空間碎片能量轉化利用技術*

任瑩瑩，李京陽，藍 磊，寶音賀西，王賢宇

(1.內蒙古工業大學 航空學院·呼和浩特·010051;2.清華大學 航天航空學院·北京·100084)

0 引 言

國際機構間空間碎片協調委員會(Inter-Agency Space Debris Coordination Committee，IADC)和聯合國和平利用外層空間委員會(United Nations Committee on The Peaceful Uses of Outer Space，UNCOPOUS)對空間碎片的定義是：“空間碎片是指在地球軌道運行或進入稠密大氣、所有失效且無望再恢復其原有功能的人造物體，包括解體產生的碎片及其零部件等，即使不能確定這些物體的所有者”[1]。1957年，人類第一顆人造衛星Sputnik-1成功發射，拉開了航天時代的帷幕[2]。據估計，目前在軌的空間目標直徑在1cm以上的人造衛星超過了75萬個，直徑在1cm以下的超過了1億個。在軌航天器和各類空間物體的數量正以每年200～300個的速度增長。航天器與空間碎片碰撞的風險大大增加，空間碎片嚴重威脅著航天器的正常在軌運行，近地空間環境急劇惡化。空間碎片環境日益惡化，不但威脅著航天器的安全太空飛行，空間碎片還可能在重返大氣層時撞擊地球，危及人類生命，并用有毒物質破壞環境[3]。空間碎片對航天器造成了巨大威脅。通常，尺寸大于10cm的空間碎片與航天器碰撞，會造成毀滅性破壞。厘米級空間碎片與航天器碰撞，可能會導致航天器完全損壞。空間中還有大量的毫米級和微米級的空間碎片。毫米級空間碎片可能會導致航天器表面穿孔或形成凹坑、天線變形、壓力容器或密封艙泄漏等，微米級空間碎片累積撞擊效果可導致航天器表面砂蝕、光敏或熱敏等器件功能下降，甚至失效[4]。2013年5月24日，厄瓜多爾“飛馬座”立方體衛星與蘇聯1985年發射的火箭燃料箱殘骸在印度洋上空發生激烈相撞，導致衛星壽命終結，震驚了世界[5]。

根據NASA的公開文件，以及精密的衛星軌道計算，為了確保重要衛星的穩定和安全運行，從現在起，每年都需要將大概5～10枚失去功能的衛星從現軌道中脫離[6]。1978年，凱斯勒在論文中提出，當某一軌道高度的空間碎片密度超過一個臨界值時，將發生碎片鏈式撞擊效應，碎片之間的鏈式碰撞過程會造成該高度軌道資源的永久破壞，該高度軌道資源將徹底不可用，這一現象又被稱為“凱斯勒綜合征”[7-8]。空間碎片是人類空間活動產生的空間廢物。隨著空間活動頻率的增加，空間碎片數量迅速增加，對人類空間資產安全構成了嚴重威脅，是全世界面臨的重大挑戰。積極清除空間碎片是國際社會的共識，是構建人類命運共同體的重要內容之一，對保障國家空間資產安全、維護國家安全和利益、確保國際外空事務主導地位和太空話語權、塑造航天大國的責任與形象、引領高新技術的創新和發展、促進新興太空經濟和產業模式的產生等，均具有重要意義[9]。

目前針對空間碎片問題，國內外研究主要集中于主動規避和單純清理范疇。空間碎片主動清除技術主要包括以下幾類：

空間機器人捕捉移除技術：從傳統的以剛性抓捕為代表的單臂空間機器人[10]、多臂空間機器人[11]、手爪機器人[12]，到當下十分熱門的柔性連接抓捕裝置空間繩系飛網[13-15]等，世界各國的大學和研究機構已經提供了很多的空間垃圾主動抓捕清除方案。

激光主動移除空間碎片技術：利用地基/天基激光清除空間碎片[16-17]。

其他主動清除技術：如電動力繩索移除技術[18-19]、充氣阻尼移除技術[20]、兩用末級火箭方案技術等。但是，這些想法往往受制于各種因素的影響，特別是難以解決軌道器變軌、追逐、交會目標碎片過程中帶來的大量燃料消耗，這些因素嚴重制約了清理器的工作壽命和工作效率。本文提出了空間碎片發動機的新概念和空間碎片清理的新方法。空間碎片發動機以空間碎片清理工作為基礎，在將捕獲到的空間碎片通過機械方式進行初步分解后，通過球磨方式將碎片粉碎到一定細度。將粉末通過一定的方式充電之后，在單級或多級串列式靜電加速器中將粉末加速后將其高速噴出，為空間碎片發動機進一步變軌提供足夠動力。這些粉末離子化物將在太陽風及地球磁場的作用下飄離地球周圍。一方面，碎片發動機可對地球周圍的空間碎片進行清理，為人類可持續利用空間環境提供保障。另一方面，碎片發動機為航天器獲得動力提供了足夠工質，延長了航天器在軌使用壽命和飛行距離，提高了單次發射的工作效能。

1 空間碎片發動機

空間碎片本身來源于航天器，如果能夠就地取材，利用空間碎片為航天器長時間在軌運行提供推進劑，將具有重要的應用價值。本文提出了空間碎片發動機的設想，將空間碎片轉化為發動機可用的推進劑。空間能量可由太陽能電池板提供，著眼解決空間碎片清理器高能低效的不足，借助可持續性的碎片推進劑補給，延長清理航天器壽命，使其具備多次、大范圍機動工作的能力。

本文提出的空間碎片發動機，致力于在空間中將捕獲的空間碎片變廢為寶，用碎片粉末替代惰性氣體(氬氣或氙氣)作為發動機推進劑。其主要流程如下：清理航天器通過一定的機械裝置抓捕目標碎片后，將碎片分解并粉末化。在將粉末通過一定的方式充電之后，在單級或多級串列式靜電加速器中將粉末進行加速并高速噴出，從而產生推力，為空間碎片清理航天器進一步變軌提供足夠動力。噴射出去的離子化物在太陽風的作用下，很快飛離地球周圍軌道，一方面清理了空間環境，另一方面就地取材，將空間碎片轉變為軌道器的推進劑，延長了清理航天器單次發射的工作壽命。

2 空間碎片粉末化

空間碎片的主要成分是鋁合金及鋁、鋅、鈦等金屬及其氧化物，部分為航天員產生的含鈉、鉀成分的廢物及電子產品產生的含銅、銀等成分的碎片。其中，鋁合金占所有空間碎片組成成分的70%以上。因此，本文將鋁合金作為空間碎片的主要模擬材料[21]。

在目標碎片被捕獲后，首先將較大尺寸的碎片用機械方法分解成小塊。下一步，將空間碎片制成微米粉末。目前，有幾種可供選擇的粉末制備方法。激光能使碎片表面迅速蒸發并轉化為蒸氣。但是，如果碎片在空間碎片發動機內部的密閉空間中被分解，就很難確保設備本身不會被激光損壞[22]。超聲霧化技術是制備球形金屬粉末的另一種方法[23]，但在霧化過程中，首先要將磨屑轉化為熔融聚變，能耗很大。在太空的黑暗面，碎片會在低溫和真空環境中受到傷害。在這種情況下，鋁、鈦、鐵等金屬會變脆。因此，機械粉碎是一種直接而實用的方法。它對粉末的圓度或形狀無任何要求，只對粉末細度有較高要求，要求研磨出的粉末粒度達到微米級。綜合考慮，使用球磨機研磨空間碎片是一種可行的方法[24]。

2.1 實驗材料

實驗中所研究的空間碎片模擬材料主要可分為金屬材料和非金屬材料兩個部分。金屬材料包括工業純鋁1050、鋁合金5052、鋁合金6061、鋁合金7075、鈦合金TA1、鈦合金TC4等。非金屬材料包括工程塑料聚醚醚酮(PEEK)、聚砜(PSU)、聚酰胺-酰亞胺(PAI)、聚芳醚砜(PES)、聚醚酰亞胺(PEI)，以及太陽能帆板材料等。

2.2 實驗設備

本文使用的是德國萊馳(Retsch)PM100 行星式球磨儀，其研磨罐與研磨球均為不銹鋼材質，其實物如圖1(a)所示。PM100 行星式球磨儀可應用于礦物質、金屬礦石、合金、化學品、玻璃、陶瓷、植物組織、土壤、污泥、生活、工業垃圾、食品、醫藥等的研磨。其作用原理如下：行星式球磨儀的研磨罐位于其底部太陽輪的偏心位置。研磨罐繞軸自轉，與公共的太陽輪轉動方向正好相反，太陽輪與研磨罐的轉速比為1∶-2。研磨罐中的球在與研磨罐一起運動時受到Coriolis力的疊加影響。研磨罐和研磨球的運動速度之差產生強摩擦力和撞擊力，因而釋放了大量動能。這種撞擊和摩擦的組合使得行星式球磨儀在研磨時的粉碎程度極高。PM100行星式球磨儀的研磨罐如圖1(b)所示。

鼓風干燥箱是一種常用的儀器設備，主要用來干燥樣品，也可以提供實驗所需的溫度環境。鼓風干燥箱廣泛用于試樣的烘熔、干燥或其他加熱應用，其最高工作溫度為300℃，溫度精度可達±0.1℃。電熱恒溫鼓風干燥箱適合測定煤中水分、烘干物品、干燥熱處理及其他加熱之用。鼓風干燥箱的實物如圖1(c)所示。

本項目所用的激光粒度分析儀為BECKMAN公司LS l3 320型激光粒度分析儀。貝克曼庫爾特LS 13 320系列微納米激光粒度分析儀應用顆粒光散射原理，根據光學理論推算顆粒粒度分布，主要適用于粉體或各種材料顆粒粒度的分析，其最大特點是粒度分析動態范圍寬，操作簡便快捷，自動化程度高，可廣泛應用于質量控制實驗室、質量控制部門及其他粒度分析領域。激光粒度分析儀的實物如圖1(d)所示。

(a)德國萊馳(Retsch)PM100行星式球磨儀

2.3 實驗設計及結果

根據2.1節的介紹，本實驗所研究的空間碎片模擬材料主要可分為金屬材料和非金屬材料兩部分。

針對金屬材料，在將其初步分解后使用德國萊馳公司的PM100行星式球磨儀對金屬材料進行研磨。將研磨形成的粉末通過電熱烘箱進行干燥后，用研缽進行簡單分解。用溶劑分散后，將其放入激光粒度分析儀進行粒度分析；對于非金屬材料，在將其初步分解后使用金屬制旋轉粉碎機進行粉碎研磨，其他步驟與金屬粉末檢驗過程一致。

2.3.1 鈦合金研磨實驗

鈦合金的質地較硬且韌性強，在對鈦合金進行研磨時使用的參數如表1所示。

表1 兩種鈦合金研磨參數設置

其中8∶2 的研磨間歇比是為了防止研磨過程過熱造成研磨罐中壓力過大，以及合金融化等情況的發生。

兩種鈦合金研磨后的粒度分布如圖2所示。

(a)鈦合金TA1研磨4小時的粉末尺寸分布

經過4小時的研磨，大部分鈦合金樣品都被研磨到了很小的粒度，且大部分都集中于10μm以下，也就是微米量級。粉末的粒度大致呈現正態分布的狀況。鈦合金TA1出現了雙峰的狀況。有少部分的粉末尺寸還在10μm以上，將來需要通過一定的回環機制實現閉環的研磨過程。

2.3.2 鋁合金研磨實驗

由于鋁合金的硬度相對于鈦合金較低，所以適當降低了鋁合金研磨時的轉速，以確保研磨罐溫度不過高，從而導致鋁合金樣本在罐中出現融化現象。在對鋁合金進行研磨時使用的參數如表2所示。

表2 四種鋁合金研磨參數設置

圖3(a)是使用的鋁合金初始樣品的照片，其尺寸在30mm以內。圖3(b)是研磨后的樣品。圖3(c)為激光粒度儀檢驗試劑。由于在放置的過程中，樣品有可能吸水受潮，所以在檢測之前，需要通過烘箱進行一定時間的烘干，使樣本脫水，并在研缽中進行簡單的分離。最后，加入溶劑，使樣本在溶劑中分散，這有利于激光粒度分析儀對其做出準確的測定。

(a)實驗用鋁合金材料

工業純鋁1050和鋁合金5052、6061、7075四種物料研磨后的粒度分布如圖4所示。

(a)工業純鋁1050研磨3小時的粉末尺寸分布

經過3小時的研磨，大部分鋁合金樣品都已被研磨到了很小的細度。其中，工業純鋁1050和鋁合金6061的粉末尺寸基本都在10μm以下，而鋁合金7075和5052則仍有少部分粉末尺寸超過10μm。在今后的實際生產過程中，也需要一定的檢測、篩分及回環機制來實現閉環的細度控制，以確保碎片粉末的均一性。

2.3.3 研磨時間對物料尺寸的影響實驗

為研究研磨時間對物料尺寸的變化，設計了以下實驗過程，并使用鋁合金6061和鋁合金7075作為研究材料進行實驗，實驗結果如表3所示。

表3 鋁合金6061和7075研磨機器參數設置

圖5所示為鋁合金6061和7075粉末分別研磨了1小時、2小時和3小時后的粒度分布。

(a)鋁合金6061研磨1小時的粉末尺寸分布

由實驗結果可得，鋁合金6061和鋁合金7075兩種樣品在研磨1小時后，基本能夠進入粉末狀態，但此時的粉末細度沒有辦法達到微米級的要求。再經過進一步的研磨，粉末進一步被磨細。在研磨2小時時，鋁合金的粉末基本能達到20μm～30μm的尺寸量級。再經過1個小時的持續研磨，大部分鋁合金粉末能夠達到微米級的要求。

2.3.4 非金屬材料研磨實驗

對于非金屬材料，使用久品不銹鋼粉碎機進行研磨，粉碎機的參數如表4所示。

表4 非金屬材料粉碎參數設置

由表5可知，工程塑料聚醚醚酮(PEEK)、聚砜(PSU)、聚酰胺-酰亞胺(PAI)、聚芳醚砜(PES)、聚醚酰亞胺(PEI)經研磨后，基本可以將粉末粉碎到10μm量級。不過，塑料粉末存在細小纖維互相纏繞的狀況。太陽能帆板材料經研磨后，通過激光粒度分析儀，分析了太陽能帆板粉碎后的粒徑。其結果如圖6所示，可見其也可以達到微米級的要求。

圖6 太陽能帆板粉碎后的粒度統計分布

表5 工程塑料粉碎后的粒徑大小

由于工程塑料的疏水性較強，難以找到有效的溶劑使其分散在其中。因此，使用顯微鏡對其進行測定。粉碎之后的工程塑料粉末尺寸多集中于20μm ～30μm量級。一個需要提出的問題是，粉碎之后的工程塑料呈現纖維狀，且比金屬粉末更容易聚合，將其有效分散和轉運是一個需要考慮的問題。

2.4 實驗結果分析

各種合金經研磨后，其粉末尺寸呈正態分布，大部分粉末的粒度可達微米級，但小部分粉末還達不到微米級要求。將來，需要通過一定的回環機制實現研磨效果的閉環控制。鋁合金和鈦合金都具有良好的延展性，其在研磨過程中可能出現被打成片狀或長條狀的情況，這是一個需要解決的問題。由于金屬延展性的存在，研磨時的轉速不應設置得過快。此外，需要著重注意的是研磨過程中的散熱問題，以確保鋁合金不因過熱而熔化。

各種工程塑料及太陽能帆板材料經研磨后，基本可被粉碎至10μm量級。不過塑料粉末存在細小纖維互相纏繞的狀況，這是將來在實際使用時需要重點考慮的一個問題。

3 粉末加速方式

上一節著重介紹了空間碎片粉末化的方法。利用球磨儀研磨方法，可以將空間碎片模擬材料粉碎至微米級。空間碎片粉末化之后，最關鍵的是如何將其利用，并產生推力。

本節中調研了三種可能的推進方式，分別為靜電加速[25]、電磁加速和激光加速[26-27]。電磁推進的發動機結構較為復雜，對工質的要求較高，激光推進中的高能激光電光轉化效率較低。靜電加速發動機原理清晰，結構相對簡單，易于實現，而且系統能量利用率較高。在下文中，詳細研究了靜電加速推進方式。

靜電加速推進方式是將粉末通過一定的方式進行充電之后，在單級或多級串列式靜電加速器中將粉末加速后將其高速噴出、從而產生推力的一種方法。使用電子束充電是一種有效的粉末充電方式。隨著粉末半徑的減小，以及電子束密度的增大，粉末的充電電荷可以提高，充電效果較為明顯。這些帶電粉末將在粉末靜電加速器中完成加速并高速噴出。粉末靜電加速器是一種使用高壓靜電加速帶電粉末的設備。相比回旋加速器，高壓靜電粉末加速器結構簡單，功耗更小，造價較低。國外研究表明，采用粉末靜電加速器可以將直徑為0.2μm的粒子加速到18(km/s)，而當微粒直徑為0.02μm時，其末速則可高達100(km/s)。

圖7是靜電加速系統的整體示意圖。靜電加速系統主要由碎片初步分解系統、球磨研磨系統、放電腔和靜電加速系統構成。空間碎片在初步分解系統中被初步分解為較小尺寸的碎塊，碎塊尺寸小于1cm。之后，進入球磨研磨系統進行研磨，研磨細度需小于1μm。緊接著，這些粉末在放電腔中帶上正電荷，充電完畢進入靜電加速系統中完成加速，最終從尾噴管高速噴出，產生發動機推力。靜電發生器提供粉末帶電的正電荷，并在噴口處將電子釋放入空間，保持整個航天器的電平衡。

圖7 靜電加速系統示意圖

空間碎片發動機的比沖及推力取決于碎片粉末相對于噴口的速度，即噴流速度為：

(1)

(2)

式中：Isp為比沖；g0為重力加速度。

碎片發動機的比沖大小取決于加速電場、充電電場的大小，以及帶電粉末的荷質比。因此，提升碎片發動機比沖的關鍵在于：一是要提高充電電場的電壓，提高充電電子束的密度，提高充電效率；二是要提高靜電粉末加速電場的總電壓；三是要提高空間碎片粉末的細度。這需要合理安排研磨機的球罐配比、旋轉速率及研磨流程，提高研磨的質量和效率，從而提高帶電粉末的荷質比。

發動機的推力可計算如下：

(3)

假設發動機在真空狀態下工作，且發動機內外壓力平衡，可得發動機推力為：

(4)

發動機的推力主要取決于噴口處的射流質量流量大小和粉末射流相對于噴口的速度。在輸入功率一定的情況下，比沖與推力成反比。空間碎片發動機可以通過分配功率的方式調節比沖：將電源功率分成兩部分，一部分進入球磨系統，另一部分進入靜電加速系統和放電系統。如果需要獲得大的推力，可將大部分功率輸送給球磨系統，產生較多的粉末，而加速效能較低，可帶來更多的低速帶電粉末，因而發動機的比沖較小，推力較大；如果需要獲得高比沖值，可將大部分功率送往靜電加速系統和放電系統，產生數量較少但速度較大的帶電粒子。此時，發動機推力較小，但比沖較高。低比沖/高推力模式可提供較大的加速度，使清理航天器在較短的時間內獲得較大的速度增量；而高比沖/低推力模式可減少粉末的消耗量。對于給定的飛行任務，通過比沖和推力的設計，可以實現飛行器飛行軌跡的優化。

4 結 論

由于人類日益頻繁的空間活動，空間碎片數量日益增多，給在軌航天器安全構成了嚴重威脅。如果放任其發展，空間中將有可能發生災難性的“凱斯勒”效應，多數在軌航天器將在空間碎片的鏈式破壞中損毀，給各國經濟、軍事、民用等各領域造成極大災難。目前，各國航天機構都建立起了地基監測網絡，對可能的空間碎片碰撞事件進行預警。

本文所提出的空間碎片發動機，立足于使用捕獲到的空間碎片，將空間碎片轉化為發動機可用的推進劑。在完成碎片清理目標的同時，獲得可持續的動力來源，延長了清理器的工作壽命。本文主要針對空間碎片制粉的方法進行了研究，提出使用球磨儀對金屬樣本進行研磨，使用轉刀式粉碎機對非金屬材料進行粉碎。實驗發現，大部分金屬樣品在球磨機的研磨作用下，多數粉末粒徑達到微米量級，少數大顆粒需經過篩分再研磨來實現粉末大小的均一性。

本文同時研究了粉末推進的三種方式，即靜電推進、帶電磁推進和激光推進，詳細分析了三種推進方式的優缺點，并進行了比較。電磁推進的發動機結構較為復雜，對工質的要求較高；而激光推進中的高能激光電光轉化效率較低；靜電加速推進方式原理清晰，結構相對簡單，易于實現，而且系統能量利用率較高，符合空間碎片發動機對工作環境的要求。

空間碎片發動機雖然起源于空間碎片清理任務，但是可持續、低標準的推進劑供應，也將為小行星探測、行星際航行等任務提供更好的思路。