曹喜濱, 李 峰, 張錦繡,, Richard Muriel

空間碎片天基主動清除技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢*

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空間資源有效利用所面臨的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?？臻g碎片天基主動清除技術(shù)是從根源上對空間資源化利用與安全處置的措施，將提升和加強近地空間的可持續(xù)循環(huán)利用。本文明晰了空間碎片天基主動清除的概念，分析了空間碎片天基主動清除技術(shù)的發(fā)展歷程，提出了其發(fā)展過程中面臨的非合作目標(biāo)相對導(dǎo)航、協(xié)調(diào)控制和捕獲方式及裝置等主要問題，為我國空間碎片天基主動清除技術(shù)的發(fā)展提出了有益參考。

空間碎片；天基主動清除；非合作目標(biāo)；離軌

(1.ResearchCenterofSatelliteTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150080,China;

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

目前在軌運行的航天器已達數(shù)千顆，預(yù)計10年內(nèi)每年超過服役期的航天器將達到百顆以上。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的時間，靜止軌道航天器若在壽命末期不采取措施則會永久滯留于駐泊點，使得可安全利用的軌道資源，特別是靜止軌道駐泊點，進一步減少。同時，失效航天器長期滯留過程中，地面難以對其行為進行干預(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、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，大大增加了在軌航天器的安全風(fēng)險。

早在2007年，美國國家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration，NASA)空間碎片計劃負(fù)責(zé)人Johnson[1]在分析未來200年內(nèi)空間碎片的演化過程基礎(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)。同時指出[1]自2020年起，每年清除5～20個上述大型空間碎片就可抑制空間碎片總量的增長，從而保證未來空間環(huán)境不再持續(xù)惡化。至此，空間碎片主動清除(ActiveDebrisRemoval，ADR)被提上了各國空間技術(shù)的發(fā)展日程。

1 空間碎片天基主動清除的概念

單純從技術(shù)層面而言，空間碎片天基主動清除可以理解為，通過適當(dāng)手段使得低地球軌道(LowEarthOrbit,LEO)碎片進入大氣層燒毀；抬高或降低靜止軌道(GeostationaryEarthOrbit,GEO)碎片使其進入墳?zāi)管壍?，從而實現(xiàn)空間環(huán)境的清理，降低在軌航天器碰撞風(fēng)險。整個系統(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)的識別與接近、機動目標(biāo)的巡視與捕獲以及離軌五個階段。如圖1所示，其表征五個階段各自完成的任務(wù)和相對應(yīng)的操作。

然而除技術(shù)、成本因素外，空間碎片天基主動清除系統(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)濟上則要有合理的費效比，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)開發(fā)、部署和運行過程的透明性，以使得其他航天國家相信碎片移除系統(tǒng)不會用于攻擊在軌正常工作的衛(wèi)星。法律層面則應(yīng)確保符合已有國際法律法規(guī)，特別是滿足聯(lián)合國外層空間公約規(guī)定的框架。

通常而言，為節(jié)省燃料消耗，在遠程調(diào)相階段，采用一次機動多圈緩慢調(diào)相，即改變半長軸小量，依靠自然漂移實現(xiàn)同軌相位調(diào)整。當(dāng)接近至目標(biāo)4～5km處時，采用激光雷達完成對目標(biāo)的識別和狀態(tài)確定，通常采用1個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，采用紅外相機或激光雷達實現(xiàn)對目標(biāo)的全方位觀察，進一步確認(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，采用光學(xué)相機實現(xiàn)對目標(biāo)的巡視，確認(rèn)捕獲點，完成相對目標(biāo)的狀態(tài)同步。之后，實施捕獲，完成穩(wěn)定控制后，執(zhí)行離軌動作，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 空間碎片清除計劃概況

空間碎片清除正面臨著重大挑戰(zhàn)的認(rèn)識已經(jīng)引發(fā)了眾多機構(gòu)和學(xué)者去尋求創(chuàng)新解決方案。2009年9月17日，美國國防部先進研究計劃局(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA)公布了其需求，試圖尋找一種實現(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、符合碎片減緩國際目標(biāo)的途徑以及大致的響應(yīng)時間。此外，DARPA與NASA在2009年聯(lián)合組織了第一屆軌道碎片清除國際會議[2]。中國也于2014年3月4—5日在天津首次召開了空間碎片移除技術(shù)研討會[3]，正式將空間碎片主動移除提上了日程。目前已經(jīng)提出的空間碎片主動移除計劃主要包括如下幾個。

2.1 瑞士清潔太空計劃

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

該計劃由瑞士S3公司采用空射運載的方式將衛(wèi)星送入軌道，采用小型機械臂或形狀記憶材料裝置(如圖2所示)對Swisscube實施抓捕，進而通過微推力裝置完成離軌。值得一提的是，在2014年6月12日，編號為26306的長征四號火箭殘片在瑞士空間中心Cubesat前方142m處擦肩而過，兩者最近距離不足1km。該事件的發(fā)生進一步堅定和促進了瑞士空間中心清潔空間計劃的發(fā)展。

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

2.2 歐盟主動清除計劃

在歐洲航天局(EuropeanSpaceAgency,ESA)支持下，眾多歐盟成員國基于ROGER[5]等空間在軌服務(wù)演示驗證計劃的研究基礎(chǔ)，也相繼提出了多個空間碎片天基主動清除計劃，如飛網(wǎng)捕獲、機械手抓取，甚至可展開薄膜帆/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，英國Surrey大學(xué)空間中心以太陽帆技術(shù)為研究基礎(chǔ)，在歐盟第七框架計劃支持下提出了一種基于可展開薄膜帆的Gossamer[7]離軌器。采用25m2的太陽帆，增加LEO大型空間碎片的阻力面積，實現(xiàn)其快速離軌。后續(xù)還將陸續(xù)發(fā)展InflatSAIL等主動清除計劃。

2.3 美國主動清除計劃

早在2009年，DARPA即提出了其空間碎片清除技術(shù)驗證計劃——電動碎片清除器[8]。該計劃綜合了電動力系繩、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TethersUnlimited公司就提出了基于電動力系繩的航天器離軌計劃，以帶電系繩切割地磁場產(chǎn)生的洛倫茲力作為離軌動力實現(xiàn)空間碎片的離軌。該公司當(dāng)前正在NASA的支持下開展基于3U-立方體衛(wèi)星的繩系式離軌器驗證項目的研究[9]。

2.4 其它國家主動清除計劃

日本早在1997年就完成了ETS-VII項目的空間驗證，具備了對空間合作目標(biāo)的捕獲、維修等在軌操作能力。日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JapanAerospaceExplorationAgency,JAEA)正在研究一種基于電動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)展基于機械臂抓取的空間碎片移除計劃[10]。

除上述計劃外，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清除計劃。

3 ADR發(fā)展面臨的主要問題

目前來看，尚無空間碎片移除系統(tǒng)在軌運行，國外的研究起步較早，正處于關(guān)鍵技術(shù)研究及部分技術(shù)驗證階段，而國內(nèi)正處于概念研究階段。就當(dāng)前研究來看，主要面臨著如下問題。

3.1 非合作目標(biāo)的相對導(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動能力，可視為空間自由漂浮目標(biāo)，同時由于故障或本身無定位裝置，亦不具備空間定位能力。在清除航天器接近目標(biāo)過程中的導(dǎo)航就成為亟待解決的問題之一。

3.1.1 中遠距離目標(biāo)識別與定位

盡管地面觀測網(wǎng)是實現(xiàn)此類目標(biāo)空間定位的一種手段，然而在實際操作過程中，為了降低系統(tǒng)運行成本，通常對清除航天器提出空間自主探測的需求。當(dāng)前情況下，有必要有效利用先驗觀測數(shù)據(jù)，如北美防空司令部(NorthAmericanAerospaceDefenseCommand,NORAD)發(fā)布的TLEs數(shù)據(jù)，來解決空間碎片清除過程中遠中段目標(biāo)的定位與導(dǎo)航問題。

3.2.2 近距離相對狀態(tài)確定

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

3.2 非合作目標(biāo)的協(xié)調(diào)控制

在空間環(huán)境等非主動力作用下，自由漂浮物體的旋轉(zhuǎn)速度通常可以達到6°/s，對于攜帶推進系統(tǒng)的航天器來說，在控制系統(tǒng)失效無法控制推進系統(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)前相對成熟的逼近及繞飛技術(shù)主要針對合作目標(biāo)，如神舟飛船交會對接、TanDEM-X編隊等。關(guān)于非合作目標(biāo)的自主繞飛尚未進一步開展，在相對位置姿態(tài)可測情況下，可將穩(wěn)態(tài)非合作目標(biāo)視為合作目標(biāo)；對于高速旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的逼近和繞飛，則面臨著逼近路徑的優(yōu)選、自主繞飛過程中的位姿實時確定和繞飛風(fēng)險實時監(jiān)控等問題。

3.2.2 失穩(wěn)旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的同步與阻尼

為了降低在捕獲過程中對捕獲裝置和系統(tǒng)的沖擊，依據(jù)捕獲方式的不同，主動清除航天器相對目標(biāo)的同步方式也會存在較大差別，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)量小于或遠小于目標(biāo)碎片)的阻尼也是ADR過程中面臨的難題之一。在CSO任務(wù)中，清除航天器質(zhì)量遠大于目標(biāo)碎片[4]，故其阻尼相對簡單。

3.2.3 安全離軌

實現(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、離軌時間等的約束。采用電動力或太陽帆方式離軌，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)險的問題；若清除航天器剩余燃料，則需解決剩余燃料、離軌時間、風(fēng)險規(guī)避約束下的離軌窗口優(yōu)化及控制等問題。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)計與實現(xiàn)

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

4 結(jié)論

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

中國目前對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)手段與國際先進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)星的空間碎片主動清除系統(tǒng)，演示驗證對潛在威脅航天器發(fā)起攻擊和干擾的能力、監(jiān)測軌道容量超標(biāo)對在軌航天器的威脅、驗證空間失效目標(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)，將為解決中國未來有效利用空間的瓶頸問題提供技術(shù)保障，同時也將彰顯中國和平利用空間的理念及作為負(fù)責(zé)任的航天大國的地位。

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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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