唐瓊,張烽,張雨佳

(中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部,北京100076)

1 空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀

目前，空間碎片的數(shù)目急劇增長，在軌的編目空間物體已經(jīng)突破1.8萬個，其中大多數(shù)是空間碎片。如表1所示，截至2018年8月31日，美國空間監(jiān)測網(wǎng) (SSN)編目的在軌廢棄物數(shù)量已達(dá)19201個，而無法編目的微小廢棄物質(zhì)量已達(dá)幾千噸，數(shù)量超過200億個。

由于空間碎片軌道的自然衰減過程相當(dāng)緩慢，若不采取措施，未來50年間，碎片數(shù)量將以每年10%的速度增加[1]。近地軌道 (LEO)是有限資源，因此，有必要采取碎片減緩或清除措施來解決廢棄航天器和火箭殘骸的問題。

2 空間碎片清除技術(shù)現(xiàn)狀

空間碎片的清除技術(shù)，包括推移離軌、增阻離軌、捕獲離軌、服務(wù)后重用和自主離軌五個方面。表2針對每個方面，列舉了典型的技術(shù)方法，從適用軌道高度范圍、清除目標(biāo)類型、以及應(yīng)用前景三方面，將各種方法進(jìn)行歸納總結(jié)[1]。

3 電動力繩系離軌原理

當(dāng)導(dǎo)電系繩在地球磁場中運動時，由于切割地球磁力線而在系繩中產(chǎn)生電動勢，當(dāng)系繩和大氣電離層中的自由電子和離子構(gòu)成閉合回路時，便能在系繩中產(chǎn)生電流，電流和地球磁場相互作用會在系繩上產(chǎn)生洛侖茲力。洛侖茲力與航天器運動方向相反，與大氣阻力的作用是一致的。

電動阻力的概念就是利用導(dǎo)電系繩中的電流與地磁場之間互相作用產(chǎn)生的洛倫茲力。用于減速的洛倫茲力F(電動阻力)以復(fù)雜的方式由系繩系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)、軌道及當(dāng)?shù)仉婋x層的特性確定。

式中，I(l)是系繩中流動的電流；dl是系繩長度的微分；B是當(dāng)?shù)氐卮艌觥Ｏ道K中的電流由感應(yīng)電壓Φ自我維持，感應(yīng)電壓Φ由系繩切割磁場的相對運動產(chǎn)生:

其中，v是系繩相對于磁場的相對速度矢量。電動力產(chǎn)生的功率表示如下:

在電動力作用下，航天器從軌道半徑a2的圓軌道降到軌道半徑a1的圓軌道 (a1＜a2)所需時間可由下式估算:

式中，μ8是地球引力常數(shù)；m是航天器質(zhì)量 (包括系繩系統(tǒng))；a是軌道半徑。

通過分析可知，對于赤道面軌道，能夠獲得最大效率的電動阻力。對于傾角較大的軌道，由于軌道運動與地磁場的相對幾何關(guān)系，且電離層離子的密度相對較低，電動阻力的效率較低。

對于繩系系統(tǒng)設(shè)計，另一個要考慮的重要參數(shù)是系繩長度L，由式 (1)可知，其值決定感應(yīng)電壓，并與阻抗一起確定系繩中的電流。通常，較短的系繩具有較小的感應(yīng)電壓和電流，這意味著離軌的時間將更長。雖然增加系繩長度使其性能更優(yōu)，但在質(zhì)量、撓性、空間碎片風(fēng)險方面要付出代價。

4 繩系離軌試驗

到目前為止，在太空開展電動力繩系系統(tǒng)全尺寸的試驗為數(shù)不多，但是關(guān)于電動力繩系離軌的可行性研究已經(jīng)開展了近10年。國外已經(jīng)研究了形式多樣的電動力系繩配置，并對其離軌性能進(jìn)行了評估。

美國TUI公司由 Robert P.Hoyt和 Robert L.Forward于1994年成立，致力于利用電動力清除近地軌道的廢棄航天器。該公司基于電動力繩系技術(shù)開發(fā)了一種輕巧可靠的空間系繩產(chǎn)品，稱為終結(jié)者 (Terminator Tether，TM)。TM系繩系統(tǒng)的設(shè)計取決于被清除航天器的質(zhì)量及其所在的軌道。對于典型的LEO軌道航天器，TM系繩的長度為5～7.5km，系統(tǒng)質(zhì)量為航天器的1% ～2%。表3給出了7.5km電動力系繩的離軌時間，對質(zhì)量為1500kg的航天器實施離軌，系繩系統(tǒng)質(zhì)量占航天器總質(zhì)量的1%，離軌過程從初始軌道高度降低到距離地面250km處。

表1 編目在軌廢棄物數(shù)量統(tǒng)計 (截至2018年8月31日)Tab.1 Statistics of the amount of cataloged orbital wastes(up to August 31，2018)

表2 主要空間碎片清除方法Tab.2 Main removal methods of space debris

表3 電動力繩系離軌時間研究數(shù)據(jù)[2]Tab.3 Research data on the deorbit time of electrodynamic tethered system

事實上，對于5～10km的典型電動力繩系長度，洛倫茲力隨著有效載荷質(zhì)量、軌道傾角和高度的增加而減小，以每天2～50km的速率降低系繩系統(tǒng)的軌道高度。

5 優(yōu)劣勢分析

5.1 優(yōu)勢

(1)減輕質(zhì)量

與其它推進(jìn)系統(tǒng)相比，電動力繩系離軌系統(tǒng)的主要優(yōu)點是不需要任何推進(jìn)劑。傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)器的推進(jìn)劑質(zhì)量占總質(zhì)量很大一部分 (10%～20%)。而一個典型的電動力繩系系統(tǒng)，重約30～50kg，就完全可以實現(xiàn)航天器的離軌，發(fā)射時僅占運載工具質(zhì)量的百分之幾 (1% ～5%)。此外，化學(xué)推進(jìn)器必須能夠保證在比任務(wù)時長更長的時間內(nèi)可靠地運行。而系繩系統(tǒng)在任務(wù)期間將處于非活動狀態(tài)，在軌等待航天器離軌指令即可。電動力繩系系統(tǒng)通過消除大量推進(jìn)劑發(fā)射和長期在軌存貯的需求，大大降低了成本，提高了空間推進(jìn)和操作的可靠性。

(2)減少離軌時間

使用電動力繩系離軌的另一個好處是，LEO的離軌時間僅比大氣阻力衰減離軌縮短若干個數(shù)量級。對于一顆500km高度以上的典型航天器，受自然軌道擾動影響，軌道壽命可能是幾十年到幾千年。而終結(jié)者TM系繩系統(tǒng)則可以將運行在LEO軌道上的航天器在幾周到幾個月時間內(nèi)推離軌道。

(3)提高ATP有效性

離軌技術(shù)的主要目標(biāo)是從軌道上移除廢棄的和不需要的航天器，使它們不會對其他航天器構(gòu)成碰撞威脅。使用系繩離軌會增加航天器系統(tǒng)的橫截面積，從而增大了系統(tǒng)在任務(wù)期間遭受意外碰撞的可能性。然而，碰撞可能性不僅僅取決于橫截面積，還取決于航天器離軌所花費的時間。對于僅通過氣動阻力離軌的航天器，系統(tǒng)橫截面積相對較小，離軌進(jìn)入地球大氣層所需的時間有可能是數(shù)百年或數(shù)千年。因此，即使系繩增加了航天器系統(tǒng)的橫截面積，但是軌道衰減速率使離軌時間大幅縮減，足以補(bǔ)償橫截面積增加帶來的不利影響，大大降低系繩離軌系統(tǒng)與其它航天器碰撞的概率。

評估離軌技術(shù)有效性的標(biāo)準(zhǔn)不僅僅是它是否與大氣阻力衰減相比減少了離軌時間，而是其是否減小了離軌時間和航天器橫截面積的乘積 (Area-time-Product，ATP)。根據(jù) Forward和Hoyt16的研究結(jié)果 (表3)，證明了終結(jié)者TM系繩系統(tǒng)可以顯著降低大多數(shù)LEO軌道的ATP值。

5.2 風(fēng)險

電動力繩系系統(tǒng)的系繩通常非常長，而且薄，這導(dǎo)致其極易出現(xiàn)故障，如系繩斷裂等。系繩的意外斷裂可能是由許多原因造成的，包括制造缺陷、系統(tǒng)故障、材料退化、振動以及與其它航天器元件的接觸。而通過設(shè)計、質(zhì)量檢查及任務(wù)期間對系繩動力學(xué)和穩(wěn)定性的主動控制，可以防止以上大多數(shù)原因。

盡管如此，由于系繩的直徑較小，容易被相對較小的流星體和軌道碎片撞擊并切斷，由此產(chǎn)生的系繩碎片給在軌航天器造成了額外的碰撞風(fēng)險。未來，可以通過增加系繩直徑或采用其它創(chuàng)造性的設(shè)計來提高系繩的生存能力。

因此，在電動力繩系系統(tǒng)應(yīng)用于空間碎片減緩任務(wù)之前，必須解決下述問題:

(1)評估系繩對空間環(huán)境的影響。確定繩系系統(tǒng)與在軌航天器的碰撞風(fēng)險，系繩切斷后的殘余物造成的碰撞風(fēng)險，以及系繩之間發(fā)生碰撞的可能性。

(2)評估系繩的生存能力。評估任務(wù)期間系繩被空間碎片和流星體切斷的風(fēng)險。

6 結(jié)論和建議

目前，國內(nèi)外已經(jīng)提出了一些基于電動力繩的離軌裝置以緩解空間碎片的解決方案，但是，從空間碎片的角度來看，電動力繩系系統(tǒng)會在太空中帶來一些新的問題。因此，盡管電動力繩系系統(tǒng)很有可能成為緩解空間碎片的有效措施，但在實際采用這種技術(shù)之前，系繩對空間環(huán)境的影響以及系繩的生存能力這兩個問題需要重點考慮。