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全球首辆太空“垃圾车”将为“瑞士制造”

“清洁太空1号”就像一只巨手,用四根金属手指捕获太空碎片。 ESA

这是欧洲航天局(ESA)首次向一家初创企业拨出如此巨额款项(8600万欧元)。受益企业是一家瑞士公司,其使命将是清理太空碎片

此内容发布于 2021年01月04日 - 09:00

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2009年2月10日,格林尼治标准时间下午4时56分:美国商业卫星“铱星33号”与俄罗斯军用卫星“宇宙2251号”以近4.2万公里的时速相撞。两个航天器“粉身碎骨”,产生了600多块金属碎片,这些碎片以步枪子弹20倍的速度散落。

这是第一起记录在案的太空碰撞事故,但绝不是唯一一起。有些碰撞甚至是有意为之的结果:俄罗斯、美国、中国和印度都主动摧毁过本国的一颗或多颗卫星,用来测试太空导弹。这些爆炸又产生了成千上万的新碎片,可能会损坏任何轨道上的航天器,包括国际空间站。这正是编剧兼电影导演阿方索·卡隆(Alfonso Cuarón)在其影片《地心引力》(Gravity)开头所描绘的情景。

想法的诞生

早在2009年,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的穆里尔·理查德-诺卡(Muriel Richard-Noca)和她的学生们正在庆祝共同打造的SwissCube迷你卫星的成功发射。虽然首个纯瑞士制造的太空轨道器的体积不超过一盒牛奶,但这位航天工程师已经在考虑,它何时会成为一块太空垃圾。毕竟,SwissCube卫星按计划会从数月前“铱星33号”与“宇宙2251号”的碰撞区域附近飞过。那次碰撞产生的碎片还在太空中飞行。

2012年,为了应对太空碎片对SwissCube卫星造成的风险,理查德-诺卡和洛桑理工的空间中心启动了一个名为“洁净太空”(CleanSpace)的太空垃圾清理项目。与此同时,欧洲航天局的物理学家路易莎·因诺森蒂(Luisa Innocenti)说服该航天局启动了一个独立项目,并将其也命名为“洁净太空”计划(CleanSpace)。

特殊的项目

八年后,这个洛桑理工发起的项目转化为一家初创公司,并更名为“清洁太空”公司(ClearSpace)。该公司于2019年秋季宣布,它被欧洲航天局从包括几家欧洲工业巨头在内的13家候选机构里选中,负责开展这项工作。这家初创公司的员工人数不久前从5人增加到20人。

这是欧洲航天局首次签定“总承包”服务采购合同,而非亲自执行任务。更重要的是,这是官方航天机构首次向一家初创企业投入金额如此巨大的资金。欧洲航天局将提供8’600万欧元(约合人民币6.83亿元),由ClearSpace负责补齐预算所需的剩余2’400万欧元(约合人民币1.9亿元)。

但正如12月初线上新闻发布会上所指出的那样,ClearSpace不仅仅是一家初创公司。在过去的一年里,该公司综合协调欧洲8个国家的企业和研发机构共同推行项目工作,其中不乏空客公司(Airbus)、瑞士军工企业RUAG等行业巨头。值得一提的是,后者还负责生产阿丽亚娜号(Ariane)火箭的有效载荷整流罩。因此,虽然“清洁太空1号”卫星尚处于图纸设计阶段,但其建造工作将由经验丰富的公司来完成。欧洲航天局还将在每期资金支付之前对项目进行必要的检查。

诸多未知数

“清洁太空1号”(ClearSpace-1)计划于2025年搭乘欧洲织女星号(Vega)火箭飞往太空。它的任务是捕获太空碎片,然后与太空垃圾一起进入再入轨道。大气摩擦将导致被捕获的碎片和“清洁太空1号”一起烧毁,让太空变得更加干净和安全。

此次待捕获的目标为织女星火箭二级有效载荷适配器(VESPA)。虽然它与意大利著名的电动摩托车品牌没有任何关系,但它的体积和重量跟一辆摩托车差不多-约为112公斤。VESPA是一个小金属锥体,它用于分离同一运载火箭上搭载的多颗卫星。2013年,它在距地球800公里的低空轨道上从织女星号火箭上分离。

然而,此前从未有人在太空中捕获一个“不合作”的物体。VESPA通过自转自由地飞行,没有后台操作人员或发动机。

“我们都在电影中看到过,一名宇航员在试图抓住一个工具时,做了一个错误的动作,工具像飞行的高尔夫球一样消失在太空中。这和VESPA的运动原理完全一样,”因诺森蒂说。“清洁太空1号”必须张开四臂,才能顺利捕获物体。

另一个麻烦来自太阳,太阳光会影响摄像头视野,可能使“清洁太空1号”在关键时刻看不清目标。因此,这位“碎片猎人”将不得不一步步向前移动,并在人工智能的帮助下不断重新校准每个动作。一旦捕获成功,“清洁太空1号”需要处理一个全新的物体,在决定投放地点和方式之前,必须先了解其动态。

这个动画反映了地球轨道附近“拥挤”的环境。 ESA

不止是清洁工

最后,“清洁太空1号”将和它捕获的碎片一起在上层大气中烧毁。为了处理一个太空垃圾,要付出的这个代价似乎太大了,但欧洲航天局和ClearSpace公司却不这么认为。

2025年的这次飞行任务将是一系列任务中的第一次,未来有望开发出一种能够同时处理多个轨道垃圾的航天器。已经有人在讨论在一次任务中销毁五块甚至十块碎片。

此外,ClearSpace公司的技术还可用于空中加油和维修,以延长某些卫星的寿命。从长远来看,人们还计划在地球轨道上组装远距离航天器,这些航天器太重了,无法通过直接发射来摆脱地球引力。

ClearSpace公司主管卢格·皮古特(Luc Piguet)表示:“我们的目标是提供低成本和可持续的在轨服务。”他估计,有朝一日这个潜在市场的价值可能达到“每年几亿至数十亿美元”。

责任不明确

该由谁来处理太空碎片?又由谁来提供资金?联合国2002年通过的《外空碎片减缓指南》仅提及在发生事故时国家的责任,而对私营部门的角色只字未提。这是否意味着太空碎片不关任何人的事?

事不尽然。旧的和新的(或未来的)碎片的管理方式存在区别。目前的规则十分精确,即使不具有法律约束力,空间机构和私营实体也必须遵守。例如,一个卫星发射器必须计划在25年后重新进入大气层,并携带足够的燃料来进行自我操作。

正如皮古特指出的那样,“我们发射的卫星越来越多。自2010年以来,在轨物体的数量增加了16倍”。这种现象主要归因于卫星互联网星座的发展,如SpaceX的“星链”(Starlink)和OneWeb等项目。但这些参与者“非常清楚这个问题的存在,并在积极主动地寻找解决方案”,ClearSpace的老板说。

因此,最大的问题在于旧碎片。皮古特坚持认为这个问题的处理“机不可失,失不再来”!

因诺森蒂说:“联合国内部正在讨论对卫星发射征税,用于资助由联合国管理的太空清理基金。但这些讨论还停留在外交层面上。这有点像全球气候变暖,我们觉得自己有的是时间,所以进展非常缓慢。”

(译自英语:瑞士资讯中文部)

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