陳蓉 申麟 高朝輝 唐慶博 童科偉（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

正如電影《地心引力》（Gravity）呈現(xiàn)出的因?yàn)榭臻g碎片而導(dǎo)致的巨大災(zāi)難，空間碎片對(duì)人類的空間資源開發(fā)活動(dòng)構(gòu)成了極大的威脅，必須想方設(shè)法地控制和減緩空間碎片?？刂?、減緩空間碎片的措施主要是預(yù)防和治理兩種。在積極預(yù)防產(chǎn)生空間碎片的基礎(chǔ)上，還有必要采用先進(jìn)的清除技術(shù)對(duì)已經(jīng)漂浮在軌道的空間碎片進(jìn)行治理。

1 引言

自1957年蘇聯(lián)發(fā)射人造地球衛(wèi)星-1后，人類便進(jìn)入了空間時(shí)代，空間已經(jīng)成為人類生存與發(fā)展的一個(gè)新領(lǐng)域，空間活動(dòng)已成為世界經(jīng)濟(jì)、科學(xué)活動(dòng)和安全的一個(gè)重要組成部分?？臻g碎片是人類探索和利用空間的廢棄物，主要包括完成任務(wù)的火箭箭體/衛(wèi)星本體、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射物、在執(zhí)行航天任務(wù)過程中的廢棄物以及解體的在軌廢棄物等。在軌廢棄物解體的原因可分為碰撞和爆炸兩種，其中碰撞是在軌廢棄物解體的主要原因。

截至2013年12月31日，美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)（SSN）編目的在軌廢棄物數(shù)量已達(dá)16906個(gè)。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。

編目在軌廢棄物數(shù)量統(tǒng)計(jì)（截至2013年12月31日）

空間碎片模擬示意

由于空間碎片對(duì)航天器的撞擊速度可高達(dá)15km/s，一旦與航天器發(fā)生碰撞，將損傷甚至直接摧毀在軌航天器，具有過程短暫劇烈、后果無法挽回等特點(diǎn)。一塊直徑為1cm的鋁質(zhì)碎片的撞擊能量相當(dāng)于一顆手榴彈爆炸的能量，足以粉碎一顆中等大小的衛(wèi)星。

同時(shí)，空間碎片之間又會(huì)不斷發(fā)生碰撞級(jí)聯(lián)效應(yīng)，導(dǎo)致在軌廢棄物數(shù)量急劇增加，甚至可能使得近地軌道資源無法再利用。這種惡性循環(huán)稱為“凱斯勒效應(yīng)”（Kessler Synd rome）。因此，空間碎片已成為航天器在軌安全運(yùn)行的最大威脅。

2 國(guó)外空間碎片減緩現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

空間碎片對(duì)人類的空間資源開發(fā)活動(dòng)構(gòu)成了極大的威脅，國(guó)際社會(huì)已經(jīng)達(dá)成共識(shí)—空間碎片環(huán)境的控制與治理必須由所有航天國(guó)家（機(jī)構(gòu)）共同努力才能完成。1993年世界上主要航天發(fā)射國(guó)家共同發(fā)起成立了機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)（IADC）。機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)由各國(guó)航天局代表參加，是一個(gè)半官方的國(guó)際組織，宗旨是：在各國(guó)航天局之間交換有關(guān)空間碎片研究的資料，建立開展空間碎片研究國(guó)際合作的渠道，共同研究與評(píng)價(jià)控制空間碎片的措施。聯(lián)合國(guó)外太空委員會(huì)（UNCOPUOS）的科學(xué)與技術(shù)分組委員會(huì)（STSC）已經(jīng)于2004年將空間碎片問題列為專題，成立了空間碎片工作組（SDWG），以《機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)空間碎片減緩指南》為基礎(chǔ)，討論空間碎片減緩措施的落實(shí)問題。除此之外，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）也正式將空間碎片減緩系列標(biāo)準(zhǔn)納入其工作計(jì)劃之中。

空間碎片在哈勃望遠(yuǎn)鏡太陽翼上留下的穿孔孔徑2.5mm

清除空間碎片的方法

為了安全、持續(xù)地開發(fā)和利用空間資源，就必須想方設(shè)法尋求控制、減緩空間碎片的有效措施?？刂?、減緩空間碎片的措施歸納起來，主要是預(yù)防和治理兩種。

經(jīng)過多年的科學(xué)研究與探索，在空間碎片的預(yù)防領(lǐng)域，已經(jīng)研究或應(yīng)用了多種鈍化或離軌的方案來預(yù)防空間碎片產(chǎn)生。鈍化即消除或斷絕能使運(yùn)載火箭末級(jí)或衛(wèi)星在軌道上發(fā)生爆炸的能源、系留住航天器在發(fā)射和在軌運(yùn)行工作中產(chǎn)生的拋棄物。離軌是指在航天器壽命結(jié)束之前或出現(xiàn)故障時(shí)采取恰當(dāng)?shù)碾x軌策略使其脫軌或?qū)⑵渌腿搿皬U棄軌道”。此外，還可以通過重復(fù)使用航天器來減少進(jìn)入外層空間的碎片或垃圾。

在積極預(yù)防空間碎片產(chǎn)生的基礎(chǔ)上，還有必要對(duì)已經(jīng)漂浮在軌道的空間碎片進(jìn)行治理或清除。近年來由于空間碎片撞擊衛(wèi)星事件時(shí)有發(fā)生，關(guān)于空間環(huán)境不穩(wěn)定性的研究也在深入展開，人們逐漸認(rèn)識(shí)到當(dāng)前實(shí)施的碎片減緩措施不足以限制未來碎片數(shù)量的增長(zhǎng)，空間碎片主動(dòng)清除技術(shù)應(yīng)該作為用于空間資源保護(hù)的手段來加以認(rèn)真考慮。

空間碎片主動(dòng)清除方式概念圖

空間碎片清理技術(shù)及其應(yīng)用的軌道高度和碎片尺寸

空間碎片主動(dòng)清除可分為以下幾種方式：①電磁方法，如電動(dòng)力繩索、磁帆；②捕獲方法，如飛網(wǎng)、飛爪、機(jī)械臂；③動(dòng)量交換方法，如太陽帆、增阻裝置；④遙方法，如激光；⑤改變材料屬性或材料狀態(tài)的方法。

經(jīng)過多年的發(fā)展，在空間碎片減緩技術(shù)方面，離軌鈍化技術(shù)已經(jīng)在世界各航天大國(guó)得到了廣泛的工程應(yīng)用，并且提出了許多創(chuàng)新的碎片清除概念。下面主要介紹美國(guó)、歐洲航天局（ESA）和日本的進(jìn)展情況。

美國(guó)

當(dāng)今世界，美國(guó)的空間碎片減緩技術(shù)最為成熟。就預(yù)防而言，“德爾他”（Delta）系列火箭末級(jí)利用發(fā)動(dòng)機(jī)重新點(diǎn)火，耗盡剩余推進(jìn)劑；采取沉底正推火箭連續(xù)工作的方式排空剩余氮?dú)?；通過設(shè)備繼續(xù)供電的方式耗盡電池，進(jìn)行了鈍化?！鞍肴笋R座”（Cen taur）上面級(jí)通過主發(fā)動(dòng)機(jī)排放液氫和液氧，通過打開貯箱保險(xiǎn)活門排放氣氫和氣氧，通過姿控發(fā)動(dòng)機(jī)工作耗盡肼類推進(jìn)劑，通過設(shè)備繼續(xù)供電耗盡電池，從而達(dá)到鈍化效果。美國(guó)還嘗試通過在軌燃料加注延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命來減少空間碎片的產(chǎn)生。

就清除而言，美國(guó)空軍和航空航天局（NASA）曾聯(lián)合提出名為“獵戶座”（Orion）的計(jì)劃，研究使用地基傳感器和低功率激光器清除空間碎片的系統(tǒng)，它利用高能激光束在目標(biāo)處產(chǎn)生熱物質(zhì)射流的方式將空間碎片移動(dòng)到指定位置。

歐洲航天局

在預(yù)防方面，阿里安-4（A riane-4）火箭末級(jí)采取了排放剩余推進(jìn)劑、排放高壓氣體的鈍化措施。阿里安-5火箭末級(jí)采取了增加附加管路排放剩余推進(jìn)劑的鈍化措施。

在清除方面，德國(guó)航空航天中心（DLR）提出了一些治理空間碎片的設(shè)想，例如：利用太空飛爪抓住廢棄航天器并將其拖入大氣層燒毀；在太空釋放一張大網(wǎng)來捕獲廢棄的航天器等。英國(guó)曾計(jì)劃將太陽帆作為氣動(dòng)式制動(dòng)器來進(jìn)行為期1年的實(shí)驗(yàn)，可以圍繞地球飛行收集危險(xiǎn)的太空碎片。

日本

在預(yù)防方面，日本H-2系列火箭末級(jí)通過打開預(yù)冷活門排放剩余液氫、液氧，通過增加電爆活門排放常溫氦氣，通過使沉底發(fā)動(dòng)機(jī)工作耗盡姿控推進(jìn)劑，從而達(dá)到鈍化效果；通過氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)低工況工作模式降軌，實(shí)現(xiàn)離軌目的。

在清除方面，日本曾提出一種利用主動(dòng)捕捉方式的電動(dòng)力繩索（EDT）系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于捕獲和清理空間非合作目標(biāo)，使用機(jī)械臂進(jìn)行捕獲，并使用電動(dòng)力繩索將其拖入大氣層。

總體來說，空間碎片減緩技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)如下：

1）在近期，系留、重復(fù)使用航天器等碎片減緩措施難以投入實(shí)際應(yīng)用，而在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，控制空間碎片環(huán)境應(yīng)以鈍化、脫軌和廢棄軌道技術(shù)措施為主，并綜合運(yùn)用當(dāng)前的這3種技術(shù)手段?？v觀世界各航天大國(guó)，對(duì)運(yùn)載火箭或衛(wèi)星采用任務(wù)后離軌鈍化設(shè)計(jì)是航天器發(fā)展的必然趨勢(shì)和基本要求。

2）空間碎片清除技術(shù)手段更加注重創(chuàng)新性、實(shí)用性和靈活性。碎片清除措施主要采用機(jī)械臂、飛網(wǎng)、飛爪等捕獲式方法，同時(shí)對(duì)可附著離軌裝置、電動(dòng)力繩索、太陽帆、增阻裝置和激光等新概念碎片清理技術(shù)已逐步展開深入研究?？臻g碎片清除飛行器正由概念設(shè)想逐步走向工程應(yīng)用。自由飛行空間機(jī)器人抓捕合作目標(biāo)已完成在軌演示驗(yàn)證，基于飛網(wǎng)、飛爪抓捕失效衛(wèi)星的空間碎片清理飛行器已開展了概念研究。

3 中國(guó)在空間碎片減緩方面的工作

中國(guó)已經(jīng)簽署了包括《外空條約》在內(nèi)的4個(gè)國(guó)際空間條約，并于1995年成為機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)的正式成員。面對(duì)日益嚴(yán)重的空間碎片和空間環(huán)境問題，加強(qiáng)減緩技術(shù)研究的力度和投入，有效控制空間碎片的產(chǎn)生，保護(hù)空間環(huán)境，是中國(guó)履行國(guó)際義務(wù)的具體體現(xiàn)，也是展現(xiàn)一個(gè)新興的航天大國(guó)和負(fù)責(zé)任大國(guó)形象的現(xiàn)實(shí)需要。從另一方面來說，中國(guó)的空間碎片減緩技術(shù)研究已經(jīng)處于一個(gè)加速發(fā)展的歷史機(jī)遇期。

中國(guó)在空間碎片減緩方面已取得一定的成果，主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：

空間碎片減緩技術(shù)基礎(chǔ)研究取得重要進(jìn)展

中國(guó)針對(duì)運(yùn)載火箭和衛(wèi)星的鈍化離軌技術(shù)進(jìn)行了深入的論證分析，開展了近地軌道和星座離軌技術(shù)分析，提出了快速高效預(yù)估衛(wèi)星軌道壽命的計(jì)算方案和程序，并初步應(yīng)用于衛(wèi)星離軌工程設(shè)計(jì)；開展剩余燃料排空技術(shù)研究，突破了末級(jí)火箭剩余推進(jìn)劑與高壓氣體的排放技術(shù)，為消除末級(jí)火箭發(fā)生在軌爆炸解體提供了有效的技術(shù)措施；為全面實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭鈍化排放和衛(wèi)星離軌處置，開展了操作性碎片控制技術(shù)、消能鈍化技術(shù)、任務(wù)后離軌處置技術(shù)等研究工作，為后續(xù)工程應(yīng)用實(shí)施打下了良好技術(shù)基礎(chǔ)。

低地球軌道上的空間碎片圾示意圖

被空間碎片擊中的法國(guó)“櫻桃”（Cerise）衛(wèi)星

空間碎片導(dǎo)致航天飛機(jī)舷窗上的凹坑

空間碎片減緩關(guān)鍵技術(shù)取得突破，具備了工程實(shí)施的能力

“十五”以來，通過航天器減緩總體技術(shù)研究、航天器鈍化技術(shù)研究、衛(wèi)星剩余推進(jìn)劑精確測(cè)定及在軌排空技術(shù)研究、航天器再入安全技術(shù)研究、衛(wèi)星全壽命空間碎片減緩設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究、長(zhǎng)征火箭末級(jí)主動(dòng)離軌技術(shù)研究、運(yùn)載火箭設(shè)備鈍化及操作性碎片控制技術(shù)研究、運(yùn)載火箭操作性碎片減緩工程化實(shí)施研究等多項(xiàng)空間碎片專項(xiàng)課題的支持，系統(tǒng)研究了國(guó)內(nèi)衛(wèi)星和長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭鈍化、離軌技術(shù)以及操作性碎片抑制措施，突破了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

空間碎片減緩工程化實(shí)施取得重要進(jìn)展

空間碎片減緩工程化著力解決空間碎片減緩技術(shù)在現(xiàn)役型號(hào)上的應(yīng)用。運(yùn)載火箭任務(wù)后鈍化操作納入任務(wù)流程，長(zhǎng)征-2、長(zhǎng)征-3A系列、長(zhǎng)征-4系列運(yùn)載火箭均已實(shí)現(xiàn)任務(wù)后的排放鈍化操作，并已經(jīng)逐步開展了末級(jí)離軌處置操作。使用低溫推進(jìn)劑的運(yùn)載火箭成功完成了排放鈍化操作飛行試驗(yàn)。同時(shí)，中國(guó)也已成功實(shí)施部分地球靜止軌道衛(wèi)星任務(wù)后離軌處置。

“十二五”期間，中國(guó)開展了針對(duì)廢棄衛(wèi)星與末級(jí)火箭等大尺寸空間碎片的主動(dòng)清除技術(shù)研究，在空間碎片清除技術(shù)研究方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，為空間碎片清除技術(shù)應(yīng)用奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

空間碎片減緩技術(shù)發(fā)展的建議

對(duì)照世界航天大國(guó)在空間碎片減緩方面的研究工作，提出中國(guó)碎片減緩技術(shù)的發(fā)展建議：

1）開展空間碎片控制、減緩的頂層規(guī)劃和戰(zhàn)略研究，制定長(zhǎng)期發(fā)展路線；

2）加強(qiáng)空間碎片減緩預(yù)研成果的工程應(yīng)用；

3）關(guān)注空間碎片主動(dòng)清除技術(shù)的發(fā)展，積極開展先進(jìn)技術(shù)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)；

4）加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究單位的交流合作，實(shí)現(xiàn)技術(shù)共享，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。