日本空间碎片移除技术新进展浅析

贾平,许柏,贾琳,张肇瑞,刘慧,耿嘉

(1.中国航天系统科学与工程研究院,北京 100037;2.战略支援部队航天系统部装备部装备保障队,北京 100000)

1 引言

2021年至今,日本在顶层战略和路线的牵引下,同时推进多个空间碎片移除项目发展,率先开展了磁力捕获技术在轨验证,同时探索机械臂捕获的可行性等研究,采取了统筹规划、循序渐进、国际合作等系列发展举措。日本与欧洲均计划于2025年左右提供世界首次商业服务,以加速抢占太空环境治理首席国家的地位。与欧洲相比,日本近两年进展更多更大,有望夺得领先优势,将对世界商业航天市场、太空安全局势等产生重要影响,其研究进展和举措值得密切跟踪研究。

2 发展背景

2.1 太空态势感知与攻防能力需求迫切

近年,日本将太空作为新作战域,谋求在平战时期有效利用太空。在此背景下,其太空态势感知与攻防能力需求不断增大。日本内阁《宇宙基本计划》将“增强太空态势感知能力”作为重点修订内容;防卫省《防卫计划大纲》和《防卫白皮书》等明确“太空成为新作战域”,并提出发展太空防御技术;已成立负责太空目标监视的宇宙部队,正发展所需装备。空间碎片移除技术具有军民两用性,既可监视和移除空间碎片,也具有监视和移除毁伤现役卫星的应用潜力,是日本寻求太空态势感知与攻防能力的优选方案。

2.2 卫星离轨和危险碎片移除商业服务需求增大

随着微小卫星星座部署越来越多,轨位资源更加稀缺,空间碎片数量连年攀升,与卫星碰撞风险随之增大。同时,联合国和平利用外层空间委员会(COPUOS)规定,卫星应在任务结束后离轨或机动到处置轨道。在此背景下,美国、欧洲、日本近年越发重视发展空间碎片移除技术,寻求开辟新兴商业航天市场,以满足退役卫星离轨、空出稀缺轨位的需求,以及移除高碰撞风险空间碎片、保障太空资产安全的需求。

2.3 持续研究储备碎片移除技术基础

日本是较早开展空间碎片移除技术研究的国家之一。空间碎片交会逼近技术方面:1997年,“工程试验卫星”-7(ETS-Ⅶ)项目在轨验证了针对合作目标的交会对接技术和地面遥操作等技术。空间碎片捕获技术方面:ETS-Ⅶ项目亦验证了机械臂捕获和在轨模块更换技术,可用于捕获退役卫星;2017年,“空间碎片清理者”(SDMR)项目完成轻型折叠机械臂样机试验。空间碎片拖曳离轨方面:SDMR和“白鹳号集成绳系实验”(KITE)验证任务均研究利用电动绳系系统拖曳空间碎片离轨,后者在2017年开展绳系装置在轨验证,但绳系未能展开。上述项目的技术研究和在轨验证经验,为日本近两年快速发展空间碎片移除技术奠定了坚实基础。

3 最新进展

日本宇宙尺度(Astroscale)公司和富士通公司多角度开展空间碎片移除项目。其中,Astroscale公司处于日本甚至国际业界领先地位,初步验证了针对合作目标的捕获技术,同时积极推进低轨退役小卫星和火箭上面级移除任务,有望在2024年率先提供服务。

3.1 开展针对低轨合作目标的磁力捕获技术验证

2021年,Astroscale公司通过“宇宙尺度寿终服务-验证”(ELSA-d)系统,开展世界首次磁力空间碎片捕获技术在轨验证,如图1所示。同年3月,服务卫星和模拟空间碎片的目标卫星通过磁力吸附,一起进入550km太阳同步轨道并进行调试;8月,服务卫星将目标卫星推离数厘米,而后在地面人员操控下利用永磁体机构吸附姿态稳定的目标卫星,初步验证了捕获能力。2022年4月,服务卫星在推进系统发生部分故障的情况下,从1700km机动至距目标卫星159m的距离,同时验证了搜索和检查目标的能力。

图1 ELSA-d在轨验证概念图Fig.1 Concept diagram for on-orbit demonstration of ELSA-d

3.2 开始研制服务低轨合作小卫星的航天器平台

2021年5月,Astroscale英国分公司授予瑞典AAC克莱德航天公司合作合同,以研制ELSA-M航天器平台。ELSA-M基于ELSA-d验证的交会逼近技术并进行优化,同样采用磁力捕获方案;可在1次任务中移除3～4个退役低轨小卫星;此研制已获欧洲航天局(ESA)、英国航天局和一网公司等资助;平台将于2022年完成研制,航天器将在2024年入轨服务。一网公司已承诺为后续发射的“一网”卫星安装铁磁对接板,以便接受ELSA-M的寿终离轨服务。

3.3 开展针对非合作火箭上面级逼近详查航天器的关键设计

Astroscale公司正在开展“宇宙尺度-日本主动碎片移除”(ADRAS-J)航天器关键设计,并于2021年9月向美国火箭实验室公司采购发射服务。该航天器用于落实日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)“商业移除碎片验证”(CRD2)计划第一阶段,旨在针对日本在轨火箭上面级,验证与非合作目标的交会逼近技术,对其表征并收集相关运动数据(JAXA称这将是全球首批大型空间碎片观测数据),如图2所示。该航天器基于ELSA-M和ELSA-d技术基础研发,装有红外相机和激光雷达等传感器,质量180kg,计划2022年总装,2023年发射。

图2 ADRAS-J开展CRD2第一阶段任务概念图Fig.2 Concept of ADRAS-J carrying out CRD2 Phase 1 mission

3.4 开展针对低轨非合作卫星的机械臂移除任务可行性研究

2021年10月,Astroscale公司获英国航天局资助,开展“通过创新抓捕清洁外空任务”(COSMIC),拟在2025年前移除多颗英国退役低轨卫星。该公司正与欧洲泰雷兹·阿莱尼亚航天公司和加拿大MDA公司合作开展可行性研究。COSMIC航天器可重复使用,平台基于ELSA-M研制,有效载荷采用机械臂而非ELSA-M的磁力捕获装置。

3.5 首提量子启发计算与人工智能结合的任务规划系统方案

2021年7月,日本富士通公司英国分公司与美国亚马逊网络服务公司、英国格拉斯哥大学合作提出该系统方案。该系统应用过程为:输入空间碎片数据;利用人工神经网络计算最佳轨道转移成本;“数字退火”计算机根据任务时长、成本、风险等优先级确定最佳轨道转移方案;将转移方案传输给空间碎片移除任务。该系统将使空间碎片移除任务高效选择被移除目标、确定所需最少推进剂和最短时间、规划最佳移除轨迹,从而节约成本和缩短周期。在输入数据相同的情况下,该系统任务规划用时0.083s,且可根据外界条件和任务需求变化快速重算,而传统系统任务规划用时14400s。

4 发展举措

日本空间碎片移除技术发展举措主要体现在:政府主导,自上以战略政策和发展路线牵引,自下以资金和技术资源托扶;国内多方联动,循序渐进,以移除非合作目标为导向;国际合作先于竞争,技术发展与国际规则制定同步。

4.1 政府统筹规划支持民商机构发展

首次从国家层面明确空间碎片移除技术发展战略。日本于2020年发布新版《宇宙基本计划》,将推动总务省、防卫省、文部科学省等政府部门与大学、私营公司合作;吸引卫星运营商参与发展,建立参与者评估制度;在2021年推进建立内阁府牵头、相关部门分工的工作机制。

JAXA为商业项目提供资金和技术支持。综合上述发展动向看,Astroscale公司是目前与日本政府机构合作最为紧密的公司之一。一方面,JAXA为其ELSA-d项目提供了诸多支持,例如共同开展地面试验和在轨验证数据的对比分析,以及提供目标逼近和捕获技术。另一方面,JAXA还通过CRD2计划为其ADRAS-J航天器提供资金和技术支持。这些举措体现了上述政策的落实情况,即推动政府部门与私营公司合作。

4.2 制定渐进发展路线寻求非合作目标移除能力

内阁府牵头制定2027年前发展路线。根据2019年内阁府联合防卫省、文部科学省等制定的路线图,日本空间碎片移除技术发展路线如下:2022年前,实现空间碎片观测技术重大突破,明确逼近绕飞方式;2023～2027年开展捕获技术、半自主控制再入技术和碎片移除基准系统等在轨验证;2024年发射大型空间碎片移除试验卫星,2025年开展移除验证。

在研项目大致遵循路线图,按“由小到大、由合作到非合作、先观后捕”思路发展。一是被移除目标尺寸由小到大。移除“一网”卫星等小型目标的ELSA-M计划2024年服务,移除在轨火箭上面级等大型目标的CRD2计划2026年开展验证。二是被移除目标类型由合作到非合作。ELSA-d率先验证移除装有对接板、姿态先可控后不可控目标,CRD2和COSMIC随后验证移除无交会对接装置、姿态不可控目标。三是先逼近观测后捕获移除。CRD2先通过ADRAS-J验证交会逼近和绕飞观测火箭上面级,再通过后续项目验证捕获和再入大气技术。

4.3 广泛开展国际合作并积极制定国际规则

《宇宙基本计划》明确提出与盟国和友好国家合作开展空间碎片移除活动,并牵头制定相关国际规则。一是合作国家/组织广。上述项目在开展过程中与美国、欧洲、英国、加拿大等的政府研究机构和商业公司都有广泛合作,如美国亚马逊公司、ESA、加拿大MDA公司等。二是合作内容广,涉及航天器研制、发射、地面站建设与技术研究、投资、提供服务等各方面。截至2021年10月,Astroscale公司已获资1.91亿美元。三是通过制定国际规则提高国际影响力,包括宣传日本在空间碎片移除领域,为确保可持续和稳定利用太空所作贡献。在技术研究过程中,即制定国际规则,有利于技术在应用后抢占话语权。

5 结语

日本空间碎片移除技术迅猛发展,国际影响力不断提升,呈现出开辟新兴航天市场之态势。随着大规模低轨小卫星星座激增,空间碎片移除需求愈大,未来越可能催生竞争激烈的新兴航天市场。Astroscale公司计划2024年提供服务,且已与一网公司等全球多家潜在客户沟通合作意向。日本与欧洲虽合作甚广,但竞争并存,在研制速度与客户订单较理想的情况下,有望在空间碎片移除市场一较高下。同时,日本空间碎片移除技术将有助其获取较强的太空态势感知和太空攻防能力,主要体现在:正在发展的天基交会逼近和观测技术,将促进日本逐步建立并完善天地协同的太空域感知能力;日本卫星安装铁磁对接板后,服务卫星可携其变轨躲避威胁或修正轨道;服务卫星机动性较强,可通过撞击使目标航天器偏轨。