天基激光清除空間碎片方案設(shè)想

黃虎 張耀磊 易娟 范國(guó)臣（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

隨著空間碎片數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，對(duì)人類航天事業(yè)的發(fā)展構(gòu)成巨大威脅，清除空間碎片已經(jīng)迫在眉睫。使用激光清除太空垃圾是一種低成本、高效、安全的清除技術(shù)。本文介紹了空間碎片的現(xiàn)狀和現(xiàn)有清除方法，針對(duì)地基清除空間碎片技術(shù)存在的局限性，提出了一種天基激光清除空間碎片方案設(shè)想。

1 空間碎片現(xiàn)狀

空間碎片是指人類在空間活動(dòng)過程中遺留在空間的廢棄物。根據(jù)美國(guó)戰(zhàn)略司令部下屬的空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）的數(shù)據(jù)顯示，近10年，特別是近5年來，空間碎片數(shù)量急劇增加，例如直徑大于10cm以上的空間碎片，2006年共監(jiān)測(cè)到9949個(gè)，到2010年監(jiān)測(cè)到160914個(gè)，上升了1.6倍之多；直徑在10cm以下的空間碎片上升速度更快。這說明空間碎片的數(shù)量對(duì)空間安全的危害已經(jīng)發(fā)展到嚴(yán)峻的地步，特別是在近地軌道，若其數(shù)量達(dá)到飽和狀態(tài)，則意味著碎片與衛(wèi)星相撞的概率增大，甚至有可能由于碰撞而發(fā)生連鎖反應(yīng)，使得軌道資源成為廢墟。為此，當(dāng)今世界各國(guó)應(yīng)同心協(xié)力采取有效措施來解決這一問題。

空間碎片有兩個(gè)主要來源。第一個(gè)來源是人類在太空活動(dòng)中產(chǎn)生的廢棄物及其衍生物，包括丟棄的設(shè)備、運(yùn)載火箭末級(jí)、廢棄的衛(wèi)星、衛(wèi)星展開時(shí)釋放的螺釘和其他硬件、衛(wèi)星和分級(jí)火箭分離時(shí)的碎片、固體火箭燃料燃燒時(shí)向空間的噴射物、航天員遺棄的工具（扳手、手套、攝像機(jī)燈等），以及航天器與原來空間碎片撞擊產(chǎn)生表面材料剝落等等。目前國(guó)際社會(huì)日益關(guān)注這類來源，采取的措施之一是發(fā)展旨在限制常規(guī)太空活動(dòng)碎片產(chǎn)生的清污指南。第二個(gè)來源是人類試驗(yàn)或摧毀衛(wèi)星過程中產(chǎn)生的碎片，多個(gè)國(guó)家都曾用這種方法銷毀廢棄衛(wèi)星，這種碰撞產(chǎn)生了比通常理解的要大得多的空間碎片。

從歐洲航天局（ESA）公布的近地軌道區(qū)域空間碎片合成圖上可以看到讓人難以置信的情形：地球如同是被蜂群圍得密不透風(fēng)的蜂巢。雖然空間環(huán)境面臨種種風(fēng)險(xiǎn)，但是目前的補(bǔ)救措施幾乎為零。

空間碎片分布圖

空間問題研究專家們普遍認(rèn)為，目前地球軌道上漂浮的空間碎片直接威脅到衛(wèi)星發(fā)射及載人航天任務(wù)，需要采取行動(dòng)處理地球軌道上的空間碎片，在未來發(fā)射衛(wèi)星時(shí)將應(yīng)用更多的可回收技術(shù)，比如新型“蚱蜢”火箭就可以通過自身的動(dòng)力裝置安全返回，不僅減少了軌道碎片，同時(shí)也降低了發(fā)射成本。

天基激光清除空間碎片系統(tǒng)組成和信息流示意圖

2 天基激光清除空間碎片方案設(shè)想

工作原理

激光清除空間碎片的模式主要有兩種：直接燒蝕模式和燒蝕反噴模式。前一種主要針對(duì)微小空間碎片，利用強(qiáng)大的連續(xù)波激光照射碎片，使其溫度升高至碎片的熔點(diǎn)甚至沸點(diǎn)，使碎片熔化或汽化，實(shí)現(xiàn)清理；后一種主要針對(duì)較大的空間碎片，利用高能脈沖激光束照射碎片表面，產(chǎn)生類似于火箭推進(jìn)的“熱物質(zhì)射流”，為碎片提供一定的速度增量，使其近地點(diǎn)高度降低，進(jìn)入大氣層燒毀，從而達(dá)到空間碎片清除的目的。

地基與空基激光可提供較大的能量，技術(shù)成熟，但由于大氣層的吸收作用導(dǎo)致其能量損耗較大，且受到地理位置和距離影響，使其可工作空間范圍有限。天基激光在真空中傳播，能忽略損耗，且沒有折射、散射等傳播誤差影響，隨著平臺(tái)部署的變化，可擴(kuò)展其控制的空間范圍。因此，天基激光清除空間碎片能夠克服地基清除方法的局限性，并且效率相對(duì)更高。隨著激光器技術(shù)的發(fā)展，未來天基激光清除空間碎片將成為一種高效的方案。

方案詳解

天基激光空間碎片清除系統(tǒng)一般由六大分系統(tǒng)組成。

1）動(dòng)力系統(tǒng) 該分系統(tǒng)的主要功能是提供天基激光平臺(tái)在空間飛行中軌道控制、姿態(tài)控制及軸向加速和制動(dòng)所需要的控制力，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同軌道上的空間碎片清除。

2）控制系統(tǒng) 該分系統(tǒng)在對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行供配電的基礎(chǔ)上，經(jīng)過控制算法輸出控制指令給動(dòng)力系統(tǒng)和高能激光器，協(xié)調(diào)各系統(tǒng)運(yùn)行，有計(jì)劃地控制空間碎片清除任務(wù)。

3）電源系統(tǒng) 該分系統(tǒng)是給全系統(tǒng)供電的能量來源，保障全系統(tǒng)正常工作，并提供清除空間碎片所需的能源。

4）遙測(cè)控系統(tǒng) 該分系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)天基系統(tǒng)與地面的雙向信息傳輸，將天基系統(tǒng)的狀態(tài)信息下傳到地面，同時(shí)也可以接收地面發(fā)送的遙控指令。

5）跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng) 該分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間碎片的捕獲、識(shí)別、跟蹤和瞄準(zhǔn)，并保證將高能激光束匯聚到空間碎片上，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間碎片的持續(xù)照射。

6）高能激光器 該分系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，產(chǎn)生清除空間碎片所需的高能激光束。

與地基方式相比較，天基激光清除空間碎片系統(tǒng)能夠部署在不同的軌道，并且通過機(jī)動(dòng)變軌和姿態(tài)調(diào)整，可清除同一軌道上的多個(gè)空間碎片，也可清除不同軌道上空間碎片，而且不受大氣衰減影響，可清除的范圍更大。天基激光清除空間碎片的具體流程設(shè)想包括：①首先利用天基平臺(tái)自身的探測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)清除范圍內(nèi)空間碎片目標(biāo)；②將碎片信息傳送給控制系統(tǒng)，引導(dǎo)跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)空間碎片進(jìn)行跟蹤瞄準(zhǔn)；③同時(shí)將探測(cè)到的空間碎片圖像信息以及其他信息通過遙測(cè)控系統(tǒng)傳送到地面；④當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間碎片精確瞄準(zhǔn)后，可以通過自主方式或者接收地面遙控指令方式啟動(dòng)高能激光器，對(duì)空間碎片進(jìn)行照射，改變空間碎片的原始軌道，使其近地點(diǎn)高度降低；⑤如空間碎片比較大，可對(duì)空間碎片進(jìn)行多圈照射，直至進(jìn)入大氣層燒毀；⑥隨后通過調(diào)整姿態(tài)或軌道繼續(xù)對(duì)其他空間碎片進(jìn)行捕獲跟蹤，采取相同的方式清除。

關(guān)鍵技術(shù)

為了使該方案真正達(dá)到實(shí)際效用，必須克服以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

（1）高功率激光器技術(shù)

作為空間碎片清除系統(tǒng)的核心部件，在某種程度上，激光光源的選擇就成為決定該方案成敗的關(guān)鍵。高能激光必須滿足高光束質(zhì)量、高功率、高重頻的特性。在美國(guó)發(fā)展的各種高能激光器中，化學(xué)激光器是最成熟的激光器。但其發(fā)展已近晚期，將逐漸被固態(tài)激光器所取代。而推動(dòng)固態(tài)激光器發(fā)展的一個(gè)重要因素是其具有更高的轉(zhuǎn)換效率。高效率最重要的作用是對(duì)激光系統(tǒng)本身的影響，使更小的熱流進(jìn)出激光器，從而達(dá)到系統(tǒng)更加堅(jiān)固耐用的作用。

（2）跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)精度

高精度的跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是天基激光清除空間碎片系統(tǒng)的重要組成部分之一，其性能決定了碎片清除的效能。跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)主要完成對(duì)空間目標(biāo)實(shí)施捕獲、跟蹤和監(jiān)視，通過目標(biāo)識(shí)別，確定目標(biāo)的類型和最佳攻擊部位，并引導(dǎo)激光指向目標(biāo)最佳照射部位，實(shí)施碎片清除。由于空間碎片具有目標(biāo)直徑小、探測(cè)距離遠(yuǎn)、運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，因此應(yīng)保證在清除過程中使激光束準(zhǔn)確聚焦在空間碎片上，產(chǎn)生足夠的激光脈沖能量，從而改變空間碎片的軌道。

（3）激光與物質(zhì)作用的效能

激光與物質(zhì)作用的效能決定了激光清除空間碎片的效果，效能越高，清除碎片所需的能量和時(shí)間就會(huì)相應(yīng)減少。而激光與物質(zhì)作用效能的高低取決于激光與碎片作用的沖量耦合系數(shù)。物質(zhì)接受入射激光，在不同條件下通過不同的吸收機(jī)制吸收激光能量，溫度升高，同時(shí)發(fā)生復(fù)雜的相變。這一過程的時(shí)間很短，且在高速運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)中進(jìn)行，所以激光能量的吸收伴隨著相當(dāng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程；同時(shí)還受到波長(zhǎng)、脈寬、能量及光束聚焦尺寸等參數(shù)的影響，因此需要如何選取最優(yōu)的參數(shù)配置，獲得最佳的效能在清除碎片過程中是一項(xiàng)非常復(fù)雜且重要的工作。

3 結(jié)束語

隨著人類航天活動(dòng)的不斷增多，對(duì)消除空間碎片危害的需求日趨強(qiáng)烈，主動(dòng)式空間碎片清除技術(shù)是解決這一問題的有效手段，對(duì)這類技術(shù)的研究必須不斷深入和發(fā)展。然而，由于主動(dòng)式清除技術(shù)，特別是天基激光清除空間碎片技術(shù)難度較高，許多關(guān)鍵技術(shù)至今仍未突破，而且實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的投入巨大，需要各主要航天國(guó)家間的國(guó)際合作。我國(guó)應(yīng)根據(jù)自身情況，進(jìn)行預(yù)先研究，突破其關(guān)鍵技術(shù)，能在該領(lǐng)域具備一定的話語權(quán)。