國外空間碎片清除計(jì)劃

馬楠 貴先洲（國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院）

當(dāng)前，近地球軌道上分布的空間碎片達(dá)到了前所未有的數(shù)量，且呈現(xiàn)加速增長的趨勢，若不實(shí)施主動(dòng)清除，碎片的數(shù)量將在未來200年內(nèi)快速增長，給空間系統(tǒng)安全帶來巨大的威脅。對空間碎片實(shí)施主動(dòng)清除已成為主要航天國家的共識(shí)。

1 概述

據(jù)美國空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）觀測（截至2012年7月4日），近地軌道中直徑大于10cm的物體共有16399個(gè)，其中現(xiàn)役航天器不足1000個(gè)，而90%以上為失效或失控的空間碎片，其中質(zhì)量大于2kg的編目碎片約2500個(gè)，它們集中分布在距地球600～1000km的軌道上。由于空間碎片軌道的自然衰減過程相當(dāng)緩慢，所以若不采取措施，碎片數(shù)量將以每年5%的速度增加。

空間碎片問題的嚴(yán)重性和迫切性已受到各航天國家、組織越來越多的重視。多國正在積極探索可行的解決方案，并為推動(dòng)研究工作取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展而提供適當(dāng)?shù)恼咧С趾唾Y金保障。例如，美國在2010年6月公布的新版《國家航天政策》中，特別增加了3項(xiàng)與空間碎片相關(guān)的條款：一是強(qiáng)調(diào)空間態(tài)勢感知在碎片監(jiān)測上的應(yīng)用；二是提出必須同時(shí)開展碎片減緩與清除；三是促進(jìn)空間碰撞告警措施的制定。其他航天國家也在積極組織開展關(guān)于空間碎片的責(zé)任、政策、立法、清除策略與技術(shù)的研究，并舉辦以空間碎片為主題的國際研討會(huì)，加強(qiáng)溝通和交流，以推動(dòng)建立統(tǒng)一的空間碎片約束、管理和操作規(guī)范。

為了避免出現(xiàn)空間碎片級聯(lián)碰撞效應(yīng)（Kessler Syndrome），近地球軌道的大型碎片（廢棄航天器/火箭體）是碎片清除的首要對象。美國航空航天局（NASA）開展的空間環(huán)境演化仿真研究結(jié)果表明，若要抑制空間碎片總量的增長，需要在實(shí)施碎片減緩措施的同時(shí)，從2020年開始每年最少清除5塊近地球軌道大型空間碎片。

空間碎片（紅色為“風(fēng)云”碎片，綠色為其他可能威脅在軌衛(wèi)星和空間站的碎片）

電動(dòng)碎片清除器在軌展開示意圖

在碎片清除系統(tǒng)方案選擇上，當(dāng)前各國一致傾向于“捕獲＋離軌”式清除方案。其工作過程是：碎片清除器首先依靠跟蹤定位系統(tǒng)逐漸逼近失去姿控能力的目標(biāo)碎片（非合作目標(biāo)），進(jìn)行捕獲，然后依靠軌道轉(zhuǎn)移（離軌）系統(tǒng)將目標(biāo)拖入大氣層燒毀，或降低其軌道，待其日后自行衰減。清除器主要包括捕獲系統(tǒng)、軌道轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，以及其他輔助系統(tǒng)，如導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。其關(guān)鍵技術(shù)是非合作目標(biāo)捕獲技術(shù)和高效軌道轉(zhuǎn)移技術(shù)。美國、歐洲和日本的空間碎片主動(dòng)清除研究起步較早，已提出了各自的碎片清除方案，部分關(guān)鍵技術(shù)已開展在軌演示驗(yàn)證。但總的來說，當(dāng)前的發(fā)展水平距在軌應(yīng)用尚有差距，仍處于關(guān)鍵技術(shù)突破和掌握階段。

2 美國的電動(dòng)碎片清除器

2010年8月，美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）公布了正在研制的空間碎片清除技術(shù)演示驗(yàn)證項(xiàng)目—電動(dòng)碎片清除器（EDDE）。

電動(dòng)碎片清除器主要由太陽電池翼、電子發(fā)射器和飛網(wǎng)管理器組成，各部分通過導(dǎo)線（強(qiáng)化鋁帶）連接，在軌展開長度超過10km，質(zhì)量小于100kg，收納體積為0.11m3，每個(gè)“改進(jìn)型一次性運(yùn)載火箭”的次級有效載荷插槽可容納2個(gè)這樣的清除器。飛網(wǎng)約有幾十平方米大小，質(zhì)量約50g，由位于纜繩末端的飛網(wǎng)管理器進(jìn)行控制，不能重復(fù)使用，每個(gè)管理器攜帶100張飛網(wǎng)。

電動(dòng)碎片清除器運(yùn)行在低地球軌道上，利用電動(dòng)力學(xué)原理，通過太陽電池翼轉(zhuǎn)化電能，在導(dǎo)線中形成電流，由其中一端的電子發(fā)射器發(fā)射電子，飛行器另一端的裸露鋁導(dǎo)線收集電子，形成電流回路。由于電動(dòng)碎片清除器處于地磁場中，所以通過磁場作用便會(huì)施加1個(gè)洛倫茲力在導(dǎo)線上。力的大小決定于導(dǎo)線的長度、電流以及磁場的局部場強(qiáng)和方向。整個(gè)電動(dòng)碎片清除器系統(tǒng)在空間是緩慢旋轉(zhuǎn)的，旋轉(zhuǎn)周期約15min，電動(dòng)碎片清除器以此保持張力和穩(wěn)定性。

電動(dòng)力纜繩示意圖

電動(dòng)碎片清除器方案的最大優(yōu)點(diǎn)是無需攜帶推進(jìn)劑，而是依靠薄膜太陽電池與電動(dòng)力纜繩產(chǎn)生高效動(dòng)力，它可在其壽命期內(nèi)產(chǎn)生數(shù)百千米每秒的累計(jì)速度的變化量。在400～1000km的軌道上，1個(gè)電動(dòng)碎片清除器可產(chǎn)生7kW的功率，可以每天爬升或下降數(shù)百千米，或者以1°/天的速率改變軌道傾角。電動(dòng)碎片清除器的電動(dòng)力纜繩（EDT）系統(tǒng)不僅在與其他可用于清除空間碎片的推進(jìn)系統(tǒng)相比時(shí)表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，而且緩慢旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)碎片清除器的清除系統(tǒng)在大部分大型碎片所處的大傾角軌道上的清除效率更高。單個(gè)電動(dòng)碎片清除器每年可清除約30塊碎片，美國規(guī)劃的清除系統(tǒng)包括12個(gè)這樣的清除器，可在7年內(nèi)清除近地球軌道上所有2500塊質(zhì)量大于2kg的碎片。

美國自20世紀(jì)60年代就開始在亞軌道、近地球軌道進(jìn)行空間纜繩技術(shù)試驗(yàn)，從1992年開始開展電動(dòng)力纜繩的低軌試驗(yàn)，至今已通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證了太陽薄膜電池、空心陰極、電子收集器和纜繩在軌展開（20km）等技術(shù)。2010年，美國的系繩應(yīng)用公司和恒星技術(shù)與研究公司在美國海軍“小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃”的資助下，完成了電動(dòng)碎片清除器項(xiàng)目第一階段的研究。2012年3月，美國航空航天局又授予這兩家公司一份為期2年、價(jià)值190萬美元的合同。按照合同，這兩公司將在2013財(cái)年向美國航空航天局交付電動(dòng)力纜繩產(chǎn)品的縮比樣品，并由海軍研究實(shí)驗(yàn)室完成其在軌推進(jìn)能力測試。測試?yán)|繩的長度將達(dá)到1km，末端是3U“立方體衛(wèi)星”，主要用于演示旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的大尺度軌道變化，測試導(dǎo)航、跟蹤和主動(dòng)規(guī)避能力，以及與目標(biāo)物體的交會(huì)能力（不捕獲）。如果試驗(yàn)成功，美國國防高級研究計(jì)劃局稱將在2017年前開始對低地球軌道開展全面的碎片清除工作。

可用于空間碎片清除的各類推進(jìn)系統(tǒng)比較

日本的空間碎片微型清除器示意圖

3 日本的空間碎片微型清除器

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）正在研究一種演示驗(yàn)證主動(dòng)清除空間碎片技術(shù)的微小衛(wèi)星系統(tǒng)—空間碎片微型清除器（SDMR）。這種清除器質(zhì)量為140kg，尺寸為700mm×700mm×600mm，可作為次級有效載荷與其他衛(wèi)星一起發(fā)射。

空間碎片微型清除器的任務(wù)過程可簡要概括為：空間碎片微型清除器首先與目標(biāo)空間碎片自主會(huì)合，并測量其運(yùn)行軌道；然后圍繞目標(biāo)飛行，確定將其捕獲的最佳路徑；逼近目標(biāo)，使其穩(wěn)定并用機(jī)械臂捕獲目標(biāo)；隨后將固定在機(jī)械臂上的電動(dòng)力纜繩展開；最終自動(dòng)調(diào)節(jié)纜繩傾角，以控制推力并避免纜繩失穩(wěn)，攜帶碎片離軌。

空間碎片微型清除器采用了較簡單的目標(biāo)定位與交會(huì)系統(tǒng)，包括“全球定位系統(tǒng)”（GPS）接收機(jī)、星跟蹤器和成像傳感器，技術(shù)成熟度較高。在該系統(tǒng)研制中需要突破的關(guān)鍵技術(shù)是電動(dòng)力纜繩技術(shù)和可展開靈活機(jī)械臂技術(shù)。該任務(wù)所需的電動(dòng)力纜繩長2km，峰值電流1A，設(shè)計(jì)壽命1年。

2010年8月31日，日本成功進(jìn)行了本國的首個(gè)電動(dòng)力纜繩推進(jìn)在軌演示試驗(yàn)。纜繩呈磁帶狀，寬為25mm，厚度為0.05mm，長為300m。試驗(yàn)高度約為100km，運(yùn)行速度約為8m/s。試驗(yàn)中，導(dǎo)電纜繩和機(jī)械臂成功展開，驗(yàn)證了空心陰極在高速運(yùn)動(dòng)條件下的工作能力，但高壓控制器未能按計(jì)劃工作。這次試驗(yàn)提供的信息可用于改進(jìn)等離子體收集設(shè)備，提高收集效率。目前，日本正在開展進(jìn)一步研究，測試電動(dòng)力纜繩的受力、電阻、電子收集能力、柔韌性，以及在展開時(shí)受到的阻力大小，為下一輪在軌演示驗(yàn)證試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

法國的碎片清除系統(tǒng)示意圖

對于碎片清除器而言，目標(biāo)碎片通常已失去姿控能力。對于這樣一個(gè)翻滾的、不合作的且可能是未知質(zhì)量的空間目標(biāo)，捕獲難度很大。特別是對于翻轉(zhuǎn)速度較快的目標(biāo)，機(jī)械臂/機(jī)械手無法進(jìn)行直接抓取，需要先穩(wěn)定目標(biāo)物體。為此，日本研制了電刷接觸器，它在靠近碎片后，可通過磨擦碎片表面使其轉(zhuǎn)速減慢或直至靜止，以利于采用機(jī)械臂/機(jī)械手進(jìn)行捕獲。

日本計(jì)劃在2020年前進(jìn)行空間碎片微型清除器系統(tǒng)的在軌演示驗(yàn)證試驗(yàn)，此后，采用較大的衛(wèi)星建造具有實(shí)用價(jià)值的碎片清除系統(tǒng)。

4 其他計(jì)劃

2010年，德國制動(dòng)火箭空間（RetroSpace）公司提出了“制動(dòng)火箭星”（“RetroSats”）方案，計(jì)劃每年抓捕15塊大型空間碎片并使其離軌。德國制動(dòng)火箭空間公司計(jì)劃在2016年開展首次在軌演示驗(yàn)證任務(wù)，2022年發(fā)射業(yè)務(wù)星。

2012年2月，位于瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)（EPFL）的瑞士航天中心宣布，將發(fā)射空間碎片清除系列的首顆衛(wèi)星—太空清理－1（CleanSpace One）衛(wèi)星，以清除目前瑞士在軌的一顆“立方體衛(wèi)星”或其姐妹星Tlsat衛(wèi)星。太空清理－1是一顆納衛(wèi)星，初步設(shè)計(jì)基于3U“立方體衛(wèi)星”平臺(tái)，采用微推進(jìn)系統(tǒng)，造價(jià)1100萬美元，計(jì)劃于2015－2016年發(fā)射，主要驗(yàn)證遠(yuǎn)距離和近距離目標(biāo)探測系統(tǒng)、捕獲系統(tǒng)、微推進(jìn)系統(tǒng)及可控再入系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用圖像和視頻系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行定位，采用機(jī)械臂/機(jī)械手抓捕目標(biāo)。

2012年3月，法國公布了自己的碎片清除系統(tǒng)計(jì)劃。該系統(tǒng)長6m，直徑4.57m，發(fā)射質(zhì)量17t，采用化學(xué)燃料推進(jìn)（推進(jìn)劑質(zhì)量13t），采用機(jī)械手對碎片進(jìn)行抓捕。法國計(jì)劃在2020年前采用小型原理樣機(jī)進(jìn)行非合作目標(biāo)交會(huì)和離軌技術(shù)的首次在軌演示驗(yàn)證，2022－2024年進(jìn)行全功能樣機(jī)的在軌演示驗(yàn)證。

此外，各國還提出了聚焦太陽光消融碎片，向碎片噴射高速氣流使其改變運(yùn)行方向并離軌，向碎片噴射泡沫增大氣動(dòng)阻力，使其提早墜入大氣層燒毀等一些概念方案。