王雪瑤（北京空間科技信息研究所）

2018年4月2日，由歐洲薩瑞航天中心（SSC）負責研制的“碎片移除”（RemoveDebris）試驗衛(wèi)星搭載獵鷹-9（Falcon-9）火箭上的貨運“龍”（Dragon）飛船運送至“國際空間站”（lSS）。2018年6月20日，“國際空間站”航天員使用空間站實驗艙遙控機械臂系統(tǒng)成功在軌釋放RemoveDebris試驗衛(wèi)星，試驗衛(wèi)星也成功與地面建立聯(lián)系。按照計劃，該衛(wèi)星將在軌開展人造“空間碎片”網(wǎng)捕任務演示、視覺導航（VBN）任務演示、魚叉捕獲任務演示、“阻力帆”離軌任務演示4項在軌試驗任務，其任務時間分別定為2018年9月、12月以及2019年2月和3月。雖然RemoveDebris任務使用人造空間碎片作為抓捕目標，不是一次完整意義上的主動碎片移除任務，但這將成為世界首例主動碎片移除（ADR）試驗任務。

1 項目背景

RemoveDebris試驗衛(wèi)星是由歐洲委員會（EU）和薩瑞航天中心資助，由薩瑞衛(wèi)星技術公司（SSTL）領導、空客防務與航天公司（ADS）等10家商業(yè)公司在“第七研究和技術開發(fā)框架計劃”（FP7）的支持下，共同研制的主動碎片移除技術驗證任務。該任務將成為世界首例主動碎片移除試驗任務，主要為未來主動碎片移除任務提供低成本的在軌技術驗證，進一步推動歐洲乃至世界主動碎片移除路線的發(fā)展。

多年來，空間碎片捕獲移除項目的發(fā)展曾經(jīng)面臨著資金緊張的難題，其政府資助與保險補貼資金有限，而且商業(yè)公司也并不熱衷這一發(fā)展方向。但是近年來空間碎片數(shù)量劇增，造成空間碰撞事件頻發(fā)，空間碎片超高速撞擊會穿透航天器表面并破壞航天器內(nèi)部器件和系統(tǒng)，并造成航天器嚴重損傷，甚至導致航天器徹底解體或爆炸失效，并形成大面積碎片云，危害極大。而且隨著寬帶衛(wèi)星星座的規(guī)劃發(fā)展與大規(guī)模部署，空間碰撞風險也在進一步增加，因此目前對空間碎片的移除需求越來越大，碎片移除市場的前景也逐漸廣闊，主動碎片移除在這一契機下發(fā)展起來。同時，歐洲航天局（ESA）在碎片移除方向提出了“清潔太空”發(fā)展路線圖，主要目標聚焦點包括發(fā)展空間碎片減緩技術，而RemoveDebris技術試驗也將為這一目標做出貢獻，進而推動路線圖的發(fā)展。

2 衛(wèi)星情況

RemoveDebris試驗衛(wèi)星由SSTL—42“移除衛(wèi)星”（RemoveSat）試驗平臺和2顆2U立方體試驗“碎片衛(wèi)星”（DebrisSat）組成，質量約為150kg，將成為迄今為止從“國際空間站”釋放的最大衛(wèi)星。RemoveSat平臺外形為0.65m×0.65m×0.72m立方體，搭載2臺監(jiān)控相機，1臺專用于拍攝網(wǎng)捕試驗過程，視場為65°×54°，另1臺專用于拍攝魚叉捕獲試驗過程，視場為17°×14°，2臺監(jiān)控相機能夠以10幀/s的速度采集1280×1024像素的圖像。平臺數(shù)據(jù)下傳采用S頻段，速率為2Mbit/s。2顆試驗“碎片衛(wèi)星—1/2”（DebrisSat—1/2）是人造“空間碎片”試驗目標，由薩瑞航天中心負責研制，其中DebrisSat—1是網(wǎng)捕試驗的抓捕目標，用于試驗網(wǎng)捕碎片技術；DebrisSat—2是視覺導航任務的非合作自主交會目標，用于試驗自主視覺導航技術。RemoveDebris試驗任務的地面操作中心是位于薩瑞衛(wèi)星技術公司的任務操作中心（MOC）。

“移除碎片”任務試驗平臺

3 在軌主動碎片移除技術試驗

一般來說，空間碎片主動移除過程包括與空間碎片進行非合作交會、近距離接近、在軌捕獲和離軌等關鍵步驟，RemoveDebris試驗衛(wèi)星計劃在軌進行視覺導航、網(wǎng)捕、魚叉捕獲和“阻力帆”離軌4項關鍵主動碎片移除演示試驗，來提高相關主動碎片移除技術的成熟度。RemoveDebris試驗之所以進行視覺導航任務演示，是因為基于視覺的相對導航系統(tǒng)是碎片主動移除的非合作交會和近距離接近過程中所需要的關鍵技術，也是在空間碎片移除類復雜任務進行首次嘗試應用；之所以進行在軌網(wǎng)捕碎片和魚叉捕獲碎片任務演示，是因為這將是未來碎片移除在軌抓捕過程中較為關鍵的2項技術，同時又結合整個項目成本考慮，例如歐洲首個低軌大型碎片移除任務“歐洲離軌”（e.Deorbit）經(jīng)反復論證后選擇網(wǎng)捕抓捕方案；最后進行“阻力帆”離軌演示任務，是因為既要驗證主動碎片移除的離軌關鍵技術，又需要符合歐洲“清潔太空”發(fā)展路線圖的要求，避免產(chǎn)生新的空間碎片，實現(xiàn)碎片減緩的任務目標。

網(wǎng)捕碎片演示任務

網(wǎng)捕系統(tǒng)結構示意圖

RemoveDebris試驗衛(wèi)星的首個在軌演示任務是網(wǎng)捕DebrisSat—1目標碎片衛(wèi)星。網(wǎng)捕系統(tǒng)是發(fā)展前景最好的空間碎片捕獲結構之一，適用于不同形狀、尺寸和翻滾率的目標。RemoveDebris任務網(wǎng)捕系統(tǒng)由德國空客防務與航天公司負責研制。抓捕網(wǎng)需要依靠部署質量塊的加速運動將其拉出存儲裝置，才能實現(xiàn)展開部署。RemoveDebris抓捕網(wǎng)由凱夫拉爾纖維制作而成，展開后為5m直徑的大型半球形網(wǎng)，凈質量0.6kg，網(wǎng)眼尺寸80mm，可防止目標物在捕獲后逸出。抓捕網(wǎng)的設計目標捕獲尺寸達2m，在軌演示任務期間將捕獲直徑約1m的DebrisSat—1目標碎片衛(wèi)星，未來更大型的網(wǎng)捕系統(tǒng)可捕獲直徑12m的空間目標。

在該演示任務試驗中，首先RemoveSat衛(wèi)星平臺將模擬空間碎片的DebrisSat—1目標衛(wèi)星以5cm/s的速度低速噴射而出，在噴出過程中，DebrisSat—1衛(wèi)星充氣膨脹至直徑約1m的八面體結構。隨后，RemoveSat衛(wèi)星平臺釋放抓捕網(wǎng)，抓捕網(wǎng)一旦接觸到目標后，網(wǎng)末端部署質量塊將會帶動抓捕網(wǎng)纏繞目標，同時啟動方向鎖定離合器將抓捕網(wǎng)卷起，防止其重新打開。最后，DebrisSat—1衛(wèi)星與抓捕網(wǎng)共同加速離軌。

視覺導航演示任務

網(wǎng)捕任務完成后，RemoveDebris試驗衛(wèi)星將完成視覺導航試驗任務。法國空客防務與航天公司負責視覺導航方案設計與設備系統(tǒng)研制，法國國家信息與自動化研究所（Inria）負責設計視覺導航算法。RemoveDebris視覺導航試驗任務主要通過試驗衛(wèi)星平臺的星載拍攝設備獲取目標實際在軌圖像與數(shù)據(jù)，演示最先進的圖像處理與導航算法，其中平臺星載拍攝設備包括1臺傳統(tǒng)的2D相機和1臺創(chuàng)新型閃光成像激光雷達（LiDAR Camera），前者屬于無源成像儀，后者屬于3D主動成像儀。試驗衛(wèi)星可通過測算2臺成像儀對于非合作交會目標的信號相位差實現(xiàn)測距功能，進而實現(xiàn)自主導航。這將是歐洲首次使用創(chuàng)新型閃光成像激光雷達來進行自主視覺導航，未來這一技術將會應用于空間碎片追蹤與捕獲任務。

在該演示任務試驗中，首先模擬碎片的DebrisSat—2目標衛(wèi)星在平臺釋放位置打開太陽電池翼并開啟星載服務，同時平臺對DebrisSat—2目標衛(wèi)星進行GPS鎖定并開啟平臺與目標星之間的星間鏈路。隨后，RemoveSat衛(wèi)星平臺釋放DebrisSat—2目標衛(wèi)星，平臺星載2D相機與閃光成像激光雷達對DebrisSat—2進行拍攝測距與自主導航試驗。在這一過程中，DebrisSat—2目標衛(wèi)星上收集的試驗數(shù)據(jù)也會通過星間鏈路傳回RemoveSat試驗平臺，用于輔助導航。

魚叉捕獲演示任務

視覺導航任務完成后，RemoveDebris試驗衛(wèi)星將完成魚叉捕獲任務演示。魚叉捕獲系統(tǒng)也是未來空間碎片捕獲設計結構之一，此次試驗將為未來魚叉式捕獲空間碎片系統(tǒng)的設計提供參考。RemoveDebris魚叉捕獲試驗系統(tǒng)由可展開式目標結構與魚叉捕獲系統(tǒng)組成，薩瑞航天中心負責研制可展開式魚叉目標結構，捕獲裝置研制經(jīng)驗較為豐富的英國空客防務與航天公司負責研制魚叉捕獲裝置。

在該演示任務試驗中，首先RemoveSat衛(wèi)星平臺通過延伸可展開式懸臂，移出固定在懸臂末端的鋁蜂窩質目標板，到達1.5m處的目標試驗位置；隨后，平臺彈射魚叉捕獲裝置對目標板進行叉捕試驗，魚叉通過系繩與衛(wèi)星平臺連接，平臺內(nèi)部的沖壓式加速器可為魚叉提供20m/s的彈出速度，使魚叉有能力叉捕目標板；最后，衛(wèi)星平臺收回懸臂、魚叉與目標板，以防對最后的“阻力帆”部署產(chǎn)生影響。

“阻力帆”離軌演示任務

為避免在空間中產(chǎn)生更多碎片，保持清潔的太空環(huán)境，在整個在軌演示任務最后，RemoveDebris試驗衛(wèi)星將進行“阻力帆”離軌任務演示。RemoveDebris的“阻力帆”是由薩瑞航天中心研制，整個“阻力帆”系統(tǒng)由部署器、帆面展開機構、碳纖維骨架和帆膜構成，其中部署器可伸長約1m，“阻力帆”完全展開可達10m2。

在該演示任務試驗中，首先RemoveSat衛(wèi)星平臺伸長桅桿式“阻力帆”部署器約1m；隨后平臺通過電機控制帆面展開機構，使碳纖維骨架與帆面充分展開；“阻力帆”展開后會產(chǎn)生較大阻力，因此RemoveDebris試驗衛(wèi)星會加速離軌。由于“阻力帆”的尺寸很大，試驗平臺在加速離軌過程中不能保證星地的無障礙通信與星上的全功率完整，地面控制中心可通過衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)、功率數(shù)據(jù)和通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)等來評估部署“阻力帆”對試驗衛(wèi)星的影響，也可跟蹤試驗衛(wèi)星的離軌軌跡，并與無“阻力帆”離軌的模擬數(shù)據(jù)進行比較。

4 總結

RemoveDebris試驗任務的目標是以較低成本在軌演示網(wǎng)捕、魚叉捕獲空間碎片，自主視覺導航及離軌等關鍵主動碎片移除技術，這些新型技術可用于未來的主動碎片移除任務。RemoveDebris試驗任務將成為世界首例在軌使用網(wǎng)捕系統(tǒng)和魚叉捕獲系統(tǒng)進行空間碎片捕獲的任務，并首次將立方體衛(wèi)星用作“人造碎片”目標。雖然此次任務使用“人造碎片”立方體衛(wèi)星作為目標，不是一項完整的主動碎片移除任務，但是完成該任務將是未來實現(xiàn)完整主動碎片移除操作任務的重要一步，可以推動歐洲及世界主動碎片移除路線圖的發(fā)展，也是未來實現(xiàn)“清潔太空”目標的重要前提。