空間碎片移除的關鍵技術分析與建議

劉華偉 劉永健 譚春林 劉育強

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

?

空間碎片移除的關鍵技術分析與建議

劉華偉 劉永健 譚春林 劉育強

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

面向空間碎片的嚴重威脅，分析了空間碎片移除技術發展的必要性和緊迫性，詳細梳理了國內外空間碎片移除的主要技術手段，包括推移離軌、增阻離軌、抓捕離軌3類。推移離軌利用激光、離子束、太陽輻射等能量束作用于空間碎片，產生特定力的作用，使其離開原來的軌道，達到移除的目的。增阻離軌通過增加碎片的飛行阻力，降低碎片軌道高度，進而縮短碎片軌道壽命，使其在規定的時間內離軌再入大氣。抓捕移除通過任務飛行器與空間碎片直接物理接觸的方式來移除碎片。在此基礎上，對比分析了各種移除手段的可行性，并針對幾種近期可行的移除手段，分析了其涉及的關鍵技術問題，并提出了空間碎片移除技術的后續發展建議。

空間碎片；移除；推移離軌；增阻離軌；抓捕離軌

1 引言

空間碎片是指人類在太空活動中產生的廢棄物及其衍生物，主要包括廢棄航天器、火箭末子級、執行任務過程中的拋棄物、火箭爆炸物、空間飛行器解體及碎片之間相互碰撞產生的碎片等?？臻g碎片是空間環境的主要污染源，軌道上日益增多的空間碎片必將影響和威脅人類對空間資源的可持續利用，空間碎片移除是未來航天任務必須面對的重要問題[1-5]，主要表現在以下四個方面：

(1)空間碎片已經對航天活動構成了嚴重威脅，對其移除刻不容緩。隨著人類對空間研究、開發與應用能力的不斷提高，越來越多的空間飛行器被發射入軌，空間日趨擁擠，近地軌道上殘留了大量的廢棄衛星、火箭末子級、碰撞產生的二次碎片等空間碎片(環地軌道上尺寸在1～10 cm的空間碎片達50多萬個)。如果不采取措施，空間碎片將以每年5%的速度遞增，近地軌道上的空間碎片已經對航天活動構成了嚴重威脅，正常工作的飛行器與太空碎片碰撞可能性正逐年增加。俄羅斯“宇宙-2251”衛星與美國“銥星-33”衛星的碰撞事故表明廢棄航天器及所形成的空間碎片已經嚴重威脅到航天活動，對空間碎片的移除刻不容緩。

(2)空間碎片移除是避免再入傷害的有效手段。由于不能有效控制再入軌道和落點，失控航天器(如俄羅斯的進步-M27M貨運飛船，進入空間后失控自旋)、空間碎片等飛行體進入大氣燒毀后，形成多塊殘余物，其散落可能造成對地面人員的傷害和設施的破壞。采用空間碎片移除技術，對前述飛行體軌道重定向，通過改變再入軌道來控制其落點，可避免再入傷害和破壞的發生。

(3)軌道資源有限，及時移除軌道碎片是安全高效利用軌道資源的前提。軌道資源有限，特別是GEO軌道，其資源不可替代。GEO軌道上已相當擁擠,其上近千個航天器超過半數已失效，另有火箭末級等250多個，碎片及其它未知物體近400個。移除GEO軌道上的廢棄衛星和其它空間碎片，可釋放出更多的有效軌道資源，并可提高GEO在役衛星的安全性。

(4)只有及時移除空間碎片，才能保證航天器進入空間通道的暢通。低軌航天器的軌道分布較廣，在役航天器、廢棄衛星、上面級及其它碎片分布較密集，碰撞概率也相對較高。運行于不同軌道的低軌飛行體相撞擊時撞擊速度達數千米每秒以上，撞擊后產生的大量碎片對空間環境的二次污染將更加嚴重，分布的碎片云逐步對運行軌道起到封鎖效應，從而使航天器進入空間的通道日益受限。只有及時清理空間碎片，避免或減少航天器與空間碎片之間、空間碎片與空間碎片之間發生碰撞，才能減緩和避免空間環境的惡化，保證航天器進入空間通道的暢通。

鑒于空間碎片環境治理的緊迫性,本文詳細梳理了國內外空間碎片移除的主要技術手段,包括推移離軌(激光、離子束、太陽帆等)、增阻離軌(膨脹泡沫、充氣裝置、電動力繩系、靜電力等)、抓捕離軌(對接機構、機械臂、柔性網抓等)等3類。在此基礎上，對不同的移除手段進行了分析對比，并提出了其涉及的關鍵技術問題。上述移除技術的分析與梳理，為規劃系統長遠發展、促進實用化碎片環境治理能力建設提供了指導和支持。

2 空間碎片移除的可能手段

空間碎片具有以下特點：①結構與形狀各異(不規則)；②尺寸、質量大小不一(尺寸從微米量級到米級，質量從毫克量級到噸級)；③運動不規則(自旋、章動)。

由于空間碎片撞擊速度可達數千米每秒，因此即使與微米級空間碎片相撞，也可以使航天器表面形成撞擊坑，甚至撞擊孔，使航天器功能下降或失效。近地空間中這類微米級空間碎片數以百億計，對此，航天器主要通過加裝防護結構進行被動防護。本文的空間碎片移除技術主要對象為厘米級以上空間碎片。

針對空間碎片的特殊幾何特性和運動特性，國內外發展了多種技術手段，根據施加作用力的不同，主要可分為推移離軌、增阻離軌和抓捕離軌三類[6]，見圖1。

圖1 空間碎片移除手段按作用力不同分類Fig.1 Space debris removal means classified by the way of force

2.1 推移離軌

推移離軌利用激光、離子束、太陽輻射等能量束作用于空間碎片時的力現象，在碎片運動過程中施加特定力的作用，使其離開原來的軌道，達到移除的目的，主要包括激光推移、離子束推移和太陽帆推移等。

(1)激光推移移除。根據移除的效果，可分為氣化移除和氣化推移兩種方式。其中氣化移除是采用大功率連續波激光照射碎片，使其溫度升高至升華，實現碎片移除；氣化推進是采用高能脈沖激光束照射碎片表面，產生類似于火箭推進的“熱物質射流”，從而改變其軌道。激光移除適用于厘米級的小碎片。20世紀90年代，美國、德國等就提出了用強激光移除空間碎片的概念[7-8]。1996年，美國NASA提出了地基激光移除空間碎片的計劃(Orion)[9]，擬移除1500 km軌道范圍內厘米級碎片。在天基激光移除計劃方面，早在1989年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室Metzger即提出了天基激光移除碎片方案[10]。2015年，一個國際科學家小組提出利用天基系統解決日益嚴重的空間碎片問題的方案，擬在“國際空間站”上部署，可以使距離天基系統100 km范圍內的空間碎片脫軌，見圖2。目前來看，激光移除空間碎片技術已進入關鍵攻關階段[11-12]。

圖2 激光推移離軌原理示意圖Fig.2 Principle diagram of deorbit by laser

(2)離子束推移移除。通過天基離子束系統，即離子束管控衛星，向空間碎片發射高能離子束，產生足夠的推力使其離軌。目前，國內外僅開展了少量概念研究[13-15]，尚無明確發展計劃。

(3)太陽帆推移移除。太陽帆依靠反射自然環境中的太陽光光子產生推力，通過持續累積推力形成大的速度增量，迫使碎片離開原有軌道，實現離軌。碎片軌道的抬升或降低可通過控制太陽帆與太陽光之間的幾何關系實現。主要的研究計劃是英國的“立方體太陽帆”(CubeSail)計劃，通過發射一顆3 kg的納衛星，試驗太陽帆移除空間碎片的技術可行性[16]。

2.2 增阻離軌

增阻離軌通過增加碎片的飛行阻力，降低碎片軌道高度，進而縮短碎片軌道壽命，使其在規定的時間內離軌再入大氣，主要包括氣動力增阻離軌(如泡沫膨脹增阻離軌、充氣裝置增阻離軌)、電動力纜繩增阻離軌、靜電力增阻離軌等。

(1)膨脹泡沫增阻移除。任務航天器向碎片噴射泡沫，增大碎片面質比，提高氣動阻力，使其提早離軌。該方法本質上依賴大氣阻力，所以適用于LEO軌道碎片。2011年，歐洲航天局提出了膨脹泡沫增阻離軌的方案設想，如圖3所示。

圖3 歐洲航天局膨脹泡沫增阻離軌任務星示意圖Fig.3 Principle diagram of ESA’s mission spacecraft deorbiting by increasing resistance

(2)充氣裝置增阻移除。使用充氣裝置形成氣球或拋物面形狀，提高氣動阻力，迫使衛星提早離軌，適用于LEO軌道碎片移除。2004年，美國貝爾公司提出了“充氣加固拖曳結構”(Towed Rigidizable Inflatable Structure,TRIS)，由3條支架連接一副大面積的拋物面天線，平時收縮在盒子內，當衛星壽命結束時，充氣展開，增加氣動阻力、加速衛星離軌，見圖4。

圖4 TRIS任務示意圖Fig.4 Schematic diagram of TRIS

(3)電動力纜繩增阻移除。將導電纜繩附著在空間碎片上，以軌道速度在地磁場中運動，導電纜繩切割磁力線產生洛倫茲力，洛倫茲力的方向與運動速度方向相反而作負功，使碎片降軌移除。適用于低軌碎片移除。2010年，美國國防先進研究計劃局(DARPA)提出了“電動碎片移除器”(ElectroDynamic Debris Eliminator，EDDE)計劃，見圖5，擬通過電動力纜繩+小型繩網移除低軌碎片[17]。日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)正在研究“空間碎片微型移除器”(SDMR)，通過機械臂抓捕碎片，并展開電動力纜繩，實現增阻離軌[18]，見圖6。

圖5 EDDE任務示意圖Fig.5 Schematic diagram of EDDE

圖6 SDMR任務示意圖Fig.6 Schematic diagram of SDMR

(4)靜電力增阻移除。利用空間等離子體特性，通過任務航天器對碎片進行充電，帶電后的碎片在電場靜電力作用下減速離軌，實現碎片移除，參見圖7。適用于低軌碎片移除。目前，國內外僅開展了少量概念研究[19-20]，尚無明確的發展計劃。

圖7 利用靜電力移除空間碎片概念圖Fig.7 Conceptual graphs of space debris deorbit utilizing electric force

2.3 抓捕離軌

抓捕移除通過任務飛行器與空間碎片直接物理接觸的方式來移除碎片，主要包括以機械臂為代表的剛性抓捕手段[21-24]和以繩網為代表的柔性抓捕手段[25-29]。

(1)對接式抓捕移除。利用遠地點發動機噴管捕獲機構+星箭對接環鎖緊機構抓捕目標，由于捕獲機構的專用特征，對接式抓捕的用途較為受限，無法適應形態各異的空間碎片的捕獲需求。典型的項目包括DLR和軌道修復公司合作，提出的壽命延長智能航天器(SMART-OLEV)項目(見圖8)，以及美國ViviSat公司，提出的任務擴展飛行器方案(MEV)(見圖9)，旨在對壽命末期的靜止軌道衛星實施延壽或離軌操作。

圖8 SMART-OLEV與目標星的對接示意圖Fig.8 Schematic diagram of docking SMART-OLEV and target satellite

圖9 MEV與目標星的對接示意圖Fig.9 Schematic diagram of docking MEV and target satellite

(2)機械臂抓捕移除。機械臂抓捕通過末端執行機構，抓捕碎片的特定部位(如噴管、對接環、連接螺栓等)，進而拖動碎片離軌。由于抓持機構的專用特征，導致其可抓捕的碎片類型受限。利用機械臂抓捕在軌目標的類型按機械臂數量可分為單機械臂抓捕和多機械臂抓捕兩類。單機械臂抓捕的典型項目包括歐洲的小型空間機器人系統(ROTEX)(見圖10)、自主空間交會與在軌捕獲驗證計劃(TECSAS)(見圖11)和德國在軌服務任務(DEOS)(見圖12)項目，多機械臂抓捕的典型項目包括美國的通用軌道修正航天器任務(SUMO&FREND)(見圖13)和鳳凰計劃(Phoenix)(見圖14)。目前，上述項目均處于地面驗證階段，尚未開展飛行驗證。

圖10 ROTEX項目Fig.10 Project ROTEX

圖11 TECSAS項目Fig.11 Project TECSAS

圖12 DEOS項目Fig.12 Project DEOS

圖13 SUMO & FREND項目Fig.13 Project SUMO & FREND

圖14 鳳凰計劃Fig.14 Project Phoenix

(3)柔性網/爪抓捕移除。通過繩網、口袋、魚叉等裝置實現對目標的柔性抓捕，不需要考慮特定的抓捕位置，可適用于不同形狀、尺寸的碎片抓捕。在網捕方面，具有代表性的項目有美國TUI公司的“抓捕、取回、固定有效載荷”可展開網捕捉器 (Grapple，Retrieve，and Secure Payload，GRASP)，見圖15,日本的新型空間繩網系統(Furoshiki)，見圖16，美國的小行星重定向項目(Asteroid Redirect Mission，ARM)，見圖17，歐洲航天局的機械人地球靜止軌道復位器項目(Robotic Geostationary Orbit Restorer，ROGER)，見圖18，及其后續項目主動碎片移除計劃(e.Deorbit),見圖19，同時ROGER及e.Deorbit在繩爪方面的研究也是具有代表性的。

圖15 GRASP項目Fig.15 Project GRASP

圖16 Furoshiki項目Fig.16 Project Furoshiki

圖17 ARM項目Fig.17 Project ARM

圖18 Roger項目網捕獲器與繩爪機構概念圖Fig.18 Conceptual graphs of catcher and rope-claw mechanisms for project Roger

圖19 e.Deorbit項目拋射式飛網捕獲和魚叉捕獲裝置示意圖Fig.19 Schematic diagram of projectile maneuvering-net mechanism and harpoon mechanism for project e.Deorbit

3 各種空間碎片移除手段對比分析

表1從移除對象、移除時效性及技術成熟度等三個方面對各種空間碎片移除手段進行了初步的比較分析。從表1分析，可得到以下結論：

(1)激光推移手段適用于厘米級小碎片移除，目前正在開展地面關鍵技術攻關，具有一定的技術基礎；

(2)充氣增阻及電動力纜繩增阻手段適用于低軌大尺寸碎片移除，具有較好的技術基礎，可考慮作為后續低軌衛星壽末自主離軌的通用化產品；

(3)剛性機械臂及柔性網爪等抓捕移除手段適用于高、中、低各個軌道的大尺寸碎片目標，可操作性強，技術相對成熟，易于工程實現，是當前實施空間碎片移除的優選技術途徑。

針對幾種抓捕移除手段，開展進一步的比較分析，如表2所示。

表1 各種空間碎片移除手段比較分析

注：無特殊說明，本文中大型碎片指的是分米級以上碎片，小型碎片指的是分米級以下碎片；移除周期較短指的是周期以天計或以小時計，移除周期較長指的是周期以年計。

表2 各種抓捕移除手段的對比分析

對比各種抓捕移除手段，可知柔性繩網應用于空間碎片抓捕移除，具有對目標適應性好、安全性高等優勢，其原因在于繩網/口袋等形式的柔性載荷不需要對準特定的抓捕位置，而是空間覆蓋式抓捕，誤差冗余大，對碰撞與沖擊不敏感，輕度的碰撞與沖擊不會造成系統的大范圍不穩定，特別適合于對于空間碎片的抓捕移除。

4 空間碎片移除的關鍵技術分析

由上節各種空間碎片移除手段的比較分析可知，當前可行的移除手段包括激光推移、充氣增阻、電動力纜繩增阻、機械臂抓捕、柔性繩網抓捕等，下面，針對上述碎片移除技術手段，分析其涉及的關鍵技術。

(1)無論是天基還是地基，激光推移移除空間碎片需要解決的關鍵技術主要有3個：①高功率激光器技術，包括高光束質量、大功率、高穩定性激光器。天基移除還必須考慮系統的體積、質量、功耗及空間環境的適應性等。②捕獲跟蹤瞄準技術，需要能夠穩定捕獲、跟蹤、瞄準并將激光束精確地發送到數百公里之外的空間碎片上，要求捕跟控制精度達到微弧度甚至更小。③激光與物質作用效能分析。激光與物質作用效能的高低取決于激光與碎片作用的沖量耦合系數，如何選取最優的參數配置，是一項非常復雜且重要的工作。

(2)充氣增阻移除需解決的關鍵技術包括：①充氣展開材料技術，從材料的使用角度考慮，要求其具有輕質、柔性、耐高溫、抗輻射、氣密性好和易剛化等特點。②充氣結構折疊/展開技術，旨在盡可能地減小充氣展開式結構在發射過程中所占用的體積，另一方面則是保證充氣展開式結構在空間穩定可靠的展開，包括結構包裝的方式、充氣方式的選擇和充氣展開方式的選擇等。

(3)電動力纜繩增阻移除需解決的關鍵技術包括：①纜繩材料選擇與空間耐受性分析，纜繩材料的選擇主要取決于材料是否有相對較低的電阻率和較小的密度，實際應用中還要考慮成本、強度、熔點以及空間環境適應性問題。②纜繩展開機構技術，需要設計一種彈射機構，使初始處于卷繞狀態的纜繩以一定的速度完全展開，并確保展開過程的有序與可靠。③空間環境電荷收集技術，電動力纜繩的電荷收集能力，尤其是在帶電粒子濃度較低區域運行時的電荷收集能力，直接影響著系統的離軌效率，如何有效提升其集電能力是電動力纜繩應用于空間碎片移除需要解決的關鍵問題。

(4)機械臂抓捕移除需解決的關鍵技術包括：①空間碎片目標特性測量建模技術，對空間碎片實施超近距離接觸式操作，首先必須解決目標特性測量和運動狀態確定問題，獲取碎片的大小、整體特征等信息，并進一步確定其旋轉角速度、轉軸指向、章動幅度等運動參數。②空間碎片特定抓捕位置辨識技術，要實施抓捕，就必須解決對抓捕位置的識別和跟蹤測量問題，包括具體操作點的位置，如對接環、發動機噴管、太陽翼板架等，以及對抓捕位置的相對位置解算問題。③強適應性末端抓捕機構技術，設計專用的碎片抓捕末端執行機構，可適用于不規則形狀物體抓捕、發動機喉管捕獲、對接框捕獲等。④空間碎片主動消旋技術，對于大質量/慣量的空間碎片，當旋轉/翻滾速度很快時，直接抓捕會產生較大的力和力矩沖擊，需要在短時間內遷移的動量/能量非常大，甚至可能造成操作機構和任務平臺損毀，因此必須首先對空間碎片進行主動消旋。

(5)柔性繩網抓捕移除需解決的關鍵技術包括：①柔性繩網動力學技術，與通常的剛性空間結構相比，空間繩網系統具有極度柔軟、極易出現變形、松弛與纏繞的特點，屬于典型的非線性動力學系統，是動力學仿真的一個難題，目前國內外多見單根繩索的仿真研究，采用的方法多為彈簧-集中質量法或有限段等簡化動力學模型方法，需要研究高精度、高效率繩網動力學建模方法。②大型柔性繩網收貯與防纏繞技術，與地面網體不同，空間繩網在設計上有著輕質、高強度、高展收比和高易展性要求，需要選擇空間環境適應性強的材料，研究合理的繩網編制工藝與打結方式，設計可靠的折疊封貯方案，避免繩網壓縮后的網目之間出現糾纏與穿透現象，確保發射展開過程無纏繞。③柔性繩網低沖擊精準發射技術，在幾十到上百米的距離上，小的發射誤差，將造成目標位置上網形的較大偏差，會導致繩網抓捕的失敗，同時發射沖量將會對平臺姿態控制系統提出較高要求，要求發射系統具有發射同步性高、發射速度大小與方向控制精準、對平臺沖擊小等特點。④繩系組合體軌道機動與控制技術，柔性繩網抓捕碎片后，通過連接兩者的系繩構成了單邊約束的多體系統，其運動規律較為復雜，需要建立柔性復雜組合體的姿態和軌道動力學模型，充分考慮拖曳過程中組合體章動、繩系系統的面內外擺動、組合體的姿態軌道運動的強耦合以及碎片自身運動的干擾等問題。

5 后續發展建議

(1)應大力開展抓捕離軌/推移離軌等空間碎片主動移除技術研究，研制空間碎片移除航天器。柔性抓捕以抓捕容差大、與目標間無剛性碰撞等特點在空間碎片移除方面具有較大的潛在應用優勢，柔性繩網抓捕已有較好的技術基礎，后續建議重點發展空間柔性繩網碎片移除技術；機械臂技術發展迅速已逐步實現在軌應用，是一種可能的針對大型碎片(廢棄衛星)抓捕移除的技術手段，后續建議重點發展具有多自由度和沖擊減緩特性機械臂技術。激光是當前最可行的針對20cm以下小碎片移除的技術手段，后續建議重點發展天基激光推移小碎片移除技術。

(2)統一布局，推動空間碎片自主離軌技術的發展。發展航天器自主離軌通用化產品，通過氣動力、電磁力等手段使航天器在壽命末期快速降軌再入，后續需重點發展充氣裝置增阻離軌技術和電動力系繩增阻離軌技術。

(3)采取三步走的發展策略。第一步，突破機械臂抓捕與柔性繩網抓捕核心關鍵技術，開展飛行驗證，完成針對高軌廢棄衛星的移除試驗；第二步，突破天基激光推移和充氣裝置及電動力系繩增阻離軌技術，開展危險碎片移除試驗，具備對厘米級碎片移除能力和航天器自主離軌能力；第三步，構建較為完善的高低軌碎片移除系統，發展多種碎片移除技術手段，形成業務化碎片移除能力。

References)

[1] 王超，董正宏，尹航，等. 空間目標在軌捕獲技術研究綜述[J]. 裝備學院學報，2013，24(4): 63-66

Wang Chao，Dong Zhenghong，Yin Hang，et al. Research summarizing of on-orbit capture technology for space target[J]. Journal of Academy of Equipment，2013，24(4): 63-66 (in Chinese)

[2]李新剛，裴勝偉. 國外航天器在軌捕獲技術綜述[J]. 航天器工程，2013，22(1): 113-119

Li Xingang，Pei Shengwei.On-orbit capture technology of spacecraft[J]. Spacecraft Engineering，2013，22(1): 113-119 (in Chinese)

[3]Bekey I. Orion’s laser: hunting space debris[J]. Aerospace America，1997，35(5): 38-44

[4]Johnson N L. Developments in space debris mitigation policy and practices[J]. J Aerospace Engineering 2007，221(6):907-909

[5]Marshall H K. Survey of space debris reduction methods[C]// AIAA Space 2009 Conference & Exposition. Washington D.C.: 2009: 14-17

[6]李怡勇，王衛杰，李智，等. 空間碎片清除[M]. 北京: 國防工業出版社，2014

Li Yiyong，Wang Weijie，Li Zhi，et al.Space debris removal[M]. Beijing: National Defense Industry Press，2014 (in Chinese)

[7]Sforza P M. Laser system for spacecraft hull protection[C]// 42nd International Astronautical Congress. Paris：International Astronautical Congress，1991：10-12

[8]Schall W O. Orbital debris removal by laser radiation[J]. Acta Astronautica，1991，24: 343-351

[9]Phipps C R，Albrecht G. Orion: clearing near-earth space debris using a 20kW，530nm，earth based，repetitively pulsed laser[J]. Laser and Particle Beams，1996，14(1): 1-44

[10] Metzger J D，Leclaire R J，Howe S D，et al. Nuclear-powered space debris sweeper[J]. Journal of Propulsion and Power，1989，5(5): 582-590

[11]Campbell J W. Project Orion: orbital debris removal using ground-based sensors and lasers[R]. Huntsville：NASA Technical Memorandum，1996

[12]Phipps C R，Baker K L. Removing orbital debris with laser[J]. Advances in Space Research，2012，49(7): 1283-1300

[13]Kitamura S. Large space debris reorbiter using ion beam irradiation[C]// 61stInternational Astronautical Federation. Prague: International Astronautical Federation，2010：725-735

[14]Bombardelli C，Peláez J. Ion beam shepherd for contactless space debris removal[J]. Journal of Guidance，Control，and Dynamics，2011，34(3): 916-920

[15]Bombardelli C，Urrutxua H，Merino M，et al. Dynamics of ion-beam-propelled space debris[C]// 22ndInternational Symposium on Space Flight Dynamics. S?o José dos Campos: International Symposium on Space Flight Dynamics，2011：1-13

[16]侯英. 英國研究利用太陽帆處理太空軌道碎片[J]. 國防科技情報，2010(9): 15

Hou Ying.The study of space debris removal using solar sails in England[J].National Defense Science and Technology Intelligence，2010(9): 15 (in Chinese)

[17]Pearson J，Levin E，Oldson J. Electro dynamic debris eliminator (EDDE)—design，operation，and ground support[R]. Hawaii：Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference，2010

[18]馬楠，貴先洲. 國外空間碎片清除計劃[J]. 國際太空，2013(2): 64-69

Ma Nan，Gui Xianzhou.Foreign space debris removal program[J]. Space International，2013(2): 64-69 (in Chinese)

[19]Toyoda K，Furukawa Y，Okumura T，et al. Preliminary investigation of space debris removal method using electrostatic force in space plasma,2009-1487[R]. Washington D.C.: AIAA，2009

[20]Toyoda K，Sasaki R，Cho M. Experimental investigation of space debris removal method using electrostatic force in space plasma，2012-0874[R]. Washington D.C.: AIAA，2012

[21]翟光，仇越，梁斌，等. 在軌捕獲技術發展綜述[J]. 機器人，2008，30(5): 467-478

Zhai Guang，Qiu Yue，Liang Bin，et al. Development of on-orbit capture technology[J]. ROBOT，2008，30(5): 467-478 (in Chinese)

[22]翟光，張景瑞，周志成. 靜止軌道衛星在軌延壽技術研究進展[J]. 宇航學報，2012，33(7): 849-859

Zhai Guang，Zhang Jingrui，Zhou Zhicheng. A review of on-orbit life-time extension technologies for GEO satellites[J]. Journal of Astronautics，2012，33(7): 849-859 (in Chinese)

[23]Martin é，Dupuis é，Piedboeuf J C，et al. The TECSAS mission from a Canadian perspective[C]// ISAIRAS 2005 Conference. Quebec：Canadian Space Agency，2005：1-8

[24]Sommer B. Automation and robotics in the german space program-unmanned on-orbit servicing (OOS) & the TECSAS mission[C]// The 55th International Astronautical Congress. Paris: International Astronautical Congress，2004：1-18

[25]Yu Y，Baoyin HX，Li JF. Dynamic modeling and analysis of space webs[J]. Sci China Phys Mech Astron，2011，54(4): 783-791

[26]Nakasuka S，Sahara H，Nakamura Y，et al. Large "Furoshiki" net extension in space—sounding rocket experiment results[J]. Automatic Control in Aerospace，2007，17(1): 485-490

[27]Brophy J R，Friedman L，Culick F. Asteroid retrieval feasibility[C]// 2012 IEEE Aerospace Conference. New York: IEEE，2012: 1-16

[28]Bremen A S. Robotic geostationary orbit restorer (ROGER) phase: a final report[R]. Paris: ESA，2003

[29]Wieser R,Haarmann G,Hausmann R，et al. e.Deorbit Mission: OHB Debris removal concept[C]// The 13thSymposium on Advanced Space Technologies in Robotics and Automation. Noordwijk: The Symposium on Advanced Space Technologies in Robotics and Automation，2015: 1-6

(編輯：張小琳)

Analysis and Suggestion on Key Technology of Space Debris Removal

LIU Huawei LIU Yongjian TAN Chunlin LIU Yuqiang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

In the face of the serious threat of space debris，the necessity and urgency of the development of the space debris removal technology is analyzed in this paper. At the same time，the main technical means of the space debris removal at home and abroad is combed in detail，including deorbit by translation，deorbit by increasing the resistance，deorbit by capturing. Deorbit by translation takes advantages of the energy beam resulting from the laser，the ion beam，the solar radiation and so on，which exert the specific force on the space debris in the process of the movement then make the space debris leave from its original orbit. Finally by these means the purpose of space debris removal is achieved. Deorbit by increasing the resistance means increasing the space debris flying resistance which results in the decreasing of the space debris orbital altitude and the reduction of the space debris orbital lifetime，and makes the space debris into the atmosphere again in the prescriptive time. Deorbit by capturing removes the space debris by the direct physical contact of the mission spacecrafts. Then the feasibility of all kinds of the removal means is compared and analyzed，and the key technology of the means which is feasible recently is also analyzed. At last，the suggestions about the subsequent development of the space debris removal technology are proposed.

space debris; removal; deorbit by translation; deorbit by increasing the resistance; deorbit by capturing

2017-01-13；

2017-03-21

劉華偉，女，博士，工程師，研究方向為航天器總體設計。Email：lhw5646653@126.com。

V528

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.02.015