空間碎片再利用新型推進(jìn)技術(shù)研究

林倩，方忠堅，王遠(yuǎn)，陳芳浩，羅莉

(北京控制工程研究所，北京100190)

1 引言

空間碎片是空間環(huán)境的主要污染源。近年來，空間碎片數(shù)量在不斷地持續(xù)上升，對航天器安全和航天員生命造成巨大威脅[1]，因此空間碎片的清理勢在必行。一般會通過主動清除與機(jī)動規(guī)避等方法對空間碎片進(jìn)行處理。國內(nèi)外針對主動清除空間碎片的技術(shù)研究十分廣泛，包括激光清除方法、通過空間機(jī)械臂及繩網(wǎng)等方法進(jìn)行抓捕清除的方法，以及太陽帆變軌移除方法等。

目前大部分碎片是航天器解體后形成的，采用的都是航天器最常用的材料，如鋁、鎂、鈦等輕合金，可以作為新型推進(jìn)的工質(zhì)來源?？臻g碎片若能實(shí)現(xiàn)再利用，將會推動空間推進(jìn)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)空間飛行器的自給自足，對延長航天器的在軌壽命具有重要意義。同時，通過發(fā)展空間碎片的再利用技術(shù)，還能為空間基地、空間中轉(zhuǎn)站的長期在軌研究打下基礎(chǔ)。文獻(xiàn) [2]中提出了空間碎片發(fā)動機(jī)的新概念和一種空間碎片清理的新方式。

本文探索了空間碎片在被捕獲之后，進(jìn)行物質(zhì)分解、破碎及加速的方法與技術(shù)，提出了以空間碎片粉末為工質(zhì)的新型推進(jìn)技術(shù)和空間碎片能量轉(zhuǎn)化再利用系統(tǒng)方案，對空間碎片發(fā)動機(jī)進(jìn)行原理性論證，設(shè)計了基于超聲霧化技術(shù)的粉末化模塊和基于微陰極電弧技術(shù)的空間碎片發(fā)動機(jī)模塊，完成了空間碎片推進(jìn)模塊的方案設(shè)計，達(dá)到清除空間碎片和延長航天器使用壽命的目的。

圖1 空間碎片再利用系統(tǒng)模塊圖Fig.1 Debris reutilization propulsion module system

2 空間碎片粉末化處理

空間碎片主要由報廢的空間裝置、失效的載荷、火箭殘骸、絕熱防護(hù)材料、分離裝置及因碰撞、風(fēng)化產(chǎn)生的碎屑物質(zhì)組成，基本包含航天器上使用的所有材料。文獻(xiàn)研究表明，空間碎片成分中，鋁、鎂、鈦等輕合金占到了60% ～70%[3]。因此本研究主要以鈦、鋁等金屬材料作為研究對象，來研究其粉末化技術(shù)。本文主要研究利用超聲霧化技術(shù)來對熔煉后的金屬類空間碎片進(jìn)行粉末化處理。

超聲霧化主要可以分為超聲氣霧化和超聲振動霧化兩大類。

超聲氣霧化的原理是利用超聲振動能量和超聲速氣流沖擊熔融金屬液，撞擊成金屬液滴，經(jīng)冷卻形成細(xì)小的金屬粉末顆粒。氣霧化法主要靠動能使液流破碎，制粉效率較高，但需要消耗大量惰性氣體，生產(chǎn)成本較高。

超聲振動霧化在金屬粉末制備領(lǐng)域?qū)儆谛滦挽F化技術(shù)。其霧化機(jī)理為高頻振動激發(fā)表面張力波，金屬薄液層在張力波作用下霧散成細(xì)小液滴，液滴破碎能量來自于電能轉(zhuǎn)化過來的聲能，霧化過程基本以靜態(tài)模式進(jìn)行。液滴破碎能量僅來自于電能轉(zhuǎn)化過來的聲能，并且由于金屬液體與超聲聚能器振動表面直接接觸，霧化所需要的超聲能量很小，不像超聲氣霧化那樣消耗大量的惰性氣體，且其霧化基本以靜態(tài)模式進(jìn)行，無任何高速運(yùn)動。該法工藝設(shè)備簡單、可控性高，適于制備粒度分布窄、球形度好、氧含量低的微細(xì)金屬粉體，目前已成為制備高品質(zhì)金屬粉體材料的首選方法[4]。

對于超聲霧化的機(jī)理描述一直沿用Kelvin提出的表面張力波理論，Rayleigh通過計算和試驗(yàn)總結(jié)出霧滴直徑 (D)與超聲振動頻率 (f)、液體的物化特性 (密度ρ，表面張力系數(shù)σ)之間的關(guān)系、表述為如下公式[5]。

這種工作方式一般用較低的超聲頻率，如20～40kHz。上式表明，采用超聲霧化方法制得的金屬粉末的顆粒直徑與超聲工作頻率成反比，工作頻率越高，所制得的粉末粒度越細(xì)。

綜上所述，通過超聲振動霧化技術(shù)制備粉末的方法工藝設(shè)備簡單、可控性高，適于制備粒度分布窄、球形度好、氧含量低的微細(xì)金屬粉體，十分有利于后續(xù)將碎片粉末作為發(fā)動機(jī)工質(zhì)，因此選用超聲振動霧化技術(shù)來對熔煉后的金屬類空間碎片進(jìn)行粉末化處理。

3 空間碎片加速技術(shù)研究

3.1 幾種空間碎片加速技術(shù)研究對比

3.1.1 基于電磁軌道炮技術(shù)的粉末加速技術(shù)

電磁軌道炮的工作原理是根據(jù)電磁感應(yīng)定律，兩導(dǎo)軌相互平行，發(fā)射組件沿著導(dǎo)軌軸線方向滑動，產(chǎn)生洛倫茲力，推動彈丸向炮口做加速運(yùn)動，將電磁能轉(zhuǎn)換成動能。發(fā)射時，電流在導(dǎo)軌的末端通入，沿一根導(dǎo)軌流動，通過電樞，沿另一根導(dǎo)軌流回，構(gòu)成閉合回路。大電流流經(jīng)導(dǎo)軌回路感應(yīng)出強(qiáng)大的磁場，電樞中的電流和這個磁場相互作用，產(chǎn)生了非常高的推動發(fā)射組件向前做加速運(yùn)動的電磁力，當(dāng)電樞到達(dá)炮口時，電樞和電樞前面的彈丸獲得高速度，彈丸脫離電路或軌道，開始自由飛行。盡管加速速度不高，但加速的動能也超過單個空間碎片粉末粒子達(dá)到千米/秒級別的動能，因此可以初步認(rèn)為，采用電磁炮加速技術(shù)來加速碎片粉末具備可行性。

3.1.2 基于等離子體加速器的碎片加速技術(shù)

等離子體加速器主要用于地面模擬超高速微小空間碎片撞擊效應(yīng)，其加速原理可以直接應(yīng)用于碎片粉末加速。

等離子體加速器是將高壓電能儲存在電容器中，通過電容器儲存能量，在金屬絲或金屬膜上放電，產(chǎn)生高溫、高壓等離子體，利用等離子體將微粒加速到超高速范圍。研究表明，利用高溫度、高密度、高壓強(qiáng)的等離子體可以將直徑為10～1000μm的微粒加速至l～20km/s[6]。等離子體加速器適合微粒子群的發(fā)射，其發(fā)射機(jī)理是靠超高速等離子體流對微粒子群的 “拖曳”作用。等離子體加速主要靠高溫度、高密度、高壓強(qiáng)的等離子 “帶動”微粒來使其加速運(yùn)動。若要將該類加速機(jī)制用于空間碎片發(fā)動機(jī)，需要額外提供氣源來生產(chǎn)等離子體。

3.1.3 基于范德格拉夫靜電加速器的微米級碎片加速技術(shù)

靜電加速器用于驅(qū)動粉塵級微小碎片，尺寸一般是幾十納米到幾微米大小的粉塵粒子。在微米級空間碎片超高速撞擊地面模擬實(shí)驗(yàn)中有成功應(yīng)用先例，也是空間碎片發(fā)動機(jī)加速機(jī)理備選方案之一。其基本工作過程是通過粉塵粒子源使粉塵帶上電荷，并將帶電微粒發(fā)射到靜電加速區(qū)，通過靜電加速器發(fā)射超高速粒子。國外研究表明，采用粉塵靜電加速器可以將直徑0.2μm的粒子加速到18km/s，微粒直徑0.02μm時，速度高達(dá)100km/s[7]。

3.1.4 激光燒蝕推進(jìn)加速技術(shù)

激光推進(jìn)的實(shí)質(zhì)就是激光與物質(zhì)相互作用。激光是一種相干性、單色性、方向性和強(qiáng)度均極高的輻射能量源。當(dāng)高功率密度激光與固體或液體材料相互作用時，若其功率密度高于一定的閾值，則能使材料表面迅速氣化產(chǎn)生蒸汽，蒸汽會產(chǎn)生顯著的原子激發(fā)和離化。這種已部分電離的蒸汽將通過逆韌致輻射機(jī)理強(qiáng)烈吸收后續(xù)激光輻射能量而進(jìn)一步電離，形成高溫等離子體，其溫度可達(dá)幾千至幾萬度。當(dāng)高功率密度激光與氣體相互作用時，強(qiáng)激光能量能使氣體發(fā)生光學(xué)擊穿，氣體分子剝離出電子，形成等離子體。這個特點(diǎn)使得激光推進(jìn)可以應(yīng)用到很多領(lǐng)域內(nèi)的空間任務(wù)中。將激光燒蝕推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于空間碎片，主要需要解決基于碎片粉末的靶材制備問題。而粉末化之后的粉末顆粒具備加工成任意形狀靶材的可能性，可以作為空間碎片加速的有前景的備選方案。

3.1.5 基于微陰極電弧技術(shù)的空間碎片發(fā)動機(jī)技術(shù)

微陰極電弧推力器 (Micro-Cathode Arc Thruster，μCAT)屬于電推力器，利用真空條件下放電電弧燒蝕陰極材料產(chǎn)生高速的等離子體以產(chǎn)生推力。微陰極電弧推力器主體由陰極、陽極、絕緣材料、電磁線圈及磁芯組成。當(dāng)電感儲能觸發(fā)放電后，燒蝕陰極材料，產(chǎn)生等離子團(tuán)；使用電磁線圈提供外加磁場，磁場以一定角度穿過放電通道，置于電磁線圈陰極一側(cè)的磁芯用于約束磁感線方向；在電場力及洛倫茲力的作用下，等離子體從放電通道噴出產(chǎn)生推力。

對以上五種加速方式進(jìn)行從結(jié)構(gòu)尺寸、供電供氣等方面進(jìn)行比較分析，分析結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，等離子體加速技術(shù)由于需要高壓及外部供氣，同時需要高壓且系統(tǒng)復(fù)雜，不太適合本研究。電磁軌道炮加速技術(shù)、范德格拉夫靜電加速器加速技術(shù)、激光燒蝕推進(jìn)加速技術(shù)、微陰極電弧技術(shù)相對來說技術(shù)更簡單，需要的外部設(shè)備少，不需要輔助氣體，系統(tǒng)更緊湊；但靜電加速需要高壓可能會限制其使用；從推力大小、功耗大小方面、系統(tǒng)負(fù)責(zé)程度來進(jìn)行比較，微陰極電弧推力器有著較好的優(yōu)勢。由于空間碎片粉末化處理之后，可以方便地采用粘合劑制成各種形狀的微陰極，因此微陰極電弧推力器是一種較適用于空間碎片發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)方案。

3.2 基于微陰極電弧技術(shù)的空間碎片發(fā)動機(jī)技術(shù)

微陰極電弧推力器 (Micro-Cathode Arc Thruster，μCAT)，下面簡稱 μCAT。微陰極電弧推力器是由美國喬治華盛頓大學(xué)近年來研制的一種新型推力器[8]，其利用真空條件下放電電弧燒蝕陰極材料產(chǎn)生較高電離度的高速等離子體，并利用外加磁場聚焦等離子體以產(chǎn)生推力。μCAT具有總沖較高、元沖量較小、系統(tǒng)質(zhì)量較低、系統(tǒng)體積較小、造價低廉等優(yōu)點(diǎn)，且易于實(shí)現(xiàn)模塊化，易于批量化生成，能夠滿足推進(jìn)模塊化的需求。

表1 不同加速方式特點(diǎn)對比Table 1 Comparison between different acceleration manners

微陰極電弧推力器主體由陰極、陽極、絕緣材料、電磁線圈及磁芯組成，具體如圖2所示。當(dāng)電感儲能觸發(fā)放電后，燒蝕陰極材料，產(chǎn)生等離子團(tuán)；使用電磁線圈提供外加磁場，磁場以一定角度穿過放電通道，置于電磁線圈陰極一側(cè)的磁芯用于約束磁感線方向；在電場力及洛倫茲力的作用下，等離子體從放電通道噴出產(chǎn)生推力。原理如圖3所示。

微陰極電弧推力器主要具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)電壓低、質(zhì)量輕、體積小:微陰極電弧推力器的電極間距是毫米級，因此只需要10V級電壓即可產(chǎn)生電弧。同時因?yàn)槭褂秒姼袃δ芊绞剑捎肐GBT控制電路，省卻了升壓模塊，且采用固體推進(jìn)劑省去了推進(jìn)劑貯存系統(tǒng)及供給系統(tǒng)，所以質(zhì)量輕 (100g量級)，體積小 (100cm3量級)。

(2)燒蝕均勻:在外加磁場作用下，可旋轉(zhuǎn)微陰極電弧推力器電極上的熾點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)均勻燒蝕。

圖2 微陰極電弧推力器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 μCAT structure

圖3 微陰極電弧推力器原理圖Fig.3 μCAT principle

(3)比沖高:由于在推力器上加上電磁加速模塊，磁場加速了燒蝕產(chǎn)生的帶電粒子，打破化學(xué)推進(jìn)的約束，比沖在3000s量級，與普通的電推力器相比也具有很大的競爭力。

(4)控制靈活:脈沖工作方式，可通過調(diào)節(jié)放電頻率實(shí)現(xiàn)較廣范圍的性能參數(shù)。另外推力器上附加的加速磁場可以通過勵磁電流的大小，調(diào)節(jié)對帶電粒子的加速作用產(chǎn)生不同的性能。通過三個不同心的外加磁場可以實(shí)現(xiàn)微陰極電弧推力器的矢量控制。

美國喬治華盛頓大學(xué)MPNL實(shí)驗(yàn)室研制的微陰極電弧推力器樣機(jī)的性能參數(shù)如表2所示[9]。

表2 微陰極電弧推力器性能參數(shù)Table 2 μCAT performance parameters

由微陰極電弧推力器的主要特點(diǎn)及性能參數(shù)可知，微陰極電弧推力器非常適用于微納衛(wèi)星的軌道保持、姿態(tài)控制等低功耗、小推力、微沖量的航天任務(wù)。

北京控制工程研究所及其研究團(tuán)隊(duì)已攻克了陰極工質(zhì)均勻燒蝕、低電壓放電擊穿、磁場設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，完成原理樣機(jī)點(diǎn)火驗(yàn)證工作，并采用實(shí)驗(yàn)手段研究磁場對推力器影響；采用PIC/MCC方法開展數(shù)值仿真，獲得推力器內(nèi)部及羽流區(qū)相關(guān)參數(shù)分布，對其工作過程及工作機(jī)理開展研究，為工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[10]。

4 空間碎片推進(jìn)系統(tǒng)方案初步設(shè)計

根據(jù)本項(xiàng)目的研究思路，空間碎片推進(jìn)系統(tǒng)由三部分組成:碎片預(yù)處理模塊、超聲霧化及存儲模塊、動力轉(zhuǎn)換裝置，如圖4所示。

4.1 預(yù)處理模塊及超聲霧化模塊

預(yù)處理模塊和超聲霧化模塊系統(tǒng)方案如圖5所示。

圖4 空間碎片推進(jìn)系統(tǒng)組成Fig.4 Debris thruster system

空間碎片粉末化處理模塊由熔煉器、超聲振動霧化器、電源處理單元 (PPU)、中央控制單元(CMU)四部分組成。

圖5 空間碎片粉末化處理模塊系統(tǒng)方案Fig.5 Debris pulverization module system project

熔煉器:熔煉器用于對空間碎片進(jìn)行熔煉預(yù)處理，生成的熔融液作為陽極傘狀霧化振動頭的輸入。陽極既與陰極之間生成電弧直接融化空間碎片，又充當(dāng)超聲霧化器的振動工作頭。熔融液在惰性控制氣體的約束下運(yùn)動至振動頭后，在超聲聚能放大器的作用下，開始高頻振動，當(dāng)振動面的振幅達(dá)到一定值時，薄液層在超聲振動的作用下被擊碎，激起的液滴即從振動面上飛出形成霧滴。同時保護(hù)氣還對霧滴進(jìn)行冷卻，生成金屬粉末，通過收集槽進(jìn)入貯存室。

超聲振動霧化器:超聲振動霧化器由振動信號生成器，壓電晶體轉(zhuǎn)換器和超聲聚能放大器組成。震蕩電壓生成器生成震蕩電壓信號驅(qū)動壓電晶體換能器，經(jīng)過放大器放大之后，為傘狀霧化頭提供能量來源。

電源處理單元 (PPU):用于產(chǎn)生高電壓脈沖至熔煉器電極以產(chǎn)生電弧放電，以及在穩(wěn)態(tài)工作期間將衛(wèi)星母線電源轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏饕跃S持電弧；另外，PPU要具有與航天器的遙測遙控接口，用以傳輸電弧推進(jìn)系統(tǒng)的狀態(tài)至航天器以及從航天器接收遙控指令。PPU還應(yīng)具有衛(wèi)星電源母線保護(hù)功能和隔離噪聲的功能。

PPU組件與本系統(tǒng)其他部分的關(guān)系為:提供一次電源供電的接口；為熔煉器提供啟動脈沖供電；為超聲霧化器提供工作電源。

中央控制單元 (CMU):CMU的主要功能是按照時序邏輯控制電源處理單元 (PPU)、熔煉器、超聲振動霧化器的工作。按照指定時序邏輯控制電源處理單元中各模塊電源的通斷；控制熔煉器中陰極的運(yùn)動，使陰陽極間的間距與放電電弧功率保持最佳匹配；控制PPU為熔煉器提供穩(wěn)定的脈沖供電；控制超聲振動霧化器的工作頻率，使生成的粉末粒度滿足需求；負(fù)責(zé)和衛(wèi)星CMU的雙向數(shù)據(jù)通信能力，提供模塊的遙測/遙控接口；具有應(yīng)對模塊自身各種故障模式的識別和處理能力。

4.2 動力轉(zhuǎn)換裝置

通過第3節(jié)的研究對比，最終選擇以微陰極電弧技術(shù)來設(shè)計動力轉(zhuǎn)換裝置。采用環(huán)形電極方案來開展微陰極電弧推力器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，整個動力轉(zhuǎn)換裝置系統(tǒng)組成如圖6所示。主要包括:微陰極電弧推力器、微陰極棒制備器、微陰極棒裝填輸送裝置、裝填器、電源及控制電路六大部分。

微陰極電弧推力器:微陰極電弧推力器通過真空條件下放電電弧燒蝕陰極材料產(chǎn)生高速等離子體產(chǎn)生推力，由陰極、陽極、磁芯、電磁線圈及彈簧組成。當(dāng)電感儲能觸發(fā)放電后，燒蝕陰極材料，產(chǎn)生等離子團(tuán)；使用電磁線圈提供外加磁場，磁場以一定角度穿過放電通道，置于電磁線圈陰極一側(cè)的磁芯用于約束磁感線方向；在電場力及洛倫茲力的作用下，等離子體從放電通道噴出產(chǎn)生推力。通過彈簧控制微陰極的運(yùn)動，使得微陰極始終保持端面燒蝕。

微陰極棒制備器:微陰極棒制備器主要起由碎片粉末制備微陰極棒的作用。通過使用特制膠水和模具，直接將粉末制備成微陰極的尺寸。

微陰極棒裝填輸送裝置:輸送裝置主要起到將制備器生成的棒材移動到裝填窗處，并壓緊使其進(jìn)入微推力器的功能。主要涉及的功能有夾持、運(yùn)輸、壓緊等三大功能。

裝填器:裝填器由控制電機(jī)、彈簧壓緊端、鋼索、鋼索盤等裝置組成。主要用于在更換微陰極棒時，通過控制電機(jī)運(yùn)動帶動鋼索盤，使鋼索拉緊彈簧壓緊端從而使彈簧收縮。當(dāng)彈簧進(jìn)一步收縮，微陰極裝填窗打開，為狀態(tài)輸送裝置裝填做準(zhǔn)備。

電源及控制電路:實(shí)現(xiàn)由整星母線電壓到各組件工作電壓的轉(zhuǎn)換，為整個推進(jìn)系統(tǒng)各個組件提供所需的電壓、電流；控制電路負(fù)責(zé)控制指令的解析。

圖6 動力轉(zhuǎn)換裝置系統(tǒng)方案Fig.6 Power conversion system concept

5 結(jié)論

通過開展空間碎片粉末化分解技術(shù)研究和空間碎片加速技術(shù)研究，提出了空間碎片再利用系統(tǒng)方案，并對方案的可行性進(jìn)行論證，設(shè)計了基于超聲振動霧化技術(shù)的粉末化模塊和基于微陰極電弧技術(shù)的空間碎片發(fā)動機(jī)模塊，完成了空間碎片推進(jìn)模塊的方案設(shè)計，為后續(xù)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，最終達(dá)到清除空間碎片及延長航天器使用壽命的目的。