逐步邁向應(yīng)用的空間碎片主動移除技術(shù)

唐浩文，鄧剛，宋博

（1.北京空間科技信息研究所，北京 100086；2.中國航天科技國際交流中心，北京 100048）

1 引言

1.1 空間碎片環(huán)境加速惡化，空間碎片治理成為主流共識

空間碎片是指所有繞地球軌道運行且不再有任何實用目的的人造空間物體。隨著近年來人類太空活動快速增長，在軌物體數(shù)量持續(xù)快速上升。截至2022年底，全球共發(fā)射入軌航天器15113個。2022年全球發(fā)射航天器2516個，創(chuàng)歷史新高，約為2012年發(fā)射數(shù)量的18倍。低軌巨型星座爆發(fā)式發(fā)展是衛(wèi)星數(shù)量井噴式增長的重要原因，巨型星座普遍采用的微小衛(wèi)星由于入軌失敗率、運行中失效率、不受控離軌率較高等原因，使得外空中空間碎片加速增長。根據(jù)歐洲航天局（ESA）發(fā)布的信息，目前地球軌道上尺寸大于10 cm的空間碎片超過3.4萬個，尺寸1～10 cm的空間碎片超過90 萬個，尺寸0.1～1 cm 的空間碎片約1.3 億個。據(jù)美國政府估計，地球軌道上的空間碎片不僅主要集中在高度低于2000 km的低地球軌道，而且從低地球軌道到地球上空36000 km 的地球同步軌道目前已存在超過8000 t軌道碎片。

包括空間碎片在內(nèi)的在軌物體數(shù)量快速增加，使外空物體在軌碰撞與解體風險顯著上升［1］。大量空間碎片分布在航天器常用的低軌太陽同步軌道和高軌地球同步軌道，與航天器平均碰撞速度約為10 km/s，經(jīng)超高速撞擊試驗表明，直徑1 mm 左右的鋁球即可擊穿衛(wèi)星蜂窩板并對內(nèi)部設(shè)備造成嚴重威脅。國際空間站在2021年5月12日的例行檢查中，發(fā)現(xiàn)“空間站遠程操縱系統(tǒng)”（SSRMS）機械臂被空間碎片損傷，臂架與熱毯部分損壞，因碎片尺寸過小無法跟蹤，具體碰撞時間未知。美軍民氣象衛(wèi)星系列自2004年以來，發(fā)生過5 次在軌爆炸解體，最近一次為2021年3月10日，美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）的NOAA-17衛(wèi)星曾按要求進行了減緩處理，包括星上蓄電池斷接和推進劑貯箱泄壓等，但依然發(fā)生了在軌解體。這一系列的在軌碰撞與解體事件表明，空間碎片環(huán)境惡化程度日益加深，航天發(fā)射和在軌衛(wèi)星運行安全的現(xiàn)實威脅日益嚴重和突出，國際社會對空間碎片問題愈發(fā)關(guān)注，主要航天國家均認為碎片治理勢在必行。

1.2 空間碎片主動移除成為應(yīng)對空間碎片威脅的必然選擇

為應(yīng)對空間碎片威脅，國際上已建立了相關(guān)國際準則［2］，對任務(wù)末期離軌、鈍化等提出了具體要求，對減少碎片產(chǎn)生、降低碎片數(shù)量增長速度起到了一定效果，但這些要求不具有法律效力，實際執(zhí)行情況不佳，并且這些措施主要僅針對新發(fā)射的航天器，無法解決目前已經(jīng)在軌存在的危險性、危害性最大的碎片（如大型失效衛(wèi)星）。因此，主動移除成為從根本上遏制空間碎片增長的必然選擇。

空間碎片主動移除按技術(shù)手段可分為捕獲離軌移除、天基激光移除、增阻離軌移除等。當前美、歐、日等主要航天國家和地區(qū)研究的重點主要在于技術(shù)成熟度較高的接觸式抓捕離軌移除技術(shù)［3］，以及發(fā)展前景較好的非接觸式激光燒蝕驅(qū)動離軌技術(shù)［4］。本文將系統(tǒng)闡述這兩種方案的典型項目。

2 抓捕移除方案

2.1 總體概述

接觸式抓捕離軌技術(shù)是指任務(wù)航天器通過將捕獲工具伸出、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。抓捕移除空間碎片通常包括對非合作目標的交會與逼近、對接/抓捕、目標離軌幾個階段，涉及空間目標精確定位定姿、自主相對導(dǎo)航與逼近、對接/抓捕、組合體控制等難度較大的技術(shù)，存在較大安全風險，致使碎片主動移除長期停留在概念研究與地面試驗階段。

近年來，隨著空間技術(shù)發(fā)展，基礎(chǔ)技術(shù)逐步成熟，針對米級大型空間碎片的捕獲離軌技術(shù)取得較快進展，美、歐、日等主要航天國家和地區(qū)已基本完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和地面演示驗證階段，已經(jīng)開展了一些天基演示驗證試驗，當前正處于全面開展天基演示驗證和實際應(yīng)用的準備與實施階段。目前美國利用成熟的國際空間站交會對接技術(shù)推動在軌服務(wù)的工程應(yīng)用，現(xiàn)已發(fā)射2個“任務(wù)拓展飛行器”（MEV）在軌延壽系統(tǒng)，已具備了對地球靜止軌道和墳?zāi)管壍滥繕诉M行交會抓捕、軌道轉(zhuǎn)移的能力。

全球首個在真實空間環(huán)境下實施的空間碎片搜索-交會-對接-離軌全過程演示驗證任務(wù)——“宇宙尺度壽命末期服務(wù)-演示驗證”（End-of-Life Services by Astroscale-demonstration，ELSA-d）便是在此基礎(chǔ)上開展的［8-10］。

2.2 日本ELSA-d項目

（1）項目概況

ELSA-d是日本宇宙尺度公司（Astroscale）開展的空間碎片主動移除技術(shù)演示驗證項目，于2021年3月22日06：07（北京時間3月22日14：07）搭乘俄羅斯聯(lián)盟-2-1a 火箭，從哈薩克斯坦拜科努爾航天發(fā)射中心發(fā)射入軌。

ELSA-d重點演示驗證低軌空間碎片交會、對接、離軌等技術(shù)，為后續(xù)發(fā)展實用性空間碎片主動移除系統(tǒng)積累技術(shù)和經(jīng)驗。ELSA-d是全球首個在真實空間環(huán)境下實施的空間碎片搜索-交會-對接-離軌全過程演示驗證任務(wù)，標志著空間碎片主動移除向?qū)嵱没~進了一大步。

（2）系統(tǒng)設(shè)計

ELSA-d 由兩個航天器組成，即“清除航天器”和用于模擬空間碎片的“目標航天器”。二者連接在一起發(fā)射進入高度約550 km的低地球軌道，如圖1所示。

圖1 ELSA-d“清除航天器”和“目標航天器”縮比模型Fig. 1 Scaled model of “chaser spacecraft” and “target spacecraft” in ELSA-d project

根據(jù)Astroscale公司官網(wǎng)發(fā)布的視頻，ELSA-d系統(tǒng)將按照從易到難、逐步接近真實條件下空間碎片移除場景的順序，分三個階段實施在軌演示驗證任務(wù)。

階段一：非翻轉(zhuǎn)目標交會-對接演示驗證。入軌后“清除航天器”將“目標航天器”釋放，“目標航天器”模擬非翻轉(zhuǎn)合作目標，“清除航天器”自主靠近目標，并利用磁吸機構(gòu)與目標完成對接；

階段二：翻轉(zhuǎn)目標交會-對接演示驗證?！扒宄教炱鳌贬尫拧澳繕撕教炱鳌?，由其模擬非合作翻轉(zhuǎn)目標，“清除航天器”依次開展目標繞飛與檢測、目標運動分析、調(diào)整至與目標同步翻轉(zhuǎn)、靠近目標并完成對接；

階段三：翻轉(zhuǎn)目標搜索-交會-對接-離軌全過程演示驗證?！扒宄教炱鳌迸c“目標航天器”再次分離并彼此遠離，“目標航天器”模擬遠距離非合作翻轉(zhuǎn)目標，“清除航天器”依次開展目標搜索、目標交會、目標對接，最終二者一同再入大氣層焚毀。

“清除航天器”由Astroscale 公司研制，質(zhì)量175 kg，尺寸約0.6 m×0.6 m×1 m，裝配有光學(xué)系統(tǒng)，用于搜索、識別并跟蹤目標；可伸縮磁吸式對接捕獲機構(gòu)，可以與“目標航天器”上的對接板吸附對接，也可將其釋放并推離；還裝配多個化學(xué)推進器，用于軌道機動和離軌，如圖2所示。

圖2 正在進行測試的 “清除航天器”Fig. 2 “Chaser spacecraft” undergoing testing

“目標航天器”由英國薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司（Surrey Satellite Technology Ltd， SSTL）研制，質(zhì)量17 kg，裝配有一塊扁平盤狀磁性對接板，對接板上具有反光標識，以供“清除航天器”識別目標、精確測定其距離、姿態(tài)以及吸附對接；還配備了用于記錄捕獲過程的相機和照明裝置、三軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 “目標航天器”示意圖Fig. 3 Schematic diagram of “target spacecraft”

（3）項目進展

2021年8月26日，ELSA-d 系統(tǒng)完成了捕獲技術(shù)的在軌測試，成功演示驗證了該系統(tǒng)對目標航天器（模擬太空碎片）的磁吸捕獲能力。2022年1月25日，系統(tǒng)出現(xiàn)異常，任務(wù)暫停。2022年4月7日，ELSA-d 系統(tǒng)成功完成了對目標航天器的遠距離抵近，但截至2023年3月中旬，仍未實施捕獲操作。

3 激光燒蝕驅(qū)動移除方案

3.1 總體概述

空間碎片激光移除技術(shù)從技術(shù)路徑角度可分為三種，分別是光壓驅(qū)動、燒蝕破碎和燒蝕離軌。其中光壓驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換效率低，作用速度慢，且易受宇宙環(huán)境和太陽光的影響。燒蝕破碎能量消耗高，且破碎產(chǎn)生的小碎片依舊留存在太空中，不能從根本上解決空間碎片問題。激光燒蝕驅(qū)動技術(shù)是使用強激光束照射碎片表面，使輻照區(qū)材料產(chǎn)生熔融、汽化、電離，形成等離子體反噴羽流，反噴羽流的沖量耦合使碎片獲得反向速度增量，從而驅(qū)動碎片運動，改變碎片初始軌道。空間碎片激光燒蝕驅(qū)動離軌方案的能量轉(zhuǎn)換效率是光壓方式的4～5倍，所需能量比燒蝕破碎模式小一個數(shù)量級，移除碎片效率高，作用距離遠，且對米級以上大碎片和厘米級小碎片都有很好的移除效果，在所有主動移除空間碎片的方案中，單個碎片清理成本最低，成為目前空間碎片激光移除技術(shù)的主流技術(shù)路徑［5］。

當前美、歐、日等主要航天國家和地區(qū)已圍繞空間碎片激光燒蝕移除技術(shù)開展了一系列研究，下面列舉兩種具有代表性的技術(shù)方案。

3.2 日本星載激光燒蝕移除空間碎片項目［6］

日本天空完美日星公司（SKY Perfect JSAT）于2020年6月宣布，將設(shè)計研發(fā)世界首顆用激光移除空間碎片的衛(wèi)星。此項目自2018年開始，已對激光技術(shù)的可行性進行了論證。天空完美日星公司計劃2024年開始進行試驗，在2026年發(fā)射衛(wèi)星并開始提供相關(guān)服務(wù)。

（1）技術(shù)手段

該衛(wèi)星主要通過高強度激光束照射使空間碎片表面材料氣化或電離產(chǎn)生氣體或等離子體，提供反作用力產(chǎn)生推力，如圖4所示。

圖4 激光燒蝕原理示意圖Fig. 4 Schematic diagram of laser ablation principle

假設(shè)空間碎片為質(zhì)量均勻分布的立方體，單軸旋轉(zhuǎn)，衛(wèi)星激光照射距離為200 m，此時對空間碎片產(chǎn)生的推力為0.8 mN，對空間碎片的離軌操作分為以下兩個步驟：

① 使目標消旋

經(jīng)計算得到，通過控制激光消融點與目標碎片重心之間的相對位置關(guān)系（激光入射角與目標表面法線夾角小于10°），使質(zhì)量150 kg、旋轉(zhuǎn)速度1 r/min 的碎片目標消旋僅需0.4 天；使質(zhì)量8200 kg、旋轉(zhuǎn)速度1 r/min 的大型碎片目標消旋需要3 個月，符合應(yīng)用需求。消旋原理如圖5所示。

圖5 消旋原理示意圖Fig. 5 Schematic diagram of spin elimination principle

② 使目標離軌

對質(zhì)量150 kg 的空間碎片，經(jīng)計算，利用激光將其軌道高度從1200 km降低到600 km大約需要652 天，表明2年內(nèi)使失效小衛(wèi)星離軌是可行的；將碎片從1200 km降低到1190 km大約需要10天，表明激光使碎片目標快速改變軌道避免與其他衛(wèi)星碰撞是可行的。

（2）衛(wèi)星任務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成

衛(wèi)星任務(wù)系統(tǒng)主要由任務(wù)控制子系統(tǒng)（MCS）、激光燒蝕子系統(tǒng)（LAS）和目標檢測子系統(tǒng)（ODS）組成，預(yù)計有效載荷（任務(wù)系統(tǒng)）質(zhì)量約50 kg，功耗約200 W，衛(wèi)星總質(zhì)量約200 kg。

如圖6 所示，任務(wù)系統(tǒng)主要包括任務(wù)控制子系統(tǒng)、激光燒蝕子系統(tǒng)和目標檢測子系統(tǒng)，具體功能如下：

圖6 任務(wù)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 6 Schematic diagram of mission satellite structure

①任務(wù)控制子系統(tǒng)（MCS）

任務(wù)控制子系統(tǒng)主要提供任務(wù)控制和目標控制兩個功能。

任務(wù)控制功能將負責：接近目標到激光照射范圍內(nèi)；使用ODS系統(tǒng)提供的目標信息判斷目標軌道；從ODS系統(tǒng)接收目標物體的運動信息；向衛(wèi)星平臺發(fā)出必要指令調(diào)整姿態(tài)和軌道。

目標控制將用來控制目標物體的運動，規(guī)劃并執(zhí)行激光照射物體使其消旋或離軌的方案。

②激光燒蝕子系統(tǒng)（LAS）

激光燒蝕子系統(tǒng)內(nèi)置傳感器，可以檢測或識別目標物體的相對距離、方向、旋轉(zhuǎn)軸/速率，以及激光應(yīng)照射物體的目標面。LAS 系統(tǒng)將以上信息和激光照射點的信息提供給MCS系統(tǒng)。

③ 目標檢測子系統(tǒng)（ODS）

目標檢測子系統(tǒng)將脈沖激光照射到目標物體上，并根據(jù)MCS系統(tǒng)的指令調(diào)整透鏡的焦點控制目標物體表面的光斑大小?？紤]的激光照射方向控制/調(diào)整方法有兩種：一是在LAS系統(tǒng)上安裝轉(zhuǎn)向單元；二是通過MCS系統(tǒng)控制衛(wèi)星姿態(tài)。

3.3 日、俄、意、法國際空間站空間碎片激光移除演示項目［7］

國際空間站激光項目（ISS laser project）計劃在國際空間站上試驗天基激光空間碎片移除技術(shù)。該項目由日本在2015年提出，2018年俄羅斯、意大利和法國的研究人員加入研究團隊并和日本共同推進。該激光系統(tǒng)包含光學(xué)裝置和激光裝置兩部分。光學(xué)部分采用空間站上日本實驗艙的宇宙空間天文臺（EUSO）。激光裝置采用10000 光學(xué)纖維束的強大激光脈沖，激光射擊距離100 km，可移除10 cm以下的空間碎片，如圖7所示。

圖7 國際空間站激光項目結(jié)構(gòu)和原理示意圖Fig. 7 Schematic diagram of structure and principle of international space station laser project

截至目前，已在國際空間站俄羅斯段部署了縮小的mini-EUSO原型系統(tǒng)，開展了前期的原理證明和技術(shù)演示驗證。

（1）技術(shù)手段

該項目主要借助日本實驗艙宇宙空間天文臺的望遠鏡和激光探測器進行空間碎片的監(jiān)測、跟蹤，并采用激光燒蝕目標表面產(chǎn)生推力的方法使其離軌。

碎片離軌主要包含三個步驟：

① 寬視場相機被動監(jiān)測

日本實驗艙EUSO的望遠鏡具有±30°的寬視場、0.08°的角分辨率和2.5 μs的時間分辨率，可用來監(jiān)測高速運動的小型空間碎片。

②窄視場主動跟蹤

窄視場主動跟蹤主要由EUSO和安裝在EUSO上的激光探測器共同完成。

③激光燒蝕

項目采用的相干放大網(wǎng)絡(luò)（Coherent Amplifying Network，CAN）是一種新型高效光纖激光器系統(tǒng)，由母航天器通過儲存太陽能提供能量，通過對光束進行多級分割和放大，可提供約100 km的照射距離，結(jié)構(gòu)原理如圖8所示。

圖8 CAN激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 8 Schematic diagram of CAN laser structure

（2）試驗方案

國際空間站激光項目的演示驗證共分為三個步驟：

① 發(fā)射縮小版原型mini-EUSO系統(tǒng)進行原理證明，尺寸對比如圖9所示。

圖9 EUSO和mini-EUSO尺寸對比圖Fig. 9 Size comparison diagram of EUSO and mini-EUSO

② 在國際空間站上進行完整技術(shù)的演示驗證；

③ 在800 km更高軌道進行技術(shù)演示驗證。

4 方案對比分析

針對抓捕式離軌和激光燒蝕離軌兩種主流方案開展進一步比較分析，見表1。

表1 抓捕式離軌和激光燒蝕離軌方案對比Table 1 Comparison of schemes for capture removal and laser ablation removal

抓捕移除方案當前已較為成熟，各主要航天國家和地區(qū)都已制定了發(fā)展計劃，預(yù)計3～5年將逐步邁向工程應(yīng)用，如歐洲“清潔太空”-1（Clear Space-1）任務(wù)、日本“空間尺度壽命末期服務(wù)-多任務(wù)”（ELSA-M），將在2025年移除真實空間碎片或壽命末期衛(wèi)星。激光燒蝕驅(qū)動移除方案相比于抓捕移除方案，單個碎片移除成本更低，操作可重復(fù)性更好，且可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星的小型碎片避碰防護，具有更好的發(fā)展前景，但當前受到各分系統(tǒng)硬件水平限制，特別是高能量激光器單脈沖能量、重頻、功率等性能參數(shù)不足，短期內(nèi)難以實現(xiàn)工程化、商業(yè)化，未來隨著硬件技術(shù)突破或移除方案優(yōu)化，或?qū)⒂瓉盹w速發(fā)展。

5 后續(xù)工作建議

（1）高度重視，加緊布局

當前，空間碎片問題導(dǎo)致外空環(huán)境持續(xù)惡化，空間碎片移除關(guān)乎空間可持續(xù)發(fā)展?？臻g碎片移除面臨的很多國際法律、規(guī)則等問題，必須在全球框架下解決，開展相關(guān)實踐是主導(dǎo)和參與空間治理相關(guān)國際規(guī)則制定工作的基礎(chǔ)和前提。日、歐、美等主要航天國家和地區(qū)已瞄準空間碎片移除開展了一系列研究，當前正處于技術(shù)驗證和能力形成的關(guān)鍵期。我國應(yīng)充分認識到空間碎片移除的重大戰(zhàn)略意義，加強宏觀戰(zhàn)略規(guī)劃和組織領(lǐng)導(dǎo)，推動能力形成，體現(xiàn)大國擔當。

（2）借鑒模式，加快發(fā)展

日本采用公私合作、分步發(fā)展方式，先期利用技術(shù)難度較小的磁吸對接方式，先于美、歐開展了全球首次空間碎片對接捕獲與離軌演示試驗，其發(fā)展模式值得參考借鑒。建議充分調(diào)研我國航天企業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，給予適當政策支持，加快推進碎片移除技術(shù)的在軌演示和商業(yè)應(yīng)用。

（3）注重研發(fā)，盡快成熟

當前激光燒蝕移除技術(shù)尚未成熟，但因其成本和可用性優(yōu)勢明顯，一旦邁向工程應(yīng)用，實現(xiàn)商業(yè)化，或?qū)⒊蔀橹髁魉槠瞥桨浮＝ㄗh我國對激光燒蝕移除等應(yīng)用前景廣闊的碎片移除技術(shù)制定發(fā)展規(guī)劃，進行重點研發(fā)，以爭取盡早形成相關(guān)工程能力。