激光空間碎片移除技術發展與展望

鄭永超, 趙思思, 李同, 張景豪

(1. 北京空間機電研究所, 北京100094;2. 中國空間技術研究院空間激光信息感知技術核心專業實驗室, 北京100094)

1 引言

1.1 空間碎片現狀及危害

空間碎片是人類探索和利用外層空間的產物, 是人類在進行外空活動時產生的各種廢棄物及其衍生物, 包含失效航天器、 火箭體、 剩余燃料及氣體、 航天器材料、 生活垃圾等。 隨著各國空間技術的發展和空間任務的增多, 空間碎片目標與日俱增, 根據2020 年ESA 給出的信息[1],美國空間監視網(SSN) 維持編目的空間碎片數目約22300 個, 質量約8800t, 尺寸大于10cm 的目標數量約為34000 個, 尺寸介于1 ～10cm 的碎片約900000 個。

空間碎片對航天活動和發展構成了嚴重威脅[2]。 超高速撞擊試驗表明, 直徑1mm 左右的鋁球即可擊穿衛星常用的蜂窩板并對其中設備造成嚴重威脅[3]。 對于尺寸1cm 以下的空間碎片, 主要施行衛星表面防護措施; 對于10cm 以上較大尺寸的空間碎片, 可以根據編目和預警采取規避措施; 但對于1 ～10cm 的空間碎片, 造成危害非常嚴重, 既難以編目又防護困難, 目前還沒有找到更好的解決方案。 各類碎片危害如表1 所示。

空間活動的快速發展加劇了空間環境的惡化。20 世紀70 年代美國人Kessler 在進行了大量空間碎片數量預測研究后, 于1978 年提出空間碎片持續增加進而發生碎片聯級碰撞的“凱斯勒效應”(Kessler Syndrome) 的解釋, 并于1991 年對未來近地軌道(LEO) 區域空間碎片密度增長達到臨界值導致近地空間無法使用的“Kessler 災難” 做相關預測[4,5]。 NASA 后續對不同軌道區域內10cm 以上的碎片數量進行了預測[6], 結果如圖1 所示。

截至2019 年, 人類共發射的航天器數量為9400 余顆, 隨著微小衛星技術的進步, 國際上大規模低軌衛星星座呈現出爆發式態勢, 航天器的發射數量成井噴式增長。 近幾年各航天大國和商業公司相繼提出了數量龐大的巨型星座計劃, 如SpaceX 的“星鏈” 計劃, 42000 顆星將覆蓋350 ～1300km 的軌道區域; OneWeb 公司與波音公司計劃發射上千顆星組成的大規模星座均分布在1200km 附近軌道高度上; 上述計劃部分已在實施中, 也就是說“Kessler 災難” 正在加速走來。 目前低軌的編目碎片數量占總數的75%左右, 700 ～1100km 的軌道區域內, 碎片平均密度為其他軌道區域密度的5 倍以上[7], 如圖2 所示。 小衛星星座的部署分布同目前LEO 軌道空間碎片高密度區域高度重合, 不僅可能造成大量衛星在軌的碰撞失控, 還將因為該區域航天活動的密集導致空間碎片環境的進一步惡化。

表1 不同尺度空間碎片對航天器的危害及其防護措施Table 1 Hazards to spacecraft by space debris with different sizes and their protection measures

圖1 各軌道區域10cm 以上碎片數量增長預測[6]Fig.1 Growth prediction of space debris larger than 10cm in different orbit areas in cases of space activities without limitation (left) and under a post-mission de-orbit success rate of 90% with different removal rates (right)

圖2 LEO 區域編目空間碎片分布圖[8]Fig.2 Catalogued space debris distribution in LEO area

1.2 空間碎片移除技術

應對空間碎片碰撞事件, 目前主要是基于碎片編目和碰撞預警, 采取航天器規避的方案。 但要從根本上解決問題, 就要對空間碎片實施主動移除。 目前, 已經提出的空間碎片主動移除(Active debris removal, ADR) 技術主要有增阻離軌移除技術、 電動力繩系移除技術、 捕獲離軌移除技術、 激光主動移除技術以及離子束推移移除技術等, 每種方法都有其特點, 適用軌道、 清除目標、 作業保障等各有不同。

1.2.1 增阻離軌移除技術

該技術的原理是使用粘著泡沫、 膨脹式氣球、 折疊阻力帆等用以增加碎片的大氣阻力, 從而通過降低軌道速度來加速軌道衰減, 顯著降低碎片的軌道壽命, 如圖3 所示。 增阻離軌是非接觸式清除, 相比接觸式清除降低了清除難度, 但該技術需要針對不同特性碎片目標選取不同方案, 且泡沫、 氣球等物易因操作不當導致產生新的空間碎片, 使得清除效率降低。 目前增阻離軌技術更多應用于星上離軌裝置, 加拿大、 荷蘭、英國等國均在近年來開展了相關的地面及在軌試驗[9], 2010 年美國全球航天公司提出的薄膜增阻降軌裝置(GOLD) 如圖3 所示。

1.2.2 電動力繩系移除技術

其原理是使用空間拖船、 機械臂等對碎片進行抓取, 利用柔性系繩將一顆衛星或拖船與空間碎片連接在一起, 拖動其沿軌道在地磁場中運動,在繩上產生電動勢, 形成穩定的電流, 利用洛倫茲力改變衛星速度使組合體減速離軌, 如圖4 所示。該方法由于電磁場強的限制存在清除能力的限制, 目前只可應用于LEO 軌道碎片的清除, 且存在系繩易斷裂和系繩難以釋放等問題, 導致在軌技術驗證仍不成熟[11,12]。 2016 年, 日本JAXA 開展的KITE 系繩清除在軌演示任務最終由于系繩難以釋放的問題宣告失敗。

圖3 GOLD 裝置降軌概念圖[10]Fig.3 GOLD orbit lowering concept graphs

圖4 繩系捕獲法清除碎片原理圖Fig.4 Schematic diagram of tethered capturing method for space debris removal

1.2.3 捕獲式離軌移除技術

該技術的原理是由地面操控清除用航天器施行接觸式清除, 在達到預定軌道位置后使用有效的抓捕方案固定清除用航天器及待清除碎片, 使得清除衛星與空間碎片進行直接接觸從而對空間碎片產生作用力, 拖動碎片使之離軌從而達到降軌目的, 快速實現碎片主動清除。 該方法的具體抓捕方案較多也較為成熟, 目前可使用飛矛、 飛爪、 飛網、 機械臂、 彈弓等方式, 圖5 為ESA 飛網抓捕的在軌演示圖。

圖5 飛網抓捕離軌清除碎片在軌演示圖(ESA)[13]Fig.5 On-orbit demonstration of a net capturing space debris for deorbit removal by ESA

1.2.4 激光主動移除技術

激光主動移除碎片技術的原理有兩種: 一是針對較小的碎片, 利用強大連續波激光照射使其溫度升高至碎片熔點, 使碎片汽化; 另一種針對較大碎片, 利用高能脈沖激光束照射碎片表面,為碎片提供一定的速度增量來降低近地點高度,達到縮短碎片軌道壽命的目的。 激光主動移除技術的優點是操作簡單, 響應快速, 可無限重復使用, 能進行遠距離、 非接觸清除, 成本低, 可以清除多種尺寸空間碎片; 劣勢在于目前的技術能力有限, 技術成熟度不高。 激光主動移除技術根據清除手段不同又分為地基激光移除技術和天基激光移除技術, 圖6 為天基高能激光移除碎片示意圖。 從發展的觀點看, 激光主動移除技術將是最有前景的方案。 因此, 也逐漸成為碎片移除技術研究的熱點和重點。

2 激光空間碎片移除技術發展

2.1 地基空間碎片激光移除技術

激光主動移除空間碎片技術始于20 世紀80 年代末, 美、 德等國先后提出了使用強激光移除空間碎片的想法; 20 世紀90 年代, 德國航天研究中心Schall 等人[14]對激光器運行軌道、 激光器參數和激光光束傳播等方面做了進一步系統研究, 提出用強激光清除空間碎片的理論, 并對天基激光站系統參數進行了初步設計, 提出了初步技術方案; 1996 年, NASA 推出了基于地基強激光移除空間碎片的ORION 計劃, 并于2012 年公布了最新的研究進展[15], 顯示他們的激光碎片ADR 技術已經處于關鍵技術攻堅階段; 2014 年,Phipps 等[16]對使用激光光學系統降低低軌空間碎片的方案做了進一步研究, 表明了激光清除方案是唯一一個能夠同時考慮小尺度和大尺度碎片的方案, 他們對地基移除方案做了模擬并討論了其優勢和劣勢, 預估了大致的費用。 在國內,2009 年, 李明等[17]建成了脈沖式激光驅動微小碎片發射系統并開展了相應超高速撞擊試驗,對激光作用碎片特性和累積撞擊效應進行了詳細分析; 2016 年, 方英武等[18]通過分析脈沖激光與鋁靶碎片的沖量耦合相互作用, 分析了沖量耦合系數與激光功率密度之間的定量關系,并分析了最優系數下實現地基移除低軌碎片的相關條件。 截至今日, 國外的地基激光空間碎片移除計劃仍以美國提出的ORION 計劃具有代表性, 其后改進的LODR 系統如圖7 所示。 美國諸多學者在ORION 計劃的推動下, 對地基激光移除空間碎片的概念、 原理和方案規劃進行了一系列系統研究, 國內相關單位也跟進了該方面的研究, 進行了原理的論證以及地基激光移除碎片軌道模型的建立與分析, 并有相應移除方案策略的制定。

圖6 天基高能激光移除碎片示意圖Fig.6 Schematic diagram of space-based energetic laser debris removal

但由于大氣層的吸收作用損耗較大, 且受到地理位置與作用距離影響, 使得地基激光移除碎片系統的工作范圍和作用能力受限。 2017 年, 針對大氣傳輸中的主要問題, 溫泉等人[19]分析了大氣湍流對地基激光方案的影響并建立了沖量耦合關系, 討論了受大氣湍流影響的沖量耦合系數變化與激光脈寬間的關系。 因為地基激光清除碎片方案存在的缺陷, 也有學者將研究重心轉移到基于天基的激光移除空間碎片技術上。 2012 年起, NASA 也因大氣傳輸受阻問題將重心從地基激光移除碎片計劃轉為天基激光移除碎片技術的發展。

圖7 LODR 系統示意圖Fig.7 Schematic diagram of LODR system

2.2 天基空間碎片激光移除技術

天基激光移除手段不受大氣傳輸的影響, 且沒有折射、 散射等傳播特性的影響, 可重復使用, 安全性高, 因此同地基激光移除手段相比,天基移除手段是成本更低、 機動性更高、 作用場景更多樣的移除技術。

1989 年, Metzger 等[20]提出了將激光器安裝在核動力宇宙飛行器或衛星上, 利用單脈沖氟化氪激光清除空間碎片, 這是早期的天基激光移除空間碎片構想。 近年來, 各國又重新將發展目光轉向天基系統中, 美國、 德國、 日本相繼提出了相應的天基激光移除碎片初期方案; 2013 年,Smith 等[21]提出了天基平臺持續機動以提供高能脈沖激光持續作用空間碎片形成一種拖曳力的方案, 能夠清理質量在200kg 以內的空間碎片, 并估算了清理所需要的時間; 2014 年, Phipps 等指出對使用激光光學系統降低低軌空間碎片的方案做了進一步研究, 表明了激光移除方案是唯一能同時考慮多尺度碎片移除的方案, 并在ORION 計劃的基礎上對地基探測跟蹤系統進行了完善, 并提出了天基激光移除系統方案; 2015 年, 日本的Toshikazu Ebisuzaki 等人基于國際空間站上用于探測超高能宇宙射線的JEM-EUSO 超寬視場望遠鏡和光纖激光器提出了一套天基激光空間碎片移除系統。 各國提出的激光移除空間碎片計劃方案見表2, 可以看出各國的計劃方案由初期的天基方案逐漸轉向建設地基方案, 最終轉向天基為主的天地基聯合方案。

表2 激光空間碎片移除計劃表Table 2 Laser space debris removal programs

2.3 空間碎片監視與激光探測和測量

對于空間碎片激光移除技術, 空間碎片的監視、 編目以及目標特性的探測測量是基礎、 前提和保障。 空間碎片編目是在空間目標編目堅實的基礎上發展的, 激光測量由于具有更高的分辨率, 在空間碎片高精度測定軌與目標特性測量識別方面的優勢愈加顯現, 空間碎片激光測距精密定軌和特征測量已經成為空間碎片監視編目的重要組成。

2.3.1 空間目標雷達監測系統

目前許多國家或組織建立了包含激光雷達設備的空間目標監測系統, 如美國的空間監視網(SSN)、 俄羅斯的空間監視系統(SSS) 等, 空間目標監測以地基為主、 天基輔助, 主要目的是空間目標的軌道編目。 各個監測網相對較為獨立, 均含有針對目標進行監測、 跟瞄、 定軌的能力。 SSN 是目前世界上最大的空間態勢感知網,如圖8 所示, 近年來為進一步提升目標探測識別系統, 其在地面升級部署了新型太空籬笆系統并在LEO 部署了新的天基監視系統用以探測GEO軌道目標, 大大提高了對空間碎片等微小目標的探測能力以及對目標的探測精度, 美國的新型相控陣籬笆系統是目前現有最先進的低軌目標監測設施, 可以監測高度為400km 的1cm 空間目標,編目維護能力10 萬以上[22]; SSS 主要由地基雷達系統和光學系統組成, 目前, 其雷達系統的建設主要以增強對目標的監測跟瞄能力和對更微小目標的探測識別能力為目的, 提高整體探測識別與跟瞄能力, 尤其是對微弱目標的識別及編目;歐洲正積極開展空間目標監視系統的建設及聯網, 目前基于法、 德等國現有的雷達網絡, 建設了一體化歐洲空間目標監視系統(ESSS), 可對低軌碎片目標進行探測, 探測能力達到2cm 級;目前國內的激光雷達系統也通過近年來發射的諸多激光雷達載荷部署開來。

圖8 SSN 系統示意圖Fig.8 Schematic diagram of SSN system

2.3.2 空間碎片激光測距系統

空間碎片激光測距技術(DLR) 起源于衛星激光測距技術(SLR), 目前多數衛星激光測距站都加入了全球衛星激光測距服務系統網(ILRS),其觀測數據和軌道預報數據都是開放式數據。 從2006 年8 月起, 國際激光測距網開始使用綜合預測格式(CPF) 星歷預報, 但現在參加全球聯測的空間目標多為合作目標, 非合作目標的激光測距一般為單站數據, 相關研究仍處于起步階段。激光測距技術相較于光學成像跟蹤和雷達觀測技術有其更明顯優勢, 其光束更窄, 方向更集中,能量集中度和功率更高, 單位亮度更強, 在非成像目標探測中可有效利用; 測距精度較其他技術高出1 ～2 個數量級, 當天空背景對目標可視化成像的背景亮度過高導致難以成像觀測時, 也可以利用激光測距技術進行探測, 激光測距對于定軌精度提高發揮了重要作用。

近年, 利用空間碎片激光測距技術進行精密定軌的方案得到廣泛認同和大力發展。 早在2000 年, 澳大利亞EOS 公司即在堪培拉Stromlo激光測距站進行激光測距探測碎片方面的研究, 如圖9 所示; 2002 年, EOS 公司在華盛頓第13 屆國際激光測距會議上發表了其研究進展[23], 首次提出了空間碎片激光測距(Debris Laser Ranging,DLR) 的概念, 并利用Stromlo 激光測距站望遠鏡和高能激光器實現了對大于1000km 距離下15cm量級空間碎片的激光測距, 近年來該測站經過不斷技術更新, 測量的目標最小尺寸已達到5cm[24]。

圖9 澳大利亞Stromlo 空間碎片激光測距站Fig.9 Australia’s Stromlo space debris laser ranging station

奧地利科學院空間研究所Graz 站, 在空間目標激光測距方面已經有近40 年的歷史, 由于數據的高可靠性和高精準性, Graz 衛星激光測距站被ILRS 列為全球五個核心站之一, 同時被視為世界上最為準確的臺站之一, 如圖10 所示。 2003 年,世界上首次實現2kHz 空間合作目標激光測距;2012 年, 開發了新型專業化單光子探測器, 首次對空間碎片物體漫光反射的光子進行了測量;2015 年, 團隊又在原有系統上加裝了一套新的單光子光度曲線記錄系統, 開展空間目標位姿測量研究; 2019 年該臺站實現了500kHz 重復率衛星激光測距, 在目標觀測數據密度和精度方面有了大幅度提高。 該臺站組織或參與了多項空間碎片目標聯測試驗; 自2013 年起, Graz 站開展了多次雙基站、 多基站試驗[25]; 2019 年, 奧地利科學院空間研究所Graz 站與北京空間機電研究所就空間碎片姿態測定技術開展了合作研究, 利用激光測距設備和單光子光度測量設備分析GLONASS星座失效衛星的旋轉周期演化與分布, 對火箭殘骸的旋轉姿態進行研究[26]。

圖10 奧地利Graz 激光測距站Fig.10 Austria’s Graz laser ranging station

中國SLR 網成立于1989 年, 由上海站、 長春站、 昆明站等臺站組成。 上海天文臺佘山觀測站建立了大能量Nd:YAG 測距試驗系統, 開始非合作目標空間碎片的激光跟蹤和測距試驗, 并多次獲得火箭殘骸的漫反射激光測距數據; 2013年, 上海天文臺建設了1.56m/60cm 雙望遠鏡激光測距實驗系統, 聯合開展空間目標激光測距技術研究, 后續實現了碎片目標500 ～2600km 的測量距離, 在低軌對于空間目標的測距能力優于0.5m[27]; 2016 年, 長春人造衛星觀測站利用60cm 衛星激光測距系統實現了高重頻空間碎片常規探測, 測距精度可達1m[28]; 2017 年, 云南天文臺研制了53cm 高重頻雙筒望遠鏡, 具有對低軌米級空間碎片的探測能力[29]。

3 空間碎片激光移除科學問題與關鍵技術

空間碎片激光移除技術是未來最有前景的碎片清除技術, 這是目前業界的共識。 空間碎片激光移除方案歷經地基、 天基幾度變更, 目前看天基實現的可能性更高。 在這個過程中, 相關的理論和技術日趨成熟, 部分關鍵技術依托于空間目標監視等已進行在軌試驗。 目前的技術鏈條中,激光光源是短板。 作為激光移除的前提和保障,目標的監視編目以及目標特征, 依然依靠強大的地面網絡作支撐, 但天基觀測發展迅速, 天地協同、 以地為主的格局沒有變化。

3.1 激光對空間碎片移除的作用機理機制

激光移除空間碎片的原理是明確的, 各種工況下的實驗也驗證了其可行性。 但要進行工程設計, 尤其天基移除要實現高的效能和效率, 還需要對其作用機制和機理進行定量定性的描述和刻畫, 包括激光作用于空間碎片的力學過程、 能動耦合、 多物理場轉化; 激光作用空間碎片的空間、 運動、 姿態效應; 激光作用空間碎片的時間、 頻域、 形貌影響等等, 這些科學問題和關鍵技術的突破對于激光移除的方案、 策略、 效能至關重要。

激光作用在碎片目標的效果主要由激光的作用距離和相對作用位置即作用角度決定, 空間碎片目標形狀不規則且旋轉姿態各異, 實際移除過程中無法將其看為規則目標或點目標, 在不同相對位置對不同角度、 不同可視面元的作用下可能得到的作用效果也不相同, 明確任一激光作用情況的效果是保證降軌有效的前提。

激光入射至不同碎片目標, 目標會在極短時間內吸收激光能量進而能量轉化產生復雜相變,不同碎片目標表面物質在不同條件下的吸收機制并不相同, 由此產生的機械能與耦合反沖沖量特征也就不同, 該作用的效能與目標的沖量耦合特性有關, 取決于其沖量耦合系數, 即指復雜能量轉化過程的動量系數, 對其作用能量轉化過程及沖量耦合特性的研究, 最終目的是得到任一作用條件下的精確速度增量, 準確表示激光作用的特征。

3.2 目標特性識別研究

空間碎片目標特性的探測與測量關系激光碎片移除的技術路線和系統方案。 對目標特性的描述要素包括運動特性、 幾何特性、 材料特性、 尺寸特性以及光學特性等。 只有準確掌握目標特性, 才能對移除目標、 移除策略、 移除過程、 移除系統、 移除效果等作出正確研判, 如何獲取尤其是在軌快速獲取目標特征, 是激光空間碎片移除的系統設計和過程實施的關鍵保證。

碎片目標形狀姿態各異, 表面材料不盡相同, 軌道位置導致的相對觀測角度變化及由于太陽光壓和大氣阻力造成的目標碎片旋轉軸指向緩速變化等的不同, 都構成每一個碎片的綜合目標特征信息且各不相同。 以激光移除碎片為研究目標時, 這些信息即為先驗信息。 獲取準確先驗信息難度的不同是造成激光移除空間碎片任務難度不一的重要因素。

對于可成像的明顯尺寸空間碎片, 需要對先驗信息進行準確認知, 對實時變化的目標特性進行追蹤監測和時序預報, 必要時可建立完備先驗信息數據庫, 以便更加系統地完善和利用多維度典型目標特征。

對于難以成像觀測的空間微小碎片而言, 特性識別難度更大, 目前的研究策略是將這些碎片目標典型化, 篩選有代表性和單一性的先驗信息進行假定, 通過與其他條件下的光學觀測信息進行比對, 反演相對更準確的目標特性。

3.3 空間碎片探測與測量技術

基于空間碎片的探測與測量信息, 可以對空間碎片目標甄別與選定、 目標跟瞄與定位、 移除導引與評估、 移除策略與過程控制等進行構建,是激光空間碎片移除能力和效果支撐的基礎所在。

對被測碎片目標進行測量的目的是獲取更多的準確先驗信息, 支持預期激光作用效果的實現。 對于可視化的明顯碎片目標, 現有的測量技術包括圖像識別和碎片激光測距(DLR), 常用的圖像識別方法主要包括雙目視覺測量、 圖像匹配、 激光掃描、 三維點云重構等, 這些方法大都基于圖像進行篩選, 提取圖像中的特征信息以獲取碎片目標的先驗信息, 部分方法如雙目立體視覺測量更是不需要預先已知先驗信息, 這些方法可以較為準確全面地提供可視化碎片的部分目標特性。

對于非成像微小碎片目標, 現有的測量技術主要包括光變探測(LC) 和空間碎片激光測距(DLR)。 從原理上說, 碎片由于自身的旋轉導致觀測光度信息和測距殘差產生了周期性變化, 因此對碎片目標進行光變和測距殘差分析是提取與碎片目標旋轉運動相關特征參數的有效手段。 基于這些方法進行多維度分析研究, 力求從有限的信息中更好地提取空間目標姿態及目標光學特性等信息。

3.4 高效激光光源研制

高效、 高能、 高光束質量的激光器對激光移除系統至關重要。 激光光源甚至決定了系統的能力。 激光器的研制屬于技術攻關范疇, 受到承載平臺的空間、 能源、 環境等多方面嚴格約束, 同時又要滿足基于目標特征的系統能力要求。 其核心在于效率, 電光轉換、 光熱轉換、 力熱耦合、熱排散與熱管理等是關鍵環節。

激光器參數選取涉及多參數, 如傳輸特征參數、 沖量耦合參數、 波束能量參數等, 激光器研制的優化目的是在同樣發射能量的基礎上, 作用在目標合適角度下獲得最大的速度增量。 考慮激光遠場是否覆蓋目標碎片, 對其沖量耦合機理進行分解, 確定近場功率密度, 根據總沖量的數值確定激光器重頻和平均功率并根據具體特征需求確定合適的激光器參數指標。 激光器的選取與研制是綜合了多維度參數的考慮及方案設計, 需要不斷優化完善才能滿足激光移除需求。

3.5 任務規劃與系統設計

對于空間碎片激光移除, 需要從頂層進行任務規劃和系統設計, 要充分理解任務、 對任務進行分解、 深入研究移除策略, 包括目標甄選、 碎片降軌路徑規劃、 激光驅動策略等較精細的移除策略分析, 并根據空間碎片探測跟蹤、 燒蝕驅動和變軌清除過程對清除系統進行設計, 明確各分系統指標。 在此基礎上, 有計劃、 有步驟地實施空間碎片移除在軌演示驗證, 不斷提升技術成熟度, 逐步推動工程化應用和實施。

天基激光移除空間碎片的具體任務規劃包括: 目標發現與鎖定, 目標甄別與威脅判識, 移除策略, 移除系統資源投入, 移除目的、 目標、階段, 移除效果及風險控制等。 首先利用天地基協同平臺在合適的探測水平下發現、 識別并鎖定被測的空間碎片目標; 將碎片信息傳輸給天地基協同平臺的各控制系統與控制組件, 進行多方位多時效跟蹤瞄準, 獲取穩定的碎片目標運動規律并進行一定程度的預報; 獲取可成像碎片的圖像信息或非成像碎片的光學周期變化信息, 通過遙測傳輸或地面站傳輸進行整理, 對數據分析獲取相應的碎片姿軌及目標特性信息, 與地面特征信息數據庫進行比對確定目標的具體特征信息; 整個系統實現精準跟瞄后, 通過選擇地面遙控指令啟動合適范圍內的可用高能脈沖激光載荷、 發射新的搭載高能激光器航天器到達預定軌道以及地基合適范圍內強激光器瞄準等不同方案, 對空間碎片進行照射實現降軌需求; 根據碎片尺寸選擇合適的激光移除方案, 對于大尺寸碎片可進行多次多圈降軌, 逐步滿足需求。

4 發展展望與建議

空間環境的不斷惡化是全人類面臨的挑戰,主動移除是應對挑戰的關鍵手段, 激光移除方案是最有發展前途的方案。 經過多輪次的研究論證, 天基方案優勢明顯, 建議發展激光移除方案以地基觀測網、 天地協同觀測為支撐, 基于天基平臺實現多尺寸、 多天域空間碎片的高效移除。天基移除的主要技術、 基礎理論等經過國內外40余年探索, 均有一定的積淀和基礎, 技術鏈條短板在于激光光源。 可以說, 目前天基激光空間碎片移除已具備了開展有限目標的在軌試驗的基礎。

空間環境治理是大國責任, 空間碎片移除是國際研究熱點。 目前不僅國際組織、 國家組織,而且商業航天也加入其中, 空間碎片已成為技術制高點和競爭點, 這其中不僅有對航天技術發展的推動、 空間安全的需要, 也蘊含巨大的商業利益。 我國經過多年研究, 已有較好基礎, 建議基于“先易后難, 基礎研究、 關鍵技術、 系統規劃, 統籌推動, 分步實施, 頂層設計, 探測先行” 的原則, 推動空間碎片激光移除在軌驗證。空間碎片激光移除技術正處于一個加速發展的歷史機遇期, 我們有望與美、 日、 歐等國家或組織在該高地一競高低, 實現局部超越, 這也是航天強國建設賦予我們的責任和使命。