+ 王曉海　空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

空間碎片及探測(cè)防護(hù)與減緩清除技術(shù)發(fā)展

+ 王曉?？臻g微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

文章從概念、來(lái)源、分類、危害四個(gè)方面簡(jiǎn)單介紹了空間碎片相關(guān)基本知識(shí)，闡述了空間碎片的探測(cè)防護(hù)、監(jiān)視檢測(cè)技術(shù)，重點(diǎn)研究探討了空間碎片的減緩與清除的有關(guān)政策和技術(shù)，最后介紹了國(guó)外若干空間碎片清除計(jì)劃。

空間碎片 碎片探測(cè)防護(hù) 碎片監(jiān)視檢測(cè) 碎片減緩 碎片清除

1.空間碎片

自1957年蘇聯(lián)發(fā)射了人造地球衛(wèi)星后，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［8］。

1.1空間碎片的概念[2]

空間碎片是指人類在空間活動(dòng)過(guò)程中遺留在空間的廢棄物。2003年機(jī)構(gòu)間空間碎片委員會(huì)（IDAC）提交給聯(lián)合國(guó)外層空間委員會(huì)的《空間碎片減緩指南》、2006年2月外空科技小組空間碎片工作組提交的《空間碎片減緩指南修訂草案》以及聯(lián)合國(guó)外空委2007年通過(guò)的《空間碎片減緩準(zhǔn)則》對(duì)空間碎片做出了以下基本一致的定義：“空間碎片是指位于地球軌道上或者再入大氣層的非功能性的人造物體，包括其碎片和部件。

1.2空間碎片的來(lái)源[2]

通過(guò)分析空間碎片的產(chǎn)生原因，總結(jié)歸納出空間碎片的來(lái)源主要有以下十個(gè)方面：

①在軌道發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的碎片。這是目前占空間碎片比例最大部分。

②入軌后火箭剩余燃料、衛(wèi)星高壓氣瓶剩余氣體、未用完的電池等，都可能因偶然因素爆炸，產(chǎn)生難以估量的碎片。

③固體火箭燃料中添加的鋁粉，燃燒時(shí)產(chǎn)生的氧化鋁向空間噴射，形成空間“沙塵暴”。

④飛船和空間站的航天員產(chǎn)生的生活垃圾（如和平號(hào)空間站曾經(jīng)向空間拋出大小垃圾約有200多包）。

⑤受空間碎片的影響，航天器表面材料加速剝落成為新的空間碎片。

⑥航天員在空間行走時(shí)遺棄的東西（例如扳手、各種工具、手套、攝像機(jī)與燈器等物品也成為空間碎片）。

⑦壽命終止后的衛(wèi)星或者發(fā)生故障的衛(wèi)星均成為大型空間碎片。

⑧攜帶衛(wèi)星入軌后的末級(jí)火箭，留在空間變成碎片。

⑨核動(dòng)力衛(wèi)星及其產(chǎn)生的放射性碎片。

⑩還有其他一些碎片來(lái)源，目前暫時(shí)難以確定。

1.3空間碎片的分類[7]

通過(guò)對(duì)回收的航天器表面分析及探測(cè)器測(cè)量數(shù)據(jù)和觀測(cè)結(jié)果，并根據(jù)空間碎片的探測(cè)方法與防護(hù)措施的特點(diǎn)，按空間碎片尺寸的大小將其分為三類。

1）大碎片。尺寸大于10cm，主要包括：廢棄的衛(wèi)星和運(yùn)載火箭末級(jí)；執(zhí)行任務(wù)中的拋棄物品；因碰撞、爆炸和解體產(chǎn)生的大碎片；脫落的活動(dòng)部件等。

2）危險(xiǎn)碎片。尺寸在1cm～10cm之間，包括：任務(wù)相關(guān)物體，如爆炸螺栓等；高強(qiáng)度爆炸、碰撞產(chǎn)生的小碎片；溫控涂層表面退化脫落的大片漆片；核反應(yīng)堆泄漏的冷卻劑；其他脫落的活動(dòng)部件，如天線等。

3）小碎片。尺寸在1cm以下，包括：任務(wù)相關(guān)物體，如爆炸螺栓產(chǎn)生的碎屑；高強(qiáng)度爆炸、碰撞產(chǎn)生的碎屑；固體火箭燃燒產(chǎn)物；溫控涂層表面退化脫落的微小漆片；碎片碰撞產(chǎn)生的二次碎片云；核反應(yīng)堆冷卻劑泄漏的產(chǎn)物。

1.4空間碎片的危害[10]

空間碎片絕大多數(shù)分布在距地面2000km的人類使用最頻繁的低地球軌道（LEO）［7］，空間碎片和航天器的平均相對(duì)撞擊速度達(dá)到每秒10千米，對(duì)航天器安全和航天員生命造成嚴(yán)重潛在威脅，巨大的撞擊動(dòng)能造成的破壞力之大，幾乎無(wú)法防護(hù)，一顆直徑1厘米的空間碎片的撞擊即可導(dǎo)致航天器徹底損毀，唯一的辦法是躲避［10］。

空間碎片超高速撞擊產(chǎn)生的極高壓力超過(guò)航天器材料強(qiáng)度的數(shù)十到數(shù)百倍，會(huì)穿透航天器表面，并形成大面積的碎片云以非常高的速度破壞航天器內(nèi)部器件和系統(tǒng)，造成航天器功能嚴(yán)重?fù)p傷，甚至導(dǎo)致航天器徹底解體/爆炸失效。航天器的體積越大、飛行時(shí)間越長(zhǎng)，其遭遇空間碎片撞擊的風(fēng)險(xiǎn)也就越大［7］。

毫米級(jí)以下的小空間碎片也對(duì)航天器構(gòu)成威脅，是航天器屏蔽防護(hù)的主要對(duì)象。尤其是微米級(jí)的空間碎片，數(shù)量多達(dá)千萬(wàn)，雖然每次撞擊的后果不嚴(yán)重，但長(zhǎng)期多次撞擊的累積效應(yīng)仍會(huì)導(dǎo)致航天器性能下降和功能失效，使得應(yīng)用衛(wèi)星難以可靠、長(zhǎng)壽命在軌工作，因而需要在航天器設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)對(duì)策對(duì)這類小碎片加以防護(hù)［10］。

當(dāng)空間碎片運(yùn)行到400千米高度以下區(qū)域中時(shí)，大氣阻力的作用開(kāi)始變得突出，受到阻力作用，碎片的高度會(huì)逐漸降低直至最終隕落。在隕落再入高度100 千米以下的稠密大氣過(guò)程中，大部分碎片會(huì)受到摩擦力而被燒毀，但也有部分還會(huì)殘存，殘骸可能會(huì)落至地面，危及地面生態(tài)系統(tǒng)的安全。實(shí)際上每天都有空間碎片在隕落，一般的碎片，體積不大，在再入大氣過(guò)程中都被燒毀殆盡，而體積較大的衛(wèi)星，其殘骸殘存的可能性大，一旦落至地面，對(duì)地面人員生命安全可能造成很大威脅［10］。

2.空間碎片探測(cè)技術(shù)［6］

空間探測(cè)的目的包括探測(cè)和跟蹤，然后確定空間物體的軌道特征參數(shù)。對(duì)于不同尺寸的空間碎片，需要采用不同的觀測(cè)手段進(jìn)行探測(cè)。一般來(lái)說(shuō)，大尺度空間碎片主要依靠地基光電望遠(yuǎn)鏡及地基雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)；中小尺度空間碎片（危險(xiǎn)空間碎片和小空間碎片）探測(cè)可以依靠天基手段，主要包括航天器表面采樣分析、天基雷達(dá)遙感探測(cè)等手段。

2.1空間碎片的地基探測(cè)

地基探測(cè)是利用地面觀測(cè)設(shè)備對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，一般包括地基雷達(dá)探測(cè)和地基光學(xué)探測(cè)。

·地基雷達(dá)探測(cè)。一般采用脈沖精密測(cè)量雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)。脈沖雷達(dá)是利用拋物面反射天線控制波束定向發(fā)射，主要用于衛(wèi)星和大尺度空間碎片的探測(cè)。相控陣?yán)走_(dá)是通過(guò)數(shù)字電子技術(shù)改變發(fā)射器相位來(lái)合成波束，在較大范圍搜索和跟蹤目標(biāo)，對(duì)低軌道上的大尺度空間碎片進(jìn)行有效探測(cè)。由于地基雷達(dá)具有全天候和全天時(shí)的功能，不受天氣影響，晝夜影響。但是對(duì)于探測(cè)遠(yuǎn)距離上的小型物體，雷達(dá)受波長(zhǎng)、功率影響會(huì)受到限制，因此雷達(dá)多用于對(duì)低軌道上的碎片進(jìn)行探測(cè)。

· 地基光學(xué)觀測(cè)。光電望遠(yuǎn)鏡能收集空間物體反射的光譜，具有很大的作用距離，實(shí)現(xiàn)中高軌道上大尺度碎片的探測(cè)。但是受云、霧、大氣污染等因素影響，要求天氣晴朗，夜晚才能觀測(cè)，光學(xué)測(cè)量適于對(duì)高軌道上空間碎片進(jìn)行測(cè)量。研究表明，在探測(cè)高軌道上的空間碎片方面，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡勝過(guò)大部分雷達(dá)；而在探測(cè)低軌道碎片方面，雷達(dá)比望遠(yuǎn)鏡要好。

2.2空間碎片的天基探測(cè)

天基空間碎片觀測(cè)是利用天基平臺(tái)的觀測(cè)設(shè)備和探測(cè)器件進(jìn)行空間碎片探測(cè)的方法。一般有天基遙感探測(cè)、天基直接探測(cè)、航天器表面采樣分析等方法。

· 天基雷達(dá)遙感探測(cè)。由衛(wèi)星、飛船和空間站等飛行器搭載光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、微波雷達(dá)和激光雷達(dá)等設(shè)備在空間探測(cè)。由于天基遙感探測(cè)是在太空中進(jìn)行空間目標(biāo)的觀測(cè)，其探測(cè)器與物體之間的距離較近，分辨率高，而且探測(cè)過(guò)程不會(huì)受到大氣的干擾，因此對(duì)空間物體的觀測(cè)具有極高的分辨率，可用于中小尺度的空間碎片探測(cè)。

· 空間碎片直接觀測(cè)。主要利用在空間飛行器上搭載由一定材料構(gòu)成的探測(cè)儀器，通過(guò)這些儀器記錄空間碎片及星際塵埃的撞擊效果，從而收集空間碎片的探測(cè)方法。通過(guò)直接探測(cè)能準(zhǔn)確記錄空間碎片的碰撞事件，計(jì)算出空間碎片質(zhì)量、速度、通量和運(yùn)行軌跡等信息，是了解小尺度空間碎片的重要方法，對(duì)航天器防護(hù)和航天材料研究也有參考價(jià)值。

· 航天器表面采樣分析。主要通過(guò)對(duì)返回的或長(zhǎng)期暴露在空間環(huán)境中的航天器表面材料的分析獲取空間碎片信息的方法。通過(guò)對(duì)撞擊坑的發(fā)生時(shí)間和尺寸的分析，能夠獲得亞毫米尺寸的空間碎片信息，直接分析得到小空間碎片對(duì)航天飛行任務(wù)的影響。其優(yōu)點(diǎn)是可觀測(cè)到毫米級(jí)以及毫米以下尺度碎片，可對(duì)碎片分析，缺點(diǎn)在于只適用于低軌道。

3.空間碎片監(jiān)視發(fā)展［4］

國(guó)外空間碎片監(jiān)視領(lǐng)域發(fā)展較早，美國(guó)和俄羅斯都建立了完備的空間目標(biāo)監(jiān)視網(wǎng)，形成了獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)。由于空間碎片尺寸較小，給雷達(dá)和光學(xué)探測(cè)帶來(lái)了一定的技術(shù)難題。通過(guò)對(duì)國(guó)外空間碎片監(jiān)視技術(shù)的研究，空間碎片監(jiān)視應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展以下4個(gè)方向。

3.1多平臺(tái)空間碎片監(jiān)測(cè)

空間碎片尺寸小，作用距離遠(yuǎn)，除發(fā)展地基雷達(dá)和光學(xué)設(shè)備外，應(yīng)大力發(fā)展天基設(shè)備，充分利用天基設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。碎片觀測(cè)設(shè)備裝載于需保護(hù)的空間站或類似的空間平臺(tái)上，可大大減少設(shè)備的觀測(cè)距離，且不受氣象的影響。

3.2光學(xué)弱目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)

在獲取空間碎片光學(xué)圖像的過(guò)程中，會(huì)受到很多因素的影響，如目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，不均勻光照、成像平臺(tái)的抖動(dòng)等，使得最終獲得的圖像出現(xiàn)模糊、幾何畸變和降質(zhì)，對(duì)后續(xù)的目標(biāo)檢測(cè)與提取產(chǎn)生極大影響。研究先進(jìn)的圖像處理技術(shù)以及復(fù)雜背景下的多個(gè)弱小目標(biāo)的檢測(cè)技術(shù)，可消除上述不利影響。

3.3多個(gè)傳感器聯(lián)合處理

利用多個(gè)傳感器多空間目標(biāo)聯(lián)合探測(cè)以及數(shù)據(jù)聯(lián)合處理技術(shù)提高空間碎片的檢測(cè)能力和精度。需解決多個(gè)傳感器的時(shí)間、空間同步問(wèn)題，可研究數(shù)據(jù)融合處理算法。

3.4碎片尺寸反演技術(shù)

空間碎片探測(cè)的目的是對(duì)現(xiàn)有在軌空間碎片進(jìn)行編目管理，為空間活動(dòng)提高有力保障，有效防護(hù)空間飛行器?？臻g飛行器的防護(hù)措施與空間碎片的大小有關(guān)，因此必須開(kāi)展空間碎片尺寸估計(jì)方法的研究。

4.空間碎片防護(hù)技術(shù)［1］、［11］

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在空間碎片防護(hù)領(lǐng)域的研究從未間斷，而且研究成果的應(yīng)用也在逐步拓展。2011年4月，在德國(guó)柏林召開(kāi)了第29屆機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)（IADC）會(huì)議，其中防護(hù)組提交的報(bào)告反映了國(guó)際上空間碎片防護(hù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展［1］。

《防護(hù)手冊(cè)》作為IADC 防護(hù)組工作的重要成果標(biāo)志，集中展示了IADC在防護(hù)領(lǐng)域的研究成果和應(yīng)用進(jìn)展。在第29屆IADC會(huì)議上，IADC防護(hù)組討論并通過(guò)了由NASA提交的《無(wú)人航天器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估》標(biāo)準(zhǔn)，并將其納入《防護(hù)手冊(cè)》中。同時(shí)，IADC成員國(guó)對(duì)空間碎片環(huán)境模型、撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、在軌碎片撞擊事件、防護(hù)材料以及防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊試驗(yàn)、超高速撞擊濺射碎片特性、超高速撞擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、超高速發(fā)射設(shè)備以及在軌感知技術(shù)等方面的進(jìn)展進(jìn)行了交流討論。

衛(wèi)星的空間碎片防護(hù)與載人航天器的防護(hù)有很大不同，具體體現(xiàn)：①空間碎片撞擊導(dǎo)致的失效模式不同，載人航天器結(jié)構(gòu)板為鋁板，結(jié)構(gòu)板穿透就可以認(rèn)為航天器失效，而衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)板一般為鋁蜂窩板或碳纖維蜂窩板，其超高速撞擊特性比鋁板要復(fù)雜的多，更重要的是蜂窩板的穿透并不意味著衛(wèi)星或設(shè)備的失效；②空間碎片超高速撞擊特性不同，載人航天器結(jié)構(gòu)板為連續(xù)介質(zhì)，其超高速撞擊特性較簡(jiǎn)單，而衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板為復(fù)合材料，其超高速撞擊特性要復(fù)雜的多；③空間碎片防護(hù)手段不同，載人航天器的防護(hù)措施一般是在結(jié)構(gòu)板外一定距離安裝一個(gè)或幾個(gè)防護(hù)屏來(lái)提高航天器抗撞擊能力，而衛(wèi)星的防護(hù)措施一般不采取增加防護(hù)屏的做法，而是采用調(diào)整衛(wèi)星飛行姿態(tài)、調(diào)整設(shè)備布局、采用防護(hù)性能強(qiáng)的材料等方法提高衛(wèi)星抗撞擊能力；④衛(wèi)星的質(zhì)量約束相比載人航天器要苛刻的多，這決定了在衛(wèi)星上要采取更加經(jīng)濟(jì)更有效率的防護(hù)手段［11］。

衛(wèi)星飛行姿態(tài)、總體構(gòu)型布局由衛(wèi)星任務(wù)、設(shè)備功能等約束條件確定，一般不考慮空間碎片的影響，根據(jù)國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，衛(wèi)星的防護(hù)設(shè)計(jì)一般采用防護(hù)增強(qiáng)材料或包覆復(fù)合材料以達(dá)到防護(hù)目的［11］。

5　空間碎片減緩政策［6］

空間碎片對(duì)人類的空間資源開(kāi)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(kāi)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。2003年，機(jī)構(gòu)間空間碎片委員會(huì)（IDAC）向聯(lián)合國(guó)外層空間委員會(huì)提交了《空間碎片減緩指南》、2006年2月外空科技小組空間碎片工作組提交了《空間碎片減緩指南修訂草案》以及聯(lián)合國(guó)外空委2007年通過(guò)了《空間碎片減緩準(zhǔn)則》。此外，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(wèn)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(wèn)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。

2010年6月，美國(guó)在其頒布的新版空間政策中，以高姿態(tài)表明其為減緩空間碎片、減少外空事件發(fā)生而做的努力。美國(guó)配套的制度文件有美國(guó)NASA 安全標(biāo)準(zhǔn)《限制空間碎片的指南和評(píng)估程序》、管理指南《限制空間碎片產(chǎn)生的政策》、支撐文件《空間碎片評(píng)估參考手冊(cè)》和支撐軟件《碎片評(píng)估軟件》。

歐空局也發(fā)布了《歐洲空間碎片安全及減緩標(biāo)準(zhǔn)》和《空間碎片減緩手冊(cè)》，并設(shè)立了空間碎片管理機(jī)構(gòu)，規(guī)定每一個(gè)空間項(xiàng)目都指派一名空間碎片管理人負(fù)責(zé)對(duì)空間碎片減緩措施的實(shí)施。

6　空間碎片減緩技術(shù)［3］

減緩空間碎片的一個(gè)辦法是減少航天活動(dòng)過(guò)程中或結(jié)束后產(chǎn)生的空間物體的數(shù)量，另一個(gè)可用的方案是通過(guò)壽命末期變軌等措施將空間物體移出受保護(hù)的軌道區(qū)域。第一類措施包括防止產(chǎn)生與航天活動(dòng)相關(guān)的物體、防止產(chǎn)生固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)碎渣和鈍化處理。第二類措施包括縮短在軌時(shí)間、移入棄置軌道和主動(dòng)移除。還須指出，一種措施不能適用于所有的空間物體。每種措施都有其適用條件。下面將簡(jiǎn)述其適用范圍和效果。

6.1縮短在軌壽命

這一措施的目標(biāo)是促使在軌長(zhǎng)壽命大空間物體離軌并再入地球大氣層，使其不能成為將來(lái)的碰撞對(duì)象。雖然從減緩碎片的角度考慮，直接再入更為可取，但由于各種原因經(jīng)常不可行。一方面，直接再入需要大量的燃料，因此成本高昂；另一方面，實(shí)施受控再入還需滿足特定條件，這些條件既復(fù)雜又成本高昂?？s短在軌時(shí)間還可指通過(guò)機(jī)動(dòng)使空間物體進(jìn)入另一軌道，從而使該空間物體在一定的時(shí)間內(nèi)再入地球大氣層。上述兩種情況均僅適用于近地軌道上的衛(wèi)星。在高軌道使用該措施可能導(dǎo)致重大的再入焚毀而產(chǎn)生的高額代價(jià)，并且可能暫時(shí)增加再入過(guò)程中的物體與在低軌道運(yùn)行衛(wèi)星的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

6.2棄置軌道

地球靜止軌道上的衛(wèi)星將被轉(zhuǎn)入并保留在更高的棄置軌道。這一作法對(duì)于近地軌道也可以適用，并已被用于俄羅斯“雷達(dá)海洋偵察衛(wèi)星” （RORSAT）等的處理。在過(guò)去10年，相當(dāng)數(shù)量的地球靜止軌道衛(wèi)星已實(shí)施了上述壽命末期變軌。

6.3防止產(chǎn)生碎渣

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)通常會(huì)使用鋁來(lái)提高其能效。鋁通過(guò)燃燒氧化成直徑達(dá)幾厘米的碎渣或者亞毫米級(jí)的塵粒而長(zhǎng)期存留在軌道上。如果以液體發(fā)動(dòng)機(jī)替代固體發(fā)動(dòng)機(jī)是可以防止產(chǎn)生碎渣的。這將減少厘米級(jí)及更小體積的物體數(shù)量。盡管這些物體看似不至于引發(fā)災(zāi)難性的碰撞，但由于碎渣顆粒在厘米級(jí)的空間物體總數(shù)中占第二位.對(duì)其采取減緩措施還是有意義的。此外，衛(wèi)星應(yīng)避免在其運(yùn)行過(guò)程中釋放出儀器罩和爆炸螺栓等物體。此類物體體積往往較大，能夠引發(fā)災(zāi)難性的碰撞。

6.4鈍化

航天器或上面級(jí)意外解體是空間碎片的主要來(lái)源。這種解體是由隨載能量源引起的。大多數(shù)解體是推進(jìn)系統(tǒng)的爆炸造成的。排出剩余能源，可減少解體事件的發(fā)生。比如，用閥門(mén)將剩余燃料和氧化劑釋放到空間，就能做到這一點(diǎn)。因電池爆炸而引發(fā)的衛(wèi)星解體目前很少發(fā)生，但過(guò)去這是產(chǎn)生空間碎片的重要原因之一。另外，可以追蹤到的因殘留推進(jìn)劑而產(chǎn)生的解體也呈顯著下降趨勢(shì)。盡管已采取鈍化航天器的措施，但是2007年2月，一個(gè)滿載推進(jìn)劑的“和風(fēng)”M火箭上面級(jí)還是因故障而在大橢圓軌道爆炸。

6.5主動(dòng)移除

目前正在討論進(jìn)一步的措施，即對(duì)于在軌時(shí)間長(zhǎng)且所在軌道空間物體高度密集的較大空間物體實(shí)施主動(dòng)移除。這一問(wèn)題重要原因在于碰撞連鎖反應(yīng)快要來(lái)臨，特別是在太陽(yáng)同步軌道，這些軌道上有很多對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。有關(guān)措施是將已經(jīng)在軌的物體移除。回收裝置將與這類空間物體對(duì)接并操控其進(jìn)入再入軌道。

對(duì)于主動(dòng)移除而言，技術(shù)上和科學(xué)上的挑戰(zhàn)包括如下步驟：首先要確定具有潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)且在軌長(zhǎng)壽命的物體。其次，這些物體要根據(jù)其風(fēng)險(xiǎn)大小確定優(yōu)先次序。最后需要研發(fā)對(duì)接和離軌的移除裝置。

7　空間碎片清除技術(shù)［7］

空間碎片主動(dòng)清除是指：對(duì)LEO碎片使其進(jìn)入大氣層燒毀，對(duì)GEO碎片使其軌道抬高或降低235km而進(jìn)入“墳?zāi)管壍馈?，從而達(dá)到保護(hù)在軌航天器不受碎片撞擊。因此，對(duì)空間碎片主動(dòng)清除技術(shù)的一般要求是：①避免產(chǎn)生更多空間碎片；②具備全區(qū)域可行的清除方案（LEO、GTO和GEO）；③清除每個(gè)碎片的成本要低；④重返地球的可控性（LEO）；⑤清除效率。

空間碎片主動(dòng)清除技術(shù)是全世界航天界面臨的挑戰(zhàn)和難題，也是現(xiàn)在的熱點(diǎn)問(wèn)題，國(guó)外的研究起步較早，現(xiàn)在已經(jīng)跨過(guò)了概念研究，正處于關(guān)鍵技術(shù)研究，并且其中有部分技術(shù)已開(kāi)始進(jìn)入實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段。目前，已經(jīng)提出的空間碎片主動(dòng)清除技術(shù)主要有以下幾類：

7.1空間拖船追趕抓捕移除技術(shù)

空間拖船利用自身的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入作業(yè)軌道，將捕獲工具展開(kāi)或插入空間碎片（或失效航天器）實(shí)施抓捕，然后離軌，以達(dá)到移除目的。這類技術(shù)較成熟，可操控性高，但可重復(fù)使用性較差，移除成本較高。

7.2電動(dòng)力繩索移除技術(shù)

電動(dòng)力繩索移除技術(shù)（Electro Dynamic Tether System， EDT）是移除系統(tǒng)接近要移除的碎片（或失效航天器），將其攜帶的金屬繩索的一端安裝在要移除的碎片上，并釋放金屬繩索的另一端，利用地球磁場(chǎng)產(chǎn)生的拖拽力改變碎片軌道，從而達(dá)到移除目的。這一技術(shù)中繩索不易操控，移除成本較高且效率較低。

7.3膨脹降軌移除技術(shù)

該技術(shù)將充氣裝置安裝到碎片上，并利用其形成氣球或拋物面形狀提高氣動(dòng)阻力，以降低碎片軌道，實(shí)現(xiàn)移除。缺點(diǎn)是目標(biāo)增大，容易破裂，可能會(huì)產(chǎn)生大量新碎片。

7.4太陽(yáng)帆移除技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)是給碎片（或失效航天器）安裝一個(gè)很大的太陽(yáng)帆，利用太陽(yáng)光子產(chǎn)生的壓力改變碎片軌道來(lái)達(dá)到移除目的。該技術(shù)的可行性得到驗(yàn)證，較適合于地球同步軌道，但清除周期較長(zhǎng)，且作用區(qū)域有限。

7.5液/氣體、微粒云霧、離子束移除技術(shù)

在碎片（或失效航天器）運(yùn)行軌道上噴射液體、氣體、微粒云霧、離子束等來(lái)增加阻力或產(chǎn)生反向推力，降低碎片速度，從而降低其軌道，達(dá)到移除目的。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是噴射出的粒子（離子）束自由分散，可控性較差。另外，存留的微粒云霧可能會(huì)影響正常運(yùn)行的航天器。

7.6激光主動(dòng)移除技術(shù)

空間碰撞頻繁發(fā)生，空間碎片已對(duì)航天活動(dòng)形成嚴(yán)重威脅。目前所有的空間碎片減緩措施雖然能夠減少空間碎片的產(chǎn)生，但是不足以保持空間碎片環(huán)境的穩(wěn)定，空間碎片清除勢(shì)在必行?？臻g碎片領(lǐng)域的熱點(diǎn)和重點(diǎn)先從被動(dòng)防護(hù)轉(zhuǎn)到減緩，再?gòu)臏p緩轉(zhuǎn)到主動(dòng)清除。在眾多的清除技術(shù)中，天基激光主動(dòng)清除空間碎片技術(shù)前景誘人，但該技術(shù)仍有很多難點(diǎn)尚未突破，需要攻克，并且實(shí)現(xiàn)起來(lái)投入巨大。因此需要世界各國(guó)相互合作，共同完成。可以想見(jiàn)，空間碎片天基激光主動(dòng)清除技術(shù)研究將開(kāi)拓和引領(lǐng)航天技術(shù)的新領(lǐng)域，成為未來(lái)航天技術(shù)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

8　空間碎片清除計(jì)劃［5］

8.1美國(guó)的電動(dòng)碎片清除器

2010年8月， 美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）公布了正在研制的空間碎片清除技術(shù)演示驗(yàn)證項(xiàng)目—電動(dòng)碎片清除器（EDDE）。電動(dòng)碎片清除器主要由太陽(yáng)電池翼、電子發(fā)射器和飛網(wǎng)管理器組成。單個(gè)電動(dòng)碎片清除器每年可清除約30塊碎片，美國(guó)規(guī)劃的清除系統(tǒng)包括12個(gè)這樣的清除器，可在7年內(nèi)清除近地球軌道上所有2500塊質(zhì)量大于2kg的碎片。

8.2日本的微型清除器

日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）正在研究一種演示驗(yàn)證主動(dòng)清除空間碎片技術(shù)的微小衛(wèi)星系統(tǒng)—空間碎片微型清除器（SDMR）。

空間碎片微型清除器的任務(wù)過(guò)程可簡(jiǎn)要概括為：空間碎片微型清除器首先與目標(biāo)空間碎片自主會(huì)合，并測(cè)量其運(yùn)行軌道；然后圍繞目標(biāo)飛行，確定將其捕獲的最佳路徑；逼近目標(biāo)，使其穩(wěn)定并用機(jī)械臂捕獲目標(biāo)；隨后將固定在機(jī)械臂上的電動(dòng)力纜繩展開(kāi)；最終自動(dòng)調(diào)節(jié)纜繩傾角，以控制推力并避免纜繩失穩(wěn)，攜帶碎片離軌。日本計(jì)劃在2020年前進(jìn)行空間碎片微型清除器系統(tǒng)的在軌演示驗(yàn)證試驗(yàn)，此后，采用較大的衛(wèi)星建造具有實(shí)用價(jià)值的碎片清除系統(tǒng)。

8.3德國(guó)的制動(dòng)火箭星

2010年，德國(guó)制動(dòng)火箭空間（Retro Space）公司提出了“制動(dòng)火箭星”（“Retro Sats”）方案，計(jì)劃每年抓捕15塊大型空間碎片并使其離軌。德國(guó)制動(dòng)火箭空間公司計(jì)劃在2016年開(kāi)展首次在軌演示驗(yàn)證任務(wù)，2022年發(fā)射業(yè)務(wù)星。

8.4瑞士的太空清理星

2012年2月， 位于瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)（EPFL）的瑞士航天中心宣布，將發(fā)射空間碎片清除系列的首顆衛(wèi)星—太空清理－1（Clean Space One）衛(wèi)星，以清除目前瑞士在軌的一顆“立方體衛(wèi)星”或其姐妹星Tlsat衛(wèi)星。太空清理－1是一顆納衛(wèi)星，計(jì)劃于2015－2016年發(fā)射，主要驗(yàn)證遠(yuǎn)距離和近距離目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)、捕獲系統(tǒng)、微推進(jìn)系統(tǒng)及可控再入系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用圖像和視頻系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，采用機(jī)械臂/機(jī)械手抓捕目標(biāo)。

8.5法國(guó)的碎片清除器

2012年3月，法國(guó)公布了自己的碎片清除系統(tǒng)計(jì)劃。該系統(tǒng)采用機(jī)械手對(duì)碎片進(jìn)行抓捕。法國(guó)計(jì)劃在2020年前采用小型原理樣機(jī)進(jìn)行非合作目標(biāo)交會(huì)和離軌技術(shù)的首次在軌演示驗(yàn)證，2022－2024年進(jìn)行全功能樣機(jī)的在軌演示驗(yàn)證。

此外，各國(guó)還提出了聚焦太陽(yáng)光消融碎片，向碎片噴射高速氣流使其改變運(yùn)行方向并離軌，向碎片噴射泡沫增大氣動(dòng)阻力，使其提早墜入大氣層燒毀等一些概念方案。

8.6英國(guó)的“立方帆”清除器

英國(guó)薩里空間中心（Surrey Space Centre）目前正在開(kāi)發(fā)一種基于太陽(yáng)帆的技術(shù)，命名為“立方帆”（Cube Sail）?！傲⒎椒笔褂昧丝山柚?yáng)能的太陽(yáng)帆作為動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，不過(guò)，這面帆還有另一個(gè)獨(dú)特功能，那就是作為“軌道剎車”，幫助它脫離軌道，墜入大氣層燒毀?！傲⒎椒睂⒋钶d在一個(gè)500千克以下的小型飛行器上，預(yù)計(jì)將于2016年晚些時(shí)候發(fā)射到地球上空700千米處的近地軌道，并展開(kāi)其大約5米×5米的帆，然后分兩步進(jìn)行垃圾清理測(cè)試：位于低軌道的太空垃圾，它將直接用展開(kāi)的帆將其黏住；至于在較高軌道上的垃圾，就要借助太陽(yáng)能動(dòng)力去接近了。即使在700千米這樣的高度，仍然存在著稀薄的大氣分子，這些大氣分子產(chǎn)生的阻力會(huì)拖拽這近地軌道上的衛(wèi)星，使其軌道迅速衰減，直至將它們拉回大氣層燒毀。

8.7歐空局空間碎片清除計(jì)劃

歐空局正在其“清潔太空”計(jì)劃下開(kāi)展論證稱為e.DeOrbit的空間碎片清除任務(wù)，目的是要減小航天業(yè)對(duì)地球和空間環(huán)境的影響?？刂脐P(guān)鍵性低地軌道上碎片數(shù)量的唯一辦法便是將廢棄衛(wèi)星和火箭上面級(jí)等大型物體清除掉。e.DeOrbit任務(wù)針對(duì)的是已很擁擠、高度在800千米～ 1000千米之間的極軌道。

［1］ 韓增堯、龐寶君 .“空間碎片防護(hù)研究最新進(jìn)展” 《航天器環(huán)境工程》.2012年第4期.pp369-378

［2］ 林來(lái)興 .“空間碎片現(xiàn)狀與清理”. 《航天器環(huán)境工程》2012年第3期.pp1-10

［3］ 卡斯滕·魏德曼、徐宇. “空間碎片減緩” . 《中國(guó)航天》.2012年第8期.pp34-37

［4］ 袁偉明、曾令旗、張波、宋青鵬 . “空間碎片監(jiān)測(cè)技術(shù)研究”. 《現(xiàn)代雷達(dá)》.2012年第12期.pp16-19

［5］ 馬楠、貴先洲 . “國(guó)外空間碎片清除計(jì)劃”. 《國(guó)際太空》.2013年第2期 .pp64-69

［6］ 張勝利、常守鋒 . “地球靜止軌道空間碎片的防護(hù)與軌道保護(hù)策略” . 《國(guó)際太空》.2013年第7期. pp67-70

［7］ 龔自正、徐坤博、牟永強(qiáng)、曹 燕 . “空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀與主動(dòng)移除技術(shù)”. 《航天器環(huán)境工程》.2014年第2期.pp127-135

［8］ 陳蓉、申麟、高朝輝、唐慶博、童科偉 . “空間碎片減緩技術(shù)發(fā)展研究”.《國(guó)際太空》.2014年第3期 .pp63-67

［9］ 黃虎、張耀磊、易娟、范國(guó)臣 .“天基激光清除空間碎片方案設(shè)想”. 《國(guó)際太空》.2014年第4期. pp45-47

［10］劉靜 .“如何應(yīng)對(duì)空間碎片的威脅？”. 《太空探索》.2014年第5期. pp28-30

［11］鄭世貴、閆軍 . “空間碎片防護(hù)需求與防護(hù)材料進(jìn)展”《國(guó)際太空》.2014年第6期 .pp49-53

［12］李大衛(wèi)、陳凱、劉靜 . “空間碎片碰撞預(yù)警國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)”《國(guó)際太空》.2014年第9期. pp61-66

［13］王國(guó)語(yǔ) .“空間碎片國(guó)際機(jī)制發(fā)展趨勢(shì)分析”. 《航天器環(huán)境工程》.2015年第2期.pp147-152

［14］曹喜濱、李峰、張錦繡、Richard Muriel .“空間碎片天基主動(dòng)清除技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)” .《國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)》.2015年第37卷第4期.pp117-120

［15］焦建超、鄭國(guó)憲、蘇云 .“基于空間站平臺(tái)的空間碎片探測(cè)與清除技術(shù)”. 《國(guó)際太空》.2015年第4期.pp53-56

［16］宗和 .“我國(guó)成立‘國(guó)家隊(duì)’監(jiān)測(cè)‘空間碎片’”.《太空探索》.2015年第7期.pp8-9