产业前沿 | 命运多舛的“清洁太空一号”项目

命途多舛，前程未定

——瑞士“清洁太空一号”项目发展回顾

文 | 巴特

论及漫步太空的科幻作品，漫画《星空清理者》可谓是里程碑式的经典之作。在这部作品里，由于太空垃圾的数量在大规模宇宙开发中急剧增加，近地轨道在二十一世纪下半叶已不堪重负，专责清理太空垃圾的“星空清理者”也由此成为在宇宙生活工作的人们的一种特殊职业。“星空清理者”们穿上厚重的防护服，在捕获、回收废弃卫星的同时，甚至还要躲避高速飞行空间碎片的致命袭击。

《星空清理者》诞生于2002年，彼时微电子和互联网技术对社会的冲击尚处在遥远而不可预测的未来，马斯克则刚刚建立了他的SpaceX。为了清理种类繁多、情况复杂的在轨垃圾，似乎总需要有人来从事“星空清理者”这份浪漫而危险的职业。然而近年来，随着各国一系列空间机器人演示验证项目的立项、实施，“星空清理者”这份有着生命危险的工作，似乎可以由机器人代劳了。瑞士洛桑联邦理工(SwissFederal Institute for Technology in Lausanna,EPFL)正在开发的“清洁太空一号”(CleanSpaceOne, CSO)卫星，即是旨在清理太空垃圾的代表性项目。

虽然有着美好的初衷，“清洁太空一号”自2012年立项以来，却已因各类原因进行了四轮总体方案更迭，任务日期也已一拖再拖。本文意在梳理“清洁太空一号”设计方案的前后变革，以供读者参考。

一、2012：诞生之初

2012年2月，洛桑联邦理工下辖的瑞士航天中心(EPFLSwiss SpaceCenter)宣布了其设计、制造一颗用于验证太空垃圾清理技术的“清洁太空一号”卫星的计划^[1]。项目旨在制造一颗带有柔性抓捕机构的，尺寸为30×10×10cm的3U立方星，以实现对两个位于近地轨道的废弃目标——分别在2009年、2010年发射的两颗瑞士卫星的拦截、捕获、再入销毁。

按照“清洁太空一号”技术团队的规划，该项目的预算约为1100万美元，工程周期约在3年左右，并有望在2016年前后升空执行任务。为完成这一任务，技术团队需要攻克的难题主要有二：一是有效拦截在轨目标所需的精确轨道调整能力，二是紧凑有效的空间用电机及抓捕机构设计。

“清洁太空一号”项目的愿景，如瑞士航天中心主任VolkerGas所述，是“希望提供并出售一系列的具有可持续特性的成熟技术系统，来实现不同种卫星的离轨任务”，为日益严重的太空垃圾威胁提供一种在经济上可行的技术解决方案。

图1 “清洁太空一号”的早期构想

二、2013：方案雏形

到2013年，随着EPFL在“清洁太空一号”项目上与欧空局(ESA)展开合作，苏黎世联邦理工(ETHZurich)、瑞士应用科学大学(theSwiss Universities of Applied Science)等大学以及瑞士航天系统公司(SwissSpace Systems)也加入该项目并提供技术支持。^[2]

在项目资金方面，瑞士航天系统公司的加入为“清洁太空一号”项目注入了1500万瑞士法郎的资金，其中500万瑞士法郎用于卫星的制造、组装、测试以及建造地面设施，而剩余的1000万瑞士法郎则用于支付瑞士航天系统公司将卫星发射入轨所需的费用。

由于瑞士航天系统公司的加入与资金支持，“清洁太空一号”的发射入轨方案有了重大的改变。在EPFL与瑞士航天系统公司的合作方案中，“清洁太空一号”将搭载亚轨道可复用航天飞机(SuborbitalReusable Shuttle,SOAR)入轨以完成其太空垃圾清理任务，如图二所示。SOAR是一种采用水平发射方式的、可携带250kg载荷的小型航天飞机，在发射时，它先由改装的空客A300背负升空，达到指定高度（约10km）后点火分离。在其轨道的最高点（约80km）处释放携带“清洁太空一号”的入轨器，入轨器继而点火将“清洁太空一号”送入约700km高的轨道执行任务。按照清洁太空团队的预想，由于SOAR的可复用性，发射入轨的费用将会因此而有效降低。

图2 “清洁太空一号”的PHASE2013方案

在这一发射方案下，技术团队进一步修改完善了“清洁太空一号”的PHASE2013卫星设计方案，他们摒弃了立方星的构想，将其重新定义成了一颗体积27U、质量35-40kg的微卫星^[3]。在PHASE2013方案中，“清洁太空一号”的目标明确为SwissCube立方星以及一枚废弃的Vespa上面级(Vespaupper structure)[4]。SwissCube为EPFL航天中心2009年发射的1U立方星，质量约为0.82kg，主要任务为大气辉光观测。Vespa则是欧空局2013年发射的Vega火箭的上面级部分，其外形为圆柱-圆锥结合体，直径约2.1m，高约1.3m，质量约150kg。

为了有效降低生产成本，也为更好的实现其成熟商用系统的愿景，在这一版本的“清洁太空一号”设计方案中，除去抓握器、目标视觉追踪系统、结构系统等确需定制的部件外，设计团队尽可能的采用了COTS器件完成设计。其星务管理电脑采用了Gomspace的A712D处理器，通信分系统采用了Gomspace提供的型号为ANT430的UHF波段收发机以及ClydeSpace的2M带宽S波段收发机，电源分系统则由Gomspace以及ClydeSpace提供的14组3U太阳能电池、78Wh蓄电池以及电源管理系统构成。

推进分系统方面，该版设计方案采用了冷气-电推进混合系统。TNO提供了名为冷气发生器(ColdGasGenerators)的冷气推进器，该推进器尺寸为10×10×20cm，集成了储罐、供给系统以及5个推力器，能够产生速度增量为20m/s的6向推力，主要用于卫星的姿态控制与机动。在轨道控制方面，“清洁太空一号”则寄希望于一款EPFL自己开发的名为MicroThrust的微胶体电推进器，该推进系统干重约700g，能够以3000s的比冲、0.6mN的推力提供650m/s的速度增量。

姿态控制分系统方面，姿态敏感器件包括CubeSatShop提供的6具精度为0.5°的太阳敏感器、ZarmTechnik提供的三轴数字磁力计、代尔夫特理工提供的型号为Micro-Advanced Stellar Compass的星敏感器以及型号为ADIS16375的惯性测量单元；姿态控制器除去冷气发生器外，还包括三组SinclairInterplanetary提供的RW-0.060动量轮及ZarmTechnik提供的MT5-2-M的磁力矩器。

为使“清洁太空一号”有效的完成太空垃圾的捕捉，设计团队将工作的重点放在了目标物感知和定位系统以及捕获装置两大分系统的研发上。

在目标物感知与与定位系统的设计上，PHASE2013方案将这一任务划分为两部分：目标物的中距离探测以及目标物的近距离观察建模。在目标物的近距离观察建模方面，PHASE2013方案测试了三种可行路线。第一种路线使用一台高动态范围的智能相机对目标物进行二维的观测成像。第二种路线则使用代尔夫特理工开发的一套基于星敏感器的视觉建模系统，该路线的优势在于方案已经在飞行任务中验证了可靠性。第三条路线则使用红外3D相机实现目标物的动态感知，该路线的优势在于其使用有源观测装置，因而不受照明条件限制，缺点则在于其功耗和有限的探测距离。

在捕获装置的设计上，由于待捕获目标为已经废弃的上面级或卫星，不仅具有不同的几何外形，还可能存在不受控的姿态运动。因此，研究人员希望使用柔性软体抓持器以实现对这类非合作目标的有效、无损、稳定抓持。根据模拟^[4]，如果希望“清洁太空一号”能在1秒时间内完成对Vespa上面级的稳定抓持，抓握器需要提供约4.3N的抓握力；以SwissCube为目标，则抓握力的需求降到了6.5mN。

为了实现紧凑、轻便的柔性抓握器设计，“清洁太空一号”的技术团队以介电弹性体(dielectricelastomer)为材料、采用最小能量结构(Dielectricelastomer minimum energy structure,DEMES)制造方法设计了一套四指抓握器，如图三所示。在入轨前，抓握器处于折叠状态以满足运载和发射的体积及外形要求；入轨后，柔性抓握器被释放并处于握紧状态；给介电弹性体通以约3000V的电压，抓握器展开以包裹目标物；除去负载电压，抓握器即可长期有效的抓握目标物^[5]。

在测试中，DEA抓握器能够提供约2mN的抓握力，技术团队认为，还需要进一步改进抓握器设计方法与生产工艺以达到设计所需的抓握力目标。另外，基于最小能量结构设计的DEA抓握器需要在制造时进行弹性体的预拉伸(pre-stretch)，故DEA中的弹性薄膜在成型后始终处在被拉伸的受力状态。目前所使用的弹性薄膜材料在长时间拉伸状态下会产生不可忽略的蠕变，这严重限制了DEA抓握器的使用寿命^[6]。

图3 DEA软体抓握器

到2014年，“清洁太空一号”的PHASE2013方案基本完成了详细的设计，而随着这一轮的方案更迭，“清洁太空一号”的计划任务时间也被延迟到了2018年^[7]。

三、2015：改弦更张

然而，时间进入2015年，“清洁太空一号”的初步完成的总体方案再次遭到更换。在EPFL对外公布的PHASE2015设计方案中，“清洁太空一号”卫星继续“扩容增重”，成为一颗总重80kg、边长40cm的立方体外形卫星^[8]；而这一轮方案修改，最显著的变化则是其抓捕机构的更换。新的抓捕机构抛弃了机械臂-软体机械爪的设计，采用了可展开的体装式蛛网捕捉器。

蛛网捕捉器以六根带有曲率的碳/环氧树脂双稳态卷材复合材料(carbon/epoxybistable reeled composites,BRCs)杆作为操纵机构和刚性支架，并在杆之间张起平行的网绳构成完整的抓捕器。BRC杆具有双稳态特性，它的结构类似魔术棒，是由具有平面矩形几何的碳/环氧树脂复合材料沿短边卷曲制成的带有侧开口的空心杆。沿长边卷曲的时候，BRC杆即进入紧凑的存储状态，满足卫星的运输和发射需要。展开时，抓捕机构的6根BRC管分布在正六边形棱台的6条棱上，与管之间张出的平行网共同构成抓捕包络，以捕捉目标物SwissCube。

图4 “清洁太空一号”的PHASE2015方案

虽然EPFL航天中心并没有直接说明其更改设计方案的原因，但我们可以推测，设计方案的大规模更迭可能由以下几种原因造成：

第一，如参与研发的博士生ChristophePaccolat所述^[9]，“目标物SwissCube在空间环境中不仅仅是一个10×10×10cm的简单立方体，其表面具有不同反射度的部件在太阳光照下呈现出复杂的视觉特性，使得“清洁太空一号”对目标进行精确视觉定位的难度大大增加，这可能造成对速度和距离的错误估计”。

视觉定位的较低精度增加了DEA抓握器准确抓持SwissCube的难度。由于DEA抓握器的设计仅仅能刚好包括SwissCube，DEA抓握器的柔性并不能有效消除视觉定位带来的误差，也因此，一个带有误差的抓取动作可能直接将SwissCube弹开，造成任务的失败。而抓捕包络更大的蛛网抓捕机构显然能更好的避免这个问题。

第二，在前续的实验测试中，DEA抓握器的抓握力尚不能达到工程的实际需要，而这一问题并没有得到解决。

第三，2013年的初步设计方案虽然能够捕获SwissCube一类的小型目标，但对Vespa一类的大型目标无能为力。为了获得更好的目标兼容性以及商业可行性，抓捕机构从机械臂连接的DEA抓握器变为了蛛网状捕捉器。

EPFL的研究人员在提出了PHASE2015的设计方案后，将“清洁太空一号”的任务时间进一步推迟到了2020年^[8]。

到2018年，“清洁太空一号”的技术团队在EPFL的支持下成立了初创公司“ClearSpaceToday”(以下简称CST)，以进一步完善“清洁太空一号”的设计并将这一模式商业化^[10]。他们认为，PHASE2015方案的兼容性足够好，不仅能实现捕捉清除SwissCube的特定任务，更能有效兼容针对300kg以下的各类太空垃圾的清除任务^[11]，这也从技术上确保了该项目的商业可行性。

四、2020：更大的目标

在2019年12月，CST公司凭借多年的技术积累，成功与欧空局签订了一份执行残骸清除任务的合同。在这份合同中，CST将运用在“清洁太空一号”项目上的技术积累，设计“清朗空间一号”(ClearSpaceOne)卫星，以在2025年完成清除Vespa上面级的任务^[12]。“清朗空间一号”任务将置于欧空局的主动残骸清除/在轨服务(DebrisRemoval/In-Orbit Servicing,ADRIOS)项目下，并由欧空局提供主要的资金支持。^[13]根据欧空局的估计，这一清除任务（研发、制造、发射）将会花费约1.2亿欧元。

因此，欧空局将首先向CST公司提供约7千万欧元的资金，以支持CST前三年的研发制造任务。除此以外的资金，CST公司将通过两种方式获得。一是向私人企业募集，二则会由欧空局在2022年的部长级会议上对项目进行审核后提供^[12]。

图5 “清朗空间一号”方案示意

基于“清洁太空一号”方案的设计经验，CST公司提出了新的、运用四支刚性机械臂捕捉Vespa上面级的方案。据CST公司CEOLucPiguet所述，该航天器“质量大约400kg，将具有高度的自主性。在首次任务中，航天器将依赖化学推进系统进行轨道机动，并随目标物一起再入大气层销毁。而后续型号将换装化学-电推混合推进系统，以实现单机多次残骸清理”^[12]。

ESA认为，Vespa上面级具有简洁的几何外形，是进行首次太空垃圾清理演示验证的理想目标。除此之外，Vespa上面级还与大多数小卫星具有类似的质量，诸如质量120kg的SkySat卫星、质量150kg的OneWeb互联网卫星。

如若首次任务成功，将为空间残骸清理更长远的发展提供坚实的基础。在任务规划方面，“清朗空间一号”将首先依照欧空局的要求、由欧洲制造的发射系统发射至500km的近地轨道进行调试和技术测试；随后，“清朗空间一号”再升轨至Vespa上面级所在的轨道（800km×660km），以实现交会抓捕。

随着欧空局大规模资金的注入，EPFL于2012年末提出的构建“商业可行”的太空垃圾清理方法的愿景逐渐变得坚实起来。虽然前后已足八年，方案四经更迭，但“清洁太空一号”及其后续方案的发展，谁也不敢如女巫占卜般去描画一个确定详细的未来。毕竟，马斯克在2002年创办SpaceX的时候，大多数人都觉得他是个疯子。“清洁太空一号”的未来，我们还需拭目以待。

参考资料：

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