采用電動(dòng)力繩系清除空間碎片的優(yōu)劣勢(shì)分析

唐瓊,張烽,張雨佳

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部,北京100076)

1 空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀

目前，空間碎片的數(shù)目急劇增長(zhǎng)，在軌的編目空間物體已經(jīng)突破1.8萬(wàn)個(gè)，其中大多數(shù)是空間碎片。如表1所示，截至2018年8月31日，美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng) (SSN)編目的在軌廢棄物數(shù)量已達(dá)19201個(gè)，而無(wú)法編目的微小廢棄物質(zhì)量已達(dá)幾千噸，數(shù)量超過(guò)200億個(gè)。

由于空間碎片軌道的自然衰減過(guò)程相當(dāng)緩慢，若不采取措施，未來(lái)50年間，碎片數(shù)量將以每年10%的速度增加[1]。近地軌道 (LEO)是有限資源，因此，有必要采取碎片減緩或清除措施來(lái)解決廢棄航天器和火箭殘骸的問(wèn)題。

2 空間碎片清除技術(shù)現(xiàn)狀

空間碎片的清除技術(shù)，包括推移離軌、增阻離軌、捕獲離軌、服務(wù)后重用和自主離軌五個(gè)方面。表2針對(duì)每個(gè)方面，列舉了典型的技術(shù)方法，從適用軌道高度范圍、清除目標(biāo)類型、以及應(yīng)用前景三方面，將各種方法進(jìn)行歸納總結(jié)[1]。

3 電動(dòng)力繩系離軌原理

當(dāng)導(dǎo)電系繩在地球磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于切割地球磁力線而在系繩中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)系繩和大氣電離層中的自由電子和離子構(gòu)成閉合回路時(shí)，便能在系繩中產(chǎn)生電流，電流和地球磁場(chǎng)相互作用會(huì)在系繩上產(chǎn)生洛侖茲力。洛侖茲力與航天器運(yùn)動(dòng)方向相反，與大氣阻力的作用是一致的。

電動(dòng)阻力的概念就是利用導(dǎo)電系繩中的電流與地磁場(chǎng)之間互相作用產(chǎn)生的洛倫茲力。用于減速的洛倫茲力F(電動(dòng)阻力)以復(fù)雜的方式由系繩系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)、軌道及當(dāng)?shù)仉婋x層的特性確定。

式中，I(l)是系繩中流動(dòng)的電流；dl是系繩長(zhǎng)度的微分；B是當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)。系繩中的電流由感應(yīng)電壓Φ自我維持，感應(yīng)電壓Φ由系繩切割磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生:

其中，v是系繩相對(duì)于磁場(chǎng)的相對(duì)速度矢量。電動(dòng)力產(chǎn)生的功率表示如下:

在電動(dòng)力作用下，航天器從軌道半徑a2的圓軌道降到軌道半徑a1的圓軌道 (a1＜a2)所需時(shí)間可由下式估算:

式中，μ8是地球引力常數(shù)；m是航天器質(zhì)量 (包括系繩系統(tǒng))；a是軌道半徑。

通過(guò)分析可知，對(duì)于赤道面軌道，能夠獲得最大效率的電動(dòng)阻力。對(duì)于傾角較大的軌道，由于軌道運(yùn)動(dòng)與地磁場(chǎng)的相對(duì)幾何關(guān)系，且電離層離子的密度相對(duì)較低，電動(dòng)阻力的效率較低。

對(duì)于繩系系統(tǒng)設(shè)計(jì)，另一個(gè)要考慮的重要參數(shù)是系繩長(zhǎng)度L，由式 (1)可知，其值決定感應(yīng)電壓，并與阻抗一起確定系繩中的電流。通常，較短的系繩具有較小的感應(yīng)電壓和電流，這意味著離軌的時(shí)間將更長(zhǎng)。雖然增加系繩長(zhǎng)度使其性能更優(yōu)，但在質(zhì)量、撓性、空間碎片風(fēng)險(xiǎn)方面要付出代價(jià)。

4 繩系離軌試驗(yàn)

到目前為止，在太空開(kāi)展電動(dòng)力繩系系統(tǒng)全尺寸的試驗(yàn)為數(shù)不多，但是關(guān)于電動(dòng)力繩系離軌的可行性研究已經(jīng)開(kāi)展了近10年。國(guó)外已經(jīng)研究了形式多樣的電動(dòng)力系繩配置，并對(duì)其離軌性能進(jìn)行了評(píng)估。

美國(guó)TUI公司由 Robert P.Hoyt和 Robert L.Forward于1994年成立，致力于利用電動(dòng)力清除近地軌道的廢棄航天器。該公司基于電動(dòng)力繩系技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種輕巧可靠的空間系繩產(chǎn)品，稱為終結(jié)者 (Terminator Tether，TM)。TM系繩系統(tǒng)的設(shè)計(jì)取決于被清除航天器的質(zhì)量及其所在的軌道。對(duì)于典型的LEO軌道航天器，TM系繩的長(zhǎng)度為5～7.5km，系統(tǒng)質(zhì)量為航天器的1% ～2%。表3給出了7.5km電動(dòng)力系繩的離軌時(shí)間，對(duì)質(zhì)量為1500kg的航天器實(shí)施離軌，系繩系統(tǒng)質(zhì)量占航天器總質(zhì)量的1%，離軌過(guò)程從初始軌道高度降低到距離地面250km處。

表1 編目在軌廢棄物數(shù)量統(tǒng)計(jì) (截至2018年8月31日)Tab.1 Statistics of the amount of cataloged orbital wastes(up to August 31，2018)

表2 主要空間碎片清除方法Tab.2 Main removal methods of space debris

表3 電動(dòng)力繩系離軌時(shí)間研究數(shù)據(jù)[2]Tab.3 Research data on the deorbit time of electrodynamic tethered system

事實(shí)上，對(duì)于5～10km的典型電動(dòng)力繩系長(zhǎng)度，洛倫茲力隨著有效載荷質(zhì)量、軌道傾角和高度的增加而減小，以每天2～50km的速率降低系繩系統(tǒng)的軌道高度。

5 優(yōu)劣勢(shì)分析

5.1 優(yōu)勢(shì)

(1)減輕質(zhì)量

與其它推進(jìn)系統(tǒng)相比，電動(dòng)力繩系離軌系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要任何推進(jìn)劑。傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)器的推進(jìn)劑質(zhì)量占總質(zhì)量很大一部分 (10%～20%)。而一個(gè)典型的電動(dòng)力繩系系統(tǒng)，重約30～50kg，就完全可以實(shí)現(xiàn)航天器的離軌，發(fā)射時(shí)僅占運(yùn)載工具質(zhì)量的百分之幾 (1% ～5%)。此外，化學(xué)推進(jìn)器必須能夠保證在比任務(wù)時(shí)長(zhǎng)更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)可靠地運(yùn)行。而系繩系統(tǒng)在任務(wù)期間將處于非活動(dòng)狀態(tài)，在軌等待航天器離軌指令即可。電動(dòng)力繩系系統(tǒng)通過(guò)消除大量推進(jìn)劑發(fā)射和長(zhǎng)期在軌存貯的需求，大大降低了成本，提高了空間推進(jìn)和操作的可靠性。

(2)減少離軌時(shí)間

使用電動(dòng)力繩系離軌的另一個(gè)好處是，LEO的離軌時(shí)間僅比大氣阻力衰減離軌縮短若干個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于一顆500km高度以上的典型航天器，受自然軌道擾動(dòng)影響，軌道壽命可能是幾十年到幾千年。而終結(jié)者TM系繩系統(tǒng)則可以將運(yùn)行在LEO軌道上的航天器在幾周到幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)推離軌道。

(3)提高ATP有效性

離軌技術(shù)的主要目標(biāo)是從軌道上移除廢棄的和不需要的航天器，使它們不會(huì)對(duì)其他航天器構(gòu)成碰撞威脅。使用系繩離軌會(huì)增加航天器系統(tǒng)的橫截面積，從而增大了系統(tǒng)在任務(wù)期間遭受意外碰撞的可能性。然而，碰撞可能性不僅僅取決于橫截面積，還取決于航天器離軌所花費(fèi)的時(shí)間。對(duì)于僅通過(guò)氣動(dòng)阻力離軌的航天器，系統(tǒng)橫截面積相對(duì)較小，離軌進(jìn)入地球大氣層所需的時(shí)間有可能是數(shù)百年或數(shù)千年。因此，即使系繩增加了航天器系統(tǒng)的橫截面積，但是軌道衰減速率使離軌時(shí)間大幅縮減，足以補(bǔ)償橫截面積增加帶來(lái)的不利影響，大大降低系繩離軌系統(tǒng)與其它航天器碰撞的概率。

評(píng)估離軌技術(shù)有效性的標(biāo)準(zhǔn)不僅僅是它是否與大氣阻力衰減相比減少了離軌時(shí)間，而是其是否減小了離軌時(shí)間和航天器橫截面積的乘積 (Area-time-Product，ATP)。根據(jù) Forward和Hoyt16的研究結(jié)果 (表3)，證明了終結(jié)者TM系繩系統(tǒng)可以顯著降低大多數(shù)LEO軌道的ATP值。

5.2 風(fēng)險(xiǎn)

電動(dòng)力繩系系統(tǒng)的系繩通常非常長(zhǎng)，而且薄，這導(dǎo)致其極易出現(xiàn)故障，如系繩斷裂等。系繩的意外斷裂可能是由許多原因造成的，包括制造缺陷、系統(tǒng)故障、材料退化、振動(dòng)以及與其它航天器元件的接觸。而通過(guò)設(shè)計(jì)、質(zhì)量檢查及任務(wù)期間對(duì)系繩動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性的主動(dòng)控制，可以防止以上大多數(shù)原因。

盡管如此，由于系繩的直徑較小，容易被相對(duì)較小的流星體和軌道碎片撞擊并切斷，由此產(chǎn)生的系繩碎片給在軌航天器造成了額外的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。未來(lái)，可以通過(guò)增加系繩直徑或采用其它創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)來(lái)提高系繩的生存能力。

因此，在電動(dòng)力繩系系統(tǒng)應(yīng)用于空間碎片減緩任務(wù)之前，必須解決下述問(wèn)題:

(1)評(píng)估系繩對(duì)空間環(huán)境的影響。確定繩系系統(tǒng)與在軌航天器的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，系繩切斷后的殘余物造成的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，以及系繩之間發(fā)生碰撞的可能性。

(2)評(píng)估系繩的生存能力。評(píng)估任務(wù)期間系繩被空間碎片和流星體切斷的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論和建議

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出了一些基于電動(dòng)力繩的離軌裝置以緩解空間碎片的解決方案，但是，從空間碎片的角度來(lái)看，電動(dòng)力繩系系統(tǒng)會(huì)在太空中帶來(lái)一些新的問(wèn)題。因此，盡管電動(dòng)力繩系系統(tǒng)很有可能成為緩解空間碎片的有效措施，但在實(shí)際采用這種技術(shù)之前，系繩對(duì)空間環(huán)境的影響以及系繩的生存能力這兩個(gè)問(wèn)題需要重點(diǎn)考慮。