國際空間站發(fā)射首顆具有太空碎片清除功能的衛(wèi)星RemoveDEBRIS

SAE International 國際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)

國際空間站（ISS）的宇航員在空間站上發(fā)射了首顆具有太空碎片清除功能的衛(wèi)星RemoveDEBRIS，它同時(shí)也是ISS史上部署過的最大的衛(wèi)星。這一專門用于測試碎片主動(dòng)清除（ADR）系統(tǒng)有效性的低軌道衛(wèi)星，匯集了歐洲、亞洲、非洲與美國各太空機(jī)構(gòu)、航天專家與技術(shù)公司的智慧結(jié)晶。

太空碎片（俗稱太空垃圾）正逐漸成為地球與太空所面臨的嚴(yán)峻問題。歐洲航天局（ESA）的官員表示，太空碎片指的是“地球軌道上或重返大氣層的所有無功能人造物體，包括其殘塊與組件”。如今，太空環(huán)境的日益擁擠，使得提供安全服務(wù)與執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)的衛(wèi)星遭碎片撞損的可能性不斷增大，并進(jìn)而危及到乘坐航天飛船升空或重返大氣層的宇航員的生命安全。

美國國家航空航天局（NASA）官員表示：“自進(jìn)入太空時(shí)代以來，太空碎片數(shù)量就出現(xiàn)大幅增加的態(tài)勢(shì)。大部分發(fā)射到太空的物體如今仍在地球軌道上運(yùn)行，這些物體及其副產(chǎn)物對(duì)太空與地球都構(gòu)成了一定威脅?！?/p>

NASA官員進(jìn)一步表示：“太空里的碎片會(huì)互相發(fā)生碰撞，進(jìn)而損壞在軌運(yùn)行的衛(wèi)星，并影響地球所接收的衛(wèi)星服務(wù)質(zhì)量。具體來說，太空中的撞擊很難預(yù)測，且非常危險(xiǎn)。四處亂飛的碎片會(huì)給航天飛船的運(yùn)行帶來麻煩，而兩個(gè)碎片相撞會(huì)產(chǎn)生大量快速移動(dòng)的小碎片。最嚴(yán)重的情況是發(fā)生連鎖撞擊，最終影響到網(wǎng)絡(luò)連接、電子郵件、全球定位系統(tǒng)（GPS）導(dǎo)航以及手機(jī)賴以正常工作的航天器?！?/p>

NASA 官員表示，將通過RemoveDEBRIS衛(wèi)星進(jìn)行“碎片主動(dòng)清除任務(wù)的在軌演示，來驗(yàn)證關(guān)鍵性碎片主動(dòng)清除技術(shù)。這些技術(shù)具體包括基于捕網(wǎng)與魚叉的捕獲技術(shù)、基于拖曳帆的快速離軌技術(shù)、以及采用視覺導(dǎo)航的交會(huì)接近探測技術(shù)?？傊?，RemoveDEBRIS項(xiàng)目能使無人與載人航天器的飛行安全性大大增加?！保ň凑?qǐng)關(guān)注SAE International有關(guān)太空安全的聲明。）

RemoveDEBRIS衛(wèi)星是全球?yàn)榱饲宄粩喽逊e的危險(xiǎn)軌道碎片所開展的首批任務(wù)之一。今年4月，執(zhí)行第14次商業(yè)補(bǔ)給任務(wù)（Commercial Resupply Mission）的SpaceX獵鷹9號(hào)火箭從位于弗羅里達(dá)州的肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center）發(fā)射升空，將所搭載的RemoveDEBRIS衛(wèi)星送至了國際空間站（ISS）。

RemoveDEBRIS由英格蘭薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司（SSTL）建造，該公司是薩里大學(xué)（University of Surrey）的一家衍生企業(yè)，由空中客車防務(wù)及航天公司（Airbus Defence and Space）控股。之后通過位于得克薩斯州韋伯斯特（Webster）的NanoRacks公司所生產(chǎn)的Kaber微型衛(wèi)星部署器完成部署。

在薩里大學(xué)薩里太空中心（Surrey Space Centre）牽頭、歐盟第七框架計(jì)劃（Seventh Framework Program）按撥款協(xié)議提供部分資金支持的情況下，相關(guān)太空公司與研究機(jī)構(gòu)組成了聯(lián)合研究組，專門致力于RemoveDEBRIS衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與開發(fā)，成員包括空中客車公司（Airbus）、阿麗亞娜集團(tuán)（Ariane Group）、法國國家信息與自動(dòng)化研究所（Inria）；英格蘭SSTL；荷蘭Innovative Solutions In Space公司；瑞士電子與微技術(shù)中心（CSEM）以及南非斯泰倫博斯大學(xué)（Stellenbosch University）。

RemoveDEBRIS衛(wèi)星由宇航員通過日本首個(gè)載人航天設(shè)施——日本希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙（JEM）（昵稱為Kibo，即英語中“希望”的意思）發(fā)射。JEM是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）對(duì)ISS的第一個(gè)貢獻(xiàn)，用于支持日本在軌科研活動(dòng)的開展。相關(guān)官員表示，JEM依托在軌運(yùn)行的美國實(shí)驗(yàn)艙獲取所需的空氣、電力、數(shù)據(jù)與冷卻液資源，這為更好地利用太空環(huán)境創(chuàng)造了大量機(jī)會(huì)。

在7月2日訪問JAXA位于筑波科學(xué)城（Tsukuba Science City）的總部筑波太空中心（Tsukuba Space Center）時(shí)，日本國防部長Itsunori Onodera宣布，將與JAXA合作，共同致力于清理危險(xiǎn)太空碎片。Onodera表示：“我們將主動(dòng)參與到太空監(jiān)控的工作中來，以更安全地使用太空。我希望在這次JAXA之行的影響下，日本國防部與自衛(wèi)隊(duì)能夠積極參與到太空的開發(fā)與利用中來，為確保太空安全盡一份力?！?/p>

RemoveDEBRIS任務(wù)將展開四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其中較大的衛(wèi)星將釋放兩顆立方星(CubeSat)作為人造目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)將首先測試用魚叉和捕網(wǎng)捕獲在軌物體的技術(shù)。另外還將測試一種視覺導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)依靠攝像機(jī)與激光雷達(dá)（LIDAR）技術(shù)對(duì)主衛(wèi)星所釋放的立方星展開觀察。最后，RemoveDEBRIS衛(wèi)星會(huì)使用一個(gè)巨大拖曳帆，使目標(biāo)軌道快速衰減，直至最后毀于地球大氣層中。

NanoRacks公司外部有效載荷部經(jīng)理Conor Brown表示：“RemoveDEBRIS項(xiàng)目展示了一些激動(dòng)人心的碎片主動(dòng)清除技術(shù)，可能對(duì)我們未來的太空碎片管理工作產(chǎn)生重大影響。此外，它也有力證明了小型衛(wèi)星功能的日趨強(qiáng)大，并肯定了空間站在執(zhí)行這一規(guī)模任務(wù)中所扮演的平臺(tái)角色?！?/p>

聯(lián)盟成員的分工如下：

任務(wù)協(xié)調(diào)與財(cái)團(tuán)內(nèi)部協(xié)調(diào)：薩里太空中心（英國）

衛(wèi)星系統(tǒng)工程：ASF（法國）

平臺(tái)與電子：SSTL（英國）

魚叉：空客（英國）

捕網(wǎng)：空客（德國）

視覺導(dǎo)航技術(shù)：CSEM（瑞士）/ INRIA/空客（法國圖盧茲）

立方星分配器：太空創(chuàng)新解決方案公司（Innovative solutions in space，荷蘭）

目標(biāo)立方星：薩里太空中心（英國）/STE

拖曳帆：薩里太空中心（英國）

RemoveDEBRIS項(xiàng)目中來自薩里太空中心的研究人員有：G.Aglietti教授、C. Underwood教授與C. Bridges博士。此外，Simon Fellowes為RemoveDebris聯(lián)盟的總負(fù)責(zé)人。

RemoveDebris衛(wèi)星的發(fā)射過程如下：

RemoveDebris平臺(tái)被裝入專門盒子中運(yùn)送至國際空間站。

宇航員打開盒子，并將平臺(tái)安裝在滑臺(tái)上。

滑臺(tái)進(jìn)入國際空間站日本實(shí)驗(yàn)艙，實(shí)驗(yàn)艙中的特殊機(jī)械臂抓住平臺(tái)，并將其移至ISS之外。

機(jī)械臂沿特定方向釋放平臺(tái)，任務(wù)開始。

1961年至2017年4月共記錄有290起在軌航天器解體事件，其中大部分事件與衛(wèi)星及火箭上面級(jí)爆炸相關(guān)，而偶然或故意的相撞事件只占到不到10起。（圖片來源：ESA/ID&Sense / ONiRiXEL）

平臺(tái)部署完畢后，任務(wù)就正式開始了。初始階段測試涉及RemoveDebris衛(wèi)星所搭載的一對(duì)立方星。首先，第一顆立方星（命名為DebrisSat1號(hào)）上會(huì)部署一個(gè)充氣氣球，實(shí)驗(yàn)將根據(jù)RemoveDEBRIS 發(fā)射捕網(wǎng)捕獲氣球的情況來測試RemoveDebris衛(wèi)星的碎片捕獲功能。該實(shí)驗(yàn)完畢后，將部署第二顆立方星（命名為DebrisSat2號(hào)，即DS2），而RemoveDebris衛(wèi)星將依靠視覺導(dǎo)航（VBN）系統(tǒng)對(duì)釋放后的DS2進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤。以上信息由VPT的一位工程師介紹。

VPT是?？齐娮涌萍技瘓F(tuán)（HEICO Electronic Technologies Group）下屬公司，主要面向航空電子、軍事、太空與工業(yè)領(lǐng)域提供電源轉(zhuǎn)換解決方案，在弗吉尼亞州黑堡與華盛頓州博塞爾市設(shè)有辦事處。

在這些測試結(jié)束后，RemoveDEBRIS還將測試魚叉刺穿目標(biāo)并在其中纏繞的能力。最后，RemoveDEBRIS衛(wèi)星將釋放一個(gè)功能類似于空氣制動(dòng)器的充氣拖曳帆，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的安全離軌。VPT公司的工程師表示，RemoveDEBRIS衛(wèi)星會(huì)在重返地球大氣層時(shí)自動(dòng)焚毀，“并且是被完全燒毀。VPT公司很榮幸能為清除有害太空碎片的重要任務(wù)盡一份力，并對(duì)該任務(wù)及未來相關(guān)任務(wù)的開展拭目以待?！?/p>

位于德國達(dá)姆施塔特的ESA歐洲航天飛行控制中心（ESOC）太空殘骸管理辦公室提供了以下太空碎片數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)確認(rèn)更新至2017年1月）：

自1957年太空時(shí)代開啟以來，全球火箭發(fā)射總次數(shù)約達(dá)5250次

自1957年以來，火箭成功發(fā)射的地球衛(wèi)星總數(shù)約達(dá)7500顆

目前太空中仍存在的地球衛(wèi)星約達(dá)4300顆

目前仍在運(yùn)行的地球衛(wèi)星約達(dá)1200顆

美國空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)（US Space Surveillance Network）定期追蹤并歸檔的碎片數(shù)量達(dá)到約23000個(gè)

預(yù)計(jì)產(chǎn)生碎片的解體、爆炸與碰撞事件總數(shù)達(dá)到290個(gè)以上

軌道碎片總質(zhì)量約達(dá)7500噸

統(tǒng)計(jì)模型所預(yù)測的在軌碎片數(shù)量：

直徑大于10厘米的太空碎片有29000個(gè)

直徑在1厘米至10厘米之間的太空碎片有75萬個(gè)

直徑在1毫米至1厘米之間的太空碎片有1億6600萬個(gè)