激光驅(qū)動(dòng)接力移除空間碎片的小衛(wèi)星星座及可行性研究

陳 川，楊武霖，余 謙，李 明，龔自正,

(1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；3.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094)

0 引 言

激光燒蝕驅(qū)動(dòng)移除空間碎片的技術(shù)原理是利用高能激光輻照空間碎片，使其表面熔融、氣化、電離，形成等離子體反噴羽流，沖量耦合使碎片獲得反向速度增量，碎片軌道在速度增量的作用下發(fā)生改變[1-4]。特定的速度增量可使碎片軌道近地點(diǎn)降低。當(dāng)碎片軌道的近地點(diǎn)高度低于稠密大氣層邊界時(shí)，碎片將墜入大氣層燒毀，從而達(dá)到碎片移除的目的。激光移除空間碎片技術(shù)因其作用距離遠(yuǎn)、反應(yīng)敏捷、可重復(fù)使用、效費(fèi)比高等諸多優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)尺寸介于1～10 cm危險(xiǎn)空間碎片的最有效技術(shù)手段[5]。國(guó)內(nèi)外從碎片環(huán)境影響[6-7]、技術(shù)可行性[8]、系統(tǒng)方案[9]、移除過(guò)程仿真模擬[10]、碎片目標(biāo)探測(cè)成像[11-13]等方面對(duì)此進(jìn)行了大量研究。這些研究結(jié)果顯示，天基激光燒蝕驅(qū)動(dòng)移除碎片技術(shù)對(duì)激光器性能(單脈沖能量、光束質(zhì)量、重頻)和發(fā)射鏡尺寸都有非常高的要求，目前的高能激光器難以滿足技術(shù)指標(biāo)要求，嚴(yán)重阻礙了這一技術(shù)的工程化應(yīng)用。為了克服這一技術(shù)障礙，本文另辟蹊徑，提出了由不同軌道高度小衛(wèi)星平臺(tái)組成小衛(wèi)星星座，通過(guò)在每個(gè)小衛(wèi)星平臺(tái)上的激光驅(qū)動(dòng)接力來(lái)逐步降低碎片軌道高度，最終達(dá)到移除空間碎片的小衛(wèi)星接力移除星座的構(gòu)想?；诂F(xiàn)有的激光器性能參數(shù)，根據(jù)激光燒蝕驅(qū)動(dòng)沖量耦合原理計(jì)算了單個(gè)小衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)1～10 cm尺度空間碎片驅(qū)動(dòng)移除能力。提出了針對(duì)800公里軌道高度進(jìn)行接力驅(qū)動(dòng)移除碎片的小衛(wèi)星星座系統(tǒng)，通過(guò)仿真模擬計(jì)算驗(yàn)證了星座系統(tǒng)的降軌效能。

1 激光驅(qū)動(dòng)接力移除碎片構(gòu)想的提出

1.1 激光驅(qū)動(dòng)移除碎片原理

激光燒蝕驅(qū)動(dòng)移除空間碎片技術(shù)的原理如圖1所示[5]：高功率激光輻照碎片材料表面，使光斑區(qū)材料熔化、氣化、等離子體化，高溫高壓等離子體和氣體物質(zhì)飛散形成反噴等離子體羽流，反噴羽流與空間碎片的動(dòng)量交換使得碎片獲得一個(gè)與其相反的沖量，從而使碎片獲得速度增量，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的驅(qū)動(dòng)。

圖1 激光燒蝕驅(qū)動(dòng)碎片原理圖Fig.1 Schematic diagram of driving debris by laser ablation

碎片獲得速度增量后，其軌道將發(fā)生改變，通過(guò)合適的速度增量多次作用可使碎片軌道近地點(diǎn)高度逐漸降低，最終進(jìn)入稠密大氣層時(shí)再入燒毀，即實(shí)現(xiàn)碎片清除的目的，該過(guò)程如圖2所示。

圖2 激光驅(qū)動(dòng)降軌移除碎片原理圖Fig.2 Schematic diagram ofactive space debris remove by laser

一般認(rèn)為，空間碎片在降軌再入大氣層的過(guò)程中，當(dāng)其軌道高度降至130 km時(shí)將在大氣阻力的作用下逐漸燒毀。為了減少清除系統(tǒng)作用時(shí)間、提高清除效率，在確定碎片降軌的目標(biāo)軌道時(shí)，可充分利用空間碎片再入大氣層的自然降軌過(guò)程適當(dāng)提高最后目標(biāo)軌道的近地點(diǎn)高度。根據(jù)計(jì)算，運(yùn)行在高度為200 km的圓軌道的典型目標(biāo)在7天內(nèi)會(huì)自然降軌到130 km。因此，一般以高度200 km的圓軌道作為空間碎片降軌清除的判據(jù)[8]。

1.2 天基激光移除碎片對(duì)硬件的需求

激光燒蝕驅(qū)動(dòng)使得空間碎片獲得的速度增量表述為[14]：

(1)

ΔV為目標(biāo)獲得的速度增量(單位：m/s)，Cm為沖量耦合系數(shù)(單位：Ns/J或N/W)，m為目標(biāo)質(zhì)量(單位：g)，E為激光單脈沖能量(單位：J)。

照射激光需要在目標(biāo)表面達(dá)到足夠的功率密度I(單位：W/m2)才能產(chǎn)生沖量耦合效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)表明，這一功率密度數(shù)值在107～109W/m2之間，達(dá)不到107W/m2就不會(huì)產(chǎn)生沖量耦合效應(yīng)；超過(guò)了109W/m2功率密度沖量耦合系數(shù)反而下降，激光驅(qū)動(dòng)效率反而減小。目標(biāo)碎片表面功率密度由激光到靶單脈沖能量E和光斑直徑ds決定，激光發(fā)射的有效光束直徑Deff和距離z處的光斑直徑ds滿足以下關(guān)系：

Deffds=aM2λz

(2)

M2為光束質(zhì)量(M2=1為最佳)，λ為激光波長(zhǎng)，Deff基于激光發(fā)射孔徑D根據(jù)計(jì)算得到。a2為與衍射情況相關(guān)的常數(shù)，對(duì)于高斯光束a=π/4。進(jìn)一步，為了在目標(biāo)處獲得I有：

(3)

Teff為所有系統(tǒng)損耗的乘積，根據(jù)文獻(xiàn)資料可取Teff=0.9。[9]

可看出，在特定距離z上，目標(biāo)表面的激光功率密度I主要受制于5個(gè)參數(shù)：?jiǎn)蚊}沖能量E、光束質(zhì)量M2、激光波長(zhǎng)λ、脈寬t和發(fā)射孔徑D。這幾個(gè)參數(shù)是激光器系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)的核心指標(biāo)，它們之間相互制約。其中，技術(shù)難度最大的兩大關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)是激光器的單脈沖能量E和發(fā)射鏡口徑D。

800 km軌道是遙感衛(wèi)星和移動(dòng)通信衛(wèi)星使用最多的區(qū)域，軌道價(jià)值高；同時(shí)在該區(qū)域內(nèi)空間碎片的密度分布也最大，因此，是應(yīng)該首先考慮進(jìn)行碎片移除的軌道區(qū)域。我們以移除800 km軌道區(qū)域10 cm尺度碎片為例，來(lái)估算用激光驅(qū)動(dòng)移除所需要的激光器的單脈沖能量E和發(fā)射鏡口徑D。

若將該軌道碎片近地點(diǎn)降低到200 km，按照共面變軌方式計(jì)算所需的速度改變量為85 m/s。在激光單次驅(qū)動(dòng)下，對(duì)目標(biāo)碎片為直徑10 cm的鋁球而言，美、日、俄等國(guó)給出的天基激光清除空間碎片系統(tǒng)方案參數(shù)如表1所示[9,15-16]。我們假設(shè)在200 km作用距離上將激光準(zhǔn)確匯聚到10 cm直徑光斑上，所需激光發(fā)射鏡尺寸為3 m，計(jì)算的結(jié)果也列入表1。

表1 國(guó)外主流天基激光移除LEO碎片系統(tǒng)方案主要參數(shù)[9][15][16]Table 1 Parameters of intemational space-based laser LEO debris removal of systems

在目前技術(shù)水平下，這些參數(shù)指標(biāo)在天基平臺(tái)實(shí)現(xiàn)尚有相當(dāng)困難，尤其是高能量脈沖激光器。即使在地面上，現(xiàn)有單脈沖能量達(dá)到千焦量級(jí)的高能量脈沖激光器往往也體積巨大，且需要較長(zhǎng)的充能過(guò)程難以高頻率連續(xù)工作[17]。在天基平臺(tái)還存在能量供給和散熱問(wèn)題，離工程化要求尚有很長(zhǎng)距離。目前，針對(duì)該問(wèn)題主要的技術(shù)方向是高熱量散發(fā)效率、低單位功率重量、高能量轉(zhuǎn)換效率的光纖激光系統(tǒng)，用多個(gè)低單脈沖能量的光纖激光器，通過(guò)相干放大合成(歐洲ICAN計(jì)劃)或光纖合束的方式實(shí)現(xiàn)高能量高頻率的激光脈沖輸出[18-21]，但目前該技術(shù)的成功實(shí)現(xiàn)也還需要一定時(shí)間。除此之外，發(fā)射鏡尺寸雖然現(xiàn)有技術(shù)水平能夠達(dá)到，但大口徑光學(xué)系統(tǒng)也意味著巨大的平臺(tái)尺寸和高昂的制造和發(fā)射成本。可見(jiàn)，在激光單次驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)碎片的成功移除，對(duì)激光器單脈沖能量或脈沖頻率以及發(fā)射鏡尺寸有很高的要求，就目前激光器研制水平很難滿足這些要求。

1.3 小能量激光接力移除的構(gòu)想

若使用單脈沖能量較小的激光器，則可以克服上述技術(shù)障礙。但是，帶來(lái)的問(wèn)題是，因?yàn)樾∧芰考す鉄o(wú)法在單次交匯過(guò)程中提供足夠的速度改變量，需要多次交匯才能成功移除目標(biāo)碎片。而由于單次交匯過(guò)程中碎片已獲得一定速度改變量發(fā)生降軌，這就要求移除平臺(tái)必須跟隨變軌，否則難以再次與其發(fā)生交匯作用，跟隨變軌清除意味著要消耗極大的推進(jìn)工質(zhì)，又增加了平臺(tái)負(fù)載，影響移除效率。因此，為克服高能激光器現(xiàn)有技術(shù)水平的障礙，受小衛(wèi)星星座的啟發(fā)，我們提出通過(guò)分布于不同軌道高度的多個(gè)小衛(wèi)星激光平臺(tái)組成星座系統(tǒng)，通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)接力的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)碎片的多次交匯驅(qū)動(dòng)作用，逐層降低碎片軌道，最終將其成功移除。

激光驅(qū)動(dòng)接力移除空間碎片系統(tǒng)如圖3所示。系統(tǒng)中每個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)具備一定范圍的碎片探測(cè)、跟瞄、驅(qū)動(dòng)能力，根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)工作距離和降軌能力來(lái)設(shè)置軌道高度間距，使得其驅(qū)動(dòng)范圍能相互銜接，探測(cè)、跟瞄范圍相互覆蓋，以構(gòu)成完整的激光驅(qū)動(dòng)星座體系。根據(jù)碎片軌道特點(diǎn)，實(shí)際移除方案可分為直接接力驅(qū)動(dòng)移除和準(zhǔn)接力驅(qū)動(dòng)移除兩種。

對(duì)于軌道參數(shù)較理想的碎片，可采用直接接力驅(qū)動(dòng)移除方式(每層平臺(tái)移除的都是同一個(gè)碎片)。從位于星座系統(tǒng)最高軌道衛(wèi)星平臺(tái)探測(cè)、跟瞄、驅(qū)動(dòng)目標(biāo)開(kāi)始，使其降軌進(jìn)入低一層軌道衛(wèi)星平臺(tái)跟瞄、驅(qū)動(dòng)范圍，按軌道高度從高到低逐層驅(qū)動(dòng)降軌，最終將其成功移除。在這一過(guò)程中，由于探測(cè)、跟瞄范圍相互覆蓋，較低軌道衛(wèi)星平臺(tái)在高軌驅(qū)動(dòng)過(guò)程中能始終獲得目標(biāo)碎片的軌道信息，從而實(shí)時(shí)調(diào)整自身軌道以獲得更好的驅(qū)動(dòng)窗口。

當(dāng)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)軌道參數(shù)理想的碎片時(shí)，高層軌道衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)碎片驅(qū)動(dòng)降軌后可能無(wú)法進(jìn)入低層軌道衛(wèi)星平臺(tái)作用范圍，從而無(wú)法形成有序接力。這種情況下可采用準(zhǔn)接力移除方案(每層平臺(tái)移除的不是同一個(gè)碎片)，如圖4所示。即離大氣層最近的第一層軌道內(nèi)的衛(wèi)星平臺(tái)首先將一個(gè)在其范圍內(nèi)的可移除碎片降軌移除，之后第二層軌道衛(wèi)星平臺(tái)將一個(gè)在其作用范圍內(nèi)的可移除碎片降軌降軌至第一層軌道。各層衛(wèi)星平臺(tái)按此順序逐次將其范圍內(nèi)碎片降軌。通過(guò)此準(zhǔn)接力方式，可在不影響各層碎片數(shù)量的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)最高層碎片的移除。

圖3 激光接力移除空間碎片系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of active space debris remove by laser-driven relay

圖4 準(zhǔn)接力移除空間碎片過(guò)程示意圖Fig.4 Schematic diagram of active space debris remove by quasi-laser-driven relay

2 激光接力小衛(wèi)星星座移除能力仿真

2.1 激光器和發(fā)射鏡關(guān)鍵參數(shù)及小衛(wèi)星星座布局

為了在小衛(wèi)星平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)碎片的有效驅(qū)動(dòng)，需要盡可能降低其對(duì)激光器和發(fā)射鏡兩大核心技術(shù)參數(shù)的要求。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)在I=107W/m2量級(jí)功率密度下即可產(chǎn)生沖量耦合效應(yīng)[14]，因此取最低功率密度閾值I=107W/cm2。天基激光器要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、能量利用率高，因此選取不需倍頻的波長(zhǎng)λ=1064 nm、脈寬t=5 ns激光。目前技術(shù)水平下大能量激光器光束質(zhì)量難以達(dá)到較高水平，因此取光束質(zhì)量M2=4.0。

在以上激光參數(shù)約束下，為達(dá)到I>107W/cm2，單脈沖能量E、發(fā)射鏡直徑D、最大作用距離z相互制約。圖5和圖6分別為激光作用距離大于100 km和小于100 km時(shí)，為達(dá)到I>107W/cm2，單脈沖能量E和發(fā)射鏡直徑D的相互關(guān)系曲線，E和D的選點(diǎn)必須落在曲線右上方。

圖5 激光作用距離大于100 km時(shí)單脈沖能量與發(fā)射鏡直徑關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve of the single pulse energy and the diameter of the transmitting mirror (z≥100 km)

從圖5中可看到，為滿足激光作用距離大于100 km以上，在一米以上發(fā)射鏡口徑下仍需要百焦耳量級(jí)的激光單脈沖能量，這是大大超出目前天基激光器能力的，因此不可行。從圖6中可看到，當(dāng)把激光作用距離縮減到30 km以內(nèi)時(shí)，0.5米以下口徑發(fā)射鏡即可通過(guò)幾十焦耳單脈沖能量激光滿足驅(qū)動(dòng)的功率密度閾值需求。表2-表4給出了滿足驅(qū)動(dòng)最小功率密度閾值需求的激光器和發(fā)射鏡具體參數(shù)。

表2 發(fā)射鏡直徑與激光單脈沖能量關(guān)系(作用距離z=30 km時(shí))Table 2 Relationship between the diameter of the transmitting mirror and the energy of the laser pulse (z=30 km)

根據(jù)表中結(jié)果，30 km距離上，通過(guò)0.5 m口徑發(fā)射鏡，可在目標(biāo)處形成20 cm尺寸光斑，所需激光單脈沖能量為31.5 J。在20 km和10 km時(shí)，兩者均可在目標(biāo)處形成小于10 cm的光斑，通過(guò)10 J激光單脈沖能量即可達(dá)到驅(qū)動(dòng)所需的最小功率密度閾值。根據(jù)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)的天基脈沖激光器性能指標(biāo)可實(shí)現(xiàn)1 Hz重頻和10 J單脈沖能量。因此，10 J激光單脈沖能量和0.5 m口徑發(fā)射鏡是可行的組合。該參數(shù)組合可在20 km距離上使投射的激光能量達(dá)到107W/cm2功率密度閾值，在10 km距離上通過(guò)縮小光斑使功率密度達(dá)到108W/cm2獲得較高的沖量耦合系數(shù)。最終確定系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如表5。

表3 發(fā)射鏡直徑與激光單脈沖能量關(guān)系(作用距離z=20 km時(shí))Table 3 Relationship between the diameter of the transmitting mirror and the energy of the laser pulse (z=20 km)

表4 發(fā)射鏡直徑與激光單脈沖能量關(guān)系(作用距離z=10 km時(shí))Table 4 Relationship between the diameter of the transmitting mirror and the energy of the laser pulse (z=10 km)

表5 激光器和發(fā)射鏡參數(shù)Table 5 Parameters of laser and transmitting mirror

根據(jù)每一個(gè)平臺(tái)的激光作用范圍，可進(jìn)一步確定衛(wèi)星星座的軌道分布，即每隔20 km軌道高度設(shè)置一顆激光驅(qū)動(dòng)小衛(wèi)星。20 km驅(qū)動(dòng)距離可保證驅(qū)動(dòng)范圍的銜接。以800 km高度目標(biāo)軌道為例，將該軌道碎片降軌到200 km實(shí)現(xiàn)移除需要30顆小衛(wèi)星組成的星座進(jìn)行接力驅(qū)動(dòng)。

2.2 激光接力小衛(wèi)星星座移除碎片能力仿真

為保證星座能實(shí)現(xiàn)對(duì)碎片的接力驅(qū)動(dòng)，就必須要求單星降軌能力足夠?qū)⒛繕?biāo)碎片驅(qū)動(dòng)至相鄰衛(wèi)星的作用范圍。因此需要根據(jù)確定的小衛(wèi)星平臺(tái)系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)其降軌能力進(jìn)行模擬驗(yàn)證。為此，我們自行編寫了仿真計(jì)算軟件對(duì)其降軌能力進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。仿真軟件以碎片和激光驅(qū)離系統(tǒng)的初始位置和速度為初始輸入，根據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)計(jì)算每次激光照射時(shí)碎片與系統(tǒng)的相對(duì)位置及激光作用角度，結(jié)合碎片參數(shù)對(duì)每一次驅(qū)動(dòng)過(guò)程中碎片獲得速度增量進(jìn)行計(jì)算，從而獲得碎片速度、位置、軌道的變化，直到其脫離系統(tǒng)作用范圍，仿真計(jì)算具體流程如圖7所示。

每一個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)系統(tǒng)參數(shù)為：脈沖激光單脈沖能量10 J重頻1 Hz，到靶能量效率80%，激光有效作用范圍20 km，目標(biāo)碎片直徑10 cm。為了計(jì)算系統(tǒng)最大移除能力，選擇最佳作用位置作為起始位置，即目標(biāo)碎片起始位置為與平臺(tái)同軌道同向，位于驅(qū)離系統(tǒng)后方3 km處。

圖7 激光接力小衛(wèi)星星座移除碎片能力仿真計(jì)算流程圖Fig.7 Flow chart for simulation of the removal capability of small satellite constellation

低軌空間碎片面質(zhì)比一般介于0.15～25 cm2/g之間。其中，占碎片數(shù)量44%的鋁合金材料平均面質(zhì)比為0.37 cm2/g，10 cm尺度的鋁合金材質(zhì)的空間碎片平均質(zhì)量200 g；占碎片數(shù)量37%的多層隔熱材料平均面質(zhì)比為25 cm2/g，10 cm尺度的多層隔熱材料的平均質(zhì)量為3.14 g。在上述給定輸入的條件下，不同材質(zhì)空間碎片獲得的速度增量與降軌效果如表6所示。對(duì)半徑10 cm、不同厚度的鋁合金圓板獲得的速度增量及降軌效果進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表7所示。

從表6、7結(jié)果可知，單衛(wèi)星平臺(tái)由于激光單脈沖能量和作用距離的限制，對(duì)不同材質(zhì)目標(biāo)碎片產(chǎn)生的降軌能力有限，僅為20～30 km。該距離不足將碎片成功移除，但足夠使碎片降軌進(jìn)入低軌道衛(wèi)星平臺(tái)作用范圍，從而能夠保證星座系統(tǒng)中不同軌道高度衛(wèi)星平臺(tái)間的激光接力驅(qū)動(dòng)移除過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。

表6 不同材質(zhì)空間碎片獲得的速度增量與降軌效果Table 6 Velocity increment and orbit reduction of different material space debris

表7 不同厚度鋁合金板獲得的速度增量及降軌效果Table 7 Velocity increments and orbit reduction of aluminum alloy plate with different thickness

3 結(jié) 論

為克服單次驅(qū)動(dòng)移除近地軌道碎片對(duì)天基高能激光器性能指標(biāo)要求苛刻問(wèn)題，本文提出了通過(guò)激光接力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)碎片移除的小衛(wèi)星星座系統(tǒng)。根據(jù)激光燒蝕驅(qū)動(dòng)沖量耦合原理，計(jì)算了在目前工程可行的激光器和發(fā)射鏡參數(shù)下，小衛(wèi)星平臺(tái)上對(duì)1～10 cm尺度空間碎片的驅(qū)動(dòng)能力?；诖颂岢隽擞?0顆軌道高度間隔20 km小衛(wèi)星對(duì)800 km軌道碎片進(jìn)行接力驅(qū)動(dòng)移除的小衛(wèi)星星座系統(tǒng)方案，并通過(guò)仿真模擬計(jì)算了星座系統(tǒng)的移除能力。主要結(jié)論如下。

1)在小衛(wèi)星平臺(tái)上利用10 J單脈沖能量激光器和0.5 m直徑發(fā)射鏡口徑驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)20 km范圍內(nèi)尺、寸小于10 cm空間碎片的有效驅(qū)動(dòng)。

2)由30顆軌道高度間隔20 km的小衛(wèi)星構(gòu)成的激光接力驅(qū)動(dòng)移除星座，可對(duì)800 km軌道區(qū)域10 cm以下的空間碎片進(jìn)行有效移除。