日本空間碎片移除技術新進展淺析

賈平,許柏,賈琳,張肇瑞,劉慧,耿嘉

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

1 引言

2021年至今,日本在頂層戰略和路線的牽引下,同時推進多個空間碎片移除項目發展,率先開展了磁力捕獲技術在軌驗證,同時探索機械臂捕獲的可行性等研究,采取了統籌規劃、循序漸進、國際合作等系列發展舉措。日本與歐洲均計劃于2025年左右提供世界首次商業服務,以加速搶占太空環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,有望奪得領先優勢,將對世界商業航天市場、太空安全局勢等產生重要影響,其研究進展和舉措值得密切跟蹤研究。

2 發展背景

2.1 太空態勢感知與攻防能力需求迫切

近年,日本將太空作為新作戰域,謀求在平戰時期有效利用太空。在此背景下,其太空態勢感知與攻防能力需求不斷增大。日本內閣《宇宙基本計劃》將“增強太空態勢感知能力”作為重點修訂內容;防衛省《防衛計劃大綱》和《防衛白皮書》等明確“太空成為新作戰域”,并提出發展太空防御技術;已成立負責太空目標監視的宇宙部隊,正發展所需裝備。空間碎片移除技術具有軍民兩用性,既可監視和移除空間碎片,也具有監視和移除毀傷現役衛星的應用潛力,是日本尋求太空態勢感知與攻防能力的優選方案。

2.2 衛星離軌和危險碎片移除商業服務需求增大

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

2.3 持續研究儲備碎片移除技術基礎

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

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界領先地位,初步驗證了針對合作目標的捕獲技術,同時積極推進低軌退役小衛星和火箭上面級移除任務,有望在2024年率先提供服務。

3.1 開展針對低軌合作目標的磁力捕獲技術驗證

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

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

3.2 開始研制服務低軌合作小衛星的航天器平臺

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并進行優化,同樣采用磁力捕獲方案;可在1次任務中移除3～4個退役低軌小衛星;此研制已獲歐洲航天局(ESA)、英國航天局和一網公司等資助;平臺將于2022年完成研制,航天器將在2024年入軌服務。一網公司已承諾為后續發射的“一網”衛星安裝鐵磁對接板,以便接受ELSA-M的壽終離軌服務。

3.3 開展針對非合作火箭上面級逼近詳查航天器的關鍵設計

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

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

3.4 開展針對低軌非合作衛星的機械臂移除任務可行性研究

2021年10月,Astroscale公司獲英國航天局資助,開展“通過創新抓捕清潔外空任務”(COSMIC),擬在2025年前移除多顆英國退役低軌衛星。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 首提量子啟發計算與人工智能結合的任務規劃系統方案

2021年7月,日本富士通公司英國分公司與美國亞馬遜網絡服務公司、英國格拉斯哥大學合作提出該系統方案。該系統應用過程為:輸入空間碎片數據;利用人工神經網絡計算最佳軌道轉移成本;“數字退火”計算機根據任務時長、成本、風險等優先級確定最佳軌道轉移方案;將轉移方案傳輸給空間碎片移除任務。該系統將使空間碎片移除任務高效選擇被移除目標、確定所需最少推進劑和最短時間、規劃最佳移除軌跡,從而節約成本和縮短周期。在輸入數據相同的情況下,該系統任務規劃用時0.083s,且可根據外界條件和任務需求變化快速重算,而傳統系統任務規劃用時14400s。

4 發展舉措

日本空間碎片移除技術發展舉措主要體現在:政府主導,自上以戰略政策和發展路線牽引,自下以資金和技術資源托扶;國內多方聯動,循序漸進,以移除非合作目標為導向;國際合作先于競爭,技術發展與國際規則制定同步。

4.1 政府統籌規劃支持民商機構發展

首次從國家層面明確空間碎片移除技術發展戰略。日本于2020年發布新版《宇宙基本計劃》,將推動總務省、防衛省、文部科學省等政府部門與大學、私營公司合作;吸引衛星運營商參與發展,建立參與者評估制度;在2021年推進建立內閣府牽頭、相關部門分工的工作機制。

JAXA為商業項目提供資金和技術支持。綜合上述發展動向看,Astroscale公司是目前與日本政府機構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據的對比分析,以及提供目標逼近和捕獲技術。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支持。這些舉措體現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 制定漸進發展路線尋求非合作目標移除能力

內閣府牽頭制定2027年前發展路線。根據2019年內閣府聯合防衛省、文部科學省等制定的路線圖,日本空間碎片移除技術發展路線如下:2022年前,實現空間碎片觀測技術重大突破,明確逼近繞飛方式;2023～2027年開展捕獲技術、半自主控制再入技術和碎片移除基準系統等在軌驗證;2024年發射大型空間碎片移除試驗衛星,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”思路發展。一是被移除目標尺寸由小到大。移除“一網”衛星等小型目標的ELSA-M計劃2024年服務,移除在軌火箭上面級等大型目標的CRD2計劃2026年開展驗證。二是被移除目標類型由合作到非合作。ELSA-d率先驗證移除裝有對接板、姿態先可控后不可控目標,CRD2和COSMIC隨后驗證移除無交會對接裝置、姿態不可控目標。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,再通過后續項目驗證捕獲和再入大氣技術。

4.3 廣泛開展國際合作并積極制定國際規則

《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,并牽頭制定相關國際規則。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和商業公司都有廣泛合作,如美國亞馬遜公司、ESA、加拿大MDA公司等。二是合作內容廣,涉及航天器研制、發射、地面站建設與技術研究、投資、提供服務等各方面。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則提高國際影響力,包括宣傳日本在空間碎片移除領域,為確保可持續和穩定利用太空所作貢獻。在技術研究過程中,即制定國際規則,有利于技術在應用后搶占話語權。

5 結語

日本空間碎片移除技術迅猛發展,國際影響力不斷提升,呈現出開辟新興航天市場之態勢。隨著大規模低軌小衛星星座激增,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,且已與一網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將有助其獲取較強的太空態勢感知和太空攻防能力,主要體現在:正在發展的天基交會逼近和觀測技術,將促進日本逐步建立并完善天地協同的太空域感知能力;日本衛星安裝鐵磁對接板后,服務衛星可攜其變軌躲避威脅或修正軌道;服務衛星機動性較強,可通過撞擊使目標航天器偏軌。