劉華偉 劉永健 譚春林 劉育強(qiáng)

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

?

空間碎片移除的關(guān)鍵技術(shù)分析與建議

劉華偉 劉永健 譚春林 劉育強(qiáng)

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

面向空間碎片的嚴(yán)重威脅，分析了空間碎片移除技術(shù)發(fā)展的必要性和緊迫性，詳細(xì)梳理了國(guó)內(nèi)外空間碎片移除的主要技術(shù)手段，包括推移離軌、增阻離軌、抓捕離軌3類(lèi)。推移離軌利用激光、離子束、太陽(yáng)輻射等能量束作用于空間碎片，產(chǎn)生特定力的作用，使其離開(kāi)原來(lái)的軌道，達(dá)到移除的目的。增阻離軌通過(guò)增加碎片的飛行阻力，降低碎片軌道高度，進(jìn)而縮短碎片軌道壽命，使其在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)離軌再入大氣。抓捕移除通過(guò)任務(wù)飛行器與空間碎片直接物理接觸的方式來(lái)移除碎片。在此基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了各種移除手段的可行性，并針對(duì)幾種近期可行的移除手段，分析了其涉及的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并提出了空間碎片移除技術(shù)的后續(xù)發(fā)展建議。

空間碎片；移除；推移離軌；增阻離軌；抓捕離軌

1 引言

空間碎片是指人類(lèi)在太空活動(dòng)中產(chǎn)生的廢棄物及其衍生物，主要包括廢棄航天器、火箭末子級(jí)、執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的拋棄物、火箭爆炸物、空間飛行器解體及碎片之間相互碰撞產(chǎn)生的碎片等?？臻g碎片是空間環(huán)境的主要污染源，軌道上日益增多的空間碎片必將影響和威脅人類(lèi)對(duì)空間資源的可持續(xù)利用，空間碎片移除是未來(lái)航天任務(wù)必須面對(duì)的重要問(wèn)題[1-5]，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

(1)空間碎片已經(jīng)對(duì)航天活動(dòng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，對(duì)其移除刻不容緩。隨著人類(lèi)對(duì)空間研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用能力的不斷提高，越來(lái)越多的空間飛行器被發(fā)射入軌，空間日趨擁擠，近地軌道上殘留了大量的廢棄衛(wèi)星、火箭末子級(jí)、碰撞產(chǎn)生的二次碎片等空間碎片(環(huán)地軌道上尺寸在1～10 cm的空間碎片達(dá)50多萬(wàn)個(gè))。如果不采取措施，空間碎片將以每年5%的速度遞增，近地軌道上的空間碎片已經(jīng)對(duì)航天活動(dòng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，正常工作的飛行器與太空碎片碰撞可能性正逐年增加。俄羅斯“宇宙-2251”衛(wèi)星與美國(guó)“銥星-33”衛(wèi)星的碰撞事故表明廢棄航天器及所形成的空間碎片已經(jīng)嚴(yán)重威脅到航天活動(dòng)，對(duì)空間碎片的移除刻不容緩。

(2)空間碎片移除是避免再入傷害的有效手段。由于不能有效控制再入軌道和落點(diǎn)，失控航天器(如俄羅斯的進(jìn)步-M27M貨運(yùn)飛船，進(jìn)入空間后失控自旋)、空間碎片等飛行體進(jìn)入大氣燒毀后，形成多塊殘余物，其散落可能造成對(duì)地面人員的傷害和設(shè)施的破壞。采用空間碎片移除技術(shù)，對(duì)前述飛行體軌道重定向，通過(guò)改變?cè)偃胲壍纴?lái)控制其落點(diǎn)，可避免再入傷害和破壞的發(fā)生。

(3)軌道資源有限，及時(shí)移除軌道碎片是安全高效利用軌道資源的前提。軌道資源有限，特別是GEO軌道，其資源不可替代。GEO軌道上已相當(dāng)擁擠,其上近千個(gè)航天器超過(guò)半數(shù)已失效，另有火箭末級(jí)等250多個(gè)，碎片及其它未知物體近400個(gè)。移除GEO軌道上的廢棄衛(wèi)星和其它空間碎片，可釋放出更多的有效軌道資源，并可提高GEO在役衛(wèi)星的安全性。

(4)只有及時(shí)移除空間碎片，才能保證航天器進(jìn)入空間通道的暢通。低軌航天器的軌道分布較廣，在役航天器、廢棄衛(wèi)星、上面級(jí)及其它碎片分布較密集，碰撞概率也相對(duì)較高。運(yùn)行于不同軌道的低軌飛行體相撞擊時(shí)撞擊速度達(dá)數(shù)千米每秒以上，撞擊后產(chǎn)生的大量碎片對(duì)空間環(huán)境的二次污染將更加嚴(yán)重，分布的碎片云逐步對(duì)運(yùn)行軌道起到封鎖效應(yīng)，從而使航天器進(jìn)入空間的通道日益受限。只有及時(shí)清理空間碎片，避免或減少航天器與空間碎片之間、空間碎片與空間碎片之間發(fā)生碰撞，才能減緩和避免空間環(huán)境的惡化，保證航天器進(jìn)入空間通道的暢通。

鑒于空間碎片環(huán)境治理的緊迫性,本文詳細(xì)梳理了國(guó)內(nèi)外空間碎片移除的主要技術(shù)手段,包括推移離軌(激光、離子束、太陽(yáng)帆等)、增阻離軌(膨脹泡沫、充氣裝置、電動(dòng)力繩系、靜電力等)、抓捕離軌(對(duì)接機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、柔性網(wǎng)抓等)等3類(lèi)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同的移除手段進(jìn)行了分析對(duì)比，并提出了其涉及的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。上述移除技術(shù)的分析與梳理，為規(guī)劃系統(tǒng)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展、促進(jìn)實(shí)用化碎片環(huán)境治理能力建設(shè)提供了指導(dǎo)和支持。

2 空間碎片移除的可能手段

空間碎片具有以下特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)與形狀各異(不規(guī)則)；②尺寸、質(zhì)量大小不一(尺寸從微米量級(jí)到米級(jí)，質(zhì)量從毫克量級(jí)到噸級(jí))；③運(yùn)動(dòng)不規(guī)則(自旋、章動(dòng))。

由于空間碎片撞擊速度可達(dá)數(shù)千米每秒，因此即使與微米級(jí)空間碎片相撞，也可以使航天器表面形成撞擊坑，甚至撞擊孔，使航天器功能下降或失效。近地空間中這類(lèi)微米級(jí)空間碎片數(shù)以百億計(jì)，對(duì)此，航天器主要通過(guò)加裝防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行被動(dòng)防護(hù)。本文的空間碎片移除技術(shù)主要對(duì)象為厘米級(jí)以上空間碎片。

針對(duì)空間碎片的特殊幾何特性和運(yùn)動(dòng)特性，國(guó)內(nèi)外發(fā)展了多種技術(shù)手段，根據(jù)施加作用力的不同，主要可分為推移離軌、增阻離軌和抓捕離軌三類(lèi)[6]，見(jiàn)圖1。

圖1 空間碎片移除手段按作用力不同分類(lèi)Fig.1 Space debris removal means classified by the way of force

2.1 推移離軌

推移離軌利用激光、離子束、太陽(yáng)輻射等能量束作用于空間碎片時(shí)的力現(xiàn)象，在碎片運(yùn)動(dòng)過(guò)程中施加特定力的作用，使其離開(kāi)原來(lái)的軌道，達(dá)到移除的目的，主要包括激光推移、離子束推移和太陽(yáng)帆推移等。

(1)激光推移移除。根據(jù)移除的效果，可分為氣化移除和氣化推移兩種方式。其中氣化移除是采用大功率連續(xù)波激光照射碎片，使其溫度升高至升華，實(shí)現(xiàn)碎片移除；氣化推進(jìn)是采用高能脈沖激光束照射碎片表面，產(chǎn)生類(lèi)似于火箭推進(jìn)的“熱物質(zhì)射流”，從而改變其軌道。激光移除適用于厘米級(jí)的小碎片。20世紀(jì)90年代，美國(guó)、德國(guó)等就提出了用強(qiáng)激光移除空間碎片的概念[7-8]。1996年，美國(guó)NASA提出了地基激光移除空間碎片的計(jì)劃(Orion)[9]，擬移除1500 km軌道范圍內(nèi)厘米級(jí)碎片。在天基激光移除計(jì)劃方面，早在1989年，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Metzger即提出了天基激光移除碎片方案[10]。2015年，一個(gè)國(guó)際科學(xué)家小組提出利用天基系統(tǒng)解決日益嚴(yán)重的空間碎片問(wèn)題的方案，擬在“國(guó)際空間站”上部署，可以使距離天基系統(tǒng)100 km范圍內(nèi)的空間碎片脫軌，見(jiàn)圖2。目前來(lái)看，激光移除空間碎片技術(shù)已進(jìn)入關(guān)鍵攻關(guān)階段[11-12]。

圖2 激光推移離軌原理示意圖Fig.2 Principle diagram of deorbit by laser

(2)離子束推移移除。通過(guò)天基離子束系統(tǒng)，即離子束管控衛(wèi)星，向空間碎片發(fā)射高能離子束，產(chǎn)生足夠的推力使其離軌。目前，國(guó)內(nèi)外僅開(kāi)展了少量概念研究[13-15]，尚無(wú)明確發(fā)展計(jì)劃。

(3)太陽(yáng)帆推移移除。太陽(yáng)帆依靠反射自然環(huán)境中的太陽(yáng)光光子產(chǎn)生推力，通過(guò)持續(xù)累積推力形成大的速度增量，迫使碎片離開(kāi)原有軌道，實(shí)現(xiàn)離軌。碎片軌道的抬升或降低可通過(guò)控制太陽(yáng)帆與太陽(yáng)光之間的幾何關(guān)系實(shí)現(xiàn)。主要的研究計(jì)劃是英國(guó)的“立方體太陽(yáng)帆”(CubeSail)計(jì)劃，通過(guò)發(fā)射一顆3 kg的納衛(wèi)星，試驗(yàn)太陽(yáng)帆移除空間碎片的技術(shù)可行性[16]。

2.2 增阻離軌

增阻離軌通過(guò)增加碎片的飛行阻力，降低碎片軌道高度，進(jìn)而縮短碎片軌道壽命，使其在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)離軌再入大氣，主要包括氣動(dòng)力增阻離軌(如泡沫膨脹增阻離軌、充氣裝置增阻離軌)、電動(dòng)力纜繩增阻離軌、靜電力增阻離軌等。

(1)膨脹泡沫增阻移除。任務(wù)航天器向碎片噴射泡沫，增大碎片面質(zhì)比，提高氣動(dòng)阻力，使其提早離軌。該方法本質(zhì)上依賴(lài)大氣阻力，所以適用于LEO軌道碎片。2011年，歐洲航天局提出了膨脹泡沫增阻離軌的方案設(shè)想，如圖3所示。

圖3 歐洲航天局膨脹泡沫增阻離軌任務(wù)星示意圖Fig.3 Principle diagram of ESA’s mission spacecraft deorbiting by increasing resistance

(2)充氣裝置增阻移除。使用充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，適用于LEO軌道碎片移除。2004年，美國(guó)貝爾公司提出了“充氣加固拖曳結(jié)構(gòu)”(Towed Rigidizable Inflatable Structure,TRIS)，由3條支架連接一副大面積的拋物面天線，平時(shí)收縮在盒子內(nèi)，當(dāng)衛(wèi)星壽命結(jié)束時(shí)，充氣展開(kāi)，增加氣動(dòng)阻力、加速衛(wèi)星離軌，見(jiàn)圖4。

圖4 TRIS任務(wù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of TRIS

(3)電動(dòng)力纜繩增阻移除。將導(dǎo)電纜繩附著在空間碎片上，以軌道速度在地磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)電纜繩切割磁力線產(chǎn)生洛倫茲力，洛倫茲力的方向與運(yùn)動(dòng)速度方向相反而作負(fù)功，使碎片降軌移除。適用于低軌碎片移除。2010年，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局(DARPA)提出了“電動(dòng)碎片移除器”(ElectroDynamic Debris Eliminator，EDDE)計(jì)劃，見(jiàn)圖5，擬通過(guò)電動(dòng)力纜繩+小型繩網(wǎng)移除低軌碎片[17]。日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)正在研究“空間碎片微型移除器”(SDMR)，通過(guò)機(jī)械臂抓捕碎片，并展開(kāi)電動(dòng)力纜繩，實(shí)現(xiàn)增阻離軌[18]，見(jiàn)圖6。

圖5 EDDE任務(wù)示意圖Fig.5 Schematic diagram of EDDE

圖6 SDMR任務(wù)示意圖Fig.6 Schematic diagram of SDMR

(4)靜電力增阻移除。利用空間等離子體特性，通過(guò)任務(wù)航天器對(duì)碎片進(jìn)行充電，帶電后的碎片在電場(chǎng)靜電力作用下減速離軌，實(shí)現(xiàn)碎片移除，參見(jiàn)圖7。適用于低軌碎片移除。目前，國(guó)內(nèi)外僅開(kāi)展了少量概念研究[19-20]，尚無(wú)明確的發(fā)展計(jì)劃。

圖7 利用靜電力移除空間碎片概念圖Fig.7 Conceptual graphs of space debris deorbit utilizing electric force

2.3 抓捕離軌

抓捕移除通過(guò)任務(wù)飛行器與空間碎片直接物理接觸的方式來(lái)移除碎片，主要包括以機(jī)械臂為代表的剛性抓捕手段[21-24]和以繩網(wǎng)為代表的柔性抓捕手段[25-29]。

(1)對(duì)接式抓捕移除。利用遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管捕獲機(jī)構(gòu)+星箭對(duì)接環(huán)鎖緊機(jī)構(gòu)抓捕目標(biāo)，由于捕獲機(jī)構(gòu)的專(zhuān)用特征，對(duì)接式抓捕的用途較為受限，無(wú)法適應(yīng)形態(tài)各異的空間碎片的捕獲需求。典型的項(xiàng)目包括DLR和軌道修復(fù)公司合作，提出的壽命延長(zhǎng)智能航天器(SMART-OLEV)項(xiàng)目(見(jiàn)圖8)，以及美國(guó)ViviSat公司，提出的任務(wù)擴(kuò)展飛行器方案(MEV)(見(jiàn)圖9)，旨在對(duì)壽命末期的靜止軌道衛(wèi)星實(shí)施延壽或離軌操作。

圖8 SMART-OLEV與目標(biāo)星的對(duì)接示意圖Fig.8 Schematic diagram of docking SMART-OLEV and target satellite

圖9 MEV與目標(biāo)星的對(duì)接示意圖Fig.9 Schematic diagram of docking MEV and target satellite

(2)機(jī)械臂抓捕移除。機(jī)械臂抓捕通過(guò)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，抓捕碎片的特定部位(如噴管、對(duì)接環(huán)、連接螺栓等)，進(jìn)而拖動(dòng)碎片離軌。由于抓持機(jī)構(gòu)的專(zhuān)用特征，導(dǎo)致其可抓捕的碎片類(lèi)型受限。利用機(jī)械臂抓捕在軌目標(biāo)的類(lèi)型按機(jī)械臂數(shù)量可分為單機(jī)械臂抓捕和多機(jī)械臂抓捕兩類(lèi)。單機(jī)械臂抓捕的典型項(xiàng)目包括歐洲的小型空間機(jī)器人系統(tǒng)(ROTEX)(見(jiàn)圖10)、自主空間交會(huì)與在軌捕獲驗(yàn)證計(jì)劃(TECSAS)(見(jiàn)圖11)和德國(guó)在軌服務(wù)任務(wù)(DEOS)(見(jiàn)圖12)項(xiàng)目，多機(jī)械臂抓捕的典型項(xiàng)目包括美國(guó)的通用軌道修正航天器任務(wù)(SUMO&FREND)(見(jiàn)圖13)和鳳凰計(jì)劃(Phoenix)(見(jiàn)圖14)。目前，上述項(xiàng)目均處于地面驗(yàn)證階段，尚未開(kāi)展飛行驗(yàn)證。

圖10 ROTEX項(xiàng)目Fig.10 Project ROTEX

圖11 TECSAS項(xiàng)目Fig.11 Project TECSAS

圖12 DEOS項(xiàng)目Fig.12 Project DEOS

圖13 SUMO & FREND項(xiàng)目Fig.13 Project SUMO & FREND

圖14 鳳凰計(jì)劃Fig.14 Project Phoenix

(3)柔性網(wǎng)/爪抓捕移除。通過(guò)繩網(wǎng)、口袋、魚(yú)叉等裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的柔性抓捕，不需要考慮特定的抓捕位置，可適用于不同形狀、尺寸的碎片抓捕。在網(wǎng)捕方面，具有代表性的項(xiàng)目有美國(guó)TUI公司的“抓捕、取回、固定有效載荷”可展開(kāi)網(wǎng)捕捉器 (Grapple，Retrieve，and Secure Payload，GRASP)，見(jiàn)圖15,日本的新型空間繩網(wǎng)系統(tǒng)(Furoshiki)，見(jiàn)圖16，美國(guó)的小行星重定向項(xiàng)目(Asteroid Redirect Mission，ARM)，見(jiàn)圖17，歐洲航天局的機(jī)械人地球靜止軌道復(fù)位器項(xiàng)目(Robotic Geostationary Orbit Restorer，ROGER)，見(jiàn)圖18，及其后續(xù)項(xiàng)目主動(dòng)碎片移除計(jì)劃(e.Deorbit),見(jiàn)圖19，同時(shí)ROGER及e.Deorbit在繩爪方面的研究也是具有代表性的。

圖15 GRASP項(xiàng)目Fig.15 Project GRASP

圖16 Furoshiki項(xiàng)目Fig.16 Project Furoshiki

圖17 ARM項(xiàng)目Fig.17 Project ARM

圖18 Roger項(xiàng)目網(wǎng)捕獲器與繩爪機(jī)構(gòu)概念圖Fig.18 Conceptual graphs of catcher and rope-claw mechanisms for project Roger

圖19 e.Deorbit項(xiàng)目拋射式飛網(wǎng)捕獲和魚(yú)叉捕獲裝置示意圖Fig.19 Schematic diagram of projectile maneuvering-net mechanism and harpoon mechanism for project e.Deorbit

3 各種空間碎片移除手段對(duì)比分析

表1從移除對(duì)象、移除時(shí)效性及技術(shù)成熟度等三個(gè)方面對(duì)各種空間碎片移除手段進(jìn)行了初步的比較分析。從表1分析，可得到以下結(jié)論：

(1)激光推移手段適用于厘米級(jí)小碎片移除，目前正在開(kāi)展地面關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，具有一定的技術(shù)基礎(chǔ)；

(2)充氣增阻及電動(dòng)力纜繩增阻手段適用于低軌大尺寸碎片移除，具有較好的技術(shù)基礎(chǔ)，可考慮作為后續(xù)低軌衛(wèi)星壽末自主離軌的通用化產(chǎn)品；

(3)剛性機(jī)械臂及柔性網(wǎng)爪等抓捕移除手段適用于高、中、低各個(gè)軌道的大尺寸碎片目標(biāo)，可操作性強(qiáng)，技術(shù)相對(duì)成熟，易于工程實(shí)現(xiàn)，是當(dāng)前實(shí)施空間碎片移除的優(yōu)選技術(shù)途徑。

針對(duì)幾種抓捕移除手段，開(kāi)展進(jìn)一步的比較分析，如表2所示。

表1 各種空間碎片移除手段比較分析

注：無(wú)特殊說(shuō)明，本文中大型碎片指的是分米級(jí)以上碎片，小型碎片指的是分米級(jí)以下碎片；移除周期較短指的是周期以天計(jì)或以小時(shí)計(jì)，移除周期較長(zhǎng)指的是周期以年計(jì)。

表2 各種抓捕移除手段的對(duì)比分析

對(duì)比各種抓捕移除手段，可知柔性繩網(wǎng)應(yīng)用于空間碎片抓捕移除，具有對(duì)目標(biāo)適應(yīng)性好、安全性高等優(yōu)勢(shì)，其原因在于繩網(wǎng)/口袋等形式的柔性載荷不需要對(duì)準(zhǔn)特定的抓捕位置，而是空間覆蓋式抓捕，誤差冗余大，對(duì)碰撞與沖擊不敏感，輕度的碰撞與沖擊不會(huì)造成系統(tǒng)的大范圍不穩(wěn)定，特別適合于對(duì)于空間碎片的抓捕移除。

4 空間碎片移除的關(guān)鍵技術(shù)分析

由上節(jié)各種空間碎片移除手段的比較分析可知，當(dāng)前可行的移除手段包括激光推移、充氣增阻、電動(dòng)力纜繩增阻、機(jī)械臂抓捕、柔性繩網(wǎng)抓捕等，下面，針對(duì)上述碎片移除技術(shù)手段，分析其涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

(1)無(wú)論是天基還是地基，激光推移移除空間碎片需要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要有3個(gè)：①高功率激光器技術(shù)，包括高光束質(zhì)量、大功率、高穩(wěn)定性激光器。天基移除還必須考慮系統(tǒng)的體積、質(zhì)量、功耗及空間環(huán)境的適應(yīng)性等。②捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)技術(shù)，需要能夠穩(wěn)定捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)并將激光束精確地發(fā)送到數(shù)百公里之外的空間碎片上，要求捕跟控制精度達(dá)到微弧度甚至更小。③激光與物質(zhì)作用效能分析。激光與物質(zhì)作用效能的高低取決于激光與碎片作用的沖量耦合系數(shù)，如何選取最優(yōu)的參數(shù)配置，是一項(xiàng)非常復(fù)雜且重要的工作。

(2)充氣增阻移除需解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：①充氣展開(kāi)材料技術(shù)，從材料的使用角度考慮，要求其具有輕質(zhì)、柔性、耐高溫、抗輻射、氣密性好和易剛化等特點(diǎn)。②充氣結(jié)構(gòu)折疊/展開(kāi)技術(shù)，旨在盡可能地減小充氣展開(kāi)式結(jié)構(gòu)在發(fā)射過(guò)程中所占用的體積，另一方面則是保證充氣展開(kāi)式結(jié)構(gòu)在空間穩(wěn)定可靠的展開(kāi)，包括結(jié)構(gòu)包裝的方式、充氣方式的選擇和充氣展開(kāi)方式的選擇等。

(3)電動(dòng)力纜繩增阻移除需解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：①纜繩材料選擇與空間耐受性分析，纜繩材料的選擇主要取決于材料是否有相對(duì)較低的電阻率和較小的密度，實(shí)際應(yīng)用中還要考慮成本、強(qiáng)度、熔點(diǎn)以及空間環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題。②纜繩展開(kāi)機(jī)構(gòu)技術(shù)，需要設(shè)計(jì)一種彈射機(jī)構(gòu)，使初始處于卷繞狀態(tài)的纜繩以一定的速度完全展開(kāi)，并確保展開(kāi)過(guò)程的有序與可靠。③空間環(huán)境電荷收集技術(shù)，電動(dòng)力纜繩的電荷收集能力，尤其是在帶電粒子濃度較低區(qū)域運(yùn)行時(shí)的電荷收集能力，直接影響著系統(tǒng)的離軌效率，如何有效提升其集電能力是電動(dòng)力纜繩應(yīng)用于空間碎片移除需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

(4)機(jī)械臂抓捕移除需解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：①空間碎片目標(biāo)特性測(cè)量建模技術(shù)，對(duì)空間碎片實(shí)施超近距離接觸式操作，首先必須解決目標(biāo)特性測(cè)量和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確定問(wèn)題，獲取碎片的大小、整體特征等信息，并進(jìn)一步確定其旋轉(zhuǎn)角速度、轉(zhuǎn)軸指向、章動(dòng)幅度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。②空間碎片特定抓捕位置辨識(shí)技術(shù)，要實(shí)施抓捕，就必須解決對(duì)抓捕位置的識(shí)別和跟蹤測(cè)量問(wèn)題，包括具體操作點(diǎn)的位置，如對(duì)接環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、太陽(yáng)翼板架等，以及對(duì)抓捕位置的相對(duì)位置解算問(wèn)題。③強(qiáng)適應(yīng)性末端抓捕機(jī)構(gòu)技術(shù)，設(shè)計(jì)專(zhuān)用的碎片抓捕末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可適用于不規(guī)則形狀物體抓捕、發(fā)動(dòng)機(jī)喉管捕獲、對(duì)接框捕獲等。④空間碎片主動(dòng)消旋技術(shù)，對(duì)于大質(zhì)量/慣量的空間碎片，當(dāng)旋轉(zhuǎn)/翻滾速度很快時(shí)，直接抓捕會(huì)產(chǎn)生較大的力和力矩沖擊，需要在短時(shí)間內(nèi)遷移的動(dòng)量/能量非常大，甚至可能造成操作機(jī)構(gòu)和任務(wù)平臺(tái)損毀，因此必須首先對(duì)空間碎片進(jìn)行主動(dòng)消旋。

(5)柔性繩網(wǎng)抓捕移除需解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：①柔性繩網(wǎng)動(dòng)力學(xué)技術(shù)，與通常的剛性空間結(jié)構(gòu)相比，空間繩網(wǎng)系統(tǒng)具有極度柔軟、極易出現(xiàn)變形、松弛與纏繞的特點(diǎn)，屬于典型的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，是動(dòng)力學(xué)仿真的一個(gè)難題，目前國(guó)內(nèi)外多見(jiàn)單根繩索的仿真研究，采用的方法多為彈簧-集中質(zhì)量法或有限段等簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型方法，需要研究高精度、高效率繩網(wǎng)動(dòng)力學(xué)建模方法。②大型柔性繩網(wǎng)收貯與防纏繞技術(shù)，與地面網(wǎng)體不同，空間繩網(wǎng)在設(shè)計(jì)上有著輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高展收比和高易展性要求，需要選擇空間環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的材料，研究合理的繩網(wǎng)編制工藝與打結(jié)方式，設(shè)計(jì)可靠的折疊封貯方案，避免繩網(wǎng)壓縮后的網(wǎng)目之間出現(xiàn)糾纏與穿透現(xiàn)象，確保發(fā)射展開(kāi)過(guò)程無(wú)纏繞。③柔性繩網(wǎng)低沖擊精準(zhǔn)發(fā)射技術(shù)，在幾十到上百米的距離上，小的發(fā)射誤差，將造成目標(biāo)位置上網(wǎng)形的較大偏差，會(huì)導(dǎo)致繩網(wǎng)抓捕的失敗，同時(shí)發(fā)射沖量將會(huì)對(duì)平臺(tái)姿態(tài)控制系統(tǒng)提出較高要求，要求發(fā)射系統(tǒng)具有發(fā)射同步性高、發(fā)射速度大小與方向控制精準(zhǔn)、對(duì)平臺(tái)沖擊小等特點(diǎn)。④繩系組合體軌道機(jī)動(dòng)與控制技術(shù)，柔性繩網(wǎng)抓捕碎片后，通過(guò)連接兩者的系繩構(gòu)成了單邊約束的多體系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律較為復(fù)雜，需要建立柔性復(fù)雜組合體的姿態(tài)和軌道動(dòng)力學(xué)模型，充分考慮拖曳過(guò)程中組合體章動(dòng)、繩系系統(tǒng)的面內(nèi)外擺動(dòng)、組合體的姿態(tài)軌道運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)耦合以及碎片自身運(yùn)動(dòng)的干擾等問(wèn)題。

5 后續(xù)發(fā)展建議

(1)應(yīng)大力開(kāi)展抓捕離軌/推移離軌等空間碎片主動(dòng)移除技術(shù)研究，研制空間碎片移除航天器。柔性抓捕以抓捕容差大、與目標(biāo)間無(wú)剛性碰撞等特點(diǎn)在空間碎片移除方面具有較大的潛在應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，柔性繩網(wǎng)抓捕已有較好的技術(shù)基礎(chǔ)，后續(xù)建議重點(diǎn)發(fā)展空間柔性繩網(wǎng)碎片移除技術(shù)；機(jī)械臂技術(shù)發(fā)展迅速已逐步實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用，是一種可能的針對(duì)大型碎片(廢棄衛(wèi)星)抓捕移除的技術(shù)手段，后續(xù)建議重點(diǎn)發(fā)展具有多自由度和沖擊減緩特性機(jī)械臂技術(shù)。激光是當(dāng)前最可行的針對(duì)20cm以下小碎片移除的技術(shù)手段，后續(xù)建議重點(diǎn)發(fā)展天基激光推移小碎片移除技術(shù)。

(2)統(tǒng)一布局，推動(dòng)空間碎片自主離軌技術(shù)的發(fā)展。發(fā)展航天器自主離軌通用化產(chǎn)品，通過(guò)氣動(dòng)力、電磁力等手段使航天器在壽命末期快速降軌再入，后續(xù)需重點(diǎn)發(fā)展充氣裝置增阻離軌技術(shù)和電動(dòng)力系繩增阻離軌技術(shù)。

(3)采取三步走的發(fā)展策略。第一步，突破機(jī)械臂抓捕與柔性繩網(wǎng)抓捕核心關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展飛行驗(yàn)證，完成針對(duì)高軌廢棄衛(wèi)星的移除試驗(yàn)；第二步，突破天基激光推移和充氣裝置及電動(dòng)力系繩增阻離軌技術(shù)，開(kāi)展危險(xiǎn)碎片移除試驗(yàn)，具備對(duì)厘米級(jí)碎片移除能力和航天器自主離軌能力；第三步，構(gòu)建較為完善的高低軌碎片移除系統(tǒng)，發(fā)展多種碎片移除技術(shù)手段，形成業(yè)務(wù)化碎片移除能力。

References)

[1] 王超，董正宏，尹航，等. 空間目標(biāo)在軌捕獲技術(shù)研究綜述[J]. 裝備學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，24(4): 63-66

Wang Chao，Dong Zhenghong，Yin Hang，et al. Research summarizing of on-orbit capture technology for space target[J]. Journal of Academy of Equipment，2013，24(4): 63-66 (in Chinese)

[2]李新剛，裴勝偉. 國(guó)外航天器在軌捕獲技術(shù)綜述[J]. 航天器工程，2013，22(1): 113-119

Li Xingang，Pei Shengwei.On-orbit capture technology of spacecraft[J]. Spacecraft Engineering，2013，22(1): 113-119 (in Chinese)

[3]Bekey I. Orion’s laser: hunting space debris[J]. Aerospace America，1997，35(5): 38-44

[4]Johnson N L. Developments in space debris mitigation policy and practices[J]. J Aerospace Engineering 2007，221(6):907-909

[5]Marshall H K. Survey of space debris reduction methods[C]// AIAA Space 2009 Conference & Exposition. Washington D.C.: 2009: 14-17

[6]李怡勇，王衛(wèi)杰，李智，等. 空間碎片清除[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社，2014

Li Yiyong，Wang Weijie，Li Zhi，et al.Space debris removal[M]. Beijing: National Defense Industry Press，2014 (in Chinese)

[7]Sforza P M. Laser system for spacecraft hull protection[C]// 42nd International Astronautical Congress. Paris：International Astronautical Congress，1991：10-12

[8]Schall W O. Orbital debris removal by laser radiation[J]. Acta Astronautica，1991，24: 343-351

[9]Phipps C R，Albrecht G. Orion: clearing near-earth space debris using a 20kW，530nm，earth based，repetitively pulsed laser[J]. Laser and Particle Beams，1996，14(1): 1-44

[10] Metzger J D，Leclaire R J，Howe S D，et al. Nuclear-powered space debris sweeper[J]. Journal of Propulsion and Power，1989，5(5): 582-590

[11]Campbell J W. Project Orion: orbital debris removal using ground-based sensors and lasers[R]. Huntsville：NASA Technical Memorandum，1996

[12]Phipps C R，Baker K L. Removing orbital debris with laser[J]. Advances in Space Research，2012，49(7): 1283-1300

[13]Kitamura S. Large space debris reorbiter using ion beam irradiation[C]// 61stInternational Astronautical Federation. Prague: International Astronautical Federation，2010：725-735

[14]Bombardelli C，Peláez J. Ion beam shepherd for contactless space debris removal[J]. Journal of Guidance，Control，and Dynamics，2011，34(3): 916-920

[15]Bombardelli C，Urrutxua H，Merino M，et al. Dynamics of ion-beam-propelled space debris[C]// 22ndInternational Symposium on Space Flight Dynamics. S?o José dos Campos: International Symposium on Space Flight Dynamics，2011：1-13

[16]侯英. 英國(guó)研究利用太陽(yáng)帆處理太空軌道碎片[J]. 國(guó)防科技情報(bào)，2010(9): 15

Hou Ying.The study of space debris removal using solar sails in England[J].National Defense Science and Technology Intelligence，2010(9): 15 (in Chinese)

[17]Pearson J，Levin E，Oldson J. Electro dynamic debris eliminator (EDDE)—design，operation，and ground support[R]. Hawaii：Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference，2010

[18]馬楠，貴先洲. 國(guó)外空間碎片清除計(jì)劃[J]. 國(guó)際太空，2013(2): 64-69

Ma Nan，Gui Xianzhou.Foreign space debris removal program[J]. Space International，2013(2): 64-69 (in Chinese)

[19]Toyoda K，F(xiàn)urukawa Y，Okumura T，et al. Preliminary investigation of space debris removal method using electrostatic force in space plasma,2009-1487[R]. Washington D.C.: AIAA，2009

[20]Toyoda K，Sasaki R，Cho M. Experimental investigation of space debris removal method using electrostatic force in space plasma，2012-0874[R]. Washington D.C.: AIAA，2012

[21]翟光，仇越，梁斌，等. 在軌捕獲技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 機(jī)器人，2008，30(5): 467-478

Zhai Guang，Qiu Yue，Liang Bin，et al. Development of on-orbit capture technology[J]. ROBOT，2008，30(5): 467-478 (in Chinese)

[22]翟光，張景瑞，周志成. 靜止軌道衛(wèi)星在軌延壽技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 宇航學(xué)報(bào)，2012，33(7): 849-859

Zhai Guang，Zhang Jingrui，Zhou Zhicheng. A review of on-orbit life-time extension technologies for GEO satellites[J]. Journal of Astronautics，2012，33(7): 849-859 (in Chinese)

[23]Martin é，Dupuis é，Piedboeuf J C，et al. The TECSAS mission from a Canadian perspective[C]// ISAIRAS 2005 Conference. Quebec：Canadian Space Agency，2005：1-8

[24]Sommer B. Automation and robotics in the german space program-unmanned on-orbit servicing (OOS) & the TECSAS mission[C]// The 55th International Astronautical Congress. Paris: International Astronautical Congress，2004：1-18

[25]Yu Y，Baoyin HX，Li JF. Dynamic modeling and analysis of space webs[J]. Sci China Phys Mech Astron，2011，54(4): 783-791

[26]Nakasuka S，Sahara H，Nakamura Y，et al. Large "Furoshiki" net extension in space—sounding rocket experiment results[J]. Automatic Control in Aerospace，2007，17(1): 485-490

[27]Brophy J R，F(xiàn)riedman L，Culick F. Asteroid retrieval feasibility[C]// 2012 IEEE Aerospace Conference. New York: IEEE，2012: 1-16

[28]Bremen A S. Robotic geostationary orbit restorer (ROGER) phase: a final report[R]. Paris: ESA，2003

[29]Wieser R,Haarmann G,Hausmann R，et al. e.Deorbit Mission: OHB Debris removal concept[C]// The 13thSymposium on Advanced Space Technologies in Robotics and Automation. Noordwijk: The Symposium on Advanced Space Technologies in Robotics and Automation，2015: 1-6

(編輯：張小琳)

Analysis and Suggestion on Key Technology of Space Debris Removal

LIU Huawei LIU Yongjian TAN Chunlin LIU Yuqiang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

In the face of the serious threat of space debris，the necessity and urgency of the development of the space debris removal technology is analyzed in this paper. At the same time，the main technical means of the space debris removal at home and abroad is combed in detail，including deorbit by translation，deorbit by increasing the resistance，deorbit by capturing. Deorbit by translation takes advantages of the energy beam resulting from the laser，the ion beam，the solar radiation and so on，which exert the specific force on the space debris in the process of the movement then make the space debris leave from its original orbit. Finally by these means the purpose of space debris removal is achieved. Deorbit by increasing the resistance means increasing the space debris flying resistance which results in the decreasing of the space debris orbital altitude and the reduction of the space debris orbital lifetime，and makes the space debris into the atmosphere again in the prescriptive time. Deorbit by capturing removes the space debris by the direct physical contact of the mission spacecrafts. Then the feasibility of all kinds of the removal means is compared and analyzed，and the key technology of the means which is feasible recently is also analyzed. At last，the suggestions about the subsequent development of the space debris removal technology are proposed.

space debris; removal; deorbit by translation; deorbit by increasing the resistance; deorbit by capturing

2017-01-13；

2017-03-21

劉華偉，女，博士，工程師，研究方向?yàn)楹教炱骺傮w設(shè)計(jì)。Email：lhw5646653@126.com。

V528

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.02.015