空間碎片減緩技術發(fā)展研究

陳蓉 申麟 高朝輝 唐慶博 童科偉（中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展中心）

正如電影《地心引力》（Gravity）呈現(xiàn)出的因為空間碎片而導致的巨大災難，空間碎片對人類的空間資源開發(fā)活動構成了極大的威脅，必須想方設法地控制和減緩空間碎片?？刂?、減緩空間碎片的措施主要是預防和治理兩種。在積極預防產生空間碎片的基礎上，還有必要采用先進的清除技術對已經(jīng)漂浮在軌道的空間碎片進行治理。

1 引言

自1957年蘇聯(lián)發(fā)射人造地球衛(wèi)星-1后，人類便進入了空間時代，空間已經(jīng)成為人類生存與發(fā)展的一個新領域，空間活動已成為世界經(jīng)濟、科學活動和安全的一個重要組成部分?？臻g碎片是人類探索和利用空間的廢棄物，主要包括完成任務的火箭箭體/衛(wèi)星本體、固體火箭發(fā)動機噴射物、在執(zhí)行航天任務過程中的廢棄物以及解體的在軌廢棄物等。在軌廢棄物解體的原因可分為碰撞和爆炸兩種，其中碰撞是在軌廢棄物解體的主要原因。

截至2013年12月31日，美國空間監(jiān)測網(wǎng)（SSN）編目的在軌廢棄物數(shù)量已達16906個。而無法編目的微小廢棄物質量已達幾千噸，數(shù)量超過200億。

編目在軌廢棄物數(shù)量統(tǒng)計（截至2013年12月31日）

空間碎片模擬示意

由于空間碎片對航天器的撞擊速度可高達15km/s，一旦與航天器發(fā)生碰撞，將損傷甚至直接摧毀在軌航天器，具有過程短暫劇烈、后果無法挽回等特點。一塊直徑為1cm的鋁質碎片的撞擊能量相當于一顆手榴彈爆炸的能量，足以粉碎一顆中等大小的衛(wèi)星。

同時，空間碎片之間又會不斷發(fā)生碰撞級聯(lián)效應，導致在軌廢棄物數(shù)量急劇增加，甚至可能使得近地軌道資源無法再利用。這種惡性循環(huán)稱為“凱斯勒效應”（Kessler Synd rome）。因此，空間碎片已成為航天器在軌安全運行的最大威脅。

2 國外空間碎片減緩現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

空間碎片對人類的空間資源開發(fā)活動構成了極大的威脅，國際社會已經(jīng)達成共識—空間碎片環(huán)境的控制與治理必須由所有航天國家（機構）共同努力才能完成。1993年世界上主要航天發(fā)射國家共同發(fā)起成立了機構間空間碎片協(xié)調委員會（IADC）。機構間空間碎片協(xié)調委員會由各國航天局代表參加，是一個半官方的國際組織，宗旨是：在各國航天局之間交換有關空間碎片研究的資料，建立開展空間碎片研究國際合作的渠道，共同研究與評價控制空間碎片的措施。聯(lián)合國外太空委員會（UNCOPUOS）的科學與技術分組委員會（STSC）已經(jīng)于2004年將空間碎片問題列為專題，成立了空間碎片工作組（SDWG），以《機構間空間碎片協(xié)調委員會空間碎片減緩指南》為基礎，討論空間碎片減緩措施的落實問題。除此之外，國際標準化組織（ISO）也正式將空間碎片減緩系列標準納入其工作計劃之中。

空間碎片在哈勃望遠鏡太陽翼上留下的穿孔孔徑2.5mm

清除空間碎片的方法

為了安全、持續(xù)地開發(fā)和利用空間資源，就必須想方設法尋求控制、減緩空間碎片的有效措施?？刂?、減緩空間碎片的措施歸納起來，主要是預防和治理兩種。

經(jīng)過多年的科學研究與探索，在空間碎片的預防領域，已經(jīng)研究或應用了多種鈍化或離軌的方案來預防空間碎片產生。鈍化即消除或斷絕能使運載火箭末級或衛(wèi)星在軌道上發(fā)生爆炸的能源、系留住航天器在發(fā)射和在軌運行工作中產生的拋棄物。離軌是指在航天器壽命結束之前或出現(xiàn)故障時采取恰當?shù)碾x軌策略使其脫軌或將其送入“廢棄軌道”。此外，還可以通過重復使用航天器來減少進入外層空間的碎片或垃圾。

在積極預防空間碎片產生的基礎上，還有必要對已經(jīng)漂浮在軌道的空間碎片進行治理或清除。近年來由于空間碎片撞擊衛(wèi)星事件時有發(fā)生，關于空間環(huán)境不穩(wěn)定性的研究也在深入展開，人們逐漸認識到當前實施的碎片減緩措施不足以限制未來碎片數(shù)量的增長，空間碎片主動清除技術應該作為用于空間資源保護的手段來加以認真考慮。

空間碎片主動清除方式概念圖

空間碎片清理技術及其應用的軌道高度和碎片尺寸

空間碎片主動清除可分為以下幾種方式：①電磁方法，如電動力繩索、磁帆；②捕獲方法，如飛網(wǎng)、飛爪、機械臂；③動量交換方法，如太陽帆、增阻裝置；④遙方法，如激光；⑤改變材料屬性或材料狀態(tài)的方法。

經(jīng)過多年的發(fā)展，在空間碎片減緩技術方面，離軌鈍化技術已經(jīng)在世界各航天大國得到了廣泛的工程應用，并且提出了許多創(chuàng)新的碎片清除概念。下面主要介紹美國、歐洲航天局（ESA）和日本的進展情況。

美國

當今世界，美國的空間碎片減緩技術最為成熟。就預防而言，“德爾他”（Delta）系列火箭末級利用發(fā)動機重新點火，耗盡剩余推進劑；采取沉底正推火箭連續(xù)工作的方式排空剩余氮氣；通過設備繼續(xù)供電的方式耗盡電池，進行了鈍化?！鞍肴笋R座”（Cen taur）上面級通過主發(fā)動機排放液氫和液氧，通過打開貯箱保險活門排放氣氫和氣氧，通過姿控發(fā)動機工作耗盡肼類推進劑，通過設備繼續(xù)供電耗盡電池，從而達到鈍化效果。美國還嘗試通過在軌燃料加注延長衛(wèi)星壽命來減少空間碎片的產生。

就清除而言，美國空軍和航空航天局（NASA）曾聯(lián)合提出名為“獵戶座”（Orion）的計劃，研究使用地基傳感器和低功率激光器清除空間碎片的系統(tǒng)，它利用高能激光束在目標處產生熱物質射流的方式將空間碎片移動到指定位置。

歐洲航天局

在預防方面，阿里安-4（A riane-4）火箭末級采取了排放剩余推進劑、排放高壓氣體的鈍化措施。阿里安-5火箭末級采取了增加附加管路排放剩余推進劑的鈍化措施。

在清除方面，德國航空航天中心（DLR）提出了一些治理空間碎片的設想，例如：利用太空飛爪抓住廢棄航天器并將其拖入大氣層燒毀；在太空釋放一張大網(wǎng)來捕獲廢棄的航天器等。英國曾計劃將太陽帆作為氣動式制動器來進行為期1年的實驗，可以圍繞地球飛行收集危險的太空碎片。

日本

在預防方面，日本H-2系列火箭末級通過打開預冷活門排放剩余液氫、液氧，通過增加電爆活門排放常溫氦氣，通過使沉底發(fā)動機工作耗盡姿控推進劑，從而達到鈍化效果；通過氫氧發(fā)動機低工況工作模式降軌，實現(xiàn)離軌目的。

在清除方面，日本曾提出一種利用主動捕捉方式的電動力繩索（EDT）系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于捕獲和清理空間非合作目標，使用機械臂進行捕獲，并使用電動力繩索將其拖入大氣層。

總體來說，空間碎片減緩技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢如下：

1）在近期，系留、重復使用航天器等碎片減緩措施難以投入實際應用，而在今后相當長的時期內，控制空間碎片環(huán)境應以鈍化、脫軌和廢棄軌道技術措施為主，并綜合運用當前的這3種技術手段?？v觀世界各航天大國，對運載火箭或衛(wèi)星采用任務后離軌鈍化設計是航天器發(fā)展的必然趨勢和基本要求。

2）空間碎片清除技術手段更加注重創(chuàng)新性、實用性和靈活性。碎片清除措施主要采用機械臂、飛網(wǎng)、飛爪等捕獲式方法，同時對可附著離軌裝置、電動力繩索、太陽帆、增阻裝置和激光等新概念碎片清理技術已逐步展開深入研究。空間碎片清除飛行器正由概念設想逐步走向工程應用。自由飛行空間機器人抓捕合作目標已完成在軌演示驗證，基于飛網(wǎng)、飛爪抓捕失效衛(wèi)星的空間碎片清理飛行器已開展了概念研究。

3 中國在空間碎片減緩方面的工作

中國已經(jīng)簽署了包括《外空條約》在內的4個國際空間條約，并于1995年成為機構間空間碎片協(xié)調委員會的正式成員。面對日益嚴重的空間碎片和空間環(huán)境問題，加強減緩技術研究的力度和投入，有效控制空間碎片的產生，保護空間環(huán)境，是中國履行國際義務的具體體現(xiàn)，也是展現(xiàn)一個新興的航天大國和負責任大國形象的現(xiàn)實需要。從另一方面來說，中國的空間碎片減緩技術研究已經(jīng)處于一個加速發(fā)展的歷史機遇期。

中國在空間碎片減緩方面已取得一定的成果，主要體現(xiàn)在4個方面：

空間碎片減緩技術基礎研究取得重要進展

中國針對運載火箭和衛(wèi)星的鈍化離軌技術進行了深入的論證分析，開展了近地軌道和星座離軌技術分析，提出了快速高效預估衛(wèi)星軌道壽命的計算方案和程序，并初步應用于衛(wèi)星離軌工程設計；開展剩余燃料排空技術研究，突破了末級火箭剩余推進劑與高壓氣體的排放技術，為消除末級火箭發(fā)生在軌爆炸解體提供了有效的技術措施；為全面實現(xiàn)運載火箭鈍化排放和衛(wèi)星離軌處置，開展了操作性碎片控制技術、消能鈍化技術、任務后離軌處置技術等研究工作，為后續(xù)工程應用實施打下了良好技術基礎。

低地球軌道上的空間碎片圾示意圖

被空間碎片擊中的法國“櫻桃”（Cerise）衛(wèi)星

空間碎片導致航天飛機舷窗上的凹坑

空間碎片減緩關鍵技術取得突破，具備了工程實施的能力

“十五”以來，通過航天器減緩總體技術研究、航天器鈍化技術研究、衛(wèi)星剩余推進劑精確測定及在軌排空技術研究、航天器再入安全技術研究、衛(wèi)星全壽命空間碎片減緩設計與實踐研究、長征火箭末級主動離軌技術研究、運載火箭設備鈍化及操作性碎片控制技術研究、運載火箭操作性碎片減緩工程化實施研究等多項空間碎片專項課題的支持，系統(tǒng)研究了國內衛(wèi)星和長征系列運載火箭鈍化、離軌技術以及操作性碎片抑制措施，突破了相關關鍵技術。

空間碎片減緩工程化實施取得重要進展

空間碎片減緩工程化著力解決空間碎片減緩技術在現(xiàn)役型號上的應用。運載火箭任務后鈍化操作納入任務流程，長征-2、長征-3A系列、長征-4系列運載火箭均已實現(xiàn)任務后的排放鈍化操作，并已經(jīng)逐步開展了末級離軌處置操作。使用低溫推進劑的運載火箭成功完成了排放鈍化操作飛行試驗。同時，中國也已成功實施部分地球靜止軌道衛(wèi)星任務后離軌處置。

“十二五”期間，中國開展了針對廢棄衛(wèi)星與末級火箭等大尺寸空間碎片的主動清除技術研究，在空間碎片清除技術研究方面取得了長足的進步，為空間碎片清除技術應用奠定了良好的技術基礎。

空間碎片減緩技術發(fā)展的建議

對照世界航天大國在空間碎片減緩方面的研究工作，提出中國碎片減緩技術的發(fā)展建議：

1）開展空間碎片控制、減緩的頂層規(guī)劃和戰(zhàn)略研究，制定長期發(fā)展路線；

2）加強空間碎片減緩預研成果的工程應用；

3）關注空間碎片主動清除技術的發(fā)展，積極開展先進技術研究和關鍵技術攻關；

4）加強國內外相關研究單位的交流合作，實現(xiàn)技術共享，優(yōu)勢互補。