空間碎片再利用新型推進技術研究

林倩，方忠堅，王遠，陳芳浩，羅莉

(北京控制工程研究所，北京100190)

1 引言

空間碎片是空間環境的主要污染源。近年來，空間碎片數量在不斷地持續上升，對航天器安全和航天員生命造成巨大威脅[1]，因此空間碎片的清理勢在必行。一般會通過主動清除與機動規避等方法對空間碎片進行處理。國內外針對主動清除空間碎片的技術研究十分廣泛，包括激光清除方法、通過空間機械臂及繩網等方法進行抓捕清除的方法，以及太陽帆變軌移除方法等。

目前大部分碎片是航天器解體后形成的，采用的都是航天器最常用的材料，如鋁、鎂、鈦等輕合金，可以作為新型推進的工質來源。空間碎片若能實現再利用，將會推動空間推進領域的技術創新，實現空間飛行器的自給自足，對延長航天器的在軌壽命具有重要意義。同時，通過發展空間碎片的再利用技術，還能為空間基地、空間中轉站的長期在軌研究打下基礎。文獻 [2]中提出了空間碎片發動機的新概念和一種空間碎片清理的新方式。

本文探索了空間碎片在被捕獲之后，進行物質分解、破碎及加速的方法與技術，提出了以空間碎片粉末為工質的新型推進技術和空間碎片能量轉化再利用系統方案，對空間碎片發動機進行原理性論證，設計了基于超聲霧化技術的粉末化模塊和基于微陰極電弧技術的空間碎片發動機模塊，完成了空間碎片推進模塊的方案設計，達到清除空間碎片和延長航天器使用壽命的目的。

圖1 空間碎片再利用系統模塊圖Fig.1 Debris reutilization propulsion module system

2 空間碎片粉末化處理

空間碎片主要由報廢的空間裝置、失效的載荷、火箭殘骸、絕熱防護材料、分離裝置及因碰撞、風化產生的碎屑物質組成，基本包含航天器上使用的所有材料。文獻研究表明，空間碎片成分中，鋁、鎂、鈦等輕合金占到了60% ～70%[3]。因此本研究主要以鈦、鋁等金屬材料作為研究對象，來研究其粉末化技術。本文主要研究利用超聲霧化技術來對熔煉后的金屬類空間碎片進行粉末化處理。

超聲霧化主要可以分為超聲氣霧化和超聲振動霧化兩大類。

超聲氣霧化的原理是利用超聲振動能量和超聲速氣流沖擊熔融金屬液，撞擊成金屬液滴，經冷卻形成細小的金屬粉末顆粒。氣霧化法主要靠動能使液流破碎，制粉效率較高，但需要消耗大量惰性氣體，生產成本較高。

超聲振動霧化在金屬粉末制備領域屬于新型霧化技術。其霧化機理為高頻振動激發表面張力波，金屬薄液層在張力波作用下霧散成細小液滴，液滴破碎能量來自于電能轉化過來的聲能，霧化過程基本以靜態模式進行。液滴破碎能量僅來自于電能轉化過來的聲能，并且由于金屬液體與超聲聚能器振動表面直接接觸，霧化所需要的超聲能量很小，不像超聲氣霧化那樣消耗大量的惰性氣體，且其霧化基本以靜態模式進行，無任何高速運動。該法工藝設備簡單、可控性高，適于制備粒度分布窄、球形度好、氧含量低的微細金屬粉體，目前已成為制備高品質金屬粉體材料的首選方法[4]。

對于超聲霧化的機理描述一直沿用Kelvin提出的表面張力波理論，Rayleigh通過計算和試驗總結出霧滴直徑 (D)與超聲振動頻率 (f)、液體的物化特性 (密度ρ，表面張力系數σ)之間的關系、表述為如下公式[5]。

這種工作方式一般用較低的超聲頻率，如20～40kHz。上式表明，采用超聲霧化方法制得的金屬粉末的顆粒直徑與超聲工作頻率成反比，工作頻率越高，所制得的粉末粒度越細。

綜上所述，通過超聲振動霧化技術制備粉末的方法工藝設備簡單、可控性高，適于制備粒度分布窄、球形度好、氧含量低的微細金屬粉體，十分有利于后續將碎片粉末作為發動機工質，因此選用超聲振動霧化技術來對熔煉后的金屬類空間碎片進行粉末化處理。

3 空間碎片加速技術研究

3.1 幾種空間碎片加速技術研究對比

3.1.1 基于電磁軌道炮技術的粉末加速技術

電磁軌道炮的工作原理是根據電磁感應定律，兩導軌相互平行，發射組件沿著導軌軸線方向滑動，產生洛倫茲力，推動彈丸向炮口做加速運動，將電磁能轉換成動能。發射時，電流在導軌的末端通入，沿一根導軌流動，通過電樞，沿另一根導軌流回，構成閉合回路。大電流流經導軌回路感應出強大的磁場，電樞中的電流和這個磁場相互作用，產生了非常高的推動發射組件向前做加速運動的電磁力，當電樞到達炮口時，電樞和電樞前面的彈丸獲得高速度，彈丸脫離電路或軌道，開始自由飛行。盡管加速速度不高，但加速的動能也超過單個空間碎片粉末粒子達到千米/秒級別的動能，因此可以初步認為，采用電磁炮加速技術來加速碎片粉末具備可行性。

3.1.2 基于等離子體加速器的碎片加速技術

等離子體加速器主要用于地面模擬超高速微小空間碎片撞擊效應，其加速原理可以直接應用于碎片粉末加速。

等離子體加速器是將高壓電能儲存在電容器中，通過電容器儲存能量，在金屬絲或金屬膜上放電，產生高溫、高壓等離子體，利用等離子體將微粒加速到超高速范圍。研究表明，利用高溫度、高密度、高壓強的等離子體可以將直徑為10～1000μm的微粒加速至l～20km/s[6]。等離子體加速器適合微粒子群的發射，其發射機理是靠超高速等離子體流對微粒子群的 “拖曳”作用。等離子體加速主要靠高溫度、高密度、高壓強的等離子 “帶動”微粒來使其加速運動。若要將該類加速機制用于空間碎片發動機，需要額外提供氣源來生產等離子體。

3.1.3 基于范德格拉夫靜電加速器的微米級碎片加速技術

靜電加速器用于驅動粉塵級微小碎片，尺寸一般是幾十納米到幾微米大小的粉塵粒子。在微米級空間碎片超高速撞擊地面模擬實驗中有成功應用先例，也是空間碎片發動機加速機理備選方案之一。其基本工作過程是通過粉塵粒子源使粉塵帶上電荷，并將帶電微粒發射到靜電加速區，通過靜電加速器發射超高速粒子。國外研究表明，采用粉塵靜電加速器可以將直徑0.2μm的粒子加速到18km/s，微粒直徑0.02μm時，速度高達100km/s[7]。

3.1.4 激光燒蝕推進加速技術

激光推進的實質就是激光與物質相互作用。激光是一種相干性、單色性、方向性和強度均極高的輻射能量源。當高功率密度激光與固體或液體材料相互作用時，若其功率密度高于一定的閾值，則能使材料表面迅速氣化產生蒸汽，蒸汽會產生顯著的原子激發和離化。這種已部分電離的蒸汽將通過逆韌致輻射機理強烈吸收后續激光輻射能量而進一步電離，形成高溫等離子體，其溫度可達幾千至幾萬度。當高功率密度激光與氣體相互作用時，強激光能量能使氣體發生光學擊穿，氣體分子剝離出電子，形成等離子體。這個特點使得激光推進可以應用到很多領域內的空間任務中。將激光燒蝕推進技術應用于空間碎片，主要需要解決基于碎片粉末的靶材制備問題。而粉末化之后的粉末顆粒具備加工成任意形狀靶材的可能性，可以作為空間碎片加速的有前景的備選方案。

3.1.5 基于微陰極電弧技術的空間碎片發動機技術

微陰極電弧推力器 (Micro-Cathode Arc Thruster，μCAT)屬于電推力器，利用真空條件下放電電弧燒蝕陰極材料產生高速的等離子體以產生推力。微陰極電弧推力器主體由陰極、陽極、絕緣材料、電磁線圈及磁芯組成。當電感儲能觸發放電后，燒蝕陰極材料，產生等離子團；使用電磁線圈提供外加磁場，磁場以一定角度穿過放電通道，置于電磁線圈陰極一側的磁芯用于約束磁感線方向；在電場力及洛倫茲力的作用下，等離子體從放電通道噴出產生推力。

對以上五種加速方式進行從結構尺寸、供電供氣等方面進行比較分析，分析結果如表1所示。可以看出，等離子體加速技術由于需要高壓及外部供氣，同時需要高壓且系統復雜，不太適合本研究。電磁軌道炮加速技術、范德格拉夫靜電加速器加速技術、激光燒蝕推進加速技術、微陰極電弧技術相對來說技術更簡單，需要的外部設備少，不需要輔助氣體，系統更緊湊；但靜電加速需要高壓可能會限制其使用；從推力大小、功耗大小方面、系統負責程度來進行比較，微陰極電弧推力器有著較好的優勢。由于空間碎片粉末化處理之后，可以方便地采用粘合劑制成各種形狀的微陰極，因此微陰極電弧推力器是一種較適用于空間碎片發動機的系統方案。

3.2 基于微陰極電弧技術的空間碎片發動機技術

微陰極電弧推力器 (Micro-Cathode Arc Thruster，μCAT)，下面簡稱 μCAT。微陰極電弧推力器是由美國喬治華盛頓大學近年來研制的一種新型推力器[8]，其利用真空條件下放電電弧燒蝕陰極材料產生較高電離度的高速等離子體，并利用外加磁場聚焦等離子體以產生推力。μCAT具有總沖較高、元沖量較小、系統質量較低、系統體積較小、造價低廉等優點，且易于實現模塊化，易于批量化生成，能夠滿足推進模塊化的需求。

表1 不同加速方式特點對比Table 1 Comparison between different acceleration manners

微陰極電弧推力器主體由陰極、陽極、絕緣材料、電磁線圈及磁芯組成，具體如圖2所示。當電感儲能觸發放電后，燒蝕陰極材料，產生等離子團；使用電磁線圈提供外加磁場，磁場以一定角度穿過放電通道，置于電磁線圈陰極一側的磁芯用于約束磁感線方向；在電場力及洛倫茲力的作用下，等離子體從放電通道噴出產生推力。原理如圖3所示。

微陰極電弧推力器主要具有以下優點:

(1)電壓低、質量輕、體積小:微陰極電弧推力器的電極間距是毫米級，因此只需要10V級電壓即可產生電弧。同時因為使用電感儲能方式，采用IGBT控制電路，省卻了升壓模塊，且采用固體推進劑省去了推進劑貯存系統及供給系統，所以質量輕 (100g量級)，體積小 (100cm3量級)。

(2)燒蝕均勻:在外加磁場作用下，可旋轉微陰極電弧推力器電極上的熾點位置，實現均勻燒蝕。

圖2 微陰極電弧推力器結構圖Fig.2 μCAT structure

圖3 微陰極電弧推力器原理圖Fig.3 μCAT principle

(3)比沖高:由于在推力器上加上電磁加速模塊，磁場加速了燒蝕產生的帶電粒子，打破化學推進的約束，比沖在3000s量級，與普通的電推力器相比也具有很大的競爭力。

(4)控制靈活:脈沖工作方式，可通過調節放電頻率實現較廣范圍的性能參數。另外推力器上附加的加速磁場可以通過勵磁電流的大小，調節對帶電粒子的加速作用產生不同的性能。通過三個不同心的外加磁場可以實現微陰極電弧推力器的矢量控制。

美國喬治華盛頓大學MPNL實驗室研制的微陰極電弧推力器樣機的性能參數如表2所示[9]。

表2 微陰極電弧推力器性能參數Table 2 μCAT performance parameters

由微陰極電弧推力器的主要特點及性能參數可知，微陰極電弧推力器非常適用于微納衛星的軌道保持、姿態控制等低功耗、小推力、微沖量的航天任務。

北京控制工程研究所及其研究團隊已攻克了陰極工質均勻燒蝕、低電壓放電擊穿、磁場設計等關鍵技術，完成原理樣機點火驗證工作，并采用實驗手段研究磁場對推力器影響；采用PIC/MCC方法開展數值仿真，獲得推力器內部及羽流區相關參數分布，對其工作過程及工作機理開展研究，為工程應用奠定了基礎[10]。

4 空間碎片推進系統方案初步設計

根據本項目的研究思路，空間碎片推進系統由三部分組成:碎片預處理模塊、超聲霧化及存儲模塊、動力轉換裝置，如圖4所示。

4.1 預處理模塊及超聲霧化模塊

預處理模塊和超聲霧化模塊系統方案如圖5所示。

圖4 空間碎片推進系統組成Fig.4 Debris thruster system

空間碎片粉末化處理模塊由熔煉器、超聲振動霧化器、電源處理單元 (PPU)、中央控制單元(CMU)四部分組成。

圖5 空間碎片粉末化處理模塊系統方案Fig.5 Debris pulverization module system project

熔煉器:熔煉器用于對空間碎片進行熔煉預處理，生成的熔融液作為陽極傘狀霧化振動頭的輸入。陽極既與陰極之間生成電弧直接融化空間碎片，又充當超聲霧化器的振動工作頭。熔融液在惰性控制氣體的約束下運動至振動頭后，在超聲聚能放大器的作用下，開始高頻振動，當振動面的振幅達到一定值時，薄液層在超聲振動的作用下被擊碎，激起的液滴即從振動面上飛出形成霧滴。同時保護氣還對霧滴進行冷卻，生成金屬粉末，通過收集槽進入貯存室。

超聲振動霧化器:超聲振動霧化器由振動信號生成器，壓電晶體轉換器和超聲聚能放大器組成。震蕩電壓生成器生成震蕩電壓信號驅動壓電晶體換能器，經過放大器放大之后，為傘狀霧化頭提供能量來源。

電源處理單元 (PPU):用于產生高電壓脈沖至熔煉器電極以產生電弧放電，以及在穩態工作期間將衛星母線電源轉換為適當的電壓和電流以維持電弧；另外，PPU要具有與航天器的遙測遙控接口，用以傳輸電弧推進系統的狀態至航天器以及從航天器接收遙控指令。PPU還應具有衛星電源母線保護功能和隔離噪聲的功能。

PPU組件與本系統其他部分的關系為:提供一次電源供電的接口；為熔煉器提供啟動脈沖供電；為超聲霧化器提供工作電源。

中央控制單元 (CMU):CMU的主要功能是按照時序邏輯控制電源處理單元 (PPU)、熔煉器、超聲振動霧化器的工作。按照指定時序邏輯控制電源處理單元中各模塊電源的通斷；控制熔煉器中陰極的運動，使陰陽極間的間距與放電電弧功率保持最佳匹配；控制PPU為熔煉器提供穩定的脈沖供電；控制超聲振動霧化器的工作頻率，使生成的粉末粒度滿足需求；負責和衛星CMU的雙向數據通信能力，提供模塊的遙測/遙控接口；具有應對模塊自身各種故障模式的識別和處理能力。

4.2 動力轉換裝置

通過第3節的研究對比，最終選擇以微陰極電弧技術來設計動力轉換裝置。采用環形電極方案來開展微陰極電弧推力器系統結構設計，整個動力轉換裝置系統組成如圖6所示。主要包括:微陰極電弧推力器、微陰極棒制備器、微陰極棒裝填輸送裝置、裝填器、電源及控制電路六大部分。

微陰極電弧推力器:微陰極電弧推力器通過真空條件下放電電弧燒蝕陰極材料產生高速等離子體產生推力，由陰極、陽極、磁芯、電磁線圈及彈簧組成。當電感儲能觸發放電后，燒蝕陰極材料，產生等離子團；使用電磁線圈提供外加磁場，磁場以一定角度穿過放電通道，置于電磁線圈陰極一側的磁芯用于約束磁感線方向；在電場力及洛倫茲力的作用下，等離子體從放電通道噴出產生推力。通過彈簧控制微陰極的運動，使得微陰極始終保持端面燒蝕。

微陰極棒制備器:微陰極棒制備器主要起由碎片粉末制備微陰極棒的作用。通過使用特制膠水和模具，直接將粉末制備成微陰極的尺寸。

微陰極棒裝填輸送裝置:輸送裝置主要起到將制備器生成的棒材移動到裝填窗處，并壓緊使其進入微推力器的功能。主要涉及的功能有夾持、運輸、壓緊等三大功能。

裝填器:裝填器由控制電機、彈簧壓緊端、鋼索、鋼索盤等裝置組成。主要用于在更換微陰極棒時，通過控制電機運動帶動鋼索盤，使鋼索拉緊彈簧壓緊端從而使彈簧收縮。當彈簧進一步收縮，微陰極裝填窗打開，為狀態輸送裝置裝填做準備。

電源及控制電路:實現由整星母線電壓到各組件工作電壓的轉換，為整個推進系統各個組件提供所需的電壓、電流；控制電路負責控制指令的解析。

圖6 動力轉換裝置系統方案Fig.6 Power conversion system concept

5 結論

通過開展空間碎片粉末化分解技術研究和空間碎片加速技術研究，提出了空間碎片再利用系統方案，并對方案的可行性進行論證，設計了基于超聲振動霧化技術的粉末化模塊和基于微陰極電弧技術的空間碎片發動機模塊，完成了空間碎片推進模塊的方案設計，為后續應用提供了基礎，最終達到清除空間碎片及延長航天器使用壽命的目的。