中了試驗用的靶標板。這些經(jīng)過驗證的技術在經(jīng)過歐空局的進一步評估后，可能會應用于歐空局的清理太空垃圾任務，清除失控的歐空局環(huán)境衛(wèi)星。★

▲ 清除碎片任務使用網(wǎng)狀裝置捕捉失效衛(wèi)星示意圖