2.10 各国空间碎片清除计划

2.10.1 美国的电动碎片清除器

2010 年 8 月，美国国防高级研究计划局 （ DARPA） 公布了正在研制的空间碎片清除技术演示验证项目———电动碎片清除器 （ electro dynamic debris elim inator,EDDE） ^[100] ，其原理如图 2 -62 所示。电动碎片清除器主要由太阳电池翼、电子发射器和飞网管理器组成，各部分通过导线（强化铝带）连接，在轨展开长度超过 10km, 质量小于 100kg, 收纳体积为 0.11m ³ ，每个“改进型一次性运载火箭”的次级有效载荷插槽可容纳 2 个这样的清除器。飞网约有几十平方米大小，质量约 50g, 由位于缆绳末端的飞网管理器进行控制，不能重复使用，每个管理器携带 100 张飞网。

电动碎片清除器运行在低地球轨道上，利用电动力学原理，通过太阳电池翼转化电能，在导线中形成电流，由其中一端的电子发射器发射电子，飞行器另一端的裸露铝导线收集电子，形成电流回路。由于电动碎片清除器处于地磁场中，所以通过磁场作用便会施加一个洛伦兹力在导线上。力的大小决定于导线的长度、电流以及磁场的局部场强和方向。整个电动碎片清除器系统在空间是缓慢旋转的，旋转周期约 15min, 电动碎片清除器以此保持张力和稳定性。

电动碎片清除器方案的最大优点是无须携带推进剂，而是依靠太阳能薄膜电池与电动力缆绳产生高效动力，它可在寿命期内产生数百千米每秒的累计速度的变化量。在 400~ 1000km 的轨道上 ,1 个电动碎片清除器可产生 7 kW 的功率，可以每天爬升或下降数百千米，或者以 1° /天的速率改变轨道倾角。电动碎片清除器的电动力缆绳 （ electro dynamic tether, EDT） 系统不仅在与其他可用于清除空间碎片的推进系统相比时表现出明显的优势，而且缓慢旋转的电动碎片清除器的清除系统在大部分大型碎片所处的大倾角轨道上的清除效率更高。单个电动碎片清除器每年可清除约 30 块碎片，美国规划的清除系统包括 12 个这样的清除器，可在 7 年内清除近地球轨道上 2 500 块质量大于 2 kg 的碎片。

美国自 20 世纪 60 年代就开始在亚轨道、近地球轨道进行空间缆绳技术实验，从 1992 年开始开展电动力缆绳的低轨实验，至今已通过多次实验验证了太阳能薄膜电池、空心阴极、电子收集器和缆绳在轨展开 （20km） 等技术。 2010 年，美国的系绳应用公司和恒星技术与研究公司在美国海军“小企业创新研究计划”的资助下，完成了电动碎片清除器项目第一阶段的研究 。2012 年 3 月，美国航空航天局又授予这两家公司一份为期 2 年、价值 190 万美元的合同。按照合同，这两家公司将在 2013 财年向美国航空航天局交付电动力缆绳产品的缩比样品，并由海军研究实验室来完成其在轨推进能力测试。测试缆绳的长度将达到 1 km, 末端是 3U “立方体卫星”，原理如图 2 -63 所示，主要用于演示旋转状态下的大尺度轨道变化，测试导航、跟踪和主动规避能力，以及与目标物体的交会能力（不捕获 ）。2019 年 6 月通过 SpaceX 的“重型猎鹰”运载火箭 -2 发射了系绳电动力学推进立方星 （ tether electrody namics propulsion cube sat experiment, TEPCE） , 这是一颗 3U Mini - EDDE 立方星，如图 2 -64 所示 ,11 月成功利用电动推力完成了轨道机动，而且结果好于预期。

2.10.2 日本的微型清除器

日本宇宙航空研究开发机构正在研究一种演示验证主动清除空间碎片技术的微小卫星系统———空间碎片微型清除器 （ space debris micro remover, SD MR） , 如图 2 -65 所示 ^[100 ]。这种清除器质量为 140 kg, 尺寸为 700 mm ×700mm× 600 mm, 可作为次级有效载荷与其他卫星一起发射。

空间碎片微型清除器的任务过程可简要概括为：空间碎片微型清除器首先与目标空间碎片自主会合，并测量其运行轨道；然后围绕目标飞行，确定将其捕获的最佳路径；逼近目标，使其稳定并用机械臂捕获目标；随后将固定在机械臂上的电动力缆绳展开；最终自动调节缆绳倾角，以控制推力并避免缆绳失稳，携带碎片离轨。

空间碎片微型清除器采用了较简单的目标定位与交会系统，包括全球定位系统 （ GPS） 接收机、星跟踪器和成像传感器，技术成熟度较高。在该系统研制中需要突破的关键技术是电动力缆绳技术和可展开灵活机械臂技术。该任务所需的电动力缆绳长 2 km, 峰值电流 1 A, 设计寿命 1 年。

2010 年 8 月 31 日，日本成功进行了本国的首个电动力缆绳推进在轨演示实验。缆绳呈磁带状，宽为 25mm, 厚度为 0.05mm, 长为 300m。 实验高度约为 100km, 运行速度约为 8 m/ s。 实验中，导电缆绳和机械臂成功展开，验证了空心阴极在高速运动条件下的工作能力，但高压控制器未能按计划工作。这次实验提供的信息可用于改进等离子体收集设备，提高收集效率。目前，日本正在开展进一步研究，测试电动力缆绳的受力、电阻、电子收集能力、柔韧性，以及在展开时受到的阻力大小，为下一轮在轨演示验证实验做准备。

对于碎片清除器而言，目标碎片通常已失去姿控能力。对于这样一个翻滚的、不合作的且可能是未知质量的空间目标，捕获难度很大。特别是对于翻转速度较快的目标，机械臂/机械手无法进行直接抓取，需要先稳定目标物体。为此，日本研制了电刷接触器，它在靠近碎片后，可通过摩擦碎片表面使其转速减慢或直至静止，以利于采用机械臂/机械手进行捕获。

2016 年 12 月，日本“鹳 ”-6 飞船携带长 700m 的电动绳系测试系统“白鹳号集成绳系实验”（ KITE） 抵达国际空间站，用于测试部署绳系的机构，可惜实验未能顺利进行。而此项技术有望在 2025 年左右正式部署，用于清除数百千克至数吨重的大型空间碎片。

2.10.3 德国的制动火箭星

2010 年，德国制动火箭空间 （ Retro Space） 公司提出了“制动火箭星” （ RetroSats） 方案，计划每年抓捕 15 块大型空间碎片并使其离轨。德国制动火箭空间公司原计划在 2016 年开展首次在轨演示验证任务 ,2022 年发射业务星，但是截至目前未有进一步的相关公开信息报道。

2.10.4 瑞士的太空清理星

2012 年 2 月，瑞士洛桑联邦理工大学 （ EPFL） 瑞士航天中心宣布，将发射空间碎片清除系列的首颗技术演示验证星“太空清理一号”（ CleanSpaceOne） 卫星，用于清除一颗报废的瑞士卫星 （ SwissCube） 。该计划主要用于验证远距离和近距离目标探测系统、捕获系统、微推进系统及可控再入系统，可分为发射、接近目标、捕获目标、返回大气层四个阶段。该系统采用图像和视频系统对目标进行定位，采用机械臂/机械手抓捕目标，如图 2 -66 所示。

“太空清理一号”目前面临三个技术难点：首先，“太空清理一号”要完成变轨，进入目标物的轨道。为此，这家瑞士研究中心将使用自产的一台新式微型发动机，对卫星的轨道进行不断调整。其次，“太空清理一号”要不断接近高速移动的目标物。因为太空垃圾不能控制，还可能带有自旋，科学家将在卫星的一端安装机械爪，以抓住目标物。最后，“太空清理一号”在捕获目标物后再变轨，在返回大气层的过程中产生摩擦，通过高温高压使垃圾熔化销毁。

“太空清理一号”的造价大约合 1 100 万美元，原计划于 2015 — 2016 年发射，但是由于经费问题，瑞士研究小组不得不将发射任务推迟到 2022 年。

2.10.5 法国的碎片清除器

2012 年 3 月，法国公布了自己的碎片清除系统计划。该系统采用机械手对碎片进行抓捕，如图 2 -67 所示 ^[100] 。法国原计划在 2020 年采用小型原理样机进行非合作目标交会和离轨技术的首次在轨演示验证 ,2022 — 2024 年进行全功能样机的在轨演示验证，但是目前没有相关项目进展的公开报道。

2.10.6 英国的“立方帆”清除器

英国萨里大学萨里空间太空中心 （ Surrey Space Centre, SSC） 一直致力于开发一种基于太阳帆的技术，命名为“立方体太阳帆”，主要任务目标包括采用三轴稳定的 25m ² （5m ×5m） 太阳帆演示验证近地轨道中太阳帆推进的概念和演示验证使用薄纱结构作为卫星离轨增阻装置 。 CubeSail 是小型纳卫星，可以随其他任务一起发射至地球上空 700~ 800km 的近地轨道。通过控制卫星的姿态使帆面对准太阳，帆面受到太阳光子的连续撞击后能获得一定的推力，可作为卫星的动力推进系统。即使在 700~ 800km 的轨道高度，仍然存在稀薄的大气分子，如果调整卫星姿态使帆面垂直于速度方向，可增加卫星受到的大气阻力，使其轨道高度衰减，直至坠入大气层烧毁。

在 CubeSail 项目研究的基础上，萨里空间太空中心研制了技术验证卫星 DeOrbitSail, 旨在演示验证使用低成本超轻太阳帆作为拖曳帆使卫星离轨再入大气层，其在轨部署如图 2 -68 所示 。 DeOrbitSail 在展开状态下的尺度可达 4 m× 4m, 分成 4 块三角形帆面，整星基于 3U 立方体卫星进行构建，外形尺寸为 10 cm × 10 cm × 34 cm, 整星重量 3 kg, DeOrbitSail 具有电源、通信、姿态控制和数据处理，还有最关键的离轨帆收拢包和展开机构，帆面可以利用大气阻力和太阳光压作用力实现卫星快速离轨。该卫星项目被纳入欧盟第七框架计划 （ FP7）, 由欧盟委员会资助。

2015 年 7 月 , DeOrbitSail 卫星完成太阳帆地面部署测试，如图 2 -69 所示，并在印度萨迪什·达万航天中心搭乘极地轨道运载火箭 （ PSLV） 顺利发射并成功入轨，但入轨后卫星发生故障。卫星被成功发射入轨，但是在帆面展开环节出现故障，未能展开。根据故障诊断，很有可能是展开机构的电机线缆出现断路情况。

InflateSail 是萨里太空中心研制的另一个技术验证卫星，如图 2 -70 所示，隶属于 SSC “太空大型可部署技术”（ DEPLOYTECH） 项目，其主要目标为验证太阳帆的展开部署及离轨能力。该卫星还隶属 QB50 项目 , DEPLOYTECH 项目和 QB50 项目都在欧盟第七框架计划下受到资助。

InflateSail 离轨帆同样来源于 SSC 的 CubeSail 项目太阳帆 。 InflateSail 离轨帆采用 12μm 厚的聚萘二甲酸乙二醇酯 （ PEN） 透明材料，尺寸为 3.1m ×3.1m, 采用 4 根采用碳纤维复合材料 （ CFRP） 制成的轻质双稳刚性复合材料 （ BRC） 杆展开并支撑，其在轨展开概念图如图 2 -71 所示。

2017 年 6 月 23 日 , InflateSail 卫星完成充气桅杆和离轨地面展开实验，如图 2 -72 所示，在印度萨迪什·达万航天中心搭乘极地轨道运载火箭 （ PSLV - C38） 顺利发射并成功入轨，在入轨后约 1 h 成功部署了帆 。 InflateSail 在轨运行 72 天内迅速降轨，并于 9 月 3 日再入大气层 。 InflateSail 离轨帆经在轨成功验证后又应用于 SSC 的 2018 年发射的 RemoveDEBRIS （ 碎片清理）卫星[后文中会详细介绍欧空局 RemoveDEBRIS （ 碎片清除）计划]。

2.10.7 欧空局空间碎片清除计划

从 2012 年起，欧空局的“清洁太空 ”（ clean space） 倡议主动系统地考虑了生命周期的空间活动，包括从早期的概念设计到任务寿命结束，甚至考虑如何清除空间碎片。“清洁太空”倡议有三个分支，主要包括 ecodesign （通过生态设计降低对人类的影响）、 cleansat （通过卫星设计减少空间碎片）和 e.Deorbit （通过主动清除技术实现空间碎片离轨）。本书中主要介绍其 e.Deorbit 和 RemoveDEBRIS 计划。

e.Deorbit 以移除近地轨道保护区域内欧空局自有的大型空间碎片（如废弃卫星 ENVISAT） 为目标，旨在处理由多种传感器（如激光雷达、多光谱相机和可见光相机）提供的图像，以了解空间物体的动态和运动属性。随后 , e.Deorbit 将使用制导、导航和控制系统来确保“安全且受控的协同接近操作”。

该项目正在研究两种捕获技术，如图 2 -73 所示。一种技术是配备夹持器的机械臂，可抓捕航天器上的附件。另一种技术是太空渔网，该装置将在投放后包裹住空间碎片。一旦空间碎片被勾住或被包裹住 , e.Deorbit 将利用自身推进器降低空间碎片的轨迹，并使其在大气层中销毁。

e. Deorbit 项目在 2016 年 ESA 部长级会议上获得资助 , ESA 将投入 4 100 万欧元，推进“成熟化阶段”工作。该阶段将完成详细的系统设计，并研发提供导航和机器人功能的“关键技术构建模块”。目前制订的具体任务计划为以下几条。

（1）2024 年 1 月由欧洲运载火箭“织女星”改进型 VEGA - C 发射升空，并在 300km 的圆轨道试运行，通过轨道转移及调相至目标轨道。

（2）2024 年 2 月，采用先进图像处理技术实施目标监视。

（3）2024 年 3 月，采用复杂 GNC （制导/导航与控制）技术实施交会和同步运动，并采用创新的机器人技术捕获目标（如机械臂、飞网、鱼叉等机构），然后实现组合体稳定。

（4）2024 年 4 月，实施离轨处置。

碎片清除任务 （ RemoveDEBRIS mission） 是 FP7 的研究项目，为耗资 1 130 万欧元的低成本任务。该任务旨在验证碎片主动清除关键技术，包括在真实的太空环境下使用飞网、鱼叉、拖拽帆以及基于视觉的导航技术 。2018 年 6 月，碎片清理卫星完成在国际空间站上的部署，其配备了能够捕获太空垃圾的多种技术。该卫星平台部分由欧洲委员会资助，由萨里空间太空中心负责，目前进行的太空实验情况如下。

2018 年 9 月，该卫星平台成功完成了第一次实验。该卫星平台首先释放一颗小型立方星，再利用一张特殊的网捕获太空碎片以及该小型立方星。然后该小型立方星与网一起脱离轨道，再入大气层时被产生的高温分解。

2018 年 10 月，该卫星平台释放了另一颗立方星以进行第二次实验，立方星被置于预定再入通道上，实验目的是利用激光雷达和相机跟踪记录卫星的载入过程。

2019 年 2 月，碎片清理卫星平台成功完成了鱼叉演示实验。该卫星平台在距离飞船约 1.5 米的一个悬臂上部署其假想太空垃圾目标，然后用鱼叉以超过 70.8 km / s 的速度命中目标。

2019 年 3 月，该实验中卫星平台将为再入帆充气，使得平台本身脱离飞行轨道并再入大气层。清理太空碎片的最根本的解决办法是，发射的航天器自身就能够进行垃圾回收。有了这项技术，以后设计卫星时，可以装载这样的回收再入装置，以清除太空垃圾。然而令人遗憾的是，本次实验中，向 Dragsail 帆发送部署指令后，未检测到航天器轨道的预期变化。经过调查，确定最有可能的原因是充气臂部署失败，从而阻止帆的顺利展开。

此外，各国还提出了聚焦太阳光消融碎片、向碎片喷射高速气流使其改变运行方向并离轨、向碎片喷射泡沫增大气动阻力使其提早坠入大气层烧毁等一些概念方案。 OVkU9vJ38J8thoHQ7s8eQfbWpoiGsMLabf2Q+eN/KRoPHEvk6+gRdhVOLzSos9+2