焦建超 鄭國憲 蘇云 （北京空間機電研究所）

基于空間站平臺的空間碎片探測與清除技術

焦建超 鄭國憲 蘇云 （北京空間機電研究所）

1　引言

近幾十年來，人類航天活動日益頻繁，航天器發(fā)射數(shù)量不斷增加，由此產(chǎn)生了大量的空間碎片，包括運載工具、失效載荷以及由空間物體碰撞產(chǎn)生的碎片等?？臻g碎片的相對運動約10km/s，能夠對航天器造成多種形式的危害，如嚴重改變航天器的表面性能、運行姿態(tài)和軌道，甚至可導致載人航天器的嚴重損毀，威脅航天員的生命安全。

目前太空中已編目的大于10cm的物體約2萬個，主要為空間碎片；1～10cm的碎片超過50萬個；小于1cm的碎片可能有幾千萬個。不同尺寸空間碎片對航天器有不同程度的威脅，通常，對于尺寸小于1cm的空間碎片，采用被動屏蔽防護結構為航天器提供保護；對于尺寸大于10cm的空間碎片，地基探測設備可以獲得其軌道信息，航天器根據(jù)預警信息進行規(guī)避機動；對于尺寸1～10cm的空間碎片，數(shù)量龐大，并且目前地基探測設備不具備對其跟蹤定軌的能力，是載人航天器的重要威脅。

目前我國地基設備還不具備探測10cm以下空間碎片的能力，而天基探測不存在地球大氣的影響，可以近距離、高精度探測小尺寸空間碎片。天基探測是近年來空間碎片探測的發(fā)展趨勢。根據(jù)公開報道的資料，美國、俄羅斯和加拿大等國已經(jīng)開展了天基空間碎片探測的研究工作。隨著我國載人航天的推進以及空間探測研究的迅速發(fā)展，對天基空間碎片探測系統(tǒng)的需求日益迫切。

高度400km軌道的空間碎片環(huán)境

2　服務于空間站平臺的空間碎片探測與清除措施分析

天基空間碎片探測的主要技術手段包括光學探測和雷達探測兩種方式，由于雷達探測系統(tǒng)能夠對空間碎片進行精確定軌，“國際空間站”主要采用雷達對近距離范圍空間碎片進行監(jiān)視，以滿足基本的空間碎片預報和規(guī)避需求，包括毫米波雷達和Ku頻段雷達。毫米波雷達系統(tǒng)能夠對“國際空間站”附近25km范圍內(nèi)0.4～8cm的空間碎片進行跟蹤測量，觀測范圍俯仰方向為±15°，方位相為360°，為“國際空間站”提供沖撞警告，以及對空間碎片的數(shù)據(jù)庫提供更新數(shù)據(jù)；Ku頻段雷達最大探測距離為400km，能夠探測在“國際空間站”軌道面上出現(xiàn)的2～10cm的空間碎片，提前1～2個軌道得到準確的預報，為機動規(guī)避做決策和準備。但是，進行機動規(guī)避需要與地面通信，由地面分析后才能給出規(guī)避策略，雷達（受限于口徑、功率）仍無法滿足對于遠距離空間碎片探測的需求。

根據(jù)對空間碎片危害的分析，1～10cm空間碎片能夠造成航天器的損毀，并且數(shù)量龐大，空間站不可能頻繁地進行規(guī)避機動。據(jù)統(tǒng)計，“國際空間站”平均每年進行規(guī)避飛行14次，每次規(guī)避飛行需要付出巨大的代價：動員大量的人力、物力加強監(jiān)測和預警工作，航天員必須暫停工作和試驗項目躲進對接的載人飛船內(nèi)，并且空間站機動需要消耗大量的燃料。針對這一問題，美國進行了“激光掃帚”試驗，主要目標是清除“國際空間站”軌道上對其構成威脅的尺寸為1～10cm的空間碎片。激光主動清除方法可快速處理對空間站構成威脅的碎片，減少對空間站正常運行的干擾，降低碰撞概率。但是該方法能源消耗大，探測范圍小，探測距離短，無法長時間開機對空間站周圍進行實時監(jiān)測。

綜上所述，對于空間站軌道面上1～10cm尺寸空間碎片的探測與清除，總結如下：

1）采用雷達探測方式能夠精確定軌，但是探測距離短，為空間站提供規(guī)避機動的時間有限；

2）采用激光主動清除方法清理空間碎片時效性高，但是探測范圍小、探測距離短，導致探測效率低，并且長時間開機會消耗大量能源；

空間碎片的探測與清除都對全天時、遠距離、大視場、低耗能的系統(tǒng)提出了需求，對比幾種天基空間碎片探測手段，紅外探測系統(tǒng)的特性滿足上述應用需求。

紅外探測系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①探測距離遠，紅外探測系統(tǒng)的探測能力與目標距離的平方成反比，而雷達探測系統(tǒng)的探測能力與目標距離的4次方成反比；②全天時探測，紅外探測系統(tǒng)可對地影區(qū)空間目標進行有效探測，可對空間站周圍空間碎片進行實時監(jiān)視；③低耗能，紅外探測為被動探測方式，不需要空間平臺提供大量的發(fā)射能量。因此，建立基于紅外探測系統(tǒng)的空間碎片探測與清除體系，能滿足我國空間站安全防護需求。

3　基于天基紅外系統(tǒng)的空間碎片探測與清除體系的構建

空間碎片探測是一個復雜的體系，單個系統(tǒng)無法實現(xiàn)對空間站所處軌道面上所有空間碎片進行精確定軌、編目，尤其是要對危險目標及時進行激光主動清除，更是需要多個系統(tǒng)聯(lián)合工作。依據(jù)我國空間站在軌運行安全以及對空間碎片安全防護的需求，在此提出基于天基紅外系統(tǒng)的空間碎片探測與清除概念。

體系構成及功能

基于天基紅外系統(tǒng)的空間碎片探測與清除體系利用空間站平臺，聯(lián)合紅外探測系統(tǒng)、雷達定軌系統(tǒng)、激光清除系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，可實現(xiàn)對遠距離空間碎片的探測與清除，為我國空間站提供空間碎片告警及安全防護服務。

（1）紅外探測系統(tǒng)

該系統(tǒng)發(fā)揮其遠距離探測的優(yōu)勢，可對大視場范圍內(nèi)遠距離1～10cm尺寸空間碎片進行全天時的探測，實時為雷達定軌系統(tǒng)和激光清除系統(tǒng)提供空間碎片的初始軌道信息和開機觸發(fā)信號，減小雷達系統(tǒng)和激光系統(tǒng)的準備時間，提高空間碎片探測與清除效率。

（2）雷達定軌系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有精確定軌的優(yōu)勢，根據(jù)紅外探測系統(tǒng)發(fā)出的引導信息，對給定方向的空間碎片進行探測，確定空間碎片的精確軌道，并進行高精度碰撞預報，為激光清除系統(tǒng)提供精確的空間碎片方向和位置信息，引導激光清除系統(tǒng)清除空間碎片。

（3）激光清除系統(tǒng)

該系統(tǒng)根據(jù)雷達定軌系統(tǒng)給出的空間碎片方向和位置信息，鎖定空間碎片，發(fā)射激光清除空間碎片。

基于天基紅外系統(tǒng)的空間碎片探測與清除體系

工作原理

紅外探測系統(tǒng)連續(xù)對空間站周圍空域進行掃描，探測到視場范圍內(nèi)空間碎片后，對其進行初定軌，并進行軌道預報。確定其可能飛入空間站的安全警戒區(qū)域時，向空間站發(fā)出警告信號，并由空間站下傳至地面站。同時，通知雷達定軌系統(tǒng)、激光清除系統(tǒng)開機，根據(jù)紅外探測系統(tǒng)提供的空間碎片粗略位置信息，雷達定軌系統(tǒng)指向該位置并對這一空域進行搜索，發(fā)現(xiàn)目標后對其進行精確定軌，并確定該目標對空間站的威脅程度。威脅程度超過某一閾值時，觸發(fā)激光器發(fā)射激光清除碎片，或將碎片推至其他軌道。

該體系具有以下特點：

1）探測距離遠。通過采用紅外探測系統(tǒng)為雷達定軌系統(tǒng)和激光清除系統(tǒng)提供引導信息，探測距離可提高到1000多千米，能夠在遠距離范圍進行空間碎片探測。

2）探測視場大。通過安裝一維指向機構，紅外探測系統(tǒng)可在水平方向實現(xiàn)360°全方位的探測，擴大探測視場。

3）安全防護性能高。紅外探測系統(tǒng)可在遠距離探測到空間碎片目標，為空間站提供警告信息，雷達定軌系統(tǒng)可實現(xiàn)空間碎片的精確定軌，并由激光清除系統(tǒng)清除空間碎片，實現(xiàn)對空間站的安全防護。

4）時效性高。該體系由在軌數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理各分系統(tǒng)的結果，并由決策系統(tǒng)做出決策，減少了對地面人員的依賴，大大縮短從發(fā)現(xiàn)到清除的時間，具有很高的時效性。

5）能源消耗低。采用被動紅外探測系統(tǒng)為主動雷達定軌系統(tǒng)、激光清除系統(tǒng)提供開機觸發(fā)信號和引導信號，減少雷達、激光系統(tǒng)開機時間，能夠大大降低空間站的能源消耗。

4　空間碎片探測與清除體系的關鍵技術

基于天基紅外系統(tǒng)的空間碎片探測與清除體系包括紅外探測分系統(tǒng)、雷達分系統(tǒng)、激光分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)，實現(xiàn)對遠距離空間碎片的探測與清除，需要重點解決以下幾項關鍵技術。

（1）紅外探測系統(tǒng)的空間碎片初定軌技術

實現(xiàn)三大系統(tǒng)聯(lián)合對空間碎片進行探測與清除。首先需要紅外探測系統(tǒng)為雷達定軌系統(tǒng)和激光清除系統(tǒng)提供引導信息，是空間碎片探測與清除的前提。紅外探測系統(tǒng)在遠距離、大視場范圍內(nèi)搜索空間碎片，對發(fā)現(xiàn)的空間碎片目標進行初定軌，為定軌和清除系統(tǒng)提供空間碎片的軌道信息并進行軌道預報。因此，首要問題是解決紅外探測系統(tǒng)的空間碎片初定軌技術。

初軌確定一般基于非線性二體動力學模型采用近似或回歸算法，通過迭代計算完成。通常，初定軌方法分為Laplace型和Gauss型兩類，而隨著觀測技術的提高，初軌確定已不局限于簡單的三次測角數(shù)據(jù)進行初始軌道確定，充分利用大量的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性提高初定軌精度，如對測量進行中心平滑、利用多點測量的廣義Laplace方法，以及采用M-估計的穩(wěn)健迭代方法等。由于空間碎片的預警時間短，需要較高的初定軌精度。因此，需在現(xiàn)有初定軌技術基礎上，研究新的初定軌方法，以提高紅外系統(tǒng)的初定軌精度。

（2）空間站安全預警模型研究

為我國空間站提供安全預警服務，需對空間站開展安全預警模型研究。目前，國際上使用的判定碰撞交匯的方法有Box區(qū)域判定法和計算碰撞概率方法。其中Box區(qū)域判定法，通過在航天器周圍定義警戒區(qū)域和規(guī)避區(qū)域，根據(jù)空間碎片的初始軌道信息和軌道預報信息，計算未來航天器與空間碎片之間的距離是否已經(jīng)構成碰撞危險。但是Box區(qū)域判定法的引入考慮到了空間碎片定位和交匯預報的誤差，因此會造成很多錯誤預警。

對于我國空間站的安全預警，應立足于我國空間站的具體情況，對我國空間站的安全特性及預警需求進行分析，研究基于空間碎片定位和交匯預報誤差的碰撞概率，并結合傳統(tǒng)Box區(qū)域判定法建立我國空間站安全預警模型。

（3）激光主動清除空間碎片技術研究

對于空間站，根據(jù)“國際空間站”的經(jīng)驗，采用被動屏蔽防護措施可以應對尺寸小于1cm空間碎片的撞擊；預警-機動飛行可以躲避尺寸大于10cm空間碎片的撞擊；而對于尺寸1～10cm的空間碎片，屏蔽措施難以進行防護，由于其數(shù)量龐大，頻繁進行機動躲避將消耗大量資源。從世界各國研究進展來看，從密集運行的軌道中移除碎片的有效技術途徑是激光推進（燒蝕）方法。

激光清除空間碎片根據(jù)清理效果可分為灼燒和推進，其中灼燒是利用強大的連續(xù)波激光照射碎片使其升華，實現(xiàn)碎片清理；推進時利用高能脈沖激光束照射碎片表面，為碎片提供一定的速度增量來降低近地點高度，達到縮短碎片軌道壽命的目的。美國進行了激光主動清除空間碎片的可行性研究工作，對于大多數(shù)低地球軌道空間碎片來說，改變其速度可以在一次過境時完成。該技術涉及到大功率激光器、激光與空間碎片作用機理研究以及激光燒蝕與推進等多項關鍵技術。目前我國大功率激光器技術得到了較大的發(fā)展，需在激光與空間碎片作用機理方面開展基礎理論研究工作，為實現(xiàn)空間碎片激光清除系統(tǒng)奠定技術基礎。

無線能量傳輸技術取得新進展

日前，中國空間技術研究院西安分院依托國家科技部“分布式可重構衛(wèi)星系統(tǒng)”863課題的研制，首次完成了微波高效無線能量傳輸系統(tǒng)演示驗證試驗。研究團隊突破了微波無線能量傳輸總體設計技術，掌握了匹配發(fā)射接收、高效固放等關鍵技術，達到了微波低副瓣高效能量傳輸效果。目前整個系統(tǒng)利用2.4m口徑的固面發(fā)射天線、2.4m口徑的微帶陣列接收天線、以及高效固放等完成了相關指標測試，當微波發(fā)射功率為50W、傳輸距離11m時，系統(tǒng)整體DC-DC傳輸效率優(yōu)于16.5%。本演示系統(tǒng)的研究成功，將促使微波無線能量傳輸技術的工程應用，為我國空間太陽能電站的研究提供了技術支持，同時也將為深空探測、永久月球基地等重大科學研究項目中能源供給問題提供初步的解決方案。

系統(tǒng)聯(lián)試圖　

發(fā)射天線

接收天線

劉翡/文

Space Debris Detection and Removal Based on Space Station Platform