欧空局签下了世界第一个太空垃圾清除任务,花费约6.8亿人民币

2025年,第一个主动清除太空垃圾的任务,“清洁太空-1”任务,将与织女星二级有效载荷适配器的上半部分会合,将其捕获然后再拖带重新进入地球大气,这块活动的太空垃圾是欧洲织女星运载火箭的一部分,在2013年织女星运载火箭的第二次飞行之后遗留在了太空之中,位于约800千米×660千米的高空逐渐报废轨道中。“清洁太空-1”任务将遵从减少太空垃圾的规定,使用ESA开发的机械臂技术捕获Vespa,然后有控制地重返地球大气。
图片来源:ClearSpace SA

欧洲空间局(ESA)与瑞士初创公司ClearSpace SA领导的工业团队于12月1日签署了一项价值8600万欧元(约合6.8亿人民币)的合同,用来购买一项独特的服务:首次从轨道上清理掉一个太空垃圾。

也就是说,ClearSpace将在2025年启动第一个主动清除太空垃圾的任务,即“清洁太空-1”任务(ClearSpace-1),该任务将与织女星二级有效载荷适配器(Vega Secondary Payload Adapter,Vespa)的上半部分会合,将其捕获然后再拖带重新进入地球大气,这块活动的太空垃圾是欧洲织女星运载火箭(Vega)的一部分,在2013年织女星运载火箭的第二次飞行之后遗留在了太空之中,位于大约801千米×664千米的高空逐渐报废轨道(disposal orbit)中,“清洁太空-1”任务将遵从减少太空垃圾的规定。

欧空局签下了世界第一个太空垃圾清除任务,花费约6.8亿人民币

“清洁太空-1”任务捕获Vespa的概念图
图片来源:ClearSpace SA

相比直接采购并运行整个任务,ESA这次选择的是一种新的业务开展途径:为服务合同买单。这是ESA在太空中建立新商业领域的第一步。

ESA仅对这次初始任务进行了部分购买,ClearSpace公司本身还将通过其他商业投资者募集余下的任务费用,除此之外,ESA也为任务的关键飞行技术提供了支持,通过主动垃圾清除/在轨检修(Active Debris Removal / In-Orbit Servicing,ADRIOS)计划,发展成该机构主动清洁太空项目的一部分。

其中包括先进的制导、导航和控制系统,以及基于视觉的人工智能(AI),这使得“追捕”卫星可以自主、安全地靠近目标,并使用机械臂实现捕获。

挑战未来将要面对的难题

欧空局签下了世界第一个太空垃圾清除任务,花费约6.8亿人民币

捕获目标:织女星二级有效载荷适配器的上部
图片来源:ESA /法国国家空间研究中心(CNES)/阿丽亚娜空间公司(Arianespace)/圭亚那航天中心的光学视频部(Optique Video du CSG)

ESA总干事扬·沃纳(Jan Wörner)解释说:“考虑到现在为止进行的所有轨道捕获,它们的实现都是针对配合性的、完全受控的目标物体。”

“对于太空碎片垃圾,按照定义,这样的控制是不可能存在的:相反,太空垃圾会漂移,通常还会随机地翻滚。

“因此,首次捕获和处理非配合性的太空物体,代表了一项极富挑战性的成就。但是随着卫星总数在未来十年中的迅速增长,定期清除对控制太空垃圾的数量变得至关重要,这么做的目的是防止可能导致太空垃圾问题进一步恶化的一系列相互碰撞。”

地球周围的太空正变得越来越拥挤,越来越多的卫星在到达它们的使用寿命后停驻在轨道中,而较高轨道中的卫星可以持续存在数百年甚至数千年之久;除此之外,弃置的火箭级如果没被推入大气层,也会成为太空垃圾的另一个主要源头。这些无用的太空垃圾威胁着正常工作的卫星和宇航员,且危险性正日益增长。

ClearSpace的创始人兼首席执行官卢格·皮古特(Luc Piguet)评论说:“在轨道速度下,即使是一颗小小的螺丝钉也可能因撞击受到爆炸般的冲击力,而这是任务设计者所无法避免的。相反,我们须要通过主动清除太空垃圾来应对这种威胁。”

地球的第一个太空垃圾清除任务
视频来源:ESA

“我们的‘拖车’设计将用于清理关键的垃圾轨道,如若不然,这些轨道可能因太空垃圾的存在而无法供未来的任务所使用。‘拖车’设计将消除轨道所有者日益增加的风险威胁和不利条件,同时让整个航天业受益。我们的目标是建立可负担且可持续的在轨服务。”

ESA清洁太空办公室(Clean Space Office)的负责人路易莎·伊诺森蒂(Luisa Innocenti)补充说:“具体计划是,将这次开创性的太空垃圾捕获任务作为基础,发展出一个可重复进行的商业案例,不仅适用于全球负责任的参与者来清除太空垃圾,还适用于在轨维修:同样的技术将能让卫星进行在轨加油和维修,从而延长卫星的使用寿命。最终,我们预计这一趋势将扩展到在轨组装、制造和回收。”

欧洲工业引领太空垃圾清除

ClearSpace是一家分拆公司,由洛桑联邦理工学院(École Polytechnique Fédérale de Lausanne,EPFL)经验丰富的太空垃圾研究组成员成立,目前正领导一支包括来自多个欧洲国家的公司在内的工业团队,相应的资助将来自瑞士、捷克共和国、德国、瑞典、波兰、英国、葡萄牙和罗马尼亚的多个企业。

欧空局签下了世界第一个太空垃圾清除任务,花费约6.8亿人民币

“清洁太空-1”任务准备与Vespa汇合
图片来源:ClearSpace SA

“清洁太空-1”任务的捕获目标Vespa质量为112千克,大小接近一颗小型卫星,相对简单的形状和坚固的结构让它成为了首次捕获的合适目标,后续任务将捕获体型更大、更具挑战性的目标物,最终将进行多目标捕获。

“清洁太空-1”任务最初将被发射到500 千米高的近地轨道,进行调试和关键测试,然后上升到目标轨道,利用四重机械臂进行交会和捕获,在ESA的监督下进行飞行。组合后的“太空机器人”追捕者和Vespa目标最终将脱离轨道,在大气层中燃烧殆尽。

参考来源:

[1] https://www.esa.int/Safety_Security/ESA_purchases_world-first_debris_removal_mission_from_start-up
[2] https://www.sciencemag.org/news/2020/12/europe-plans-space-claw-capture-orbiting-junk

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