空間碎片及探測防護與減緩清除技術(shù)發(fā)展

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空間碎片及探測防護與減緩清除技術(shù)發(fā)展

+ 王曉海空間微波技術(shù)重點實驗室

文章從概念、來源、分類、危害四個方面簡單介紹了空間碎片相關(guān)基本知識，闡述了空間碎片的探測防護、監(jiān)視檢測技術(shù)，重點研究探討了空間碎片的減緩與清除的有關(guān)政策和技術(shù)，最后介紹了國外若干空間碎片清除計劃。

空間碎片 碎片探測防護 碎片監(jiān)視檢測 碎片減緩 碎片清除

1.空間碎片

自1957年蘇聯(lián)發(fā)射了人造地球衛(wèi)星后，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［8］。

1.1空間碎片的概念[2]

空間碎片是指人類在空間活動過程中遺留在空間的廢棄物。2003年機構(gòu)間空間碎片委員會（IDAC）提交給聯(lián)合國外層空間委員會的《空間碎片減緩指南》、2006年2月外空科技小組空間碎片工作組提交的《空間碎片減緩指南修訂草案》以及聯(lián)合國外空委2007年通過的《空間碎片減緩準則》對空間碎片做出了以下基本一致的定義：“空間碎片是指位于地球軌道上或者再入大氣層的非功能性的人造物體，包括其碎片和部件。

1.2空間碎片的來源[2]

通過分析空間碎片的產(chǎn)生原因，總結(jié)歸納出空間碎片的來源主要有以下十個方面：

①在軌道發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的碎片。這是目前占空間碎片比例最大部分。

②入軌后火箭剩余燃料、衛(wèi)星高壓氣瓶剩余氣體、未用完的電池等，都可能因偶然因素爆炸，產(chǎn)生難以估量的碎片。

③固體火箭燃料中添加的鋁粉，燃燒時產(chǎn)生的氧化鋁向空間噴射，形成空間“沙塵暴”。

④飛船和空間站的航天員產(chǎn)生的生活垃圾（如和平號空間站曾經(jīng)向空間拋出大小垃圾約有200多包）。

⑤受空間碎片的影響，航天器表面材料加速剝落成為新的空間碎片。

⑥航天員在空間行走時遺棄的東西（例如扳手、各種工具、手套、攝像機與燈器等物品也成為空間碎片）。

⑦壽命終止后的衛(wèi)星或者發(fā)生故障的衛(wèi)星均成為大型空間碎片。

⑧攜帶衛(wèi)星入軌后的末級火箭，留在空間變成碎片。

⑨核動力衛(wèi)星及其產(chǎn)生的放射性碎片。

⑩還有其他一些碎片來源，目前暫時難以確定。

1.3空間碎片的分類[7]

通過對回收的航天器表面分析及探測器測量數(shù)據(jù)和觀測結(jié)果，并根據(jù)空間碎片的探測方法與防護措施的特點，按空間碎片尺寸的大小將其分為三類。

1）大碎片。尺寸大于10cm，主要包括：廢棄的衛(wèi)星和運載火箭末級；執(zhí)行任務中的拋棄物品；因碰撞、爆炸和解體產(chǎn)生的大碎片；脫落的活動部件等。

2）危險碎片。尺寸在1cm～10cm之間，包括：任務相關(guān)物體，如爆炸螺栓等；高強度爆炸、碰撞產(chǎn)生的小碎片；溫控涂層表面退化脫落的大片漆片；核反應堆泄漏的冷卻劑；其他脫落的活動部件，如天線等。

3）小碎片。尺寸在1cm以下，包括：任務相關(guān)物體，如爆炸螺栓產(chǎn)生的碎屑；高強度爆炸、碰撞產(chǎn)生的碎屑；固體火箭燃燒產(chǎn)物；溫控涂層表面退化脫落的微小漆片；碎片碰撞產(chǎn)生的二次碎片云；核反應堆冷卻劑泄漏的產(chǎn)物。

1.4空間碎片的危害[10]

空間碎片絕大多數(shù)分布在距地面2000km的人類使用最頻繁的低地球軌道（LEO）［7］，空間碎片和航天器的平均相對撞擊速度達到每秒10千米，對航天器安全和航天員生命造成嚴重潛在威脅，巨大的撞擊動能造成的破壞力之大，幾乎無法防護，一顆直徑1厘米的空間碎片的撞擊即可導致航天器徹底損毀，唯一的辦法是躲避［10］。

空間碎片超高速撞擊產(chǎn)生的極高壓力超過航天器材料強度的數(shù)十到數(shù)百倍，會穿透航天器表面，并形成大面積的碎片云以非常高的速度破壞航天器內(nèi)部器件和系統(tǒng)，造成航天器功能嚴重損傷，甚至導致航天器徹底解體/爆炸失效。航天器的體積越大、飛行時間越長，其遭遇空間碎片撞擊的風險也就越大［7］。

毫米級以下的小空間碎片也對航天器構(gòu)成威脅，是航天器屏蔽防護的主要對象。尤其是微米級的空間碎片，數(shù)量多達千萬，雖然每次撞擊的后果不嚴重，但長期多次撞擊的累積效應仍會導致航天器性能下降和功能失效，使得應用衛(wèi)星難以可靠、長壽命在軌工作，因而需要在航天器設計時采取相應對策對這類小碎片加以防護［10］。

當空間碎片運行到400千米高度以下區(qū)域中時，大氣阻力的作用開始變得突出，受到阻力作用，碎片的高度會逐漸降低直至最終隕落。在隕落再入高度100 千米以下的稠密大氣過程中，大部分碎片會受到摩擦力而被燒毀，但也有部分還會殘存，殘骸可能會落至地面，危及地面生態(tài)系統(tǒng)的安全。實際上每天都有空間碎片在隕落，一般的碎片，體積不大，在再入大氣過程中都被燒毀殆盡，而體積較大的衛(wèi)星，其殘骸殘存的可能性大，一旦落至地面，對地面人員生命安全可能造成很大威脅［10］。

2.空間碎片探測技術(shù)［6］

空間探測的目的包括探測和跟蹤，然后確定空間物體的軌道特征參數(shù)。對于不同尺寸的空間碎片，需要采用不同的觀測手段進行探測。一般來說，大尺度空間碎片主要依靠地基光電望遠鏡及地基雷達進行探測；中小尺度空間碎片（危險空間碎片和小空間碎片）探測可以依靠天基手段，主要包括航天器表面采樣分析、天基雷達遙感探測等手段。

2.1空間碎片的地基探測

地基探測是利用地面觀測設備對空間目標進行探測，一般包括地基雷達探測和地基光學探測。

·地基雷達探測。一般采用脈沖精密測量雷達和相控陣雷達。脈沖雷達是利用拋物面反射天線控制波束定向發(fā)射，主要用于衛(wèi)星和大尺度空間碎片的探測。相控陣雷達是通過數(shù)字電子技術(shù)改變發(fā)射器相位來合成波束，在較大范圍搜索和跟蹤目標，對低軌道上的大尺度空間碎片進行有效探測。由于地基雷達具有全天候和全天時的功能，不受天氣影響，晝夜影響。但是對于探測遠距離上的小型物體，雷達受波長、功率影響會受到限制，因此雷達多用于對低軌道上的碎片進行探測。

· 地基光學觀測。光電望遠鏡能收集空間物體反射的光譜，具有很大的作用距離，實現(xiàn)中高軌道上大尺度碎片的探測。但是受云、霧、大氣污染等因素影響，要求天氣晴朗，夜晚才能觀測，光學測量適于對高軌道上空間碎片進行測量。研究表明，在探測高軌道上的空間碎片方面，光學望遠鏡勝過大部分雷達；而在探測低軌道碎片方面，雷達比望遠鏡要好。

2.2空間碎片的天基探測

天基空間碎片觀測是利用天基平臺的觀測設備和探測器件進行空間碎片探測的方法。一般有天基遙感探測、天基直接探測、航天器表面采樣分析等方法。

· 天基雷達遙感探測。由衛(wèi)星、飛船和空間站等飛行器搭載光學望遠鏡、微波雷達和激光雷達等設備在空間探測。由于天基遙感探測是在太空中進行空間目標的觀測，其探測器與物體之間的距離較近，分辨率高，而且探測過程不會受到大氣的干擾，因此對空間物體的觀測具有極高的分辨率，可用于中小尺度的空間碎片探測。

· 空間碎片直接觀測。主要利用在空間飛行器上搭載由一定材料構(gòu)成的探測儀器，通過這些儀器記錄空間碎片及星際塵埃的撞擊效果，從而收集空間碎片的探測方法。通過直接探測能準確記錄空間碎片的碰撞事件，計算出空間碎片質(zhì)量、速度、通量和運行軌跡等信息，是了解小尺度空間碎片的重要方法，對航天器防護和航天材料研究也有參考價值。

· 航天器表面采樣分析。主要通過對返回的或長期暴露在空間環(huán)境中的航天器表面材料的分析獲取空間碎片信息的方法。通過對撞擊坑的發(fā)生時間和尺寸的分析，能夠獲得亞毫米尺寸的空間碎片信息，直接分析得到小空間碎片對航天飛行任務的影響。其優(yōu)點是可觀測到毫米級以及毫米以下尺度碎片，可對碎片分析，缺點在于只適用于低軌道。

3.空間碎片監(jiān)視發(fā)展［4］

國外空間碎片監(jiān)視領域發(fā)展較早，美國和俄羅斯都建立了完備的空間目標監(jiān)視網(wǎng)，形成了獨立的數(shù)據(jù)庫。由于空間碎片尺寸較小，給雷達和光學探測帶來了一定的技術(shù)難題。通過對國外空間碎片監(jiān)視技術(shù)的研究，空間碎片監(jiān)視應重點發(fā)展以下4個方向。

3.1多平臺空間碎片監(jiān)測

空間碎片尺寸小，作用距離遠，除發(fā)展地基雷達和光學設備外，應大力發(fā)展天基設備，充分利用天基設備的優(yōu)勢。碎片觀測設備裝載于需保護的空間站或類似的空間平臺上，可大大減少設備的觀測距離，且不受氣象的影響。

3.2光學弱目標檢測技術(shù)

在獲取空間碎片光學圖像的過程中，會受到很多因素的影響，如目標運動，不均勻光照、成像平臺的抖動等，使得最終獲得的圖像出現(xiàn)模糊、幾何畸變和降質(zhì)，對后續(xù)的目標檢測與提取產(chǎn)生極大影響。研究先進的圖像處理技術(shù)以及復雜背景下的多個弱小目標的檢測技術(shù)，可消除上述不利影響。

3.3多個傳感器聯(lián)合處理

利用多個傳感器多空間目標聯(lián)合探測以及數(shù)據(jù)聯(lián)合處理技術(shù)提高空間碎片的檢測能力和精度。需解決多個傳感器的時間、空間同步問題，可研究數(shù)據(jù)融合處理算法。

3.4碎片尺寸反演技術(shù)

空間碎片探測的目的是對現(xiàn)有在軌空間碎片進行編目管理，為空間活動提高有力保障，有效防護空間飛行器?？臻g飛行器的防護措施與空間碎片的大小有關(guān)，因此必須開展空間碎片尺寸估計方法的研究。

4.空間碎片防護技術(shù)［1］、［11］

國內(nèi)外學者在空間碎片防護領域的研究從未間斷，而且研究成果的應用也在逐步拓展。2011年4月，在德國柏林召開了第29屆機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會（IADC）會議，其中防護組提交的報告反映了國際上空間碎片防護領域的最新進展［1］。

《防護手冊》作為IADC 防護組工作的重要成果標志，集中展示了IADC在防護領域的研究成果和應用進展。在第29屆IADC會議上，IADC防護組討論并通過了由NASA提交的《無人航天器風險評估》標準，并將其納入《防護手冊》中。同時，IADC成員國對空間碎片環(huán)境模型、撞擊風險評估、在軌碎片撞擊事件、防護材料以及防護結(jié)構(gòu)超高速撞擊試驗、超高速撞擊濺射碎片特性、超高速撞擊試驗數(shù)據(jù)庫、超高速發(fā)射設備以及在軌感知技術(shù)等方面的進展進行了交流討論。

衛(wèi)星的空間碎片防護與載人航天器的防護有很大不同，具體體現(xiàn)：①空間碎片撞擊導致的失效模式不同，載人航天器結(jié)構(gòu)板為鋁板，結(jié)構(gòu)板穿透就可以認為航天器失效，而衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)板一般為鋁蜂窩板或碳纖維蜂窩板，其超高速撞擊特性比鋁板要復雜的多，更重要的是蜂窩板的穿透并不意味著衛(wèi)星或設備的失效；②空間碎片超高速撞擊特性不同，載人航天器結(jié)構(gòu)板為連續(xù)介質(zhì)，其超高速撞擊特性較簡單，而衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板為復合材料，其超高速撞擊特性要復雜的多；③空間碎片防護手段不同，載人航天器的防護措施一般是在結(jié)構(gòu)板外一定距離安裝一個或幾個防護屏來提高航天器抗撞擊能力，而衛(wèi)星的防護措施一般不采取增加防護屏的做法，而是采用調(diào)整衛(wèi)星飛行姿態(tài)、調(diào)整設備布局、采用防護性能強的材料等方法提高衛(wèi)星抗撞擊能力；④衛(wèi)星的質(zhì)量約束相比載人航天器要苛刻的多，這決定了在衛(wèi)星上要采取更加經(jīng)濟更有效率的防護手段［11］。

衛(wèi)星飛行姿態(tài)、總體構(gòu)型布局由衛(wèi)星任務、設備功能等約束條件確定，一般不考慮空間碎片的影響，根據(jù)國際經(jīng)驗，衛(wèi)星的防護設計一般采用防護增強材料或包覆復合材料以達到防護目的［11］。

5　空間碎片減緩政策［6］

空間碎片對人類的空間資源開發(fā)活動構(gòu)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(gòu)）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(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會（IADC）。機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)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(guān)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。2003年，機構(gòu)間空間碎片委員會（IDAC）向聯(lián)合國外層空間委員會提交了《空間碎片減緩指南》、2006年2月外空科技小組空間碎片工作組提交了《空間碎片減緩指南修訂草案》以及聯(lián)合國外空委2007年通過了《空間碎片減緩準則》。此外，聯(lián)合國外太空委員會（UNCOPUOS）的科學與技術(shù)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(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)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。

2010年6月，美國在其頒布的新版空間政策中，以高姿態(tài)表明其為減緩空間碎片、減少外空事件發(fā)生而做的努力。美國配套的制度文件有美國NASA 安全標準《限制空間碎片的指南和評估程序》、管理指南《限制空間碎片產(chǎn)生的政策》、支撐文件《空間碎片評估參考手冊》和支撐軟件《碎片評估軟件》。

歐空局也發(fā)布了《歐洲空間碎片安全及減緩標準》和《空間碎片減緩手冊》，并設立了空間碎片管理機構(gòu)，規(guī)定每一個空間項目都指派一名空間碎片管理人負責對空間碎片減緩措施的實施。

6　空間碎片減緩技術(shù)［3］

減緩空間碎片的一個辦法是減少航天活動過程中或結(jié)束后產(chǎn)生的空間物體的數(shù)量，另一個可用的方案是通過壽命末期變軌等措施將空間物體移出受保護的軌道區(qū)域。第一類措施包括防止產(chǎn)生與航天活動相關(guān)的物體、防止產(chǎn)生固體火箭發(fā)動機碎渣和鈍化處理。第二類措施包括縮短在軌時間、移入棄置軌道和主動移除。還須指出，一種措施不能適用于所有的空間物體。每種措施都有其適用條件。下面將簡述其適用范圍和效果。

6.1縮短在軌壽命

這一措施的目標是促使在軌長壽命大空間物體離軌并再入地球大氣層，使其不能成為將來的碰撞對象。雖然從減緩碎片的角度考慮，直接再入更為可取，但由于各種原因經(jīng)常不可行。一方面，直接再入需要大量的燃料，因此成本高昂；另一方面，實施受控再入還需滿足特定條件，這些條件既復雜又成本高昂?？s短在軌時間還可指通過機動使空間物體進入另一軌道，從而使該空間物體在一定的時間內(nèi)再入地球大氣層。上述兩種情況均僅適用于近地軌道上的衛(wèi)星。在高軌道使用該措施可能導致重大的再入焚毀而產(chǎn)生的高額代價，并且可能暫時增加再入過程中的物體與在低軌道運行衛(wèi)星的碰撞風險。

6.2棄置軌道

地球靜止軌道上的衛(wèi)星將被轉(zhuǎn)入并保留在更高的棄置軌道。這一作法對于近地軌道也可以適用，并已被用于俄羅斯“雷達海洋偵察衛(wèi)星” （RORSAT）等的處理。在過去10年，相當數(shù)量的地球靜止軌道衛(wèi)星已實施了上述壽命末期變軌。

6.3防止產(chǎn)生碎渣

固體火箭發(fā)動機通常會使用鋁來提高其能效。鋁通過燃燒氧化成直徑達幾厘米的碎渣或者亞毫米級的塵粒而長期存留在軌道上。如果以液體發(fā)動機替代固體發(fā)動機是可以防止產(chǎn)生碎渣的。這將減少厘米級及更小體積的物體數(shù)量。盡管這些物體看似不至于引發(fā)災難性的碰撞，但由于碎渣顆粒在厘米級的空間物體總數(shù)中占第二位.對其采取減緩措施還是有意義的。此外，衛(wèi)星應避免在其運行過程中釋放出儀器罩和爆炸螺栓等物體。此類物體體積往往較大，能夠引發(fā)災難性的碰撞。

6.4鈍化

航天器或上面級意外解體是空間碎片的主要來源。這種解體是由隨載能量源引起的。大多數(shù)解體是推進系統(tǒng)的爆炸造成的。排出剩余能源，可減少解體事件的發(fā)生。比如，用閥門將剩余燃料和氧化劑釋放到空間，就能做到這一點。因電池爆炸而引發(fā)的衛(wèi)星解體目前很少發(fā)生，但過去這是產(chǎn)生空間碎片的重要原因之一。另外，可以追蹤到的因殘留推進劑而產(chǎn)生的解體也呈顯著下降趨勢。盡管已采取鈍化航天器的措施，但是2007年2月，一個滿載推進劑的“和風”M火箭上面級還是因故障而在大橢圓軌道爆炸。

6.5主動移除

目前正在討論進一步的措施，即對于在軌時間長且所在軌道空間物體高度密集的較大空間物體實施主動移除。這一問題重要原因在于碰撞連鎖反應快要來臨，特別是在太陽同步軌道，這些軌道上有很多對地觀測衛(wèi)星。有關(guān)措施是將已經(jīng)在軌的物體移除?；厥昭b置將與這類空間物體對接并操控其進入再入軌道。

對于主動移除而言，技術(shù)上和科學上的挑戰(zhàn)包括如下步驟：首先要確定具有潛在碰撞風險且在軌長壽命的物體。其次，這些物體要根據(jù)其風險大小確定優(yōu)先次序。最后需要研發(fā)對接和離軌的移除裝置。

7　空間碎片清除技術(shù)［7］

空間碎片主動清除是指：對LEO碎片使其進入大氣層燒毀，對GEO碎片使其軌道抬高或降低235km而進入“墳墓軌道”，從而達到保護在軌航天器不受碎片撞擊。因此，對空間碎片主動清除技術(shù)的一般要求是：①避免產(chǎn)生更多空間碎片；②具備全區(qū)域可行的清除方案（LEO、GTO和GEO）；③清除每個碎片的成本要低；④重返地球的可控性（LEO）；⑤清除效率。

空間碎片主動清除技術(shù)是全世界航天界面臨的挑戰(zhàn)和難題，也是現(xiàn)在的熱點問題，國外的研究起步較早，現(xiàn)在已經(jīng)跨過了概念研究，正處于關(guān)鍵技術(shù)研究，并且其中有部分技術(shù)已開始進入實驗驗證階段。目前，已經(jīng)提出的空間碎片主動清除技術(shù)主要有以下幾類：

7.1空間拖船追趕抓捕移除技術(shù)

空間拖船利用自身的發(fā)動機進入作業(yè)軌道，將捕獲工具展開或插入空間碎片（或失效航天器）實施抓捕，然后離軌，以達到移除目的。這類技術(shù)較成熟，可操控性高，但可重復使用性較差，移除成本較高。

7.2電動力繩索移除技術(shù)

電動力繩索移除技術(shù)（Electro Dynamic Tether System， EDT）是移除系統(tǒng)接近要移除的碎片（或失效航天器），將其攜帶的金屬繩索的一端安裝在要移除的碎片上，并釋放金屬繩索的另一端，利用地球磁場產(chǎn)生的拖拽力改變碎片軌道，從而達到移除目的。這一技術(shù)中繩索不易操控，移除成本較高且效率較低。

7.3膨脹降軌移除技術(shù)

該技術(shù)將充氣裝置安裝到碎片上，并利用其形成氣球或拋物面形狀提高氣動阻力，以降低碎片軌道，實現(xiàn)移除。缺點是目標增大，容易破裂，可能會產(chǎn)生大量新碎片。

7.4太陽帆移除技術(shù)

該項技術(shù)是給碎片（或失效航天器）安裝一個很大的太陽帆，利用太陽光子產(chǎn)生的壓力改變碎片軌道來達到移除目的。該技術(shù)的可行性得到驗證，較適合于地球同步軌道，但清除周期較長，且作用區(qū)域有限。

7.5液/氣體、微粒云霧、離子束移除技術(shù)

在碎片（或失效航天器）運行軌道上噴射液體、氣體、微粒云霧、離子束等來增加阻力或產(chǎn)生反向推力，降低碎片速度，從而降低其軌道，達到移除目的。這種技術(shù)的缺點是噴射出的粒子（離子）束自由分散，可控性較差。另外，存留的微粒云霧可能會影響正常運行的航天器。

7.6激光主動移除技術(shù)

空間碰撞頻繁發(fā)生，空間碎片已對航天活動形成嚴重威脅。目前所有的空間碎片減緩措施雖然能夠減少空間碎片的產(chǎn)生，但是不足以保持空間碎片環(huán)境的穩(wěn)定，空間碎片清除勢在必行。空間碎片領域的熱點和重點先從被動防護轉(zhuǎn)到減緩，再從減緩轉(zhuǎn)到主動清除。在眾多的清除技術(shù)中，天基激光主動清除空間碎片技術(shù)前景誘人，但該技術(shù)仍有很多難點尚未突破，需要攻克，并且實現(xiàn)起來投入巨大。因此需要世界各國相互合作，共同完成。可以想見，空間碎片天基激光主動清除技術(shù)研究將開拓和引領航天技術(shù)的新領域，成為未來航天技術(shù)新的增長點。

8　空間碎片清除計劃［5］

8.1美國的電動碎片清除器

2010年8月， 美國國防高級研究計劃局（DARPA）公布了正在研制的空間碎片清除技術(shù)演示驗證項目—電動碎片清除器（EDDE）。電動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。單個電動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。

8.2日本的微型清除器

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）正在研究一種演示驗證主動清除空間碎片技術(shù)的微小衛(wèi)星系統(tǒng)—空間碎片微型清除器（SDMR）。

空間碎片微型清除器的任務過程可簡要概括為：空間碎片微型清除器首先與目標空間碎片自主會合，并測量其運行軌道；然后圍繞目標飛行，確定將其捕獲的最佳路徑；逼近目標，使其穩(wěn)定并用機械臂捕獲目標；隨后將固定在機械臂上的電動力纜繩展開；最終自動調(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。日本計劃在2020年前進行空間碎片微型清除器系統(tǒng)的在軌演示驗證試驗，此后，采用較大的衛(wèi)星建造具有實用價值的碎片清除系統(tǒng)。

8.3德國的制動火箭星

2010年，德國制動火箭空間（Retro Space）公司提出了“制動火箭星”（“Retro Sats”）方案，計劃每年抓捕15塊大型空間碎片并使其離軌。德國制動火箭空間公司計劃在2016年開展首次在軌演示驗證任務，2022年發(fā)射業(yè)務星。

8.4瑞士的太空清理星

2012年2月， 位于瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學（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（Clean Space 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，計劃于2015－2016年發(fā)射，主要驗證遠距離和近距離目標探測系統(tǒng)、捕獲系統(tǒng)、微推進系統(tǒng)及可控再入系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用圖像和視頻系統(tǒng)對目標進行定位，采用機械臂/機械手抓捕目標。

8.5法國的碎片清除器

2012年3月，法國公布了自己的碎片清除系統(tǒng)計劃。該系統(tǒng)采用機械手對碎片進行抓捕。法國計劃在2020年前采用小型原理樣機進行非合作目標交會和離軌技術(shù)的首次在軌演示驗證，2022－2024年進行全功能樣機的在軌演示驗證。

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行方向并離軌，向碎片噴射泡沫增大氣動阻力，使其提早墜入大氣層燒毀等一些概念方案。

8.6英國的“立方帆”清除器

英國薩里空間中心（Surrey Space Centre）目前正在開發(fā)一種基于太陽帆的技術(shù)，命名為“立方帆”（Cube Sail）。“立方帆”使用了可借助太陽能的太陽帆作為動力推進系統(tǒng)，不過，這面帆還有另一個獨特功能，那就是作為“軌道剎車”，幫助它脫離軌道，墜入大氣層燒毀?！傲⒎椒睂⒋钶d在一個500千克以下的小型飛行器上，預計將于2016年晚些時候發(fā)射到地球上空700千米處的近地軌道，并展開其大約5米×5米的帆，然后分兩步進行垃圾清理測試：位于低軌道的太空垃圾，它將直接用展開的帆將其黏??；至于在較高軌道上的垃圾，就要借助太陽能動力去接近了。即使在700千米這樣的高度，仍然存在著稀薄的大氣分子，這些大氣分子產(chǎn)生的阻力會拖拽這近地軌道上的衛(wèi)星，使其軌道迅速衰減，直至將它們拉回大氣層燒毀。

8.7歐空局空間碎片清除計劃

歐空局正在其“清潔太空”計劃下開展論證稱為e.DeOrbit的空間碎片清除任務，目的是要減小航天業(yè)對地球和空間環(huán)境的影響。控制關(guān)鍵性低地軌道上碎片數(shù)量的唯一辦法便是將廢棄衛(wèi)星和火箭上面級等大型物體清除掉。e.DeOrbit任務針對的是已很擁擠、高度在800千米～ 1000千米之間的極軌道。

［1］ 韓增堯、龐寶君 .“空間碎片防護研究最新進展” 《航天器環(huán)境工程》.2012年第4期.pp369-378

［2］ 林來興 .“空間碎片現(xiàn)狀與清理”. 《航天器環(huán)境工程》2012年第3期.pp1-10

［3］ 卡斯滕·魏德曼、徐宇. “空間碎片減緩” . 《中國航天》.2012年第8期.pp34-37

［4］ 袁偉明、曾令旗、張波、宋青鵬 . “空間碎片監(jiān)測技術(shù)研究”. 《現(xiàn)代雷達》.2012年第12期.pp16-19

［5］ 馬楠、貴先洲 . “國外空間碎片清除計劃”. 《國際太空》.2013年第2期 .pp64-69

［6］ 張勝利、常守鋒 . “地球靜止軌道空間碎片的防護與軌道保護策略” . 《國際太空》.2013年第7期. pp67-70

［7］ 龔自正、徐坤博、牟永強、曹 燕 . “空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀與主動移除技術(shù)”. 《航天器環(huán)境工程》.2014年第2期.pp127-135

［8］ 陳蓉、申麟、高朝輝、唐慶博、童科偉 . “空間碎片減緩技術(shù)發(fā)展研究”.《國際太空》.2014年第3期 .pp63-67

［9］ 黃虎、張耀磊、易娟、范國臣 .“天基激光清除空間碎片方案設想”. 《國際太空》.2014年第4期. pp45-47

［10］劉靜 .“如何應對空間碎片的威脅？”. 《太空探索》.2014年第5期. pp28-30

［11］鄭世貴、閆軍 . “空間碎片防護需求與防護材料進展”《國際太空》.2014年第6期 .pp49-53

［12］李大衛(wèi)、陳凱、劉靜 . “空間碎片碰撞預警國際標準”《國際太空》.2014年第9期. pp61-66

［13］王國語 .“空間碎片國際機制發(fā)展趨勢分析”. 《航天器環(huán)境工程》.2015年第2期.pp147-152

［14］曹喜濱、李峰、張錦繡、Richard Muriel .“空間碎片天基主動清除技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢” .《國防科技大學學報》.2015年第37卷第4期.pp117-120

［15］焦建超、鄭國憲、蘇云 .“基于空間站平臺的空間碎片探測與清除技術(shù)”. 《國際太空》.2015年第4期.pp53-56

［16］宗和 .“我國成立‘國家隊’監(jiān)測‘空間碎片’”.《太空探索》.2015年第7期.pp8-9