清除太空垃圾试验，他们在行动

文/ 李会超

▲ 清除碎片任务的主星从国际空间站释放（实拍图）

▲ Astroscale 公司的太空垃圾清除计划演示任务ELSA-d 将于2021 年3 月搭乘联盟号运载火箭从哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场发射升空

▲ ELSA-d 的服务星（左）和客户星（右）

目前，越来越多的机构正在进行太空垃圾主动清除技术的探索，希望能够为太空垃圾问题提供新的解决方案。照此趋势发展，有望在空间碎片领域形成一个具有一定规模的商业产业链，先行者极有可能在这个市场中占据主动和先机。其中，日本的宇宙尺度公司的ESA-d 任务和英国萨里大学清除碎片任务已经取得了比较明显的进展。

“宇宙尺度”“送终”服务验证任务

宇宙尺度公司是一家总部位于日本、研发机构遍布全球的新技术公司。目前该公司在太空垃圾主动清理、卫星在轨加注延寿等方面都有布局。2021年3 月，该公司计划使用俄罗斯的联盟号火箭发射ELSA-d 任务的两颗卫星，进行报废失效卫星的清理试验。

ELSA-d 任务由两颗卫星构成：一颗是总重约175 千克的服务星，另一颗为总重17 千克的客户星。在试验过程中，客户星将扮演空间碎片的角色，而服务星则通过自身的主动机动接近并抓取客户星。由于是初步的技术验证，为了控制成本，客户星的体积重量都比未来实际要面对的报废卫星低。同时，和卫星失效后处于不受控的运动状态所不同的是，客户星是一颗受控的卫星，可以让ELSA-d 任务过程中进行多次试验，难度也随着试验的进行而逐渐增加。例如，在一开始的试验中，服务星将会尝试捕捉无翻滚的客户星，而在后续的试验中，则会让客户星进入更接近真实的翻滚状态。在整个任务期间，共有7个难度不同的测试阶段。为了完成捕获任务，服务星必须进行复杂的机动变轨操作，对机动的机动度要求较高，因此它没有采用依靠一台主发动机提供所有的动力，而是在卫星的不同位置安装了多个动力较小的喷嘴，以实现灵活的动力输出。

ELSA-d的核心部件是一种名叫“对接版”的对接机构，和以往常用的对接结构不同的是，这种对接机构使用磁力作为卫星间互相结合的动力。在客户星的对接板上，布置了用于近距离制导和导航的光学标志和用于精确测定客户星距离、姿态的反射器，可以让服务星更容易地识别、评估、接近和捕获客户星。在真实的报废卫星清理操作中，服务星在对接后会进一步拖拽报废卫星离轨，使它们通过与大气层的相互作用坠毁，或者进入不影响正常卫星进行服务的轨道。前不久，近地轨道通信公司“一网”表示将会和宇宙尺度公司进行合作，在每一颗一网公司研制发射的卫星上都安装该公司开发的磁性环，以方便未来的离轨操作。

和太空探索技术公司的“星链”计划一样，“一网”也在筹划由大量低轨小卫星构成的低轨卫星通信星座。目前，不少专家对这种低轨卫星通信星座的空间碎片威胁表示了担忧。由于卫星星座中卫星的数量极其庞大，如果比例不高的卫星出现了问题，其数量都会变得十分可观。

除了在日本的研发机构外，宇宙尺度公司还拥有遍布全球的研发机构。ELSA-d 任务的地面控制工作，将由该家公司设置在英国的“国家在轨服务控制中心”来完成。这个中心由英国政府出资400 万英镑资助建成，未来也将助推宇宙尺度公司与英国和欧盟在空间碎片方面的技术合作。2020 年2 月，宇宙尺度公司还被选为日本宇宙航空研究开发机构第一个碎片清除项目第一阶段的商业合作伙伴，将在2022 年日本财政年度结束时进行技术验证飞行，通过试验获得进一步改进技术所必需的数据。

英国萨里大学清除碎片任务

2012 年，欧空局的环境卫星在入轨后失效，成为了一个新的太空垃圾，在太空中不受控制地翻滚。此次事故促使欧空局开始布局太空垃圾主动清理技术的研发，希望能够帮助解决可能会再次出现的类似问题，应对日益严峻的太空垃圾形势。

来自欧洲各国的工程师们给出了不同部分的工程方案。法国的一个团队研制了激光雷达测距系统，可以为捕捉太空垃圾的卫星接近太空垃圾时进行导航。受19 世纪捕鲸技术的启发，英国一个团队研制了一个可以在太空中射击目标的鱼叉枪装置，用于捕捉太空垃圾。而德国的团队则研制了一张可以在微重力条件下对称打开并紧紧缠绕住目标的网，以便清理太空垃圾的卫星可以将太空垃圾拖拽清理。

当这些技术汇集到一起后，就形成了清除碎片项目。这个项目由英国萨里大学和空客等企业出资成立的萨里卫星技术有限公司负责。作为技术试验项目，该项目进行过程中，不会清理实际的太空垃圾，而是会利用自身释放的立方星等实验装置，对各种垃圾清理技术进行验证测试。

▲日本宇宙尺度公司设在英国的地面控制中心

清除碎片任务的部署方式也比较特别，它并不是由火箭发射到太空之中，而是随着其他的货物和补给，搭乘太空探索技术公司的龙货运飞船飞往国际空间站，并由国际空间站上的航天员和机械臂一同释放到轨道上。这样虽然可以降低成本、减少风险，但随之也带来了新的风险——美国宇航局的官员担心万一在任务进行过程中出现意外，射出的网将会缠绕住国际空间站的某个舱室，造成事故。为此，清除碎片任务的技术人员不得不反复地向美国宇航局的技术人员证明他们的安全性，并最终得到了许可。

▲ 欧洲2012 年入轨失效的环境卫星

▲ELSA-d 卫星在厂房中等待运输

清除碎片任务的主星在2018 年6月从国际空间站中释放，由此也成为国际空间站部署的最大的卫星。同年整个夏天，英国萨里大学的团队对卫星进行了多项测试，确认了技术状态良好后，终于在当年9 月开始了第一次渔网捕获实验。整个实验的指令在卫星飞经英国上空时发出，但实验是在当时光照条件更好的亚洲上空进行的。由于没有使用成本较高的测控通信方案，因此地面的技术人员们并不能实时看到卫星上的图像，只能通过传感器传回的各类信息推断实验进行的情况，并等待卫星传回质量不高的、非实时的视频画面。不过令技术人员们感到高兴的是，虽然网张开的过程不是特别完美，但还是成功地套住了由主星释放、作为目标的立方星，实验取得了成功。之后几个月，它们还成功地使用鱼叉击中了试验用的靶标板。这些经过验证的技术在经过欧空局的进一步评估后，可能会应用于欧空局的清理太空垃圾任务，清除失控的欧空局环境卫星。★

▲ 清除碎片任务使用网状装置捕捉失效卫星示意图