2017, Vol. 23文章信息
- 孙志兵, 梁建烈, 张荣之
- SUN Zhi-bing, LIANG Jian-lie, ZHANG Rong-zhi
- 空间碎片清理方式与总体思路
- Space Debris Clearance Method and General Idea
- 广西民族大学学报 (自然科学版), 2017, 23(1): 55-59
- Journal of Guangxi University for Nationalities(Natural Science Edition), 2017, 23(1): 55-59
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文章历史
- 收稿日期: 2016-11-06
引用本文 |
2. 广西民族大学 理学院 广西 南宁 530006
2. College of science Guangxi University For Nationalities Nanning 530006 China
空间碎片积累和增加，对航天器的寿命和安全带来了严重威胁.国际上的一个共同认识是：在下一个十年里，航天器与空间碎片相撞的概率将急剧增加，并有可能造成灾难性的链式反应.[1-2]国外各大航天组织都意识到空间碎片日益逼近的威胁.因此，各航天单位都建立起了自己的空间碎片环境模型，对空间碎片进行监测和预警.而对于主动清除空间碎片，目前国内外的主要研究集中于以下两个领域，即小尺寸空间碎片的清除和大尺寸空间垃圾的捕获.[3]
1) 利用激光降轨清除碎片是目前设想用于清除空间碎片的一种手段.可分为地基激光降轨方法和天基激光降轨方法.其原理都是通过高能激光，辐射到碎片表面产生喷射冲量，使碎片获得相应的速度增量，从而减速降轨.近年来，欧美国家均开展了激光清除碎片的相关研究.
2) 发射空间机器人清除空间碎片是另一个设想中的手段.欧空局对此做了深入的研究.对于失效的卫星和大的碎片，可使用空间机器人与其交会实施抓捕并返回.
3) 日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 的研究人员则致力于使用受地球磁场作用的通电绳系来使空间碎片减速.
4) 针对小尺寸的空间碎片，还有一些富于想象力的设计思路.例如使用表面积较大的清理器，使碎片随意地撞击清除器，从而达到收集并清理的目的，其原理类似于苍蝇纸.
比较而言，国外对空间碎片主动清理技术的研究起步较早，已跨过概念研究阶段，进入关键研究和验证阶段，而国内正处于概念研究阶段.
2 碎片清理方式介绍 2.1 基于空间机械臂的清理方式其原理就是利用可控的机械式手臂来抓捕空间碎片，也就是所谓刚性连接式抓捕方法，本文将其归纳进“机器人清理技术”中.
优势：① 适用于所有轨道空间；② 有效的组合体控制；③ 对目标碎片姿轨进行完全控制.不足：① 需事先确定合理的刚性抓捕点；② 存在刚性碰撞；③ 技术难度高.
2.2 飞网式抓捕基于抛网的碎片抓捕方法是由追踪器向待捕捉空间碎片抛出轻质、柔性的飞网，同时网通过系绳与追踪器相连.借助飞网将碎片包裹起来，通过系绳对碎片施加拉力以进行离轨.
优势：① 实现碎片有控再入；② 不需选择特定抓捕点；③ 避免抓捕过程中产生新碎片；④ 适合抓捕不规则形状的空间碎片；⑤ 适用于所有轨道空间.不足：① 对目标提供有限控制；② 无法回收利用.
2.3 鱼叉式抓捕基于鱼叉的碎片抓捕方法是由追踪器向待捕捉空间碎片发射一枚末端系有系绳的鱼叉，鱼叉可以穿透目标表面并在内部部署插销，进而追踪器通过系绳对碎片施加拉力以进行离轨操作.鱼叉机构通常由三部分组成：发射装置、鱼叉和绳缆.
优势：① 对于目标碎片的尺寸大小敏感度不高；② 可多次使用；③ 适合抓捕不规则形状的空间碎片；④ 适用于所有轨道空间.不足：① 对目标提供有限控制；② 需选择合理的抓捕点 (鱼叉嵌入点)；③ 容易产生新碎片.
2.4 绳系机器人捕捉方式空间绳系机器人是指具有绳系结构的空间机器人系统，其典型结构是利用空间绳系取代多自由度机械臂，形成追踪器-绳系-抓捕装置的结构.抓捕装置上装配有推力器以及机械抓手，可自主进行空间碎片的抓捕, 详见图 1.
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| 图 1 空间绳系机器人抓捕碎片示意图 Fig. 1 Using Rope Robot to Capture Debris |
优势：① 操作半径可达数百米；② 捕捉装置可进行多次抓捕，任务的可靠性高；③ 适用于所有轨道空间.不足：捕捉装置的推力器可携带燃料有限.
2.5 电动力系绳捕捉方式电动力系绳的原理 (图 2) 是利用从太空系统中展开的导电系绳切割低地球轨道的磁感应线，从而产生电动势和电流，进而产生洛伦兹力，以对轨道能量进行衰减，实现再入离轨.
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| 图 2 电动力系绳捕捉方式 Fig. 2 Electric Tether Capture |
优势：① 燃料消耗极小；② 结构相对简单.不足：① 空间碎片无控再入；② 只适用于低地球轨道；③ 无法重复利用.
2.6 静电力捕捉方式与前面几种不同，属于非接触式抓捕方法.通过对目标碎片施加非接触小推力，进而渐变目标碎片的轨道，最终实现目标碎片离轨.
由于太空中环境的作用，地球静止轨道 (GEO) 航天器可以自然产生千伏的电位.此时，追踪器通过释放电荷，保持自身与空间碎片的电势差，就能在自己与目标间形成电势差，产生静电力 (库仑力)，进而对空间碎片进行控制.可分为两种方式：引力式与斥力式.
优势：① 静电力的产生基本不需要消耗燃料；② 不需要考虑空间碎片结构是否完好.不足：① 只适用于GEO的空间碎片的清除；② 产生的推力小，工作周期长.
2.7 离子束清理方式利用离子束进行空间碎片清除的原理很简单 (图 3).追踪器在接近目标碎片后，向目标碎片释放离子束 (通常是氙)，离子束作用在目标航天器上，将自身动能传递，进而实现对目标航天器的控制.
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| 图 3 基于离子束进行空间碎片清除 Fig. 3 Space Debris Removal Based on Ion Beam |
优势：① 适用于所有轨道空间；② 不需考虑空间碎片结构是否完好.
不足：① 燃料消耗相对较高；② 需要携带离子源及其释放装置，给系统增重.
2.8 激光清理方式激光主动清理空间碎片技术的原理为：使用强激光束照射碎片表面，使辐照区材料产生等离子体并向外喷出，外喷的等离子体对碎片产生反向作用力，使得碎片原来的轨道发生改变.[4]
优势：① 激光能量集中，传播效率高；② 航天器与碎片只需远距离交会；③ 可同时清除多个空间碎片；④ 反应速度很快——对于很危险的垃圾，这个系统可以在警报开始之后的几分钟启动；⑤ 具有很强的灵活性：可以对距离低地球轨道上的卫星任意距离的垃圾进行作用；⑥ 经济可用：这种地面激光系统可以被多次使用，每次使用的费用比较低，而且不需要空间发射；⑦ 对太空环境几乎无影响.不足：① 更适用于低地球轨道；② 造成碎片无控再入.
2.9 混合型清理方式前述几种方法各有其优势与劣势，一些学者分析比较了其清理空间碎片的特点，将两种或多种方法进行结合，取长补短，即混合抓捕方法 (图 4).
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| 图 4 混合型清理方式 Fig. 4 Combination Type of Removal |
机械臂在进行空间碎片清除时具有操作灵活，且容易进行姿态稳定等特点，但其在离轨阶段的燃料消耗很高；电动力系绳方法难以处理存在翻转的目标的清除问题，但其离轨过程中，不消耗燃料，仅依靠系绳切割地磁场的磁感线产生洛伦兹力进行离轨.因此，将这两种方法相结合可以取长补短，既可以进行翻转目标的离轨操作，在离轨阶段又能节约燃料用于下次碎片清除任务.
机械臂在进行空间碎片清除时可以对目标碎片进行姿轨完全控制，但其抓捕过程中，尤其是对翻转非合作目标的抓捕存在抓捕难、燃料消耗大的缺点；而柔性连接的抓捕方法抓捕相对容易，只能对空间碎片进行有限控制.将这两种方法相结合可以利用柔性连接的结构对目标进行抓捕，然后利用机械臂进行姿态稳定控制与离轨.
优势：① 多种清理方式取长补短，实现最优化的设计；② 增加了清理方式设计的灵活性，拓展了设计思路.不足：① 可能增加清理方式及系统设计的复杂性；② 可能延长目标捕捉周期.
2.10 增大气动力LEO轨道上，由于空气过于稀薄，碎片所受气动力的量级极小.为了利用量级较小的气动力，欧空局学者提出了一种喷射泡沫的空间碎片气动式清除方法.追踪器向目标碎片喷射轻质泡沫将之包裹，形成表面积与体积较大的组合体以增大气动力影响，并降低其轨道寿命.
优势：① 燃料的消耗小；② 碎片焚烧完全.不足：① 只适用于低地球轨道；② 造成碎片无控再入.
2.11 太阳帆该技术是给碎片 (或失效航天器) 安装一个很大的太阳帆，利用空气阻力或太阳光压改变碎片轨道来达到清理空间碎片的目的.该技术的可行性已经得到验证，较适合于地球同步轨道，但清除周期较长，且作用区域有限.
2.12 充气展开囊其原理是，在“抓捕”航天器上安装可以充气展开成球形或近似球形的气囊，气囊表面有黏性物质或吸附性材料，用于黏附、吸附小型碎片.收集到足够的碎片后，对充气展开囊执行离轨操作，抛入大气层焚毁，或送入“空间垃圾场”集中处理.
优势：① 低成本、高效率；②“捕捉”航天器可以携带多个气囊，反复执行多次清理任务；轻质，消耗燃料少.不足：① 只适用于小型碎片；② 无控再入.需要考虑各个方向碎片的冲击造成清理器速度的增减及轨道的升降.
3 各种清理方式特点比较按照与碎片接触情况、是否可重复利用、是否无控再入、是否产生新碎片、能否捕捉翻转目标、捕捉过程燃料消耗情况、离轨过程燃料消耗情况、清除效率等几个方面，对各种碎片清理方式进行了比较.结果见表 1.
抓捕方法 | 与碎片 接触 | 是否可重 复利用 | 无控 再入 | 产生新 碎片 | 捕捉翻转 目标 | 捕捉过程 燃料消耗 | 离轨过程 燃料消耗 | 清除 效率 | |
| 刚性连接式抓捕方法 | 是 | 是 | 否 | 是 | 是 | 高 | 高 | 低 | |
| 柔性连接式抓捕方法 | 抛网 | 是 | 是 | 否 | 否 | 否 | 低 | 高 | 低 |
| 鱼叉 | 是 | 是 | 否 | 是 | 否 | 低 | 高 | 低 | |
| 空间绳系机器人 | 是 | 是 | 否 | 否 | 是 | 高 | 高 | 低 | |
| 电动力系绳 | 是 | 否 | 是 | 否 | 否 | 低 | 低 | 高 | |
| 非接触式抓捕方式 | 静电力 | 否 | 是 | 是 | 否 | 是 | 低 | 低 | 低 |
| 离子束 | 否 | 是 | 是 | 否 | 是 | 低 | 高 | 低 | |
| 激光 | 否 | 是 | 是 | 否 | 是 | 低 | 高 | 高 | |
| 新型抓捕方法 | 机械臂与电动力系绳混合抓捕方法 | 是 | 是 | 是 | 是 | 是 | 高 | 低 | 高 |
| 机械臂与铅绳混合抓捕方法 | 是 | 是 | 否 | 是 | 是 | 高 | 高 | 低 | |
| 基于泡沫的气动力方法 | 是 | 是 | 是 | 否 | 是 | 低 | 低 | 低 | |
| 太阳帆 | 是 | 否 | 是 | 是 | 是 | 低 | 低 | 高 | |
| 充气展开囊 | 是 | 是 | 是 | 否 | 否 | 低 | 低 | 高 | |
4 总体清理思路
在轨空间碎片来源多种多样，其中22%来自失效卫星或其他航天器，这意味着对空间碎片的清理手段不仅仅是离轨再入，对失效卫星及设备的维修和再利用既能有效减少空间碎片的数量，又能降低航天任务的成本.
同时，空间碎片的尺寸不一，釆用不同方式清除不同尺寸的空间碎片所花费的代价也不同.将空间碎片按照尺寸和回收价值，建立空间碎片清除基本应对思路如图 5所示.
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| 图 5 总体思路 Fig. 5 General Idea |
5 结语
空间碎片的主动清理是必由之路和当务之急，其技术方案可以多种多样，目前正在研究实验之中.面对以故障卫星为主体的大型碎片，需要解决非合作目标的侦测、逼近、抓捕、控制、拖曳.这些技术可主动清理轨道碎片、净化空间环境，应当引起重视.
机械臂捕获离轨方式是目前技术最成熟的离轨技术之一，可以有控清除大型空间碎片，同时其军事应用价值也非常高，这也是目前世界各航天大国都在积极开展研究的原因；绳网结构捕获离轨是最有潜力的碎片清除技术，其成本低、碎片清除能力强，但目前还不能做到有控离轨；鱼叉结构捕获离轨结构简单，可操控性高，但可重复使用性较差，清理成本较高；电动力绳索清理技术中的绳索不易操控，移除成本较高且效率较低；基于太阳帆的自主离轨技术可行性非常高，不仅可以针对新发射的航天器，对目前在轨的空间碎片也可以在其上安装太阳帆展开机构进行离轨，但其清除周期较长，且作用区域有限；而激光推移离轨虽然优点众多，但是由于碎片表面复杂、碎片成分不确定、碎片可能在旋转，反射面在变化等，要实现激光对空间碎片的清理并非易事.
为了提高碎片清理的效率，当前应大力发展新概念的清理技术.本文提到的各种清理方法，最终都归结到一个核心的问题，碎片清理飞行器在工作过程中如何获得大尺度变轨、追踪、交会所需的冲量.轨道机动带来的大量燃料消耗，极大地降低了航天器的在轨寿命，导致碎片清理成本急剧增高.高成本低收益，阻碍了碎片清理工作的开展，突破传统方式，寻找新的方法已迫在眉睫.如果能找到一种具有成本效益且易于实现、便于使用的清理方法，直接将空间碎片作为抓捕卫星的推进剂，无疑将是革命性的重大突破.[5]
| [1] | J.C. Liou and N. L. Johnson, Risks in Space from Orbiting Debris[J], 20 JANUARY 2006 VOL 311 SCIENCE. |
| [2] | 薛富兴, 杨晓燕. 空间碎片研究概况[J]. 国际太空, 2004(5). |
| [3] | 杨彩霞. 欧洲空间碎片减缓政策研究[J]. 国际太空, 2011(5). |
| [4] | 王成林, 张艳, 王鲲鹏. 地基激光清除空间碎片的策略研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2015, 41(11): 2137–2143. |
| [5] | F. R. Chang Diaz, An overview of the VASIMR engine: High power space propulsion with RF plasma[C].generation and heating, AIP Conference Proceedings 595, 3 (2001); doi: 10.1063/1.1424142. |