賈平,許柏,賈琳,張肇瑞,劉慧,耿嘉

(1.中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院,北京 100037;2.戰(zhàn)略支援部隊航天系統(tǒng)部裝備部裝備保障隊,北京 100000)

1 引言

2021年至今,日本在頂層戰(zhàn)略和路線的牽引下,同時推進多個空間碎片移除項目發(fā)展,率先開展了磁力捕獲技術(shù)在軌驗證,同時探索機械臂捕獲的可行性等研究,采取了統(tǒng)籌規(guī)劃、循序漸進、國際合作等系列發(fā)展舉措。日本與歐洲均計劃于2025年左右提供世界首次商業(yè)服務(wù),以加速搶占太空環(huán)境治理首席國家的地位。與歐洲相比,日本近兩年進展更多更大,有望奪得領(lǐng)先優(yōu)勢,將對世界商業(yè)航天市場、太空安全局勢等產(chǎn)生重要影響,其研究進展和舉措值得密切跟蹤研究。

2 發(fā)展背景

2.1 太空態(tài)勢感知與攻防能力需求迫切

近年,日本將太空作為新作戰(zhàn)域,謀求在平戰(zhàn)時期有效利用太空。在此背景下,其太空態(tài)勢感知與攻防能力需求不斷增大。日本內(nèi)閣《宇宙基本計劃》將“增強太空態(tài)勢感知能力”作為重點修訂內(nèi)容;防衛(wèi)省《防衛(wèi)計劃大綱》和《防衛(wèi)白皮書》等明確“太空成為新作戰(zhàn)域”,并提出發(fā)展太空防御技術(shù);已成立負責(zé)太空目標(biāo)監(jiān)視的宇宙部隊,正發(fā)展所需裝備?？臻g碎片移除技術(shù)具有軍民兩用性,既可監(jiān)視和移除空間碎片,也具有監(jiān)視和移除毀傷現(xiàn)役衛(wèi)星的應(yīng)用潛力,是日本尋求太空態(tài)勢感知與攻防能力的優(yōu)選方案。

2.2 衛(wèi)星離軌和危險碎片移除商業(yè)服務(wù)需求增大

隨著微小衛(wèi)星星座部署越來越多,軌位資源更加稀缺,空間碎片數(shù)量連年攀升,與衛(wèi)星碰撞風(fēng)險隨之增大。同時,聯(lián)合國和平利用外層空間委員會(COPUOS)規(guī)定,衛(wèi)星應(yīng)在任務(wù)結(jié)束后離軌或機動到處置軌道。在此背景下,美國、歐洲、日本近年越發(fā)重視發(fā)展空間碎片移除技術(shù),尋求開辟新興商業(yè)航天市場,以滿足退役衛(wèi)星離軌、空出稀缺軌位的需求,以及移除高碰撞風(fēng)險空間碎片、保障太空資產(chǎn)安全的需求。

2.3 持續(xù)研究儲備碎片移除技術(shù)基礎(chǔ)

日本是較早開展空間碎片移除技術(shù)研究的國家之一。空間碎片交會逼近技術(shù)方面:1997年,“工程試驗衛(wèi)星”-7(ETS-Ⅶ)項目在軌驗證了針對合作目標(biāo)的交會對接技術(shù)和地面遙操作等技術(shù)?？臻g碎片捕獲技術(shù)方面:ETS-Ⅶ項目亦驗證了機械臂捕獲和在軌模塊更換技術(shù),可用于捕獲退役衛(wèi)星;2017年,“空間碎片清理者”(SDMR)項目完成輕型折疊機械臂樣機試驗?？臻g碎片拖曳離軌方面:SDMR和“白鸛號集成繩系實驗”(KITE)驗證任務(wù)均研究利用電動繩系系統(tǒng)拖曳空間碎片離軌,后者在2017年開展繩系裝置在軌驗證,但繩系未能展開。上述項目的技術(shù)研究和在軌驗證經(jīng)驗,為日本近兩年快速發(fā)展空間碎片移除技術(shù)奠定了堅實基礎(chǔ)。

3 最新進展

日本宇宙尺度(Astroscale)公司和富士通公司多角度開展空間碎片移除項目。其中,Astroscale公司處于日本甚至國際業(yè)界領(lǐng)先地位,初步驗證了針對合作目標(biāo)的捕獲技術(shù),同時積極推進低軌退役小衛(wèi)星和火箭上面級移除任務(wù),有望在2024年率先提供服務(wù)。

3.1 開展針對低軌合作目標(biāo)的磁力捕獲技術(shù)驗證

2021年,Astroscale公司通過“宇宙尺度壽終服務(wù)-驗證”(ELSA-d)系統(tǒng),開展世界首次磁力空間碎片捕獲技術(shù)在軌驗證,如圖1所示。同年3月,服務(wù)衛(wèi)星和模擬空間碎片的目標(biāo)衛(wèi)星通過磁力吸附,一起進入550km太陽同步軌道并進行調(diào)試;8月,服務(wù)衛(wèi)星將目標(biāo)衛(wèi)星推離數(shù)厘米,而后在地面人員操控下利用永磁體機構(gòu)吸附姿態(tài)穩(wěn)定的目標(biāo)衛(wèi)星,初步驗證了捕獲能力。2022年4月,服務(wù)衛(wèi)星在推進系統(tǒng)發(fā)生部分故障的情況下,從1700km機動至距目標(biāo)衛(wèi)星159m的距離,同時驗證了搜索和檢查目標(biāo)的能力。

圖1 ELSA-d在軌驗證概念圖Fig.1 Concept diagram for on-orbit demonstration of ELSA-d

3.2 開始研制服務(wù)低軌合作小衛(wèi)星的航天器平臺

2021年5月,Astroscale英國分公司授予瑞典AAC克萊德航天公司合作合同,以研制ELSA-M航天器平臺。ELSA-M基于ELSA-d驗證的交會逼近技術(shù)并進行優(yōu)化,同樣采用磁力捕獲方案;可在1次任務(wù)中移除3～4個退役低軌小衛(wèi)星;此研制已獲歐洲航天局(ESA)、英國航天局和一網(wǎng)公司等資助;平臺將于2022年完成研制,航天器將在2024年入軌服務(wù)。一網(wǎng)公司已承諾為后續(xù)發(fā)射的“一網(wǎng)”衛(wèi)星安裝鐵磁對接板,以便接受ELSA-M的壽終離軌服務(wù)。

3.3 開展針對非合作火箭上面級逼近詳查航天器的關(guān)鍵設(shè)計

Astroscale公司正在開展“宇宙尺度-日本主動碎片移除”(ADRAS-J)航天器關(guān)鍵設(shè)計,并于2021年9月向美國火箭實驗室公司采購發(fā)射服務(wù)。該航天器用于落實日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)“商業(yè)移除碎片驗證”(CRD2)計劃第一階段,旨在針對日本在軌火箭上面級,驗證與非合作目標(biāo)的交會逼近技術(shù),對其表征并收集相關(guān)運動數(shù)據(jù)(JAXA稱這將是全球首批大型空間碎片觀測數(shù)據(jù)),如圖2所示。該航天器基于ELSA-M和ELSA-d技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā),裝有紅外相機和激光雷達等傳感器,質(zhì)量180kg,計劃2022年總裝,2023年發(fā)射。

圖2 ADRAS-J開展CRD2第一階段任務(wù)概念圖Fig.2 Concept of ADRAS-J carrying out CRD2 Phase 1 mission

3.4 開展針對低軌非合作衛(wèi)星的機械臂移除任務(wù)可行性研究

2021年10月,Astroscale公司獲英國航天局資助,開展“通過創(chuàng)新抓捕清潔外空任務(wù)”(COSMIC),擬在2025年前移除多顆英國退役低軌衛(wèi)星。該公司正與歐洲泰雷茲·阿萊尼亞航天公司和加拿大MDA公司合作開展可行性研究。COSMIC航天器可重復(fù)使用,平臺基于ELSA-M研制,有效載荷采用機械臂而非ELSA-M的磁力捕獲裝置。

3.5 首提量子啟發(fā)計算與人工智能結(jié)合的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)方案

2021年7月,日本富士通公司英國分公司與美國亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司、英國格拉斯哥大學(xué)合作提出該系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)應(yīng)用過程為:輸入空間碎片數(shù)據(jù);利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算最佳軌道轉(zhuǎn)移成本;“數(shù)字退火”計算機根據(jù)任務(wù)時長、成本、風(fēng)險等優(yōu)先級確定最佳軌道轉(zhuǎn)移方案;將轉(zhuǎn)移方案傳輸給空間碎片移除任務(wù)。該系統(tǒng)將使空間碎片移除任務(wù)高效選擇被移除目標(biāo)、確定所需最少推進劑和最短時間、規(guī)劃最佳移除軌跡,從而節(jié)約成本和縮短周期。在輸入數(shù)據(jù)相同的情況下,該系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃用時0.083s,且可根據(jù)外界條件和任務(wù)需求變化快速重算,而傳統(tǒng)系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃用時14400s。

4 發(fā)展舉措

日本空間碎片移除技術(shù)發(fā)展舉措主要體現(xiàn)在:政府主導(dǎo),自上以戰(zhàn)略政策和發(fā)展路線牽引,自下以資金和技術(shù)資源托扶;國內(nèi)多方聯(lián)動,循序漸進,以移除非合作目標(biāo)為導(dǎo)向;國際合作先于競爭,技術(shù)發(fā)展與國際規(guī)則制定同步。

4.1 政府統(tǒng)籌規(guī)劃支持民商機構(gòu)發(fā)展

首次從國家層面明確空間碎片移除技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略。日本于2020年發(fā)布新版《宇宙基本計劃》,將推動總務(wù)省、防衛(wèi)省、文部科學(xué)省等政府部門與大學(xué)、私營公司合作;吸引衛(wèi)星運營商參與發(fā)展,建立參與者評估制度;在2021年推進建立內(nèi)閣府牽頭、相關(guān)部門分工的工作機制。

JAXA為商業(yè)項目提供資金和技術(shù)支持。綜合上述發(fā)展動向看,Astroscale公司是目前與日本政府機構(gòu)合作最為緊密的公司之一。一方面,JAXA為其ELSA-d項目提供了諸多支持,例如共同開展地面試驗和在軌驗證數(shù)據(jù)的對比分析,以及提供目標(biāo)逼近和捕獲技術(shù)。另一方面,JAXA還通過CRD2計劃為其ADRAS-J航天器提供資金和技術(shù)支持。這些舉措體現(xiàn)了上述政策的落實情況,即推動政府部門與私營公司合作。

4.2 制定漸進發(fā)展路線尋求非合作目標(biāo)移除能力

內(nèi)閣府牽頭制定2027年前發(fā)展路線。根據(jù)2019年內(nèi)閣府聯(lián)合防衛(wèi)省、文部科學(xué)省等制定的路線圖,日本空間碎片移除技術(shù)發(fā)展路線如下:2022年前,實現(xiàn)空間碎片觀測技術(shù)重大突破,明確逼近繞飛方式;2023～2027年開展捕獲技術(shù)、半自主控制再入技術(shù)和碎片移除基準(zhǔn)系統(tǒng)等在軌驗證;2024年發(fā)射大型空間碎片移除試驗衛(wèi)星,2025年開展移除驗證。

在研項目大致遵循路線圖,按“由小到大、由合作到非合作、先觀后捕”思路發(fā)展。一是被移除目標(biāo)尺寸由小到大。移除“一網(wǎng)”衛(wèi)星等小型目標(biāo)的ELSA-M計劃2024年服務(wù),移除在軌火箭上面級等大型目標(biāo)的CRD2計劃2026年開展驗證。二是被移除目標(biāo)類型由合作到非合作。ELSA-d率先驗證移除裝有對接板、姿態(tài)先可控后不可控目標(biāo),CRD2和COSMIC隨后驗證移除無交會對接裝置、姿態(tài)不可控目標(biāo)。三是先逼近觀測后捕獲移除。CRD2先通過ADRAS-J驗證交會逼近和繞飛觀測火箭上面級,再通過后續(xù)項目驗證捕獲和再入大氣技術(shù)。

4.3 廣泛開展國際合作并積極制定國際規(guī)則

《宇宙基本計劃》明確提出與盟國和友好國家合作開展空間碎片移除活動,并牽頭制定相關(guān)國際規(guī)則。一是合作國家/組織廣。上述項目在開展過程中與美國、歐洲、英國、加拿大等的政府研究機構(gòu)和商業(yè)公司都有廣泛合作,如美國亞馬遜公司、ESA、加拿大MDA公司等。二是合作內(nèi)容廣,涉及航天器研制、發(fā)射、地面站建設(shè)與技術(shù)研究、投資、提供服務(wù)等各方面。截至2021年10月,Astroscale公司已獲資1.91億美元。三是通過制定國際規(guī)則提高國際影響力,包括宣傳日本在空間碎片移除領(lǐng)域,為確?？沙掷m(xù)和穩(wěn)定利用太空所作貢獻。在技術(shù)研究過程中,即制定國際規(guī)則,有利于技術(shù)在應(yīng)用后搶占話語權(quán)。

5 結(jié)語

日本空間碎片移除技術(shù)迅猛發(fā)展,國際影響力不斷提升,呈現(xiàn)出開辟新興航天市場之態(tài)勢。隨著大規(guī)模低軌小衛(wèi)星星座激增,空間碎片移除需求愈大,未來越可能催生競爭激烈的新興航天市場。Astroscale公司計劃2024年提供服務(wù),且已與一網(wǎng)公司等全球多家潛在客戶溝通合作意向。日本與歐洲雖合作甚廣,但競爭并存,在研制速度與客戶訂單較理想的情況下,有望在空間碎片移除市場一較高下。同時,日本空間碎片移除技術(shù)將有助其獲取較強的太空態(tài)勢感知和太空攻防能力,主要體現(xiàn)在:正在發(fā)展的天基交會逼近和觀測技術(shù),將促進日本逐步建立并完善天地協(xié)同的太空域感知能力;日本衛(wèi)星安裝鐵磁對接板后,服務(wù)衛(wèi)星可攜其變軌躲避威脅或修正軌道;服務(wù)衛(wèi)星機動性較強,可通過撞擊使目標(biāo)航天器偏軌。