空間碎片清除技術的分析與比較

霍俞蓉,李　智

(中國人民解放軍裝備學院，北京　101416)

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【基礎理論與應用研究】

空間碎片清除技術的分析與比較

霍俞蓉,李智

(中國人民解放軍裝備學院，北京101416)

為了保證航天器的安全以及航天任務的圓滿完成，提出了空間碎片的清除技術。隨著空間環境污染的嚴重而愈發豐富，部分技術已在地面進行了試驗。由于空間碎片往往屬于非合作性目標，并且沒有可控的動力裝置，至今仍沒有一個空間碎片真正被清除過。如何對非合作空間目標碎片進行合理有效地清除以避免產生新的碎片是清除技術研究面臨的挑戰和難點。對現有空間碎片清除技術進行了分析與比較，闡述了清除技術的框架結構，列出了每種技術的優缺點，描述了每種清除技術相應的工具，總結了每種技術方法研究的趨向。

空間碎片；碎片清除；非合作性

自1957年人類發射第一顆人造衛星起，空間碎片數目越來越大，給空間環境帶來了極大的安全威脅和污染。KesslerSyndrome[1]表示即使停止把衛星送入太空，由于持續不斷地碰撞，空間碎片也會越來越多。截止到2015年10月底，可編目的空間物體共41 014個，在軌的有17 340個，空間碎片11 160個、火箭體2 040個、載荷4 138個[2]，其中大部分空間目標和人造空間碎片都來自于美俄兩國的航天器。

空間碎片的持續增長會影響到航天任務順利進行、航天器的正常運行以及航天員的生命安全等。每一年或者兩年都會發生航天器與空間碎片的碰撞事件。為了防止碰撞事件的發生，中美俄等具備一定航天實力的國家以及組織都擁有碰撞預警系統對即將和可能發生的碰撞事件進行預警。雖然大部分低軌區域的空間碎片會在大氣阻力等攝動力作用下墜入大氣層，但這將用近20多年的時間來完成；而高軌目標由于幾乎不受大氣阻力，在此區域的空間碎片往往是長期運行在軌道上，因此只進行預警只是減少發生碰撞的幾率，并不能從根本消除空間碎片碰撞威脅，因此必須采用空間碎片清除技術(ActiveDebrisRemoval，ADR)清除軌道上現存的空間碎片，徹底保護空間環境。Veniaminov等[3]對空間碎片的監測跟蹤以及清除方法進行了研究。

一般而言，在軌道傾角為82.5°～83.5°,軌道高度為900km和1 050km區域的空間碎片被認為是ADR清除的首要目標[4]。Widemann[5]列出了22種需要清除的重點威脅目標。由于一些碎片是來自于火箭上面級并且有相似的升交點赤經和軌道高度，因此怎樣清除這種帶有角動量的空間碎片也是研究的難點和重點。

本文對清除技術領域的關鍵技術方法進行了分析研究，對非合作目標進行了分類，闡述了相關技術的發展現狀，敘述了清除技術的基本理論，比較了每種技術的優缺點，并且分析了每一類非合作目標所對應適用的清除技術。

1　空間碎片清除技術

空間碎片清除技術通常關注的是碎片密度較高的軌道區域，并以特定范圍的尺寸為目標[6]。由于尺寸在10cm以上的碎片可能導致航天器解體等災難性的后果，同時地面觀測設備觀測LEO軌道目標的限值也為10cm，因此10cm為劃分研究碎片清除理論的一個典型尺寸。

近些年來，研究比較多的空間碎片清除技術為推移離軌清除技術、增阻離軌清除技術、捕獲離軌清除技術以及自主離軌清除技術。圖1描述了現有清除技術框架結構，表1列舉了每種方法的特點及其優缺點。

圖1　空間碎片清除技術框架結構

清除類別方法優點缺點增阻離軌泡沫增阻膨脹增阻基于纖維增阻1)允許較大距離;2)適用于尺寸大小不同的空間碎片;1)可能與空間碎片發生碰撞2)效率較低電動力系繩離軌EDT不需要推進系統1)清除前還需捕捉碎片2)不適用于GEO區域接觸性推移離軌激光推移離子束推移人工大氣推移太陽輻射光壓推移1)允許較大距離;2)適用于尺寸大小不同的空間碎片;1)效率較低2)不適用于GEO區域非接觸性推移離軌“彈弓”推移黏附推移1)一次性能夠清除多個碎片2)清除時間較短1)需要交會過程2)控制系統較復雜

1.1增阻離軌清除技術

增阻離軌技術就是通過某種方法，增加空間碎片飛行阻力，降低飛行速度，縮短軌道運行壽命，使其再入大氣層而墜毀。增阻離軌清除技術中執行清除任務的衛星(清除衛星)與空間碎片保持較大的距離，避免了清除衛星與碎片的直接接觸，降低了清除困難，并且較自然阻力(大氣阻力)對降低碎片壽命的作用更明顯。通過增加碎片的面質比可增大其所受大氣阻力，并且對于不同尺寸的碎片，需使用不同的增阻離軌方法。由于分布在低地球軌道上(LEO)的空間碎片所受大氣阻力較大，因此增阻離軌清除技術適用于LEO。

1.1.1泡沫增阻離軌

當清除衛星與空間碎片交會并且繞碎片飛行時，泡沫增阻離軌方法為：清除衛星通過安裝的噴射裝置向空間碎片噴射泡沫，泡沫粘附在碎片上，接著泡沫包覆碎片的整個表面逐漸形成泡沫球。通過噴射泡沫，碎片的面質比由于泡沫球的低密度、大體積特性而因此增大[7]。為了將碎片有效地清除，泡沫增阻系統和電推進系統經常是聯合工作的，當空間碎片成為泡沫球體后，清除衛星使用電推進系統使其脫離軌道并加快進入大氣層速度，清除衛星在任務結束后也會使用電推進系統脫離軌道[8]。

1.1.2膨脹增阻離軌

膨脹增阻離軌是使用膨脹球代替了泡沫球，在此方法中，低層軌道游絲網(GossamerOrbitLoweringDevice，GOLD)是一個有效的工具。GOLD是一個非常大且輕的“氣球”，當它膨脹到足夠大時，開始吸附空間碎片，使得空間碎片在再入大氣層過程中，彈道系數減小一到兩個量級。與電推進系統脫離軌道方法比較，對于大空間碎片和已損毀的其他在軌衛星而言，GOLD方法風險更小[9]。然而，如果小空間碎片撞到了GOLD上，那么清除任務就會失敗，這是碰撞增阻離軌的一大弊端。為了解決這一問題，提出了一種先使用3個膨脹機械爪抓住空間碎片再使用GOLD清除碎片的方法[10]。圖2為泡沫增阻離軌和碰撞增阻離軌示意圖。

圖2　泡沫、膨脹增阻離軌示意圖

1.1.3基于纖維的增阻離軌

此方法與上述方法類似，只是材質由泡沫變為了纖維。基于纖維的增阻離軌清除技術是將纖維從清除衛星的熱源噴出，包裹并攔截住空間碎片，使空間碎片的面質比增大，從而使空間碎片再入大氣層[11]。

1.2電動力繩系捕獲離軌清除技術

電動力繩系(Electro-dynamicTether，EDT)捕獲離軌方法最初是用作軌道轉移和軌道機動[12]。它運用在地磁場運動的優勢使空間碎片完成再入大氣層過程。圖3為電動力繩系示圖和工作原理圖。EDT捕獲離軌方法中，電動力繩系以軌道速度在地磁場中運動，系繩上產生了電動勢，電離層中的帶電粒子在系繩頂端被收集起來，并從末端發射出去，形成了穩定的電流，地磁場則對系繩產生了洛倫茲力并垂直于系繩上電流的方向，由于洛倫茲力與空間碎片運動速度方向相反，使得衛星的軌道能量減少，軌道高度下降[13-14]。與利用電推進使目標離軌相比，由于電磁場強度的限制，電動力繩系無法清除軌道高度高于LEO的空間碎片，并且由于通過電動力繩系的電流較低，導致所受洛倫茲力較小，繩系不具備足夠的力實現軌道的轉移[15]。當使用電動力繩系進行碎片清除時，首先使用機械臂或者“魚叉”抓取空間碎片，接著伸出系繩與碎片連接起來。EDT是由兩個場發射陣列陰極(一個用作收集電子，另一個用作產生電流)和一個可控繩系構成[16]。當繩系連接到一個碎片上后，機械臂可以抓取另一個碎片。為了探究EDT的穩定性和動力調度能力，Kawamoto進行了數值仿真，建立了系繩的模型并且研究了系繩的靈活性[17]。由于空間環境的復雜，電動力系繩在橢圓軌道上并不穩定，而是處于振動狀態。Zhong建立了數值仿真模型表明，通過模型耦合證明，軌道面外的振動比面內的振動對系繩的穩定性具有更大的影響，因此可以通過控制軌道面外的振動來保持系繩的穩定[18]。由于空間環境的極端條件，系繩的材質也是需要重點研究的內容[19]。

圖4　地基激光推移離軌清除系統的組成

1.3非接觸推移離軌清除技術

如果通過清除衛星與空間碎片的近距離接觸實現推移，可能造成兩者的不可控，破壞兩個目標間的穩定性，本節先描述的推移離軌是非接觸的推移方法，利用激光、太陽輻射、離子束等能量粒子將空間碎片推離原運行軌道，達到清除目的。非接觸的推移離軌技術用時較長，目前提出的非接觸推移離軌方法主要包括太陽輻射光壓推移也被稱為太陽帆(SolarSail)推移、離子束(IonBeam)推移、激光(Laser)推移以及人工大氣(ArtificialAtmosohere)方法。

1.3.1激光推移離軌

激光推移離軌方法適用于大空間碎片(直徑>10cm)和小空間碎片(直徑<1mm)。激光清除一般分為燒毀和推移兩種方法，推移方法是利用高能脈沖激光束照射碎片表面，降低碎片運行速度和軌道高度；燒毀是使用強大的連續波激光照射碎片，使碎片溫度升高乃至升華[6]。Phipps等人在1996年首次表明被20kW、530nm且連續不斷的地基高能脈沖激光束照射能將空間碎片推離原軌道。NASA和美國空軍資助的ORION研究中，采用了Phipps等人的方案，該系統擁有一個高精度的監測系統以及發射激光束的地基激光清除系統。根據研究表明，該系統能夠清除1 500km軌道高度上的所有碎片以及能夠利用4年左右時間清除軌道高度低于1 000km、質量小于500kg的所有空間碎片[20]。LODR系統(LaserOrbitalDebrisRemoval)基于ORION系統進行改進，它能夠每8個星期將Envisat衛星推離軌道40km。該激光系統能夠被裝載，能夠放置于赤道區域和極地區域[21]。當激光照射到碎片表面上時，碎片的行為受激光束形狀影響，Liedahl研究了不同的噴射形狀如圓筒形、球形等對碎片行為的影響[22]。圖4為地基激光推移離軌清除系統的組成。

圖3　EDT示意圖和工作原理圖

1.3.2離子束推移離軌

離子束推移離軌(IonBeamShepherd)利用遠距離發射的高能離子束與空間碎片產生作用力，降低碎片的軌道高度。由于離子束推移也是非接觸的推移離軌方法，因此在清除過程中不會與碎片發生直接接觸，并且遠離中心線的大角度傳播的等離子體非常稀少，動量可忽略不計，所以不會對空間環境造成更多污染。離子束用于產生碎片的離軌力，是離子束推移離軌清除技術的核心。離子束推移離軌方法為：首先產生離子束并將其向碎片射出，接著與空間碎片產生作用力使碎片脫離原軌道。由于離子束推移與激光推移技術一樣都受到形狀影響，針對該問題Bombardelli研究了球形、圓柱形碎片在受到離子束作用時的行為[23]；Merino建立了IBIS(BeamInteractionSimulator)仿真模型用來分析、測試、驗證IBS系統的理論設計，制定離軌計劃，同時還針對推進器需求，分析了離子束特性以及離子束連接清除衛星和空間碎片時的動量轉移效率[23-24]。對于GEO區域的空間碎片，Kitamura使用數值分析法以及試驗，證明了6種GEO空間碎片可以被179天連續不斷的離子束推移離軌[25]。圖5為離子束推移離軌系統示意圖。

圖5　離子束推移離軌示意圖

1.3.3人工大氣推移離軌

人工大氣推移離軌是推動大氣粒子向空間碎片移動，致使碎片速度減小，軌道高度降低。大氣粒子可以是以羽狀氣態形式噴出，也可以是渦流式，但噴射方向是朝向碎片方向[26]。Kofford設計出由一個點火裝置和易燃推進劑構成的人工大氣傳輸系統[27]。為了使空間碎片再入大氣層，在空間碎片周圍如何產生足夠密度的瞬時氣態云也是需要討論的內容，文獻[28]對此進行了研究。由于大氣粒子不會對衛星造成損害，在接觸碎片之后也會進入大氣層，所以人工大氣推移離軌技術不會對空間環境造成污染，該方法也被認為是比較有發展前景的空間碎片清除技術之一[29]。

1.3.4太陽輻射光壓推移離軌

太陽輻射光壓推移離軌技術是在2010年由JAXA首次驗證的[30]。當某些衛星的推進系統失效或者推進劑不足以使衛星完成再入大氣層過程，而所裝載或者附著的太陽帆控制系統仍正常時，太陽光壓推移離軌方法就可以用于清除這些衛星。當目標的太陽帆被太陽光照射時，太陽光光子持續不斷地撞擊太陽帆，太陽帆反射太陽光光子產生推力，隨著力的不斷累積，空間碎片就能被推移出原軌。當空間碎片沿著軌道運行并遠離太陽時，衛星軌道的長半軸a會增大，反之則會減小，在一個軌道周期完成時，長半軸的凈變為零。根據上述變化，可以在衛星處于軌道上某個合適的點時，旋轉太陽帆獲得太陽輻射光壓，使軌道降低。Borja在研究中表明，如果要利用太陽光壓方法將一顆地球同步衛星推移到軌高235km的新軌道，用時不會超過5.8年[31]。然而該方法的缺點是高度依賴太陽帆控制的準確性，因此Lucking針對該缺點提出了利用太陽光壓、大氣阻力和地球扁率共同作用來進行清除工作[32]。由于大氣密度的影響，太陽輻射光壓方法適用于軌道高度高于750km軌道處的衛星。Macdonald在研究中表明，太陽輻射光壓推移離軌技術對極軌道碎片的清除效果比對赤道軌道碎片的清除效果要好[33]。Johnson和Young在文獻[34]中對幾種太陽帆推移離軌清除技術進行了詳細的介紹。

1.4接觸推移離軌清除技術

接觸清除技術是在清除過程中，清除衛星與空間碎片直接接觸從而對空間碎片產生力的作用，將空間碎片推離原軌。“彈弓”方法和黏附方法是經典的接觸離軌清除技術。圖6為上述兩個方法的示意圖。

1.4.1“彈弓”推移離軌

4S(Sling-SatSpaceSweeper)是典型的“彈弓”推移離軌清除技術工具。它是由Texas大學設計的一個可以在空間碎片清除過程中節省耗能的衛星。該衛星能夠將抓取到的空間碎片朝向地球扔出，通過扔出動作獲得的動量進行下一個碎片的抓取清除工作，因此可以一次性清除多個碎片[35]。4S裝置有兩個相連的收集器，當衛星上的吊索向空間碎片伸出時，4S接下來就會進行抓取、自旋加速、驅逐以及返回4個動作來完成清除工作。Missel針對4S清除碎片方法，建立了一個基于角動量守恒定律的數學模型[36]。文獻[37]中利用遺傳算法分析了4S在不同碎片間移動的機動順序。

1.4.2黏附推移離軌

黏附推移離軌技術也是能夠一次清理多個空間碎片的方法，由AstroScale提出。該方法中，一個裝載著推進系統的離軌推移結構將被清除衛星釋放并黏附到旋轉的空間碎片上，將碎片推移出原軌道。清除衛星將配備6個上述結構，當一個離軌推移結構被釋放之后，清除衛星就會轉向另一個碎片，重復上述動作，由此多個空間碎片就能一次性清除。推移離軌結構的前部是一個置有硅黏附混合物的金屬盤，用于與空間碎片的平坦表面進行粘附。該過程適用于旋轉角速度低于0.017～0.035rad/s的空間碎片。推移離軌結構接近旋轉空間碎片的兩種典型方法為：① 沿著碎片的旋轉軸；② 垂直于碎片的旋轉軸。但無論使用哪種方法，在黏附碎片前，結構與碎片的高度必須同步[38]。

2　非合作目標分析

各國的航天任務包括衛星發射、空間站建立、軌道運輸等，空間碎片清除任務也是航天任務的一種并且與軌道服務任務相似。然而大多軌道服務任務的目標都為合作目標，空間碎片清除任務操作的對象卻是非合作性目標，包括火箭上面級、已失效的衛星以及由于衛星碰撞或解體而產生的殘骸等等。由于它們都是非合作性目標，因此清除衛星并不能獲得碎片的詳細信息，而不同的清除技術適用于大小、形狀、軌道區域不同的碎片，所以空間碎片清除任務顯得更加復雜和困難。因此為了有效、合理地清除空間碎片，針對不同碎片制定不同清除任務是非常重要的。

本節基于非合作目標的物理特性、特點是否已知來對其進行分類。分類結果如表2，在表中總共有4類非合作目標，通過對每一類目標的分析制定清除計劃，才能夠有效地實施清除任務。

圖6　“彈弓”、黏附推移離軌示意圖

類別物理特性特征碎片類型適用的清除技術一已知已知失效衛星增阻離軌、接觸/非接觸推移離軌二已知材料已知火箭級增阻離軌、接觸/非接觸推移離軌三未知可停靠、行為不可控非本國衛星增阻離軌、接觸/非接觸推移離軌四未知未知解體、碰撞所產生的殘骸增阻離軌、非接觸推移“彈弓”推移離軌

對于類別一的目標，由于是失效衛星，可以在進行捕捉后使用電動力系繩使其離軌，如果衛星所裝載或附著的太陽帆控制沒有失效，則可以用太陽輻射光壓推移離軌技術將其推出原軌；對于類別四的目標，由于碎片物理特性和碎片特征都是未知的，所以在沒有進行捕捉的前提下，使用增阻離軌或者是“彈弓”方法等。

3　結語

由于受限于當今的技術條件，空間碎片清除技術雖然原理可行但卻無法真正實施，空間環境的安全威脅仍將越來越大。在今后的研究中，更多有效的空間碎片清除技術方法會被提出、分析和實踐，對每一種方法如何進行、受力特點、操作對象等內容也會進行更加詳細的討論，對于非合作目標分類和決定對應清除方法的依據也會更加細致。相信空間碎片清除技術能夠在將來為空間安全、航天任務安全作出重要的貢獻。

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(責任編輯楊繼森)

AnalysisandComparisonofSpaceDebrisRemovalTechnology

HUOYu-rong，LIZhi

(AcademyofEquipmentofPLA，Beijing101416,China)

Inordertoensurethesmoothprogressofthespacemissionsandthesecurityofspacecraft,spacedebrisremovaltechnologywaspresentedanditisgrowingrichwithspaceenvironmentalpollutionmoreserious,andsomeofthetechnologyhasbeentestedontheground.Duetothespacedebrisarenon-cooperativegenerallyandnocontrollablepowerplanet,thereisnospacedebrishadbeenclearedyet.Howtoremovethespacedebriseffectivelyandreasonablythatcanavoidthecreationofnewdebrisisachallengeanddifficultyfortheremovalmethod.Theexistingremovaltechnologiesofspacedebriswereanalyzedandcomparedhere,andwedescribedtheframeworkofremovalmethods,andlistedtheadvantagesanddisadvantagesofeachtechnology,anddiscussedthetoolsofeachremovaltechnologyandsummarizedthetrendsofeachmethod.

spacedebris;debrisremoval;non-cooperativeness

2016-05-03；

2016-05-20

空間碎片清理體系與天基清理新技術研究(2015SQ704102)

霍俞蓉(1992—)，女，碩士，主要從事空間碎片研究。

10.11809/scbgxb2016.09.041

format:HUOYu-rong，LIZhi.AnalysisandComparisonofSpaceDebrisRemovalTechnology[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):181-187.

V4

A

2096-2304(2016)09-0181-07

本文引用格式：霍俞蓉,李智.空間碎片清除技術的分析與比較[J].兵器裝備工程學報，2016(9):181-187.