国际空间站发射首颗具有太空碎片清除功能的卫星RemoveDEBRIS

SAE International 国际自动机工程师学会

国际空间站（ISS）的宇航员在空间站上发射了首颗具有太空碎片清除功能的卫星RemoveDEBRIS，它同时也是ISS史上部署过的最大的卫星。这一专门用于测试碎片主动清除（ADR）系统有效性的低轨道卫星，汇集了欧洲、亚洲、非洲与美国各太空机构、航天专家与技术公司的智慧结晶。

太空碎片（俗称太空垃圾）正逐渐成为地球与太空所面临的严峻问题。欧洲航天局（ESA）的官员表示，太空碎片指的是“地球轨道上或重返大气层的所有无功能人造物体，包括其残块与组件”。如今，太空环境的日益拥挤，使得提供安全服务与执行关键任务的卫星遭碎片撞损的可能性不断增大，并进而危及到乘坐航天飞船升空或重返大气层的宇航员的生命安全。

美国国家航空航天局（NASA）官员表示：“自进入太空时代以来，太空碎片数量就出现大幅增加的态势。大部分发射到太空的物体如今仍在地球轨道上运行，这些物体及其副产物对太空与地球都构成了一定威胁。”

NASA官员进一步表示：“太空里的碎片会互相发生碰撞，进而损坏在轨运行的卫星，并影响地球所接收的卫星服务质量。具体来说，太空中的撞击很难预测，且非常危险。四处乱飞的碎片会给航天飞船的运行带来麻烦，而两个碎片相撞会产生大量快速移动的小碎片。最严重的情况是发生连锁撞击，最终影响到网络连接、电子邮件、全球定位系统（GPS）导航以及手机赖以正常工作的航天器。”

NASA 官员表示，将通过RemoveDEBRIS卫星进行“碎片主动清除任务的在轨演示，来验证关键性碎片主动清除技术。这些技术具体包括基于捕网与鱼叉的捕获技术、基于拖曳帆的快速离轨技术、以及采用视觉导航的交会接近探测技术。总之，RemoveDEBRIS项目能使无人与载人航天器的飞行安全性大大增加。”（敬请关注SAE International有关太空安全的声明。）

RemoveDEBRIS卫星是全球为了清除不断堆积的危险轨道碎片所开展的首批任务之一。今年4月，执行第14次商业补给任务（Commercial Resupply Mission）的SpaceX猎鹰9号火箭从位于弗罗里达州的肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center）发射升空，将所搭载的RemoveDEBRIS卫星送至了国际空间站（ISS）。

RemoveDEBRIS由英格兰萨里卫星技术有限公司（SSTL）建造，该公司是萨里大学（University of Surrey）的一家衍生企业，由空中客车防务及航天公司（Airbus Defence and Space）控股。之后通过位于得克萨斯州韦伯斯特（Webster）的NanoRacks公司所生产的Kaber微型卫星部署器完成部署。

在萨里大学萨里太空中心（Surrey Space Centre）牵头、欧盟第七框架计划（Seventh Framework Program）按拨款协议提供部分资金支持的情况下，相关太空公司与研究机构组成了联合研究组，专门致力于RemoveDEBRIS卫星的设计与开发，成员包括空中客车公司（Airbus）、阿丽亚娜集团（Ariane Group）、法国国家信息与自动化研究所（Inria）；英格兰SSTL；荷兰Innovative Solutions In Space公司；瑞士电子与微技术中心（CSEM）以及南非斯泰伦博斯大学（Stellenbosch University）。

RemoveDEBRIS卫星由宇航员通过日本首个载人航天设施——日本希望号实验舱（JEM）（昵称为Kibo，即英语中“希望”的意思）发射。JEM是日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）对ISS的第一个贡献，用于支持日本在轨科研活动的开展。相关官员表示，JEM依托在轨运行的美国实验舱获取所需的空气、电力、数据与冷却液资源，这为更好地利用太空环境创造了大量机会。

在7月2日访问JAXA位于筑波科学城（Tsukuba Science City）的总部筑波太空中心（Tsukuba Space Center）时，日本国防部长Itsunori Onodera宣布，将与JAXA合作，共同致力于清理危险太空碎片。Onodera表示：“我们将主动参与到太空监控的工作中来，以更安全地使用太空。我希望在这次JAXA之行的影响下，日本国防部与自卫队能够积极参与到太空的开发与利用中来，为确保太空安全尽一份力。”

RemoveDEBRIS任务将展开四项实验，其中较大的卫星将释放两颗立方星(CubeSat)作为人造目标。实验将首先测试用鱼叉和捕网捕获在轨物体的技术。另外还将测试一种视觉导航系统，该系统依靠摄像机与激光雷达（LIDAR）技术对主卫星所释放的立方星展开观察。最后，RemoveDEBRIS卫星会使用一个巨大拖曳帆，使目标轨道快速衰减，直至最后毁于地球大气层中。

NanoRacks公司外部有效载荷部经理Conor Brown表示：“RemoveDEBRIS项目展示了一些激动人心的碎片主动清除技术，可能对我们未来的太空碎片管理工作产生重大影响。此外，它也有力证明了小型卫星功能的日趋强大，并肯定了空间站在执行这一规模任务中所扮演的平台角色。”

联盟成员的分工如下：

任务协调与财团内部协调：萨里太空中心（英国）

卫星系统工程：ASF（法国）

平台与电子：SSTL（英国）

鱼叉：空客（英国）

捕网：空客（德国）

视觉导航技术：CSEM（瑞士）/ INRIA/空客（法国图卢兹）

立方星分配器：太空创新解决方案公司（Innovative solutions in space，荷兰）

目标立方星：萨里太空中心（英国）/STE

拖曳帆：萨里太空中心（英国）

RemoveDEBRIS项目中来自萨里太空中心的研究人员有：G.Aglietti教授、C. Underwood教授与C. Bridges博士。此外，Simon Fellowes为RemoveDebris联盟的总负责人。

RemoveDebris卫星的发射过程如下：

RemoveDebris平台被装入专门盒子中运送至国际空间站。

宇航员打开盒子，并将平台安装在滑台上。

滑台进入国际空间站日本实验舱，实验舱中的特殊机械臂抓住平台，并将其移至ISS之外。

机械臂沿特定方向释放平台，任务开始。

1961年至2017年4月共记录有290起在轨航天器解体事件，其中大部分事件与卫星及火箭上面级爆炸相关，而偶然或故意的相撞事件只占到不到10起。（图片来源：ESA/ID&Sense / ONiRiXEL）

平台部署完毕后，任务就正式开始了。初始阶段测试涉及RemoveDebris卫星所搭载的一对立方星。首先，第一颗立方星（命名为DebrisSat1号）上会部署一个充气气球，实验将根据RemoveDEBRIS 发射捕网捕获气球的情况来测试RemoveDebris卫星的碎片捕获功能。该实验完毕后，将部署第二颗立方星（命名为DebrisSat2号，即DS2），而RemoveDebris卫星将依靠视觉导航（VBN）系统对释放后的DS2进行动态追踪。以上信息由VPT的一位工程师介绍。

VPT是海科电子科技集团（HEICO Electronic Technologies Group）下属公司，主要面向航空电子、军事、太空与工业领域提供电源转换解决方案，在弗吉尼亚州黑堡与华盛顿州博塞尔市设有办事处。

在这些测试结束后，RemoveDEBRIS还将测试鱼叉刺穿目标并在其中缠绕的能力。最后，RemoveDEBRIS卫星将释放一个功能类似于空气制动器的充气拖曳帆，实现目标的安全离轨。VPT公司的工程师表示，RemoveDEBRIS卫星会在重返地球大气层时自动焚毁，“并且是被完全烧毁。VPT公司很荣幸能为清除有害太空碎片的重要任务尽一份力，并对该任务及未来相关任务的开展拭目以待。”

位于德国达姆施塔特的ESA欧洲航天飞行控制中心（ESOC）太空残骸管理办公室提供了以下太空碎片数据（数据确认更新至2017年1月）：

自1957年太空时代开启以来，全球火箭发射总次数约达5250次

自1957年以来，火箭成功发射的地球卫星总数约达7500颗

目前太空中仍存在的地球卫星约达4300颗

目前仍在运行的地球卫星约达1200颗

美国空间监视网络（US Space Surveillance Network）定期追踪并归档的碎片数量达到约23000个

预计产生碎片的解体、爆炸与碰撞事件总数达到290个以上

轨道碎片总质量约达7500吨

统计模型所预测的在轨碎片数量：

直径大于10厘米的太空碎片有29000个

直径在1厘米至10厘米之间的太空碎片有75万个

直径在1毫米至1厘米之间的太空碎片有1亿6600万个