基于高能激光的空間小碎片清除技術

尚吉揚 袁杰 于大海 張宇 鄭璧青

摘 要：隨著空間中碎片數量的不斷增長，必須采取主動清除措施。采用強激光輻照空間碎片表面，產生燒蝕反噴沖量，使碎片墜入大氣層中，在氣動阻力作用下燒毀，實現空間碎片的清除。

關鍵詞：高能激光；空間碎片；碎片清除

中圖分類號：V528 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0073-02

0 引言

隨著人類航天活動的不斷增加，航天器使用中及使命完成后產生的空間垃圾也在迅速增加，其中，航天器碰撞、爆炸及丟棄時產生的空間碎片，會分布在與原來航天器軌道相近的位置附近，其運動速度高達10km/s-13km/s，即使很小的碎片也會對航天器產生極大的損傷。

1～10cm量級空間碎片數量較大，探測編目困難，不適合采用規避方法進行撞擊預防，該尺寸量級的碎片撞擊動能較大，采用結構防護方式預防撞擊很困難，需要采用清除方式確保航天器安全運行。

1 國內外研究現狀

美國、德國和日本等相繼開展了地基激光清除空間碎片研究，其中美國NASA的ORION計劃最具代表性。ORION計劃采用地基激光清除近地軌道1～10cm量級空間碎片，減緩空間碎片對空間站、載人飛船和衛星的撞擊威脅。ORION清除碎片原理是用地基強光遠距離傳輸輻照空間碎片，在空間碎片表面形成燒蝕反噴，產生沖量，降低軌道速度，減小近地點半徑，使其墜入大氣層燒毀。

ORION計劃采用平均功率30kW的激光器，重頻2Hz，單脈沖能量15kJ，脈寬10ns，用6m直徑自適應光學系統作為發射望遠鏡。ORION計劃近期目標是清除800km以下軌道高度空間碎片，遠期目標是清除1500km以下軌道高度空間碎片。

2 激光清除空間碎片原理

2.1 空間碎片與激光相互作用

如圖1所示，高能激光束輻照物質表面，產生的能量注入到物質上，能量的增加導致物質表面的溫度急速上升，表面物質被融化氣化，在這一過程中，等離子體產生，等離子反噴羽流伴隨蒸汽產生，被激光束照射的物質因此獲得沖量，進而產生速度增量。

激光輻照空間碎片不規則表面，在碎片表面的微面積元dS上，都形成燒蝕反噴羽流，獲得微沖量，因此，獲得總沖量是這些微沖量的矢量之和，如圖1及圖2所示。

2.2 地基激光空間碎片清除

激光站分布在地面向空中發射激光來實現空間碎片清除，發射的激光束通過大氣傳輸，到達空間碎片表面發生作用，碎片表面燒蝕反噴，從而獲得速度增量，方向與原運行方向相反，原來軌道速度降低，碎片的軌道近地點高度從而下降，當軌道近地點高度低于150km時，在大氣重力作用下，碎片很快墜入大氣層中，在氣動阻力作用下迅速燒毀。

地基激光清除空間碎片，具有能源保障方便，系統提供能量高，且易于維護和技術可行性強。地基激光清除空間碎片的主要確定就是需要客服大氣傳輸效應影響。

2.3 天基激光空間碎片清除

將激光發射器作為載荷，帶載于衛星或空間站中，在太空直接發射激光來進行碎片清除如圖3所示，激光束直接發射至空間碎片表面，碎片表面燒蝕反噴，從而獲得速度增量，方向與原運行方向相反，原來軌道速度降低，碎片的軌道近地點高度從而下降，當軌道近地點高度低于150km時，在大氣重力作用下，碎片很快墜入大氣層中，在氣動阻力作用下迅速燒毀。

天基激光清除空間碎片，優勢非常明顯，其激光器能量遠遠小于地基，而且激光傳輸過程中不存在大氣湍流干擾，還可以用于特定航天器軌道附近空間碎片清除和推離。缺點是需要帶載上天，技術難度大，使命完成后也會作為空間垃圾污染軌道，能源保障困難。

3 關鍵技術分析

3.1 推進激光作用下反噴矢量計算

對于激光垂直輻照平板材料表面，單脈沖激光作用下，激光能量密度為F（J/m2），輻照橫截面積為A，單脈沖激光能量為E=FA，沖量耦合系數為：

（1）

單脈沖作用下獲得沖量為：mΔv=CmFA （2）

根據激光輻照下燒蝕反噴試驗研究結果，燒蝕反噴原理為不論激光入射方向如何，燒蝕反噴方向始終沿著燒蝕平面法向方向，燒蝕反噴對激光入射角不敏感。

對于給定面積微元dA，激光入射角方向單位矢量為e，燒蝕反噴方向單位矢量為n（沿著dA發現方向），反噴沖量矢量為dI（方向為n的反方向），激光輻照下面積微元dA上產生的沖量大小為：|dI |=-CmFcos（e，n）dA （3）

面積微元dA上，燒蝕反噴沖量矢量為：

dI=-|dI |n=[CmF cos（e，n）dA]n （4）

逐片光滑曲面A：z=z（x，y）為單值連續可微函數，函數f（x，y，z）在曲面A的各點上有定義并連續，則曲面積分為：

（5）

式中σ為曲面A在oxy坐標面上的投影，此積分與曲線A法線方向無關。

3.2 空間碎片墜入大氣層燒毀判據

大氣層對于空間碎片的氣動力，顆分解為阻力fτ（與速度方向相反）、升力fσ（在軌道平面內垂直速度方向）和側向力fn（垂直軌道平面，構成右手坐標系），在它們的作用下，軌道半長軸、半正交弦和偏心率的變化方程為：

（6）

式中地球引力常數μ=3.98600436×105km3/s2。

氣動力中阻力fτ影響最大，一般以單位質量的阻力表示為：

（7）

式中，m為碎片質量，A為垂直速度方向的橫截面積，CD為阻力系數，對于100km以上高度，可取近似值CD≈2.2，ρv2/2為速度頭（動壓力）。

橢圓軌道方程為r=p/（1+ecosθ），半正交弦為p=a（1-e2），速度為v=，任意半徑r處軌道高度為h=r-6378，從而可求得大氣密度ρ（h）。

若已知橢圓軌道近地點高度hp和偏心率e，可解得初始半長軸a0和偏心率e0，軌道參數變化量為Δa、Δp和Δe，當前半徑r處，沿著圓軌道旋轉一周的時間為，軌道參數變化量計算方法如下：

（1）從初始半長軸a0和偏心率e0開始計算，解得軌道參數變化量為（Δa）0、（Δp）0和（Δe）0，軌道長半軸為a1=a0+（Δa）0、半正交弦為p1=p0+（Δp）0和偏心率e1=e0+（Δe）0，運行圈數為n=1，運行時間為。

（2）計算到ai、pi和ei時，解得軌道參數變化量為（Δa）i、（Δp）i和（Δe）i，軌道長半軸為ai+1=ai+（Δa）i、半正交弦為pi+1=pi+（Δp）i和偏心率ei+1=ei+（Δe）i，運行圈數為n=n+1，運行時間為。

（3）重復步驟（2），近地點半徑為rp=ai（1-ei），遠地點半徑為ra=ai（1+ei），直到hi=ai（1-ei）-6378≤130km，一般認為軌道高度為h=130km時，由于氣動加熱作用，空間碎片墜入大氣層迅速燒毀。

4 結語

高能激光可以基于天基或陸基實現空間碎片的清理，利用高能激光對物體表面燒蝕產生的反噴流，能夠改變太空中小碎片的運行軌道，降低其軌道高度，最后墜入大氣層中迅速燒毀。

參考文獻

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