林來(lái)興

（北京控制工程研究所，北京 100190）

1 引言

空間碎片是指人類在空間活動(dòng)過(guò)程中遺留在空間的廢棄物。2003 年機(jī)構(gòu)間空間碎片委員會(huì)（IDAC）提交給聯(lián)合國(guó)外層空間委員會(huì)的《空間碎片減緩指南》、2006年2月外空科技小組空間碎片工作組提交的《空間碎片減緩指南修訂草案》以及聯(lián)合國(guó)外空委2007年通過(guò)的《空間碎片減緩準(zhǔn)則》對(duì)空間碎片作出了以下基本一致的定義：“空間碎片是指位于地球軌道上或者再入大氣層的非功能性的人造物體，包括其碎片和部件?！泵绹?guó)戰(zhàn)略司令部下屬的空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）監(jiān)視到空間碎片數(shù)量近十年來(lái)、特別是近五年來(lái)數(shù)量急劇增加，例如直徑大于10cm以上的空間碎片，2006年共監(jiān)測(cè)到9 949個(gè)，到2010年監(jiān)測(cè)到160 914個(gè)，上升了1．6倍之多；至于直徑小于10cm 以下的空間碎片，上升速度更快。這說(shuō)明空間碎片的數(shù)量對(duì)空間安全的危害已經(jīng)發(fā)展到嚴(yán)峻的程度，特別是在近地軌道，若其數(shù)量達(dá)到飽和狀態(tài)，則意味著碎片與衛(wèi)星相碰概率增大，甚至有可能由于碰撞而發(fā)生連鎖反應(yīng)，使得軌道資源成為廢墟。為此，當(dāng)今全世界應(yīng)同心協(xié)力采取有效措施來(lái)解決這一問(wèn)題。

本文將對(duì)空間碎片的現(xiàn)狀、來(lái)源和觀測(cè)方法進(jìn)行分析與研究；根據(jù)空間碎片特點(diǎn)、大小和所處軌道狀態(tài)，提出具有針對(duì)性的各種清理碎片的要求和清理方法。

2 空間碎片的現(xiàn)狀

至今人類的空間活動(dòng)已有55 年歷史，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在這半個(gè)多世紀(jì)里，全世界總共有4 765次成功發(fā)射，將6 351 個(gè)航天器送入軌道（統(tǒng)計(jì)截至2010年12月底），進(jìn)入軌道的質(zhì)量為6 700多噸。據(jù)美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)（SSN）觀測(cè)（截至2011年7月）：直徑大于10cm（包含地球同步軌道直徑大于1m）的空間碎片約1．9萬(wàn)多個(gè)；直徑在1～10cm 之間的空間碎片有20萬(wàn)個(gè)左右；直徑在1cm～1mm的空間碎片約有3～4千萬(wàn)個(gè)。直徑大于10cm的空間碎片其逐年累積數(shù)據(jù)如圖1所示［1］（截至2011年3月）。

圖1 直徑大于10cm 的空間碎片逐年累積數(shù)據(jù)Fig．1 Yearly data of cumulative space debris（＞10cm）

直徑大于10cm 的1．9萬(wàn)多個(gè)空間碎片在軌道分布如下：

1）近地軌道（軌道高度低于2 000km）

空間碎片約15 500個(gè)，占總數(shù)的80%；工作航天器約600個(gè)，非工作航天器（廢棄和故障）約2 500個(gè)，與任務(wù)有關(guān)碎片約1 700個(gè)，火箭殘骸約1 700個(gè)，分裂碎片約9 000個(gè)。

2）地球中高軌道（軌道高度2 000～10 000km）

空間碎片約2 500個(gè)，占總數(shù)13%。

3）在地球同步軌道（軌道高度36 000km）

空間碎片約1 250個(gè)，占總數(shù)7%。

從空間碎片質(zhì)量的分布來(lái)看，直徑大于10cm的空間碎片質(zhì)量約占全部質(zhì)量的99%以上，約3 000t，人類在半個(gè)多世紀(jì)內(nèi)發(fā)射入軌航天器有6 000多噸，而目前留在軌道的上的碎片質(zhì)量將近其一半；這3 000t空間碎片中分布在近地軌道約為2 500t。空間碎片質(zhì)量在近地軌道的逐年分布如圖2所示［2］。2001年和平號(hào)空間站解體脫離軌道，墜入大氣層燒毀和降落地表面，從圖2可以明顯看到該年碎片質(zhì)量明顯下降。

在地球同步軌道分布的空間碎片近十幾年來(lái)一直在增加。雖然有的空間碎片會(huì)離開(kāi)軌道（例如衛(wèi)星壽命終止或者發(fā)生故障），但是每年進(jìn)入該軌道的空間碎片數(shù)量比離開(kāi)的多大約1倍。

圖3表示空間碎片數(shù)量在這半個(gè)多世紀(jì)的增加速度［3］。從圖3分析得到：在空間活動(dòng)開(kāi)始后的前45年（1957—2003年）空間碎片平均每年增加250個(gè)左右（藍(lán)線表示）。從2003年到2010年猛增為每年1 475個(gè)左右（紅線表示）。其主要原因是空間碰撞產(chǎn)生數(shù)量巨大的碎片；次要原因是近幾年衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量和空間碎片累積數(shù)量增加，導(dǎo)致一般性碰撞或載荷老化產(chǎn)生碎片的概率也增加；此外還要考慮近十幾年來(lái)，小衛(wèi)星、微小衛(wèi)星、納星、立方體星等發(fā)射數(shù)量增加因素的影響。

圖2 空間碎片質(zhì)量在近地軌道逐年分布Fig．2 Mass of space debris in low earth orbit vs．year

圖3 空間碎片增加速率Fig．3 Rate of increase of space debris

空間碎片的在軌壽命與其軌道高度有關(guān)。

（1）軌道高度＞2 000km，需要幾百到上千年才會(huì)降落到大氣層燒毀；

（2）軌道高度2 000～1 000km，碎片會(huì)停留在軌道100年或更長(zhǎng)時(shí)間；

（3）軌道高度1 000～800km，碎片在軌壽命有數(shù)十年；

（4）軌道高度800～600km，碎片在軌壽命為十幾年。

由于空間碎片數(shù)量隨時(shí)間推移一直在增加，若不及時(shí)采取措施，對(duì)人類的空間探索和利用會(huì)造成難以接受的不利影響。

3 空間碎片來(lái)源與觀測(cè)

3．1 空間碎片來(lái)源

具體分析產(chǎn)生空間碎片的來(lái)源，可以概括如下：

（1）在軌道發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的碎片。這是目前占空間碎片比例最大部分。

例如：在2009年美國(guó)銥星33號(hào)與俄羅斯失控宇宙2251號(hào)衛(wèi)星相碰，產(chǎn)生碎片2 100個(gè)，其中“銥星”碎片900多個(gè)，宇宙2251號(hào)產(chǎn)生碎片1 200多個(gè)。

（2）入軌后火箭剩余燃料、衛(wèi)星高壓氣瓶剩余氣體、未用完的電池等，都可能因偶然因素爆炸，產(chǎn)生難以估量的碎片。

（3）固體火箭燃料中添加鋁粉，燃燒產(chǎn)生的氧化鋁向空間噴射，形成空間“沙塵暴”。

（4）飛船和空間站的航天員產(chǎn)生的生活垃圾（如和平號(hào)空間站曾經(jīng)向空間拋出大小垃圾約有200多包）。

（5）受空間碎片的影響，航天器表面材料加速剝落成為新的空間碎片。

（6）航天員在空間行走時(shí)遺棄的東西（例如扳手、各種工具、手套、攝像機(jī)燈器等物品也成為空間碎片）。

（7）壽命終止后的衛(wèi)星或者發(fā)生故障的衛(wèi)星均成為大型空間碎片。

（8）攜帶衛(wèi)星入軌后的末級(jí)火箭，留在空間變成碎片。

（9）核動(dòng)力衛(wèi)星及其產(chǎn)生的放射性碎片。

空間碎片來(lái)源中有一種使人最擔(dān)心的，就是俄羅斯和美國(guó)先后發(fā)射的核動(dòng)力衛(wèi)星及其產(chǎn)生的放射性碎片。在2000年統(tǒng)計(jì)表明這種碎片大約有3t。這些碎片若落入大氣層或最終墜入地球表面，其放射性物質(zhì)對(duì)人類將是一個(gè)巨大危害。

（10）還有其他一些碎片來(lái)源，目前暫時(shí)難以確定。

3．2 空間碎片的觀測(cè)［4］

全世界對(duì)空間碎片監(jiān)視和觀測(cè)的系統(tǒng)有許多，下面僅列出典型的幾種。

（1）美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）。SSN 從20 世紀(jì)60年代初開(kāi)始組建，是最早且最大的觀測(cè)系統(tǒng)。可以觀測(cè)到近地軌道上直徑大于10cm 和地球同步軌道上直徑大于1m 的空間碎片。

為了達(dá)到連續(xù)跟蹤空間碎片運(yùn)行軌跡，SSN 在全世界分別組建了25個(gè)觀測(cè)站，可以連續(xù)跟蹤觀測(cè)在軌道高度600km 以上的空間碎片。

SSN 觀測(cè)設(shè)備采用陸基跟蹤無(wú)線電雷達(dá)。雷達(dá)可觀測(cè)碎片直徑大小與采用的無(wú)線電頻率有關(guān)。頻率越高，觀測(cè)碎片直徑越小（分辨率越高）。雷達(dá)頻率與可觀測(cè)碎片直徑的關(guān)系如表1所示。

表1 雷達(dá)頻率與可觀測(cè)到碎片的關(guān)系Table 1 Radar frequency and the observable debris

SSN 早期采用雷達(dá)頻段為UHF，只能觀測(cè)到直徑大于10cm 的碎片。美國(guó)空軍從2009年開(kāi)始計(jì)劃研制新的空間碎片觀測(cè)系統(tǒng)，稱為“空間籬笆”（Space Fence）［5］，準(zhǔn)備用來(lái)代替SSN，計(jì)劃在2015年建成，費(fèi)用約為35億美元，采用S頻段，預(yù)計(jì)可提高觀測(cè)精度半個(gè)數(shù)量級(jí)，即可以觀測(cè)到直徑2cm 以上的碎片。

除此以外，還有兩種觀測(cè)雷達(dá)：①“干草堆”（Hay Stack）雷達(dá)；②“金石”（Gold Stone）雷達(dá)可以觀測(cè)碎片直徑為2cm，但是只能跟蹤局部區(qū)域。

（2）德國(guó)“跟蹤和成像雷達(dá)系統(tǒng)”（Tracking and Imaging Rader，TIRA），現(xiàn)已開(kāi)始工作，可觀測(cè)直徑大于2cm 的碎片，為區(qū)域性觀測(cè)。

（3）法國(guó)國(guó)防部格雷夫斯（GRAVES）雙基地雷達(dá)。2009年投入工作，可觀測(cè)直徑大于1 m 的碎片，為區(qū)域性觀測(cè)。

4 清理空間碎片的原則和要求

清理空間碎片的原則和要求可分為兩個(gè)階段：第一階段是對(duì)現(xiàn)有空間碎片進(jìn)行清理；第二階段則對(duì)以后要發(fā)射入軌的新衛(wèi)星提出要求。同時(shí)在這兩階段期間還需要設(shè)置一段過(guò)渡時(shí)期（例如，設(shè)過(guò)渡時(shí)期為幾年時(shí)間，最終規(guī)定發(fā)射要求從××年×月×日開(kāi)始執(zhí)行）。

4．1 清理現(xiàn)有空間碎片的原則和要求

1）根據(jù)空間碎片現(xiàn)狀分別采用不同的原則和要求

（1）盡快清理近地軌道碎片。這些碎片直徑大于10cm，數(shù)量為1．5萬(wàn)多個(gè)，且擁擠在某些軌道段上，對(duì)空間安全的影響最為嚴(yán)重。

（2）在一定時(shí)間內(nèi)清理地球同步軌道碎片。在這一區(qū)域，碎片與航天器碰撞僅有一定的概率，清理時(shí)間可適當(dāng)放寬。

（3）中軌道（軌道高度為2 000～25 000km）區(qū)域碎片暫可不清理。因?yàn)楣ぷ餍l(wèi)星與碎片的總和數(shù)量到目前為止還處在安全狀態(tài)。

2）近地軌道碎片的清理要求及方法

（1）碎片直徑大于1m，質(zhì)量約在幾百千克到1t之間的碎片，在近地軌道估計(jì)占該區(qū)域碎片總數(shù)量10%以上，這個(gè)數(shù)值是變化的，當(dāng)發(fā)生衛(wèi)星碰撞時(shí)，其比例會(huì)增加，必須盡快采用主動(dòng)清理碎片的方法。

（2）碎片直徑在0．1～1m 之間，可以被實(shí)時(shí)觀測(cè)，數(shù)量約10 000～12 000個(gè)，目前處在比較危險(xiǎn)程度。應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)采用主、被動(dòng)清理方法。緊急情況下，可以暫時(shí)采用規(guī)避軌道機(jī)動(dòng)方法，但是需要耗費(fèi)航天器的燃料。

（3）碎片直徑在1～10cm 之間，這是目前最難處理的碎片，質(zhì)量一般小于幾千克，有的僅有幾十克。由于無(wú)法跟蹤觀測(cè)，數(shù)量又很大（約十幾萬(wàn)個(gè)），其危害程度不盡相同?？煞謩e采用可展開(kāi)／貯存金屬網(wǎng)捕獲碎片方法或被動(dòng)清理碎片的方法；對(duì)直徑在10cm 左右的碎片，采用噴射方法清理也是一個(gè)較好的措施。

新的觀測(cè)系統(tǒng)（例如“空間籬笆”）開(kāi)始使用，則可以根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，采用更有效的清理方法。

（4）碎片直徑小于1cm，質(zhì)量低于十幾克，其數(shù)量極大，但相對(duì)危害性較小，一般可以忽略。在必要時(shí)，對(duì)衛(wèi)星關(guān)鍵部位和易損表面加裝防撞設(shè)備。也可以在必要時(shí)，噴射出一些物質(zhì)附著在碎片上面，使其變成較大球狀，以加大氣動(dòng)阻力，使碎片提早離軌。

3）地球同步軌道碎片的清理原則和要求

目前在該區(qū)域碎片估計(jì)在幾百個(gè)以上，但直徑較大，地面上能觀測(cè)到，目前發(fā)生碰撞概率較小。但是地球同步軌道，傾角為零，在這條狹帶內(nèi)，一旦發(fā)生碰撞，經(jīng)濟(jì)損失會(huì)很大，同時(shí)對(duì)全球軍用和民用通信影響更為嚴(yán)重。為此應(yīng)該在規(guī)定時(shí)間內(nèi)逐步清理。清理碎片采用主動(dòng)方式比較合適，特別是采用自主式有控推力的方法。若不能采用自主式時(shí)，可用機(jī)器人抓捕，然后把碎片推至棄置軌道。在軌航天器可采用規(guī)避軌道機(jī)動(dòng)方法。

4．2 對(duì)將來(lái)發(fā)射衛(wèi)星的碎片清理原則和要求

在條件成熟時(shí)，應(yīng)規(guī)定所有發(fā)射入軌的衛(wèi)星必須具備清理自身碎片的能力，或者由他人幫助清理（例如“軌道服務(wù)公司”），清理費(fèi)用由衛(wèi)星所有者支付?！败壍婪?wù)公司”必須要有嚴(yán)格的組織和完善的國(guó)際監(jiān)督，例如在聯(lián)合國(guó)有關(guān)組織管理監(jiān)督下經(jīng)營(yíng)。根據(jù)衛(wèi)星大小和軌道高低，對(duì)其自備清理碎片能力分別有如下要求：

1）近地軌道

（1）大、中型衛(wèi)星（＞1 000kg），要有自備離軌（進(jìn)入大氣層）能力，采用推力主動(dòng)離軌方法，最理想的是具備固體小火箭，其次為預(yù)留液體燃料；

（2）小衛(wèi)星（＜1 000kg），采用被動(dòng)系留離軌、機(jī)器抓捕等主動(dòng)清理方法；

（3）微衛(wèi)星和納衛(wèi)星（＜100kg），衛(wèi)星應(yīng)裝有微型／輕型離軌終端器或沖氣設(shè)備（加大氣動(dòng)阻力等），采用被動(dòng)離軌方法。

2）地球同步軌道

由于這里大部分都是大、中型衛(wèi)星?？刹捎米詡渫屏﹄x軌方法，把碎片推至棄置軌道。還可采用機(jī)器人抓捕，集中一定碎片數(shù)量后，送入棄置軌道。廢棄衛(wèi)星和故障衛(wèi)星在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不能離軌時(shí)，可由“軌道服務(wù)公司”清理。

3）其他地球軌道（＜36 000km）

均應(yīng)具備“碎片軌道清理服務(wù)”功能，清理發(fā)生故障或碰撞所產(chǎn)生有危害的碎片。

采取以上清理措施之后，現(xiàn)有空間碎片數(shù)量經(jīng)過(guò)若干年，會(huì)逐漸減少，最后處在一個(gè)安全水平。同時(shí)新發(fā)射衛(wèi)星又有自備清理碎片能力。這樣，在達(dá)到上述兩項(xiàng)要求以后，就可保持一個(gè)安全清潔的空間環(huán)境，寶貴的空間資源得以長(zhǎng)久被使用。

5 清理空間碎片方法

清理空間碎片方法比較多，下面討論的各種空間碎片清理方法都是針對(duì)第4節(jié)所述情況，根據(jù)軌道高低，碎片大小和數(shù)量等不同的因素，分別采用不同方法。清理空間碎片的方法可分為3種：（1）被動(dòng)清理方法。不消耗能源，僅依靠外界自然因素來(lái)清理碎片，使碎片提早離軌。（2）主動(dòng)清理方法。需要消耗能源。（3）混合清理方法。主、被動(dòng)兩者相結(jié)合。這些清理方法，有一部分還處在研究設(shè)計(jì)階段，離實(shí)際應(yīng)用有一定距離，隨著技術(shù)發(fā)展，今后將有較大應(yīng)用價(jià)值。

每種清理方法還包括自主和非自主方式。自主方式是指依靠碎片對(duì)象本身具備的能力來(lái)清理，非自主方式是通過(guò)外力施加碎片對(duì)象，達(dá)到清理目的。為此主動(dòng)或被動(dòng)清理方法都有自主和非自主方式。

5．1 被動(dòng)清理空間碎片方法

被動(dòng)清理空間碎片有多種方法，這里僅討論針對(duì)本文第4節(jié)所需要的幾種。

1）電動(dòng)系繩離軌終端器［6］

空間系繩早在1970年由意大利人發(fā)明。美國(guó)的TUI系繩公司經(jīng)過(guò)十幾年研制，最后提出了稱為“電動(dòng)系繩”的離軌終端器，其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。圖4中下端有一個(gè)小盒，存放導(dǎo)電帶，長(zhǎng)度根據(jù)需求來(lái)決定，一般幾十米到幾千米。衛(wèi)星工作時(shí)導(dǎo)電帶儲(chǔ)存在小盒里，衛(wèi)星壽命終止后，小盒自動(dòng)（或地面站指令）打開(kāi)，伸出的導(dǎo)電帶有電流產(chǎn)生，與地磁力相互作用產(chǎn)生電動(dòng)阻力，導(dǎo)電帶與衛(wèi)星形成重力梯度穩(wěn)定姿態(tài)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也產(chǎn)生氣動(dòng)阻力，迫使衛(wèi)星提早離軌，最終進(jìn)入大氣層燒毀。該公司根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)量大小和軌道高低（一般都在近地軌道），可生產(chǎn)多種電動(dòng)系繩離軌終端器。

例1：輕型離軌終端器［7］，導(dǎo)電帶長(zhǎng)30 m、寬8cm，收存體積為100mm×83mm×5mm，質(zhì)量約80g。這種輕型離軌終端器用于微衛(wèi)星和納衛(wèi)星。

例2：適用于近地軌道大、中型衛(wèi)星的離軌器，采用鋁制導(dǎo)電帶，長(zhǎng)7．5km、質(zhì)量15kg，同時(shí)附有15kg末端質(zhì)量（可增加重力梯度穩(wěn)定度和氣動(dòng)阻力）。其離軌時(shí)間與近地點(diǎn)高度和軌道傾角有關(guān)，如圖5所示。如1 500kg衛(wèi)星，軌道近地點(diǎn)高度600km、傾角75°，由圖5可知大約在80d后會(huì)下降到200km 高度，然后很快下降，最后燒毀在大氣層中。若沒(méi)有安裝此設(shè)備，衛(wèi)星在軌停留時(shí)間至少也要20年。

圖4 電動(dòng)系繩離軌終端Fig．4 Electric tether de-orbit terminal

圖5 離軌天數(shù)和軌道近地點(diǎn)高度與傾角關(guān)系Fig．5 Relationship between deorbit time and orbital altitude and inclination

2）氣動(dòng)阻力離軌裝置［8］

使用沖氣裝置形成氣球或拋物面形狀，提高氣動(dòng)阻力，迫使衛(wèi)星提早離軌。圖6表示美國(guó)貝爾公司在2004 年研制的“沖氣加固拖曳結(jié)構(gòu)”（Towed Rigidizable Inflatable Structure，TRIS）。圖6中有3條支架（由系繩構(gòu)成）連接一個(gè)大面積的拋物面天線，平時(shí)收縮在小盒里。當(dāng)衛(wèi)星工作壽命終止后，打開(kāi)伸展支架，沖氣成為拋物面。近地軌道質(zhì)量在500～1 500kg 的衛(wèi)星，所需TRIS 離軌裝置的質(zhì)量、體積和成本如表2所示。離軌裝置一般約占衛(wèi)星總質(zhì)量的1%～1．5%。對(duì)500～600km 圓軌道衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，其離軌時(shí)間大約在0．5～1年之間。

圖6 沖氣加固拖曳結(jié)構(gòu)Fig．6 Towed rigidizable inflatable structure（TRIS）

表2 TRIS離軌裝置的質(zhì)量、體積和成本Table 2 TRIS mass，volume and cost of de-orbiting device

另一種結(jié)構(gòu)為沖氣氣球的氣動(dòng)阻力離軌裝置，如圖7（a）所示。衛(wèi)星工作壽命終止后，釋放出壓縮氦氣形成氣球。如衛(wèi)星質(zhì)量1 200kg、軌道高度為830km，沖氣成氣球直徑為37m，1年時(shí)間離軌，進(jìn)入大氣層燒毀。若沒(méi)有此裝置，衛(wèi)星將在軌道上停留30～40年。氣動(dòng)阻力離軌裝置還有一種四方形結(jié)構(gòu)，如圖7（b）所示。

圖7 氣動(dòng)阻力離軌裝置示意圖Fig．7 Aerodynamic drag de-orbiting device schematic

3）太陽(yáng)輻射壓力離軌方法［9］

在地球同步軌道利用大型太陽(yáng)帆指向太陽(yáng)，產(chǎn)生輻射壓力，經(jīng)過(guò)連續(xù)不斷工作，衛(wèi)星軌道高度將產(chǎn)生變化，最終迫使衛(wèi)星離開(kāi)地球同步軌道。這種操作一般都由地面站執(zhí)行，產(chǎn)生足夠輻射壓力需要較長(zhǎng)操作時(shí)間。由于在地球同步軌道上太陽(yáng)輻射壓力是衛(wèi)星的最主要攝動(dòng)力，因此該方法適用于地球同步軌道，特別是當(dāng)衛(wèi)星推力器發(fā)生故障時(shí)，使用這方法作備份，非常有效。

4）制動(dòng)帆離軌方法

在衛(wèi)星上通過(guò)支架伸展薄膜形成各種形狀的帆，從而產(chǎn)生制動(dòng)阻力，迫使衛(wèi)星提早離軌?？蔀楦鞣N衛(wèi)星研制大小不同的制動(dòng)帆，一般帆面積為幾平方米到幾十平方米，如圖8所示。這種裝置質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，特別適用于近地軌道的微小衛(wèi)星。

圖8 輕型制動(dòng)帆離軌裝置Fig．8 Light braking panels de-orbit device

5．2 主動(dòng)清理空間碎片方法

1）推力離軌方法［10］

采用各種推力器，迫使衛(wèi)星離軌，這種方法特點(diǎn)是作用效果明顯、離軌時(shí)間短、燃耗較大、成本高。2002年歐洲航天局研究對(duì)比了不同種類衛(wèi)星采用的推力離軌方法，表3列出比較結(jié)果，表中使用阿拉伯?dāng)?shù)字1～6，分別表示其效果從最佳到最差的6個(gè)等級(jí)（此指表3中具體軌道比較結(jié)果，若改變軌道，比較結(jié)果可作參考，可能會(huì)有一些小變化）。

由表3可知，固體推進(jìn)器適用于各種衛(wèi)星，其次廣泛適用的是單組元推進(jìn)器，電推力器對(duì)微衛(wèi)星和納衛(wèi)星均不適用，冷氣推力器對(duì)一般衛(wèi)星不太適合，可考慮用于納衛(wèi)星和微衛(wèi)星。

表3 各種推力器對(duì)不同衛(wèi)星離軌比較結(jié)果Table 3 De-orbit results of various thrusters on different satellites

采用推力離軌方法不僅需要耗費(fèi)較多燃料，而且控制精度的要求較高，若只有推力但無(wú)精確控制的能力，則離軌時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)。

2）空間機(jī)器人方法

采用具有軌道機(jī)動(dòng)能力的空間機(jī)器人，對(duì)選定的空間碎片進(jìn)行抓捕，并集中起來(lái)處理。采用和發(fā)展這種方法往往與軍事用途有關(guān)。該技術(shù)有2個(gè)難點(diǎn)，一是如何把抓捕到的碎片集中起來(lái)；二是如何清理這些碎片，又不影響到空間環(huán)境。還有一種方法是在具有機(jī)動(dòng)能力的微小衛(wèi)星上安裝機(jī)械臂，作用效果和空間機(jī)器人類似［11］。圖9 表示這兩種空間機(jī)器人抓捕碎片的外觀圖。

3）膨脹泡沫方法［12］

利用衛(wèi)星向空間碎片噴射泡沫，從而增加碎片的面積質(zhì)量比，提高其氣動(dòng)阻力，最終導(dǎo)致碎片提早離軌，墜入大氣層燒毀。這種方法比較適用于近地軌道的各種碎片。碎片經(jīng)過(guò)泡沫包裝后，質(zhì)量密度一般為0．5～1kg／m3。噴射泡沫過(guò)程如圖10所示。

圖9 空間機(jī)器人抓捕碎片F(xiàn)ig．9 Space robots capture debris

圖10 向空間碎片噴射泡沫過(guò)程Fig．10 Spray foam to space debris

碎片離軌時(shí)間和泡沫直徑大小有關(guān)，可根據(jù)所選定空間碎片的大小和質(zhì)量，確定應(yīng)該噴射泡沫的程度（直徑）。

噴射泡沫裝置可安裝在近地軌道的衛(wèi)星或飛船上，“噴射泡沫機(jī)構(gòu)”由泡沫貯存箱、可控機(jī)械手和噴管等組成；地面的空間碎片觀測(cè)系統(tǒng)選定具體碎片目標(biāo)，設(shè)定噴射條件，針對(duì)性強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生其它負(fù)作用。

5．3 混合清理空間碎片方法

該方法同時(shí)具有主動(dòng)和被動(dòng)相結(jié)合的清理碎片功能。以下介紹兩個(gè)實(shí)例。

1）制動(dòng)帆和電動(dòng)系繩混合方法［13］

立方體衛(wèi)星由歐洲航天局出資組織，英國(guó)薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司承擔(dān)研制。2011 年上半年已經(jīng)完成初步研制工作。立方體衛(wèi)星帆的存貯和展開(kāi)結(jié)構(gòu)如圖11所示。

柔性制動(dòng)帆貯存在雙立方體單元上端部件中，下端部件為控制電子設(shè)備。當(dāng)需要時(shí)展開(kāi)成正方形帆，一般面積為4～25m2，然后展開(kāi)的帆和一定長(zhǎng)度系繩連接在一起，成為一套完整的混合清理碎片裝置，最后通過(guò)空間對(duì)接，把混合裝置固連在碎片衛(wèi)星上，其結(jié)構(gòu)原理如圖12所示。

這種混合清理碎片裝置同時(shí)具有帆制動(dòng)和電動(dòng)系繩兩種作用的離軌功能，離軌時(shí)間更短。此方法特別適用于不具備離軌功能的衛(wèi)星。目前的技術(shù)難點(diǎn)，是如何把混合裝置可靠地與碎片衛(wèi)星對(duì)接與固連，雖然空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)目前發(fā)展比較成熟，但是對(duì)非合作目標(biāo)（例如空間碎片）的對(duì)接，仍然存在一定的技術(shù)難度。

圖11 立方體衛(wèi)星帆貯存和展開(kāi)結(jié)構(gòu)圖Fig．11 Cubesat panels storage and expansion structure

圖12 制動(dòng)帆和電動(dòng)系繩混合系統(tǒng)展開(kāi)結(jié)構(gòu)圖Fig．12 Hybrid system of brake panels and electric tether to expand the structure

2）可展開(kāi)／貯存金屬網(wǎng)捕獲碎片方法

用金屬絲制成巨型捕獲網(wǎng)，直徑可達(dá)幾百米到幾千米，當(dāng)衛(wèi)星飛行任務(wù)完成后，根據(jù)地面站指令打開(kāi)衛(wèi)星上的金屬網(wǎng)，開(kāi)始捕獲碎片。該方法較適合捕獲近地軌道上直徑小于10cm 的碎片。完成碎片捕獲任務(wù)后，衛(wèi)星向金屬網(wǎng)通電，從而與地磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生制動(dòng)力，使衛(wèi)星離軌。該方法在地面站控制下，一般不會(huì)捕獲不該捕獲的物體?？烧归_(kāi)／貯存金屬網(wǎng)，已經(jīng)由日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）和日東制魚(yú)網(wǎng)公司聯(lián)合研制成功，但尚未進(jìn)行空間飛行驗(yàn)證，其結(jié)構(gòu)示意如圖13所示。

圖13 可展開(kāi)／貯存金屬網(wǎng)捕獲碎片示意圖Fig．13 Expand／storage structure schematic of metal mesh to capture debris

6 結(jié)束語(yǔ)

空間碎片已成為人類非常關(guān)注的問(wèn)題。目前空間碎片數(shù)量急增，處于危險(xiǎn)階段。除了制定具有國(guó)際法律效力的空間碎片管理法規(guī)以外，同時(shí)也必須積極開(kāi)展研究有效適用的清理空間碎片方法。

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