一種低軌廢棄目標(biāo)的捕獲與回收方案

王立武，劉安民，許望晶,*，張青斌，王廣興，魯媛媛

1. 中國航天科技集團(tuán)有限公司 航天進(jìn)入、減速與著陸技術(shù)實驗室，北京 100094 2. 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094 3. 國防科技大學(xué)，長沙 410073

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外航天發(fā)射任務(wù)逐年增多，隨之也產(chǎn)生了大量在軌滯留的失效航天器、空間碎片等廢棄目標(biāo)。目前在軌的廢棄目標(biāo)3.6萬多個[1]， 軌道上日益增多的廢棄目標(biāo)占用了寶貴且有效的軌道資源，必將影響和威脅人類對空間資源的可持續(xù)利用。因此及時移除軌道廢棄目標(biāo)是安全高效利用軌道資源的前提，尤其是低軌上的廢棄目標(biāo)，其分布較密集，碰撞概率也相對較高，嚴(yán)重影響了航天器進(jìn)入空間通道的暢通[2]。目前國內(nèi)外主要針對空間碎片的清除進(jìn)行了相關(guān)研究[3-6]，清除方式包括拖離至墳?zāi)管壍阑蚴怪M(jìn)入大氣層燒毀，對廢棄目標(biāo)的回收涉及較少。

參照航天器回收著陸技術(shù)的定義[7]，提出天基回收技術(shù)概念。天基回收技術(shù)是指在外層空間，對不具備下行能力的空間目標(biāo)利用抓捕裝置、離軌裝置、氣動減速裝置或著陸緩沖裝置，通過特定的控制手段，使其離軌進(jìn)入大氣層，進(jìn)而完成氣動熱銷毀或提供熱防護(hù)以返回地球進(jìn)行回收的技術(shù)。本文所提出的天基回收技術(shù)主要涉及在軌捕獲技術(shù)、離軌技術(shù)以及再入返回技術(shù)等，目前這些相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外均開展單項關(guān)鍵技術(shù)研究，只是還未從系統(tǒng)上進(jìn)行考慮集成整合以實現(xiàn)天基回收。

低軌廢棄目標(biāo)捕獲屬于空間非合作目標(biāo)的抓捕[8-9]。由于空間柔性捕獲具有可折疊、質(zhì)量小、對控制系統(tǒng)要求低以及可適用于不同形狀和尺寸的空間目標(biāo)等特點，目前多國研究機(jī)構(gòu)啟動了空間柔性抓捕的研究項目[10-15]。典型的有歐空局的主動碎片移除計劃(e.Deorbit)，在2018年9月成功開展了世界首次真實太空環(huán)境下飛網(wǎng)抓捕立方星技術(shù)驗證，如圖1所示。

圖1 e.Deorbit 在軌捕獲示意Fig.1 On-orbit capture diagram of e.Deorbit

典型的離軌技術(shù)分為主動和被動兩種，被動離軌是目前正在研究的新型離軌方式[16-21]。對于低軌廢棄目標(biāo)來說，可采用充氣式增阻離軌裝置(主要為阻力帆、增阻球)來使其脫離原先運行軌道進(jìn)入大氣層。2019年3月，歐洲在軌開展了阻力帆離軌驗證，同年7月和9月，中國分別開展了“北理工一號”衛(wèi)星的增阻球以及金牛座納星阻力帆式離軌技術(shù)的在軌驗證，如圖2所示。

圖2 充氣式增阻離軌裝置在軌展開示意Fig.2 The deployment of the inflatable drag-increasing device

對于再入返回來說，目前基于柔性熱防護(hù)系統(tǒng)，出現(xiàn)了充氣式進(jìn)入減速的再入返回方式，如圖3所示。國外比較著名的充氣式進(jìn)入減速項目有俄羅斯的IRDT項目和美國的HIAD項目等[22-24]，利用火箭彈完成了亞軌道飛行試驗驗證。國內(nèi)于2018年4月首次成功開展了60 km高度的IRDT演示驗證試驗，2020年5月首次開展了IRDT在軌再入返回驗證嘗試。

圖3 IRDT再入返回裝置示意Fig.3 The reentry and return device of IRDT

在空間碎片治理領(lǐng)域，目前國內(nèi)外主要開展空間碎片主動清除研究。出于低成本、高效能清除考慮，開始涉及捕獲及離軌的綜合研究，但對捕獲、離軌、回收一體化的天基回收研究較少。中國正向航天強(qiáng)國邁進(jìn)，發(fā)展天基回收技術(shù)既能展示空間技術(shù)實力，也能實現(xiàn)空間碎片清理，更能提升空間攻防對抗能力。在目前的研究現(xiàn)狀及技術(shù)基礎(chǔ)上，開展天基回收技術(shù)概念、方案研究，梳理天基回收工作過程、技術(shù)途徑及驗證可行性具有重要的意義。

為進(jìn)一步闡述天基回收技術(shù)的概念，本文以低軌廢棄目標(biāo)回收為研究對象，提出了一種新型組合式柔性捕獲回收方案，開展了方案論證，通過動力學(xué)仿真分析對方案技術(shù)可行性進(jìn)行了初步驗證，以期為后續(xù)的研究提供有益的參考和借鑒。

1 捕獲與回收方案設(shè)計

本文針對低軌道大型廢棄目標(biāo)開展了捕獲與回收方案設(shè)計。低軌廢棄目標(biāo)的捕獲與回收工作過程可以分為3個階段，首先是對廢棄目標(biāo)進(jìn)行在軌捕獲，其次是被動離軌，最后是再入返回。再入返回時若無熱防護(hù)措施，則氣動銷毀；若有熱防護(hù)措施，可安全返回地球。本方案再入返回考慮熱防護(hù)措施。

考慮空間柔性可展開裝置發(fā)射時可折疊包裝，使用時拉出展開或充氣展開，空間、質(zhì)量要求相對較小，成本低，效果好，使用方便，是未來的發(fā)展方向和趨勢。因此本方案采用通過發(fā)射空間繩網(wǎng)抓捕低軌廢棄目標(biāo)，實現(xiàn)在軌捕獲，然后利用充氣式增阻離軌裝置來增加平臺的阻力面積，依靠大氣阻力進(jìn)行被動離軌，接著通過IRDT裝置實現(xiàn)再入過程的熱防護(hù)、氣動減速和最終穩(wěn)降和著陸。

低軌廢棄目標(biāo)捕獲與回收系統(tǒng)均以收攏折疊包裝方式隨平臺發(fā)射，入軌后捕獲回收，大體可劃分為以下7個步驟，如圖4所示。

圖4 回收工作程序示意Fig.4 The recovery process diagram

1)平臺軌道機(jī)動靠近廢棄目標(biāo)，發(fā)射空間繩網(wǎng)，對廢棄目標(biāo)進(jìn)行抓捕；

2)捕獲目標(biāo)后，對組合體姿態(tài)進(jìn)行整理，形成穩(wěn)定的整體；

3)充氣式增阻離軌裝置充氣展開進(jìn)行離軌操作，以不斷降低軌道高度；

4)組合體在進(jìn)入大氣層前，拋掉充氣式增阻離軌裝置，為IRDT裝置做好準(zhǔn)備；

5)IRDT裝置充氣展開，準(zhǔn)備進(jìn)入大氣層；

6)進(jìn)入大氣層后，通過IRDT裝置進(jìn)行防熱、減速；

7)穩(wěn)降著陸，對廢棄目標(biāo)進(jìn)行回收。

1.1 繩網(wǎng)捕獲方案

空間繩網(wǎng)采用平面四邊形繩網(wǎng)，菱形網(wǎng)目，如圖5所示。發(fā)射時折疊包裝在網(wǎng)包里，工作時由發(fā)射器彈射質(zhì)量塊將繩網(wǎng)從網(wǎng)包中一層層有序拉出。完全拉出展開后形成具有一定面積的柔性大網(wǎng)，展開并向前飛行。繩網(wǎng)與廢棄目標(biāo)接觸碰撞后將其包裹住，然后觸發(fā)收口裝置，繩網(wǎng)外圈繩上的收口繩收緊從而將繩網(wǎng)口收小，并進(jìn)一步鎖死以完全捕獲住目標(biāo)。最后通過系繩對捕獲目標(biāo)進(jìn)行操作，穩(wěn)定組合體姿態(tài)。

圖5 空間繩網(wǎng)示意Fig.5 The space net diagram

1.2 增阻離軌方案

充氣式增阻離軌裝置為柔性可開展式增阻結(jié)構(gòu)，使用前折疊貯存，工作時展開并膨脹，形成大的迎風(fēng)面積，使任務(wù)后組合體氣動阻力顯著增大，如圖6所示，從而迫使組合體速度降低，加快離軌速度，進(jìn)而縮短軌道壽命，使其離軌再入大氣層。

圖6 充氣式增阻離軌裝置示意Fig.6 The inflatable drag-increasing deorbit device

1.3 再入返回方案

再入返回采用IRDT裝置進(jìn)行熱防護(hù)和再入減速，IRDT裝置由折疊狀的耐高溫柔性編織物包裹在組合體外圍，形成防熱罩，如圖7所示。目前使用的柔性熱防護(hù)材料進(jìn)行了高焓風(fēng)洞試驗[25]，在15 W/cm2的熱流下，持續(xù)時間 300 s，試件表面溫度超過1 300℃，冷端最高溫度約112℃，可滿足熱防護(hù)要求。

圖7 IRDT裝置示意Fig.7 The IRDT device diagram

其發(fā)射時折疊包裝，進(jìn)入大氣層前，防熱罩充氣形成倒錐外形，包裹著組合體以免被劇烈的氣動加熱燒毀和承受氣動力載荷，并有效地進(jìn)行氣動減速，當(dāng)下降到一定高度后，還可根據(jù)需要進(jìn)行二次展開以提供更大的阻力，做進(jìn)一步減速，確保組合體以可接受的安全速度著陸。

2 動力學(xué)模型

如上文所述，本文假定在軌捕獲回收的低軌道廢棄目標(biāo)質(zhì)量為1 000 kg，柔性繩網(wǎng)的名義展開面積為1 600 m2，增阻離軌充氣展開后直徑為10 m，采用 IRDT裝置半錐角為60°，展開后直徑為9 m，以此建立動力學(xué)模型。

2.1 繩網(wǎng)捕獲類型

(1)

對于4個質(zhì)量塊，還需在式(1)上加上其質(zhì)量ms。

在建模過程中，首先將繩索劃分成若干個有限繩段單元，將繩段單元等效成“彈簧”和“阻尼器”單元組合，即質(zhì)量-半阻尼彈簧模型，模型如圖8所示，繩段單元n的剛度用kn表示，阻尼系數(shù)用cn表示，繩段單元n的結(jié)點坐標(biāo)分別用xn、yn、zn表示。

圖8 繩索質(zhì)量-半彈簧阻尼模型示意Fig.8 The mass & semi-linear springs and dampers model of the space net

繩網(wǎng)點i的動力學(xué)方程都可以在地心慣性系N下表示為：

(2)

柔性體的碰撞與滑動過程屬于邊界條件非線性問題。在空間柔性捕獲任務(wù)中，繩索不可避免地會與目標(biāo)發(fā)生碰撞接觸?；贖ertz接觸理論的碰撞力計算方法，進(jìn)行了捕獲目標(biāo)的動力學(xué)分析，如圖 9所示。繩網(wǎng)展開后在約3 s時間內(nèi)完成目標(biāo)捕獲，其中上方為軸向視圖，下方為側(cè)向視圖，可以看出繩網(wǎng)在展開捕獲過程中的外形變化情況。

圖9 繩網(wǎng)展開與捕獲過程的動力學(xué)仿真結(jié)果Fig.9 The deployment and capture dynamic simulation of space net system

2.2 離軌及再入模型

離軌階段主要由充氣式柔性展開結(jié)構(gòu)增大組合體的氣動阻力而降低軌道速度，利用軟件中的高精度軌道外推模型(HPOP)中的大氣模型可以精確計算大氣阻力攝動，從而可以用來對低軌道的飛行器軌道預(yù)測。氣動力項由以下公式估算：

(3)

式中：D為阻力；L為升力；ρ為大氣密度；CD、CL分別為與組合體攻角有關(guān)的阻力系數(shù)、升力系數(shù)；A為增阻離軌裝置充氣展開的有效面積；m為組合體總質(zhì)量。

當(dāng)增阻離軌裝置充氣展開時阻力系數(shù)取2.2、面質(zhì)比A/m取0.5 kg/m2，即返回有效載荷1 kg需要充氣展開面積為0.5 m2。離軌過程中大氣密度也隨軌道高度降低而改變，可以用指數(shù)大氣密度模型描述：

(4)

式中：ρ0為海平面大氣密度；r為組合體地心距；r0為地球平均半徑；hs為地球大氣密度標(biāo)高，標(biāo)高與大氣類型及距離地球表面高度有關(guān)。

經(jīng)過增阻離軌后組合體軌道降低到120 km，在該高度下任何航天器都可以自主迅速地衰減到大氣層。進(jìn)入大氣層前IRDT裝置充氣展開，利用該裝置進(jìn)行再入返回的隔熱及減速。組合體離軌及再入三自由度運動模型如下：

(5)

其中，位置用地心距r、經(jīng)度λ、緯度Φ這3個參數(shù)來描述；速度用速度大小V、速度傾角?、速度偏角σ這3個參數(shù)來確定, 速度傾角定義為速度矢量與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角，速度矢量指向水平面上方為正，速度偏角定義為速度矢量在當(dāng)?shù)厮矫嫱队芭c正北方向的夾角，從正北方向到速度矢量為順時針旋轉(zhuǎn)時為正；gm為地球重力加速度；ν為傾側(cè)角，表示升力方向與包含速度矢量的鉛垂面之間的夾角, 從組合體尾部向前看，若升力方向向右傾斜，則傾側(cè)角為正；ωm=7.292×10-5rad/s為地球自轉(zhuǎn)角速度。

3 仿真結(jié)果

基于第2節(jié)建立的動力學(xué)模型，對捕捉廢棄目標(biāo)后的組合體的離軌及再入情況分別進(jìn)行了仿真，設(shè)其初始軌道為高度350 km的圓形軌道(國際空間站軌道高度)，再入點高度為120 km。利用軟件中高精度軌道外推模型(HPOP)計算組合體在低軌道從離軌點到再入點的軌道高度隨時間的變化。離軌過程中主要作用力考慮氣動阻力和太陽輻射阻力，太陽輻射系數(shù)為1，大氣模型采用NRLMSISE2000,大氣阻力系數(shù)設(shè)置為2.2，面質(zhì)比為0.5 m2/kg。

有無增阻離軌設(shè)置的仿真對比如圖10所示。圖10表明，在低軌道運行的飛行器可以自主的發(fā)生離軌，逐漸向大氣層衰減，但是自然衰降過程極其漫長。而增加了相應(yīng)的充氣增阻裝置后，軌道可以在二十幾個小時內(nèi)迅速降低至再入軌道高度。

圖10 離軌階段高度-時間變化Fig.10 The relationship between altitude and time during deorbit stage

經(jīng)過離軌階段后，組合體軌道高度衰減到120 km位置，經(jīng)過調(diào)整后展開IRDT裝置，進(jìn)行再入返回階段。利用第2節(jié)的再入模型，初始狀態(tài)設(shè)置如表1所示。

表1 再入階段初始狀態(tài)參數(shù)

圖11給出了高度和速度隨時間變化曲線。從圖11可以看出約900 s落地，落地速度約為20 m/s。從仿真結(jié)果看，低軌廢棄目標(biāo)的捕獲與回收方案可行。

圖11 再入階段仿真結(jié)果Fig.11 The simulation results of the reentry stage

4 結(jié)束語

1)本文針對低軌道大型廢棄目標(biāo)回收的國際難點，基于天基回收技術(shù)概念，結(jié)合目前的技術(shù)途徑對比，提出了一種新型組合式柔性捕獲回收方案。其空間、質(zhì)量要求相對較小，成本低，具有一定的優(yōu)勢。

2)針對1 000 kg的低軌廢棄目標(biāo)的捕獲回收，梳理了工作過程，開展了初步的方案設(shè)計，建立了動力學(xué)模型，進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)仿真計算結(jié)果，捕獲回收方案在技術(shù)上可行。

3)本文目前只是對低軌廢棄目標(biāo)捕獲回收關(guān)鍵工作階段進(jìn)行了研究和分析，后續(xù)需進(jìn)一步開展天基回收全流程分析，梳理出全鏈路的關(guān)鍵技術(shù)，識別、提煉不同工作過程的技術(shù)指標(biāo)匹配性，為未來空間目標(biāo)捕獲和回收的研究工作提供參考。