空間碎片激光移除: 從概念設計到技術與系統實踐

陳川, 宋光明, 楊武霖, 武強, 張品亮, 曹燕, 龔自正

(北京衛星環境工程研究所, 北京100094)

1 前言

空間碎片是地球軌道上在軌運行或再入大氣層的無功能的人造物體及其殘塊和組件。 隨著航天活動的日益頻繁, 空間碎片的數量迅速增加,已經對人類空間資產安全構成了嚴重的現實威脅, 是全世界面臨的重大挑戰。 開展空間碎片主動移除已經成為國際社會的共識。 在眾多空間碎片移除技術中, 天基激光燒蝕驅動是一種高效的、 有廣闊應用前景的移除技術, 特別是針對移除海量的、 尺寸在1 ～10cm 的危險碎片而言, 更是具有獨特優勢, 因而是國內外移除技術研究的熱點之一。

根據激光的不同作用參數及所希望達成的不同效果, 激光移除空間碎片可分為光壓驅動[1]、燒蝕破碎[2]、 燒蝕驅動三種方式[3,4]。 光壓驅動能量轉換效率低, 作用速度慢, 且易受宇宙環境和太陽光的影響。 燒蝕破碎能量消耗高, 且碎片依舊留存在太空中, 不僅不能從根本上解決空間碎片問題, 還會增加碎片數量, 加劇空間碎片環境惡化。

激光燒蝕驅動技術[3-5]是使用強激光束照射碎片表面, 使輻照區材料產生熔融、 汽化、 電離, 形成等離子體反噴羽流, 反噴羽流的沖量耦合使碎片獲得反向速度增量, 從而驅動碎片運動, 改變碎片初始軌道, 如圖1 所示。 該方案能量轉換效率是光壓方式的4 ～5 倍[3], 所需能量比燒蝕破碎模式小一個數量級[5], 移除碎片效率高, 作用距離遠, 且對米級以上大碎片和厘米級小碎片都有很好的移除效果, 在所有主動移除空間碎片的方案中, 單個碎片清理成本最低。 同時, 既能作為在軌航天器的主動防御手段又可對整個空間碎片環境進行有效清理, 是當下激光移除空間碎片的主流方案。

圖1 激光移除空間碎片原理示意圖ig.1 Schematic diagram of laser removal of space debris

本文梳理了激光驅動移除空間碎片技術從提出至今, 天基地基方案交替發展的歷程, 介紹了其國內外發展現狀。 圍繞激光器、 探測跟瞄系統、 天基平臺和移除策略分析了該技術工程化應用存在的問題。 最后, 圍繞存在的問題介紹了當前該技術的發展趨勢。

2 發展歷程

通過激光燒蝕反噴來移除空間碎片的最初靈感來源于激光推進技術[6,7]。 根據激光平臺的不同可分為地基和天基兩種, 整個方案的發展是一個天基和地基不斷交替提出, 互相參照演進論證的過程。 在概念出現的最初階段, 各國提出的技術方案都是基于天基平臺。

1989 年, 美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的John DMetzger 在激光武器的研究發展和激光作用物質沖量耦合系數的實驗測量的基礎上, 提出最早的天基激光移除空間碎片系統概念[8]。 1990年, 德國航天研究中心的Schall 計算驗證了用激光改變直徑10cm 碎片以避免撞擊或移除離軌的可行性, 并提出了用一個包含探測、 跟蹤和激光驅動完整功能, 能夠獨立執行LEO 軌道小尺寸碎片探測移除任務的天基方案概念[9], 后續進一步將功能拓展到了為國際空間站等大型高價值航天器提供碎片撞擊主動防御[10]。 1994年, 日本神戶大學的Mengu Cho 提出了一個探測跟蹤、 瞄準和激光發射同光路的天基空間碎片移除系統方案, 如圖2 所示, 大大縮小了系統尺寸規模[11]。

圖2 神戶大學天基激光移除碎片方案圖Fig.2 Schematic diagram of debris-removal laser satellite of Kobe University

雖然基于天基平臺的激光移除碎片系統的提出早于地基系統, 但是由于當時不論是天基激光器、 探測載荷還是天基平臺的技術水平都遠遠達不到要求, 天基系統往往都只能停步于理論論證階段, 無法向工程化進一步推進。 相對于天基平臺, 地基平臺不受尺寸重量的限制, 沒有發射成本, 功耗幾乎不受限制, 且可以直接借用天文望遠鏡、 太空監視雷達等現有地基探測跟蹤設備。在激光器設計上也可參考已有或正在建設的大型地基激光器, 因而參數計算設計和工程化嘗試有著明確可行的參照目標。 因此, 在天基激光移除空間碎片概念出現后不久, 大型地基空間碎片激光移除系統成為了各國研究論證的主流。

1993—1994 年, 美國D.Monroe[12]、 Phipps[13]等人都對不同的地基方案開展了設計論證。 1996 年,由NASA 先進概念辦公室提議, 馬歇爾航天飛行中心牽頭, 包括美國空軍菲利普實驗室、 麻省理工學院林肯實驗室等眾多尖端科研機構參與, 開展了一項旨在全面驗證地基空間碎片移除系統可行性的ORION 計劃[14-17]。 該計劃從碎片環境開始, 依次論證分析了激光與物質相互作用、 激光的大氣傳輸、 激光器的選擇、 探測跟蹤設備的選擇、 系統耗資、 政治風險等所有可能相關的方面。 ORION 計劃針對的目標是200 ～1500km 以內所有1 ～10cm 的空間碎片, 以保護400km 軌道上的國際空間站為第一階段目標, 并最終擴展到對所有1500km 以下航天器的保障。 報告第一部分分析了目標范圍空間碎片的空間分布情況及主要組成材料, 并制定了盡最大可能清理所有過頂碎片(過頂即清除) 和先低軌后高軌按順序依次清理兩種碎片的清除策略。 報告第二部分主要著眼于根據碎片在高能量激光作用下表現出來的特點, 特別是沖量耦合系數的變化規律對激光與物質相互作用問題進行了分析, 用于進一步論證ORION 計劃中激光參數、 發射鏡尺寸、 激光作用頻率等參數。 報告第三部分分析了大氣層對激光傳輸的影響, 包括直線傳輸假設下焦點處光斑衍射極限直徑對激光波長和發射鏡尺寸的關系、 大氣層對激光的扭曲和吸收以及各種非線性效應對激光波長選擇的限制。 報告第四部分根據前三部分的結論提出了對系統各部分的參數要求, 并據此對比分析了脈沖固體激光器(Nd:YAG 激光器)、 氣體激光器(CO2氣體激光器)、 連續波氣體激光器(碘氧激光器) 三類激光器, 及微波雷達、 被動光學、 激光雷達、 分布式雷達四種探測手段的性能、 特點、 適用性、 可行性和可能花費等問題。 報告最后對整個系統的預算及政治風險進行了評估。 ORION 計劃是迄今為止最全面最深入的對地基激光移除碎片系統的全面論證, 有很高參考價值。 后續, 美國在ORION 計劃的基礎上又進一步對地基探測跟蹤系統進行了完善[3,18]。

地基系統由于要求作用距離遠, 發射鏡尺寸從幾米到幾十米不等, 所需激光功率也較大。 同時, 由于作用激光需要穿過大氣層, 為了修正激光在大氣層中的折射和最小化大氣對激光傳輸的影響, 除了需要較復雜的自適應光學系統以外,激光波長還被限制在1.06μm 附近。 相同距離和發射鏡尺寸下, 波長越長衍射光斑越大, 因此這一限制又反過來進一步提高了對激光器功率密度和發射鏡尺寸的要求。 除此之外, 地基系統位置是固定的, 碎片探測跟蹤和激光作用都局限于天頂范圍, 嚴重制約了其在碎片移除和航天器碎片主動防護上的任務靈活性。 隨著激光器小型化、 天基探測跟蹤技術的成熟和天基平臺太陽能電池技術水平的提高, 天基平臺的可行性不斷提高, 2010 年左右各國的研究重點都轉移到了天基平臺上。

2013 年美國的Phipps 在此前地基激光系統方案上進一步提出了可探測跟蹤作用150km 范圍內1cm 尺寸以上碎片的天基系統方案[18]。 俄羅斯科學院的V. V. Apollonov 從對LEO 軌道航天器進行空間碎片主動防護的角度分析計算了地基和天基激光移除碎片系統對激光器的功率要求[19], 結論顯示天基系統的能量需求比地基低40%左右。

2014 年, 為盡可能減小平臺規模, Phipps 提出了由獨立的探測系統和跟瞄、 激光發射共光路系統組成的空間碎片探測跟蹤移除一體化天基激光平臺方案, 該系統采用Nd:YAG 激光器提供的56Hz、 355nm 波長紫外激光, 以降低對小發射鏡尺寸和激光功率的需求[20,21]。 法國的Rémi Soulard等人基于國際相干放大網絡計劃(ICAN), 提出了一套天基跟蹤移除一體化的光纖激光系統[22], 如圖3 所示。 該系統由10000 根以上的1mJ 光纖激光器組成, 通過相干合成來提供所需的激光能量。 在此基礎上, 2015 年日本和法國合作提出了利用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對厘米級碎片探測和激光移除技術進行在軌驗證的方案, 如圖4 所示[23]。

圖3 天基光纖激光系統Fig.3 Space-based fiber optic laser system

2018 年美國的Phipps 提出了激光驅動大碎片交通管理(LDTM) 的概念, 如圖5 所示, 即通過小能量天基激光器產生的有限速度增量來改變空間碎片軌道進而預防高概率撞擊事件的方案, 從而遏制碎片增長[24]。 2019 年我國陳川、 龔自正等人提出了天基激光驅動接力移除低軌碎片方法, 即在單個天基激光平臺驅動降軌效果不足以實現碎片移除的情況下, 通過分布在不同軌道高度的多個天基激光平臺組成移除星座, 以接力移除的方式實現空間碎片移除,如圖6 所示[25]。 這兩個方案的思路都是在激光器能量難以滿足已有方案需求情況下, 探索小脈沖能量天基激光驅動在碎片環境治理領域的應用。

3 發展現狀

從1989 年至今, 各國以激光移除空間碎片為目標對系統總體方案進行了大量論證, 見表1。總體方案的核心內容主要由以下幾項: 激光器系統、 探測跟蹤系統、 平臺、 移除策略等。 其中,探測跟瞄系統主要是負責目標碎片的發現和將激光能量準確投送到目標碎片上, 激光器系統是負責提供足夠的激光能量以產生足夠的速度改變量, 平臺則負責能量供給和系統的基礎工作環境, 移除策略負責具體如何移除的問題, 包括設計目標選擇和激光驅動策略的移除策略確定以及具體移除策略的實現過程。

圖4 利用JEM-EUSO 的在軌驗證方案Fig.4 On-orbit demonstration using JEM-EUSO

圖5 LDTM 示意圖Fig.5 Schematic diagram of LDTM

圖6 激光接力移除空間碎片系統示意圖Fig.6 Schematic diagram of laser removal of space debris by relay method

3.1 激光器

激光器是激光移除空間碎片系統中的核心分系統, 它的選擇基本上決定了整套系統的性能指標。 激光移除碎片系統要求激光具有優秀的長距離傳輸特性, 高重復頻率、 高脈沖能量、 短脈寬, 要求激光器高能量轉換效率、 高功率/重量比、 高功率/體積比。 Nd:YAG 激光器因其高能量轉換效率、 高重復率、 高能量密度, 成為目前天基脈沖激光系統的主流選擇[26,27]。 但是目前該類激光器在天基平臺上也僅有小脈沖能量系統用于激光測距和通信, 尚無大脈沖能量系統的應用。 地基高能量Nd:YAG 激光器用于天基碎片移除還有小型化、 天基平臺適應性等一系列問題。此外, 最近幾年光纖激光器也開始進入天基激光移除碎片系統的方案設計中。 光纖激光器具有高熱量散發效率、 高功率/重量比的優點, 且可實現kHz 級的高重復率以及40%的高能量轉換效率[28-30]。 但是目前光纖激光器的相干合束能力還僅僅停留在100 根光纖以下, 對于達到移除碎片能量需求的10000 根光纖指標還有很大距離[31,32]。

3.2 探測跟瞄系統

探測跟蹤系統分為探測和跟蹤兩部分, 分別用于大視場遠距離發現目標碎片和中距離持續跟蹤及定軌。 當前天基探測手段分為三大類: 微波雷達、 被動光學(包括紅外) 和主動光學(激光雷達或激光測距)。

表1 激光移除空間碎片系統總體方案[5]Table 1 Overall concepts of laser space debris removal systems

續表1

續表1

微波雷達是一種主動的探測方式, 通過向空間發射微波信號, 由接收器接收信號回波來確定空間碎片的位置和速度。 微波雷達作用范圍大,不受光照和天氣條件限制, 可全天時全天侯的進行空間碎片檢測, 并且可以精確地獲取其位置和速度。 但是, 微波雷達存在以下缺點: (1) 由于其設備體積大, 重量大, 尤其是天線尺寸太大,不適合天基部署; (2) 其能量轉換效率低, 總功率要求高, 同樣影響了天基部署。

被動光學系統是利用空間碎片對太陽光的反射, 采用高敏感度高分辨率的被動光學系統對碎片進行監測。 對于可見光波段, 在太陽照射背景黑暗時, 可以用望遠鏡探測空間碎片。對于天基測量而言, 如果采用合適的觀測方向,避免地球亮背景、 太陽和月亮的影響, 可見光監測器看到的背景基本為深空黑背景, 可不受地面日照時間限制長時間探測碎片。 對于紅外波段, 由于目標是較小尺度的碎片, 其紅外輻射較小, 相對難以發現。

激光雷達需要自身發射激光波束, 通過接收空間碎片反射波束, 對接收信號進行處理, 實現空間碎片的監測和跟蹤。 激光雷達不受光照條件限制, 基本可實現全天時與全天候監測, 并可精確地獲取目標相對位置與速度信息。 但是隨著監測距離的增加, 為了達到足夠的信噪比, 激光聚焦點必須足夠小, 這就限制了它的監測區域。 在目前激光功率有限的情況下, 作用距離受發射功率限制, 如果要提高作用距離, 必須按指數倍數提高發射功率。

目前的技術方案中, 基于光學的可見光被動探測手段和激光雷達是主流的碎片探測跟蹤手段。 一方面, 通過共光路設計, 光學探測手段所需的大口徑發射接收鏡可與移除碎片的激光發射鏡合二為一, 通過共光路設計在減少系統規模的同時還能實現所見即所打, 將激光跟瞄和發射的誤差降到最低。 另一方面, 天基大口徑光學鏡組已在其他領域有廣泛應用, 工程技術難度相對較小。

3.3 平臺

天基激光移除碎片系統對天基平臺的要求主要體現在平臺穩定性、 能量供給及熱控上, 由于移除碎片所需脈沖激光器平均輸出功率并不大,大尺寸衛星平臺和空間站現有指標參數都能充分滿足需求。

3.4 移除策略

空間碎片主動移除策略是空間碎片主動移除工程化過程中必須要解決的關鍵問題。 尤其是在目前空間碎片數量眾多且持續增長, 大量軌道都面臨嚴重碎片威脅且移除能力有限的情況下, 需要我們準確地選擇影響大的關鍵目標進行移除,以盡可能高效地控制碎片數量, 緩解碎片威脅。具體到激光移除, 由于其作用距離遠、 移除周期短、 可重復使用等特點, 其目標選擇策略和其他主動移除手段有很大不同, 不能僅僅局限于單個目標的分析, 而要擴展到對某條軌道甚至某一區域整體的移除策略研究。 同時由于其驅動變軌的工作方式, 還需要考慮確定平臺在針對確定目標時包括激光作用參數時間周期等在內的碎片驅動變軌策略。 不同的作用策略對整個系統的探測距離、 跟蹤距離、 作用距離、 激光能量密度等都會有不同的要求, 進而影響到探測跟蹤設備, 激光器, 激光參數(波長, 脈寬、 重復率), 發射鏡口徑, 系統功耗的選擇計算, 最終將導致完全不同的總體方案。 尤其是在現有激光器技術水平的限制下, 更需要通過移除策略的優化設計來最大化系統效能。

空間碎片的移除策略可粗略分為直接使其降軌再入大氣層燒毀徹底移除和將其推離常用軌道兩種方式。 針對LEO 軌道目標, 一方面, 由于其軌道高度低, 易于采用降軌移除方式; 另一方面, 該區域航天器密集, 碎片數量巨大, 簡單推離常用軌道難以徹底排除其撞擊隱患, 因而基本都采用降軌移除方式, 只在針對高撞擊概率碎片的主動防御中會采用推離現有軌道的方式。 針對GEO 軌道目標, 由于其小碎片數量相對較少, 需要移除的目標大都是大尺寸的廢棄航天器, 且軌道太高, 返回再入成本高昂, 因而普遍采用推入遠離常用軌道的墳墓軌道方式。 兩種方式的本質都是通過激光照射產生燒蝕反噴使碎片獲得沖量從而改變其運動狀態。

對于地基激光移除空間碎片系統, 由于基站的固定, 只有碎片過頂移除一種基本移除方式,區別只是一次過頂即提供足夠的速度變量使其降軌再入和多次過頂逐漸累積速度變量兩種方式。1996 年, 美國ORION 計劃中針對不能在一次過頂中移除的目標, 提出了一種分層逐次移除的策略[15], 即將整個LEO 軌道待移除碎片按10 ～50km一層分為若干個區域, 當某一層的碎片被移除或降軌到下一層時, 才能將高一層的碎片降軌到該層。 這樣按照由低到高逐次對各層碎片進行降軌移除, 可使得移除過程中每個區域的碎片密度都不會因為降軌過程而增加, 維持碎片環境在穩定中下降。

對于天基激光移除空間碎片系統, 由于其本身也是在軌道上運動的, 且自身也可以變軌機動, 因而在移除策略上可以靈活得多。 無論是針對LEO 還是GEO 軌道、 大型廢棄航天器火箭殘骸還是厘米級小碎片, 天基系統都有靈活多變的移除手段和策略, 但是相關具體研究還比較少。2015 年, C. Phipps 針對GEO 軌道上質量3t 左右的大型廢棄航天器制定了單平臺變軌跟隨退離和漂移軌道雙平臺輪流退離, 兩個推離現軌道進入墳墓軌道的移除方案來移除GEO 軌道上的碎片[21], 如圖7、 圖8 所示。

圖7 單平臺GEO 軌道碎片移除策略Fig.7 Single-platform GEO orbit debris removal strategy

目前空間碎片移除策略的相關研究較少且不夠深入, 基本都停留在簡單的作用角度和速度改變量計算上, 其主要目的也都著眼于對平臺移除能力的估計, 缺少包括目標選擇策略、 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和研究, 更沒有對此類過程的模擬演示手段。這也進一步導致了在方案設計中系統參數指標選擇上的盲目性。

圖8 多平臺GEO 軌道碎片移除策略Fig.8 Multi-platform GEO orbit debris removal strategy

4 發展趨勢

目前, 天基激光移除空間碎片系統已經基本驗證了其可行性并完成了多個總體方案的設計論證, 正在關鍵技術攻關和向工程化應用發展的階段。 各國方案已逐漸趨向統一, 天基平臺、 Nd:YAG 激光器或光纖激光器搭配與激光發射系統共光路的主被動光學探測跟蹤系統是當前主流方案的選擇。

當前技術進一步發展尤其是工程化推進的主要障礙在于各分系統硬件技術水平的限制, 尤其是天基高能量激光器單脈沖能量、 重頻、 功率等性能參數的不足。 由于硬件條件的制約, 導致現有的移除系統方案往往都只能停留在紙面上, 難以實現工程化。 在最近一兩年的研究中, 各國學者都開始從方案可行性的計算論證上轉移到基于現有激光器水平的應用探索或策略分析研究中。因為前期對移除策略的研究不足, 各系統方案都只做了簡單的降軌能力計算, 并沒有通過策略設計充分挖掘方案的能力潛力, 同時也導致系統方案缺乏進一步優化設計的方向和手段。

因此目前激光移除空間碎片的技術發展主要有兩個大的方向。 一是在繼續完善總體方案, 盡可能降低相關硬件參數需求, 減小相關關鍵技術研究突破壓力的同時, 根據總體方案需求指導推進激光器的研究發展, 包括大能量Nd:YAG 固體激光器和光纖激光器。 二是從移除策略的角度進行優化, 基于現有硬件技術水平, 研究優化移除策略, 通過探索新的移除方法和方案, 在現有硬件技術條件約束下最大化其移除效能。