基于空間站平臺(tái)的空間碎片探測(cè)與清除技術(shù)

焦建超 鄭國(guó)憲 蘇云 （北京空間機(jī)電研究所）

基于空間站平臺(tái)的空間碎片探測(cè)與清除技術(shù)

焦建超 鄭國(guó)憲 蘇云 （北京空間機(jī)電研究所）

1　引言

近幾十年來(lái)，人類航天活動(dòng)日益頻繁，航天器發(fā)射數(shù)量不斷增加，由此產(chǎn)生了大量的空間碎片，包括運(yùn)載工具、失效載荷以及由空間物體碰撞產(chǎn)生的碎片等?？臻g碎片的相對(duì)運(yùn)動(dòng)約10km/s，能夠?qū)教炱髟斐啥喾N形式的危害，如嚴(yán)重改變航天器的表面性能、運(yùn)行姿態(tài)和軌道，甚至可導(dǎo)致載人航天器的嚴(yán)重?fù)p毀，威脅航天員的生命安全。

目前太空中已編目的大于10cm的物體約2萬(wàn)個(gè)，主要為空間碎片；1～10cm的碎片超過(guò)50萬(wàn)個(gè)；小于1cm的碎片可能有幾千萬(wàn)個(gè)。不同尺寸空間碎片對(duì)航天器有不同程度的威脅，通常，對(duì)于尺寸小于1cm的空間碎片，采用被動(dòng)屏蔽防護(hù)結(jié)構(gòu)為航天器提供保護(hù)；對(duì)于尺寸大于10cm的空間碎片，地基探測(cè)設(shè)備可以獲得其軌道信息，航天器根據(jù)預(yù)警信息進(jìn)行規(guī)避機(jī)動(dòng)；對(duì)于尺寸1～10cm的空間碎片，數(shù)量龐大，并且目前地基探測(cè)設(shè)備不具備對(duì)其跟蹤定軌的能力，是載人航天器的重要威脅。

目前我國(guó)地基設(shè)備還不具備探測(cè)10cm以下空間碎片的能力，而天基探測(cè)不存在地球大氣的影響，可以近距離、高精度探測(cè)小尺寸空間碎片。天基探測(cè)是近年來(lái)空間碎片探測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)公開報(bào)道的資料，美國(guó)、俄羅斯和加拿大等國(guó)已經(jīng)開展了天基空間碎片探測(cè)的研究工作。隨著我國(guó)載人航天的推進(jìn)以及空間探測(cè)研究的迅速發(fā)展，對(duì)天基空間碎片探測(cè)系統(tǒng)的需求日益迫切。

高度400km軌道的空間碎片環(huán)境

2　服務(wù)于空間站平臺(tái)的空間碎片探測(cè)與清除措施分析

天基空間碎片探測(cè)的主要技術(shù)手段包括光學(xué)探測(cè)和雷達(dá)探測(cè)兩種方式，由于雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)臻g碎片進(jìn)行精確定軌，“國(guó)際空間站”主要采用雷達(dá)對(duì)近距離范圍空間碎片進(jìn)行監(jiān)視，以滿足基本的空間碎片預(yù)報(bào)和規(guī)避需求，包括毫米波雷達(dá)和Ku頻段雷達(dá)。毫米波雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)Α皣?guó)際空間站”附近25km范圍內(nèi)0.4～8cm的空間碎片進(jìn)行跟蹤測(cè)量，觀測(cè)范圍俯仰方向?yàn)椤?5°，方位相為360°，為“國(guó)際空間站”提供沖撞警告，以及對(duì)空間碎片的數(shù)據(jù)庫(kù)提供更新數(shù)據(jù)；Ku頻段雷達(dá)最大探測(cè)距離為400km，能夠探測(cè)在“國(guó)際空間站”軌道面上出現(xiàn)的2～10cm的空間碎片，提前1～2個(gè)軌道得到準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，為機(jī)動(dòng)規(guī)避做決策和準(zhǔn)備。但是，進(jìn)行機(jī)動(dòng)規(guī)避需要與地面通信，由地面分析后才能給出規(guī)避策略，雷達(dá)（受限于口徑、功率）仍無(wú)法滿足對(duì)于遠(yuǎn)距離空間碎片探測(cè)的需求。

根據(jù)對(duì)空間碎片危害的分析，1～10cm空間碎片能夠造成航天器的損毀，并且數(shù)量龐大，空間站不可能頻繁地進(jìn)行規(guī)避機(jī)動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“國(guó)際空間站”平均每年進(jìn)行規(guī)避飛行14次，每次規(guī)避飛行需要付出巨大的代價(jià)：動(dòng)員大量的人力、物力加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警工作，航天員必須暫停工作和試驗(yàn)項(xiàng)目躲進(jìn)對(duì)接的載人飛船內(nèi)，并且空間站機(jī)動(dòng)需要消耗大量的燃料。針對(duì)這一問(wèn)題，美國(guó)進(jìn)行了“激光掃帚”試驗(yàn)，主要目標(biāo)是清除“國(guó)際空間站”軌道上對(duì)其構(gòu)成威脅的尺寸為1～10cm的空間碎片。激光主動(dòng)清除方法可快速處理對(duì)空間站構(gòu)成威脅的碎片，減少對(duì)空間站正常運(yùn)行的干擾，降低碰撞概率。但是該方法能源消耗大，探測(cè)范圍小，探測(cè)距離短，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間開機(jī)對(duì)空間站周圍進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

綜上所述，對(duì)于空間站軌道面上1～10cm尺寸空間碎片的探測(cè)與清除，總結(jié)如下：

1）采用雷達(dá)探測(cè)方式能夠精確定軌，但是探測(cè)距離短，為空間站提供規(guī)避機(jī)動(dòng)的時(shí)間有限；

2）采用激光主動(dòng)清除方法清理空間碎片時(shí)效性高，但是探測(cè)范圍小、探測(cè)距離短，導(dǎo)致探測(cè)效率低，并且長(zhǎng)時(shí)間開機(jī)會(huì)消耗大量能源；

空間碎片的探測(cè)與清除都對(duì)全天時(shí)、遠(yuǎn)距離、大視場(chǎng)、低耗能的系統(tǒng)提出了需求，對(duì)比幾種天基空間碎片探測(cè)手段，紅外探測(cè)系統(tǒng)的特性滿足上述應(yīng)用需求。

紅外探測(cè)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①探測(cè)距離遠(yuǎn)，紅外探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)能力與目標(biāo)距離的平方成反比，而雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)能力與目標(biāo)距離的4次方成反比；②全天時(shí)探測(cè)，紅外探測(cè)系統(tǒng)可對(duì)地影區(qū)空間目標(biāo)進(jìn)行有效探測(cè)，可對(duì)空間站周圍空間碎片進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視；③低耗能，紅外探測(cè)為被動(dòng)探測(cè)方式，不需要空間平臺(tái)提供大量的發(fā)射能量。因此，建立基于紅外探測(cè)系統(tǒng)的空間碎片探測(cè)與清除體系，能滿足我國(guó)空間站安全防護(hù)需求。

3　基于天基紅外系統(tǒng)的空間碎片探測(cè)與清除體系的構(gòu)建

空間碎片探測(cè)是一個(gè)復(fù)雜的體系，單個(gè)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)空間站所處軌道面上所有空間碎片進(jìn)行精確定軌、編目，尤其是要對(duì)危險(xiǎn)目標(biāo)及時(shí)進(jìn)行激光主動(dòng)清除，更是需要多個(gè)系統(tǒng)聯(lián)合工作。依據(jù)我國(guó)空間站在軌運(yùn)行安全以及對(duì)空間碎片安全防護(hù)的需求，在此提出基于天基紅外系統(tǒng)的空間碎片探測(cè)與清除概念。

體系構(gòu)成及功能

基于天基紅外系統(tǒng)的空間碎片探測(cè)與清除體系利用空間站平臺(tái)，聯(lián)合紅外探測(cè)系統(tǒng)、雷達(dá)定軌系統(tǒng)、激光清除系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離空間碎片的探測(cè)與清除，為我國(guó)空間站提供空間碎片告警及安全防護(hù)服務(wù)。

（1）紅外探測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)發(fā)揮其遠(yuǎn)距離探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，可對(duì)大視場(chǎng)范圍內(nèi)遠(yuǎn)距離1～10cm尺寸空間碎片進(jìn)行全天時(shí)的探測(cè)，實(shí)時(shí)為雷達(dá)定軌系統(tǒng)和激光清除系統(tǒng)提供空間碎片的初始軌道信息和開機(jī)觸發(fā)信號(hào)，減小雷達(dá)系統(tǒng)和激光系統(tǒng)的準(zhǔn)備時(shí)間，提高空間碎片探測(cè)與清除效率。

（2）雷達(dá)定軌系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有精確定軌的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)紅外探測(cè)系統(tǒng)發(fā)出的引導(dǎo)信息，對(duì)給定方向的空間碎片進(jìn)行探測(cè)，確定空間碎片的精確軌道，并進(jìn)行高精度碰撞預(yù)報(bào)，為激光清除系統(tǒng)提供精確的空間碎片方向和位置信息，引導(dǎo)激光清除系統(tǒng)清除空間碎片。

（3）激光清除系統(tǒng)

該系統(tǒng)根據(jù)雷達(dá)定軌系統(tǒng)給出的空間碎片方向和位置信息，鎖定空間碎片，發(fā)射激光清除空間碎片。

基于天基紅外系統(tǒng)的空間碎片探測(cè)與清除體系

工作原理

紅外探測(cè)系統(tǒng)連續(xù)對(duì)空間站周圍空域進(jìn)行掃描，探測(cè)到視場(chǎng)范圍內(nèi)空間碎片后，對(duì)其進(jìn)行初定軌，并進(jìn)行軌道預(yù)報(bào)。確定其可能飛入空間站的安全警戒區(qū)域時(shí)，向空間站發(fā)出警告信號(hào)，并由空間站下傳至地面站。同時(shí)，通知雷達(dá)定軌系統(tǒng)、激光清除系統(tǒng)開機(jī)，根據(jù)紅外探測(cè)系統(tǒng)提供的空間碎片粗略位置信息，雷達(dá)定軌系統(tǒng)指向該位置并對(duì)這一空域進(jìn)行搜索，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后對(duì)其進(jìn)行精確定軌，并確定該目標(biāo)對(duì)空間站的威脅程度。威脅程度超過(guò)某一閾值時(shí)，觸發(fā)激光器發(fā)射激光清除碎片，或?qū)⑺槠浦疗渌壍馈?/p>

該體系具有以下特點(diǎn)：

1）探測(cè)距離遠(yuǎn)。通過(guò)采用紅外探測(cè)系統(tǒng)為雷達(dá)定軌系統(tǒng)和激光清除系統(tǒng)提供引導(dǎo)信息，探測(cè)距離可提高到1000多千米，能夠在遠(yuǎn)距離范圍進(jìn)行空間碎片探測(cè)。

2）探測(cè)視場(chǎng)大。通過(guò)安裝一維指向機(jī)構(gòu)，紅外探測(cè)系統(tǒng)可在水平方向?qū)崿F(xiàn)360°全方位的探測(cè)，擴(kuò)大探測(cè)視場(chǎng)。

3）安全防護(hù)性能高。紅外探測(cè)系統(tǒng)可在遠(yuǎn)距離探測(cè)到空間碎片目標(biāo)，為空間站提供警告信息，雷達(dá)定軌系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空間碎片的精確定軌，并由激光清除系統(tǒng)清除空間碎片，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間站的安全防護(hù)。

4）時(shí)效性高。該體系由在軌數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理各分系統(tǒng)的結(jié)果，并由決策系統(tǒng)做出決策，減少了對(duì)地面人員的依賴，大大縮短從發(fā)現(xiàn)到清除的時(shí)間，具有很高的時(shí)效性。

5）能源消耗低。采用被動(dòng)紅外探測(cè)系統(tǒng)為主動(dòng)雷達(dá)定軌系統(tǒng)、激光清除系統(tǒng)提供開機(jī)觸發(fā)信號(hào)和引導(dǎo)信號(hào)，減少雷達(dá)、激光系統(tǒng)開機(jī)時(shí)間，能夠大大降低空間站的能源消耗。

4　空間碎片探測(cè)與清除體系的關(guān)鍵技術(shù)

基于天基紅外系統(tǒng)的空間碎片探測(cè)與清除體系包括紅外探測(cè)分系統(tǒng)、雷達(dá)分系統(tǒng)、激光分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離空間碎片的探測(cè)與清除，需要重點(diǎn)解決以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

（1）紅外探測(cè)系統(tǒng)的空間碎片初定軌技術(shù)

實(shí)現(xiàn)三大系統(tǒng)聯(lián)合對(duì)空間碎片進(jìn)行探測(cè)與清除。首先需要紅外探測(cè)系統(tǒng)為雷達(dá)定軌系統(tǒng)和激光清除系統(tǒng)提供引導(dǎo)信息，是空間碎片探測(cè)與清除的前提。紅外探測(cè)系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離、大視場(chǎng)范圍內(nèi)搜索空間碎片，對(duì)發(fā)現(xiàn)的空間碎片目標(biāo)進(jìn)行初定軌，為定軌和清除系統(tǒng)提供空間碎片的軌道信息并進(jìn)行軌道預(yù)報(bào)。因此，首要問(wèn)題是解決紅外探測(cè)系統(tǒng)的空間碎片初定軌技術(shù)。

初軌確定一般基于非線性二體動(dòng)力學(xué)模型采用近似或回歸算法，通過(guò)迭代計(jì)算完成。通常，初定軌方法分為L(zhǎng)aplace型和Gauss型兩類，而隨著觀測(cè)技術(shù)的提高，初軌確定已不局限于簡(jiǎn)單的三次測(cè)角數(shù)據(jù)進(jìn)行初始軌道確定，充分利用大量的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性提高初定軌精度，如對(duì)測(cè)量進(jìn)行中心平滑、利用多點(diǎn)測(cè)量的廣義Laplace方法，以及采用M-估計(jì)的穩(wěn)健迭代方法等。由于空間碎片的預(yù)警時(shí)間短，需要較高的初定軌精度。因此，需在現(xiàn)有初定軌技術(shù)基礎(chǔ)上，研究新的初定軌方法，以提高紅外系統(tǒng)的初定軌精度。

（2）空間站安全預(yù)警模型研究

為我國(guó)空間站提供安全預(yù)警服務(wù)，需對(duì)空間站開展安全預(yù)警模型研究。目前，國(guó)際上使用的判定碰撞交匯的方法有Box區(qū)域判定法和計(jì)算碰撞概率方法。其中Box區(qū)域判定法，通過(guò)在航天器周圍定義警戒區(qū)域和規(guī)避區(qū)域，根據(jù)空間碎片的初始軌道信息和軌道預(yù)報(bào)信息，計(jì)算未來(lái)航天器與空間碎片之間的距離是否已經(jīng)構(gòu)成碰撞危險(xiǎn)。但是Box區(qū)域判定法的引入考慮到了空間碎片定位和交匯預(yù)報(bào)的誤差，因此會(huì)造成很多錯(cuò)誤預(yù)警。

對(duì)于我國(guó)空間站的安全預(yù)警，應(yīng)立足于我國(guó)空間站的具體情況，對(duì)我國(guó)空間站的安全特性及預(yù)警需求進(jìn)行分析，研究基于空間碎片定位和交匯預(yù)報(bào)誤差的碰撞概率，并結(jié)合傳統(tǒng)Box區(qū)域判定法建立我國(guó)空間站安全預(yù)警模型。

（3）激光主動(dòng)清除空間碎片技術(shù)研究

對(duì)于空間站，根據(jù)“國(guó)際空間站”的經(jīng)驗(yàn)，采用被動(dòng)屏蔽防護(hù)措施可以應(yīng)對(duì)尺寸小于1cm空間碎片的撞擊；預(yù)警-機(jī)動(dòng)飛行可以躲避尺寸大于10cm空間碎片的撞擊；而對(duì)于尺寸1～10cm的空間碎片，屏蔽措施難以進(jìn)行防護(hù)，由于其數(shù)量龐大，頻繁進(jìn)行機(jī)動(dòng)躲避將消耗大量資源。從世界各國(guó)研究進(jìn)展來(lái)看，從密集運(yùn)行的軌道中移除碎片的有效技術(shù)途徑是激光推進(jìn)（燒蝕）方法。

激光清除空間碎片根據(jù)清理效果可分為灼燒和推進(jìn)，其中灼燒是利用強(qiáng)大的連續(xù)波激光照射碎片使其升華，實(shí)現(xiàn)碎片清理；推進(jìn)時(shí)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(lái)降低近地點(diǎn)高度，達(dá)到縮短碎片軌道壽命的目的。美國(guó)進(jìn)行了激光主動(dòng)清除空間碎片的可行性研究工作，對(duì)于大多數(shù)低地球軌道空間碎片來(lái)說(shuō)，改變其速度可以在一次過(guò)境時(shí)完成。該技術(shù)涉及到大功率激光器、激光與空間碎片作用機(jī)理研究以及激光燒蝕與推進(jìn)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前我國(guó)大功率激光器技術(shù)得到了較大的發(fā)展，需在激光與空間碎片作用機(jī)理方面開展基礎(chǔ)理論研究工作，為實(shí)現(xiàn)空間碎片激光清除系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

無(wú)線能量傳輸技術(shù)取得新進(jìn)展

日前，中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院依托國(guó)家科技部“分布式可重構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)”863課題的研制，首次完成了微波高效無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)演示驗(yàn)證試驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)突破了微波無(wú)線能量傳輸總體設(shè)計(jì)技術(shù)，掌握了匹配發(fā)射接收、高效固放等關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到了微波低副瓣高效能量傳輸效果。目前整個(gè)系統(tǒng)利用2.4m口徑的固面發(fā)射天線、2.4m口徑的微帶陣列接收天線、以及高效固放等完成了相關(guān)指標(biāo)測(cè)試，當(dāng)微波發(fā)射功率為50W、傳輸距離11m時(shí)，系統(tǒng)整體DC-DC傳輸效率優(yōu)于16.5%。本演示系統(tǒng)的研究成功，將促使微波無(wú)線能量傳輸技術(shù)的工程應(yīng)用，為我國(guó)空間太陽(yáng)能電站的研究提供了技術(shù)支持，同時(shí)也將為深空探測(cè)、永久月球基地等重大科學(xué)研究項(xiàng)目中能源供給問(wèn)題提供初步的解決方案。

系統(tǒng)聯(lián)試圖　

發(fā)射天線

接收天線

劉翡/文

Space Debris Detection and Removal Based on Space Station Platform