曹喜濱, 李 峰, 張錦繡,, Richard Muriel

空間碎片天基主動(dòng)清除技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)*

曹喜濱1, 李 峰1, 張錦繡1,2, Richard Muriel2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 衛(wèi)星技術(shù)研究所, 黑龍江 哈爾濱 150001；

2.洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 瑞士空間中心, 洛桑CH-1005)

隨著國(guó)內(nèi)外航天發(fā)射任務(wù)逐年增多，大量在軌滯留的失效航天器將成為未來(lái)空間資源有效利用所面臨的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?？臻g碎片天基主動(dòng)清除技術(shù)是從根源上對(duì)空間資源化利用與安全處置的措施，將提升和加強(qiáng)近地空間的可持續(xù)循環(huán)利用。本文明晰了空間碎片天基主動(dòng)清除的概念，分析了空間碎片天基主動(dòng)清除技術(shù)的發(fā)展歷程，提出了其發(fā)展過(guò)程中面臨的非合作目標(biāo)相對(duì)導(dǎo)航、協(xié)調(diào)控制和捕獲方式及裝置等主要問(wèn)題，為我國(guó)空間碎片天基主動(dòng)清除技術(shù)的發(fā)展提出了有益參考。

空間碎片；天基主動(dòng)清除；非合作目標(biāo)；離軌

(1.ResearchCenterofSatelliteTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150080,China;

2.SwissSpaceCenter,SwissFederalInstituteofTechnologyinLausanne,LausanneCH-1005,Switzerland)

目前在軌運(yùn)行的航天器已達(dá)數(shù)千顆，預(yù)計(jì)10年內(nèi)每年超過(guò)服役期的航天器將達(dá)到百顆以上。其中低軌失效航天器自然衰減至大氣層燒毀將需要幾十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，靜止軌道航天器若在壽命末期不采取措施則會(huì)永久滯留于駐泊點(diǎn)，使得可安全利用的軌道資源，特別是靜止軌道駐泊點(diǎn)，進(jìn)一步減少。同時(shí)，失效航天器長(zhǎng)期滯留過(guò)程中，地面難以對(duì)其行為進(jìn)行干預(yù)，相互之間的碰撞將導(dǎo)致空間碎片的急劇增加。截至目前為止，已發(fā)生過(guò)240余次爆炸/撞擊(破碎)事件，產(chǎn)生了數(shù)量眾多的空間碎片。

通常而言，空間碎片涵蓋了火箭上面級(jí)、失效衛(wèi)星、航天任務(wù)拋棄物及航天器解體或相互之間碰撞后產(chǎn)生的衍生物等。如2009年銥星與俄羅斯衛(wèi)星的碰撞致使10cm以上空間碎片增加了將近3000個(gè)，大大增加了在軌航天器的安全風(fēng)險(xiǎn)。

早在2007年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration，NASA)空間碎片計(jì)劃負(fù)責(zé)人Johnson[1]在分析未來(lái)200年內(nèi)空間碎片的演化過(guò)程基礎(chǔ)上，明確提出具備潛在威脅性的空間碎片主要為廢棄衛(wèi)星、火箭上面級(jí)及其解體后的衍生目標(biāo)，其質(zhì)量分布在1000～1500kg和2500～3000kg之間，軌道傾角在70°～75°，80°～85°和95°～100°的區(qū)間內(nèi)。同時(shí)指出[1]自2020年起，每年清除5～20個(gè)上述大型空間碎片就可抑制空間碎片總量的增長(zhǎng)，從而保證未來(lái)空間環(huán)境不再持續(xù)惡化。至此，空間碎片主動(dòng)清除(ActiveDebrisRemoval，ADR)被提上了各國(guó)空間技術(shù)的發(fā)展日程。

1 空間碎片天基主動(dòng)清除的概念

單純從技術(shù)層面而言，空間碎片天基主動(dòng)清除可以理解為，通過(guò)適當(dāng)手段使得低地球軌道(LowEarthOrbit,LEO)碎片進(jìn)入大氣層燒毀；抬高或降低靜止軌道(GeostationaryEarthOrbit,GEO)碎片使其進(jìn)入墳?zāi)管壍溃瑥亩鴮?shí)現(xiàn)空間環(huán)境的清理，降低在軌航天器碰撞風(fēng)險(xiǎn)。整個(gè)系統(tǒng)任務(wù)所涵蓋的內(nèi)容一般包括：快速發(fā)射入軌、快速/燃料最省調(diào)相至清理目標(biāo)、非合作目標(biāo)的識(shí)別與接近、機(jī)動(dòng)目標(biāo)的巡視與捕獲以及離軌五個(gè)階段。如圖1所示，其表征五個(gè)階段各自完成的任務(wù)和相對(duì)應(yīng)的操作。

然而除技術(shù)、成本因素外，空間碎片天基主動(dòng)清除系統(tǒng)的發(fā)展還受到政治和法律層面因素的影響。技術(shù)方面主要包括快速開(kāi)發(fā)和部署、最大限度采用成熟技術(shù)、保證新入軌質(zhì)量最小。經(jīng)濟(jì)上則要有合理的費(fèi)效比，使得空間碎片環(huán)境得到顯著改善。政治層面則要求系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、部署和運(yùn)行過(guò)程的透明性，以使得其他航天國(guó)家相信碎片移除系統(tǒng)不會(huì)用于攻擊在軌正常工作的衛(wèi)星。法律層面則應(yīng)確保符合已有國(guó)際法律法規(guī)，特別是滿(mǎn)足聯(lián)合國(guó)外層空間公約規(guī)定的框架。

通常而言，為節(jié)省燃料消耗，在遠(yuǎn)程調(diào)相階段，采用一次機(jī)動(dòng)多圈緩慢調(diào)相，即改變半長(zhǎng)軸小量，依靠自然漂移實(shí)現(xiàn)同軌相位調(diào)整。當(dāng)接近至目標(biāo)4～5km處時(shí)，采用激光雷達(dá)完成對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和狀態(tài)確定，通常采用1個(gè)推力弧段接近到距離目標(biāo)300m左右的位置。在300m左右的位置，采用紅外相機(jī)或激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的全方位觀察，進(jìn)一步確認(rèn)目標(biāo)的狀態(tài)，如失速旋轉(zhuǎn)角速度等參數(shù)。當(dāng)接近至20m左右時(shí)，采用光學(xué)相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的巡視，確認(rèn)捕獲點(diǎn)，完成相對(duì)目標(biāo)的狀態(tài)同步。之后，實(shí)施捕獲，完成穩(wěn)定控制后，執(zhí)行離軌動(dòng)作，移除航天器與目標(biāo)共同離軌。

圖1 系統(tǒng)各階段任務(wù)與操作Fig.1 different operation of each phase

2 空間碎片清除計(jì)劃概況

空間碎片清除正面臨著重大挑戰(zhàn)的認(rèn)識(shí)已經(jīng)引發(fā)了眾多機(jī)構(gòu)和學(xué)者去尋求創(chuàng)新解決方案。2009年9月17日，美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA)公布了其需求，試圖尋找一種實(shí)現(xiàn)低成本創(chuàng)新軌道碎片清除系統(tǒng)概念的可行技術(shù)途徑[2]，同時(shí)要求應(yīng)標(biāo)單位提出各自概念的創(chuàng)新性，如移除每千克碎片的成本估計(jì)、符合碎片減緩國(guó)際目標(biāo)的途徑以及大致的響應(yīng)時(shí)間。此外，DARPA與NASA在2009年聯(lián)合組織了第一屆軌道碎片清除國(guó)際會(huì)議[2]。中國(guó)也于2014年3月4—5日在天津首次召開(kāi)了空間碎片移除技術(shù)研討會(huì)[3]，正式將空間碎片主動(dòng)移除提上了日程。目前已經(jīng)提出的空間碎片主動(dòng)移除計(jì)劃主要包括如下幾個(gè)。

2.1 瑞士清潔太空計(jì)劃

瑞士空間中心于2012年提出一項(xiàng)30kg量級(jí)微衛(wèi)星發(fā)展計(jì)劃，旨在清除所發(fā)射Cubesat衛(wèi)星的計(jì)劃，即為清潔太空(CleanSpaceOne,CSO)計(jì)劃[4]。

該計(jì)劃由瑞士S3公司采用空射運(yùn)載的方式將衛(wèi)星送入軌道，采用小型機(jī)械臂或形狀記憶材料裝置(如圖2所示)對(duì)Swisscube實(shí)施抓捕，進(jìn)而通過(guò)微推力裝置完成離軌。值得一提的是，在2014年6月12日，編號(hào)為26306的長(zhǎng)征四號(hào)火箭殘片在瑞士空間中心Cubesat前方142m處擦肩而過(guò)，兩者最近距離不足1km。該事件的發(fā)生進(jìn)一步堅(jiān)定和促進(jìn)了瑞士空間中心清潔空間計(jì)劃的發(fā)展。

圖2 基于介電彈性材料的捕獲機(jī)構(gòu)[4]Fig.2 Capturing mechanism based on dielectric elastic materials [4]

2.2 歐盟主動(dòng)清除計(jì)劃

在歐洲航天局(EuropeanSpaceAgency,ESA)支持下，眾多歐盟成員國(guó)基于ROGER[5]等空間在軌服務(wù)演示驗(yàn)證計(jì)劃的研究基礎(chǔ)，也相繼提出了多個(gè)空間碎片天基主動(dòng)清除計(jì)劃，如飛網(wǎng)捕獲、機(jī)械手抓取，甚至可展開(kāi)薄膜帆/發(fā)泡裝置增加面質(zhì)比、高能粒子阻尼自旋碎片等[6]。

同時(shí)，英國(guó)Surrey大學(xué)空間中心以太陽(yáng)帆技術(shù)為研究基礎(chǔ)，在歐盟第七框架計(jì)劃支持下提出了一種基于可展開(kāi)薄膜帆的Gossamer[7]離軌器。采用25m2的太陽(yáng)帆，增加LEO大型空間碎片的阻力面積，實(shí)現(xiàn)其快速離軌。后續(xù)還將陸續(xù)發(fā)展InflatSAIL等主動(dòng)清除計(jì)劃。

2.3 美國(guó)主動(dòng)清除計(jì)劃

早在2009年，DARPA即提出了其空間碎片清除技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃——電動(dòng)碎片清除器[8]。該計(jì)劃綜合了電動(dòng)力系繩、飛網(wǎng)捕獲等技術(shù)，擬在近地軌道布置12套該系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)5年內(nèi)低地球軌道空間碎片環(huán)境的穩(wěn)定。

在此之前的1998年，美國(guó)TethersUnlimited公司就提出了基于電動(dòng)力系繩的航天器離軌計(jì)劃，以帶電系繩切割地磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力作為離軌動(dòng)力實(shí)現(xiàn)空間碎片的離軌。該公司當(dāng)前正在NASA的支持下開(kāi)展基于3U-立方體衛(wèi)星的繩系式離軌器驗(yàn)證項(xiàng)目的研究[9]。

2.4 其它國(guó)家主動(dòng)清除計(jì)劃

日本早在1997年就完成了ETS-VII項(xiàng)目的空間驗(yàn)證，具備了對(duì)空間合作目標(biāo)的捕獲、維修等在軌操作能力。日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JapanAerospaceExplorationAgency,JAEA)正在研究一種基于電動(dòng)力系繩的空間碎片微型清除器(SpaceDebrisMicroRemover,SDMR)。除此之外，其所屬創(chuàng)新技術(shù)研究中心(InnovationTechnologyResearchCenter,ITRC)在ETS-VII技術(shù)基礎(chǔ)上，也在發(fā)展基于機(jī)械臂抓取的空間碎片移除計(jì)劃[10]。

除上述計(jì)劃外，俄羅斯薩馬拉航空航天大學(xué)[11]、意大利泰雷茲阿萊尼亞宇航公司[12]等單位也紛紛提出基于繩系拖船等空間主動(dòng)清除計(jì)劃。

3 ADR發(fā)展面臨的主要問(wèn)題

目前來(lái)看，尚無(wú)空間碎片移除系統(tǒng)在軌運(yùn)行，國(guó)外的研究起步較早，正處于關(guān)鍵技術(shù)研究及部分技術(shù)驗(yàn)證階段，而國(guó)內(nèi)正處于概念研究階段。就當(dāng)前研究來(lái)看，主要面臨著如下問(wèn)題。

3.1 非合作目標(biāo)的相對(duì)導(dǎo)航

通常而言，作為清除目標(biāo)的失效航天器及其衍生碎片等均已失去軌道機(jī)動(dòng)能力，可視為空間自由漂浮目標(biāo)，同時(shí)由于故障或本身無(wú)定位裝置，亦不具備空間定位能力。在清除航天器接近目標(biāo)過(guò)程中的導(dǎo)航就成為亟待解決的問(wèn)題之一。

3.1.1 中遠(yuǎn)距離目標(biāo)識(shí)別與定位

盡管地面觀測(cè)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)此類(lèi)目標(biāo)空間定位的一種手段，然而在實(shí)際操作過(guò)程中，為了降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，通常對(duì)清除航天器提出空間自主探測(cè)的需求。當(dāng)前情況下，有必要有效利用先驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，如北美防空司令部(NorthAmericanAerospaceDefenseCommand,NORAD)發(fā)布的TLEs數(shù)據(jù)，來(lái)解決空間碎片清除過(guò)程中遠(yuǎn)中段目標(biāo)的定位與導(dǎo)航問(wèn)題。

3.2.2 近距離相對(duì)狀態(tài)確定

在在軌服務(wù)、交會(huì)對(duì)接等合作目標(biāo)為對(duì)象的空間應(yīng)用中，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，如PRISMA任務(wù)已經(jīng)演示了基于主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)和射頻系統(tǒng)的相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)。在空間碎片清除中，主要以非合作目標(biāo)為清除對(duì)象，且可能面臨著碎片特征復(fù)雜(二次碰撞形成殘片)或無(wú)明顯特征(Cubesat)、目標(biāo)無(wú)規(guī)律旋轉(zhuǎn)等問(wèn)題。

3.2 非合作目標(biāo)的協(xié)調(diào)控制

在空間環(huán)境等非主動(dòng)力作用下，自由漂浮物體的旋轉(zhuǎn)速度通?？梢赃_(dá)到6°/s，對(duì)于攜帶推進(jìn)系統(tǒng)的航天器來(lái)說(shuō)，在控制系統(tǒng)失效無(wú)法控制推進(jìn)系統(tǒng)的情況下，其旋轉(zhuǎn)速度可能在短期內(nèi)增加到幾十甚至上百(°)/s。

3.2.1 近距離逼近及自主繞飛

當(dāng)前相對(duì)成熟的逼近及繞飛技術(shù)主要針對(duì)合作目標(biāo)，如神舟飛船交會(huì)對(duì)接、TanDEM-X編隊(duì)等。關(guān)于非合作目標(biāo)的自主繞飛尚未進(jìn)一步開(kāi)展，在相對(duì)位置姿態(tài)可測(cè)情況下，可將穩(wěn)態(tài)非合作目標(biāo)視為合作目標(biāo)；對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的逼近和繞飛，則面臨著逼近路徑的優(yōu)選、自主繞飛過(guò)程中的位姿實(shí)時(shí)確定和繞飛風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控等問(wèn)題。

3.2.2 失穩(wěn)旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的同步與阻尼

為了降低在捕獲過(guò)程中對(duì)捕獲裝置和系統(tǒng)的沖擊，依據(jù)捕獲方式的不同，主動(dòng)清除航天器相對(duì)目標(biāo)的同步方式也會(huì)存在較大差別，如不同步、僅同步旋轉(zhuǎn)主軸、完全同步等，例如在CSO任務(wù)中僅需同步旋轉(zhuǎn)主軸。

此外，成功捕獲目標(biāo)或?qū)㈦x軌裝置安裝到目標(biāo)后，形成了由清除航天器/模塊和目標(biāo)碎片復(fù)合而成的新航天器。鑒于目標(biāo)碎片存在不穩(wěn)定性，為了保證離軌的順利進(jìn)行，復(fù)合體航天器(特別是當(dāng)清除航天器或模塊的質(zhì)量小于或遠(yuǎn)小于目標(biāo)碎片)的阻尼也是ADR過(guò)程中面臨的難題之一。在CSO任務(wù)中，清除航天器質(zhì)量遠(yuǎn)大于目標(biāo)碎片[4]，故其阻尼相對(duì)簡(jiǎn)單。

3.2.3 安全離軌

實(shí)現(xiàn)復(fù)合體航天器穩(wěn)定阻尼后，其離軌策略依然受到離軌裝置、剩余燃料量、與在軌航天器碰撞風(fēng)險(xiǎn)、離軌時(shí)間等的約束。采用電動(dòng)力或太陽(yáng)帆方式離軌，由于系統(tǒng)不易控制，面臨如何規(guī)避與在軌航天器的碰撞風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題；若清除航天器剩余燃料，則需解決剩余燃料、離軌時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避約束下的離軌窗口優(yōu)化及控制等問(wèn)題。同樣，在CSO任務(wù)中，其離軌為不受控再入，目標(biāo)僅為將Swisscube的自然衰減年限降低到25年[4]。

3.3 捕獲方式及裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前已經(jīng)提出的包括電動(dòng)力系繩、太陽(yáng)帆、阻力增強(qiáng)裝置、小型機(jī)械臂、繩網(wǎng)等在內(nèi)的多種在軌捕獲裝置，均存在各自的優(yōu)勢(shì)和不足，尚難找到一種合理的主動(dòng)移除裝置。如采用電動(dòng)力系繩實(shí)現(xiàn)主動(dòng)離軌的航天器，面臨姿態(tài)失穩(wěn)直接導(dǎo)致系繩纏繞等問(wèn)題；太陽(yáng)帆離軌則需解決輕質(zhì)大面積薄膜展開(kāi)問(wèn)題；相對(duì)較成熟的小型機(jī)械臂則需直面高速旋轉(zhuǎn)目標(biāo)抓取過(guò)程及后續(xù)阻尼過(guò)程帶來(lái)的力學(xué)問(wèn)題。CSO任務(wù)正在論證的捕獲裝置包括小型機(jī)械臂、基于介電彈性材料的捕獲機(jī)構(gòu)[4](見(jiàn)圖2)等。

4 結(jié)論

在當(dāng)前已具備對(duì)合作目標(biāo)實(shí)施在軌捕獲和維修技術(shù)的基礎(chǔ)上，空間碎片天基主動(dòng)清除將主要解決火箭上面級(jí)、失效衛(wèi)星及其相互碰撞后產(chǎn)生的衍生物體的離軌問(wèn)題。研究將針對(duì)不同類(lèi)別目標(biāo)特征/動(dòng)力學(xué)、不同的捕獲/移除方式所面臨的不同問(wèn)題而展開(kāi)，同時(shí)也需要解決系統(tǒng)的成本、壽命設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與部署等問(wèn)題。

中國(guó)目前對(duì)于包含失效航天器在內(nèi)的空間碎片的安全處置研究尚處于起步階段，相關(guān)理論、方法和技術(shù)手段與國(guó)際先進(jìn)水平相比尚存在較大差距。綜合成本與效益等多方面的考慮，發(fā)展基于微納衛(wèi)星的空間碎片主動(dòng)清除系統(tǒng)，演示驗(yàn)證對(duì)潛在威脅航天器發(fā)起攻擊和干擾的能力、監(jiān)測(cè)軌道容量超標(biāo)對(duì)在軌航天器的威脅、驗(yàn)證空間失效目標(biāo)快速離軌、入軌故障情況下二次入軌等緩解策略與關(guān)鍵技術(shù)，將為解決中國(guó)未來(lái)有效利用空間的瓶頸問(wèn)題提供技術(shù)保障，同時(shí)也將彰顯中國(guó)和平利用空間的理念及作為負(fù)責(zé)任的航天大國(guó)的地位。

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Development status and tendency of active debris removal

CAO Xibin1, LI Feng1, ZHANG Jinxiu1,2, Richard Muriel2

Withtheincreaseofdomesticandforeignlaunchingtasks,itisbecomingaseriouschallengethatplentyoffailureorinvalidspacecraftsintheprocessofspaceresourcesrecycling.Theactivedebrisremovalcanberegardedasaneffectiveandfundamentalmeansthatcanrealizethereuseofspaceresourcesandsafedisposal.Theconceptofactivedebrisremovalisclarifiedanditsdevelopmentprocessalsoisanalyzed.Somekeytechniques,suchasrelativenavigation,coordinatedcontrol,capturemethodanddevicefornon-cooperativetarget,areproposed.Itwillprovidesomefruitfulreferenceforourcountry′sactivedebrisremovalinfuture.

spacedebris;activedebrisremoval;non-cooperativetarget;de-orbit

2014-09-10

曹喜濱(1963—)，男，黑龍江肇東人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail：xbcao@hit.edu.cn

10.11887/j.cn.201504020

http://journal.nudt.edu.cn

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