清洁太空一号：世界首个太空垃圾清除任务

文/ 余霖

▲ “清洁太空一号”任务捕获“维帕斯”的概念图

欧洲空间局与瑞士初创公司清洁太空公司（clearspace）SA 领导的工业团队于2020 年12 月1 日签署了一项价值8600 万欧元（约合6.8 亿人民币）的合同，用来购买一项独特的服务：首次从轨道上清除一个太空垃圾。

地球周围的太空正变得越来越拥挤，越来越多的卫星在到达它们的使用寿命后停驻在轨道上，而较高轨道上的卫星可以持续存在数百年甚至数千年之久。除此之外，弃置的火箭级如果没被推入大气层，也会成为太空垃圾的另一个主要源头。这些无用的太空垃圾威胁着正常工作的卫星和航天员的安全。特别是近年兴起的低轨互联网热潮，更是加速了这一趋势。。

根据欧空局与瑞士清洁太空公司签订的项目合同，世界上第一个太空垃圾清洁卫星“清洁太空一号”将于2025 年发射。

任务描述

目前，人类已经提出了许多清除太空垃圾的技术途径，利用航天器将太空垃圾抓取后带离轨道的做法是最为成熟的。清洁太空公司将在2025 年启动这个主动清除太空垃圾的项目，即“清洁太空一号”任务（ClearSpace-1）采取的也是这种形式。

该任务的目标是织女星运载火箭二级的有效载荷适配器“维斯帕”上面级。这个上面级已经在太空飘荡了7年，在“织女星”第二次飞行之后，于2013 年遗留在了太空之中，位于大约801 千米×664 千米的高空逐渐报废轨道上。“维斯帕”上面级的外形为圆柱和圆锥的结合体，直径约为2.1 米，高约为1.3 米，质量约为112 千克，大小接近一颗小型卫星，相对简单的形状和坚固的结构让它成为了首次捕获的合适目标，后续任务将捕获体型更大、更具挑战性的目标物，最终将进行多目标捕获。

▲ 飘浮在太空轨道的空间碎片

▲ “清洁太空一号”准备与“维帕斯”汇合

按照计划，“清洁太空一号”将由织女星-C 火箭发射升空，先被部署到500 千米高度的轨道上进行一系列的测试。当卫星的状态确认正常后，“清洁太空一号”将会逐步调高轨道，利用四重机械臂进行交会和捕获，在欧空局的监督下开始进行捕捉“维斯帕”的工作。如果顺利的话，“清洁太空一号”将把它抓获后拖带重新进入地球大气层，通过与大气层相互作用的方式燃烧殆尽。

商业模式

相比直接采购并运行整个任务，欧空局这次选择的是一种新的业务开展途径：为服务合同买单。

欧空局仅对这次任务进行了部分购买，并非为“清洁太空一号”的研发全部买单，也就是除8600 万欧元的资金外，清洁太空公司本身还将通过其他商业投资者募集余下的2400 万欧元任务费用。

除此之外，欧空局也为任务的关键飞行技术提供了支持，通过“主动垃圾清除/在轨检修”计划，发展成该机构主动清洁太空项目的一部分。其中包括先进的制导、导航和控制系统，以及基于视觉的人工智能（AI），这使得“追捕”卫星可以自主、安全地靠近目标，并使用机械臂实现捕获。

挑战难题

清洁太空公司是一家分拆公司，由洛桑联邦理工学院经验丰富的太空垃圾研究组成员成立，目前正领导一支包括来自多个欧洲国家的公司在内的工业团队，相应的资助将来自瑞士、捷克、德国、瑞典、波兰、英国、葡萄牙和罗马尼亚的多个企业。

欧空局前局长沃纳说：“考虑到现在为止进行的所有轨道捕获，它们的实现都是针对配合性的、完全受控的目标物体。而对于太空垃圾来说，这样的控制是不可能存在的。相反，太空垃圾会漂移，通常还会随机翻滚，是非合作目标，其运动状态具有很大的不确定性和随机性。因此，首次捕获和处理非配合性的太空物体，代表了一项极富挑战性的成就。但是随着卫星总数在未来十年中的迅速增长，定期清除，对控制太空垃圾的数量变得至关重要，这么做的目的是防止可能导致太空垃圾问题进一步恶化的一系列相互碰撞。”

清洁太空公司的创始人兼首席执行官卢格·皮古特说：“在轨道速度下，即使是一颗小小的螺丝钉也可能因撞击受到爆炸般的冲击力，而这是任务设计者所无法避免的。相反，我们需要通过主动清除太空垃圾来应对这种威胁。”“我们的‘拖车’设计将用于清理关键的垃圾轨道，如若不然，这些轨道可能因太空垃圾的存在而无法供未来的任务所使用。‘拖车’设计将消除轨道所有者日益增加的风险威胁和不利条件，同时让整个航天业受益。我们的目标是建立可负担且可持续的在轨服务。”

▲ “织女星”二级有效载荷适配器的上部

欧空局清洁太空项目办公室的负责人路易莎·伊诺森蒂补充说：“具体计划是，将这次开创性的太空垃圾捕获任务作为基础，发展出一个可重复进行的商业案例，不仅适用于全球负责任的参与者来清除太空垃圾，还适用于在轨维修：同样的技术将能让卫星进行在轨加油和维修，从而延长卫星的使用寿命。最终，我们预计这一趋势将扩展到在轨组装、制造和回收。”★

▲ 清洁太空一号卫星