申麟，陳蓉，焉寧，張雨佳

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京100076)

1 前言

自1957年蘇聯(lián)發(fā)射Sputnik 1衛(wèi)星后，人類便進(jìn)入太空時代，外層空間已經(jīng)成為人類生存與發(fā)展的一個重要領(lǐng)域?？臻g碎片是人類探索和利用外層空間的產(chǎn)物，是人類在進(jìn)行外空活動時產(chǎn)生的各種廢棄物及其衍生物。截至2019年1月底，美國空間監(jiān)測網(wǎng) (Space Surveillance Network，SSN)編目10cm以上在軌廢棄物數(shù)量已超過2萬個，這些編目內(nèi)的在軌廢棄物數(shù)量僅占碎片總量的0.02%。而無法編目的微小廢棄物重量已達(dá)幾千噸，數(shù)量超過10億個。最近幾年，隨著科技的不斷進(jìn)步，進(jìn)入外空的門檻不斷降低，衛(wèi)星應(yīng)用在民用和商用領(lǐng)域不斷拓展，微納衛(wèi)星數(shù)量急劇增多。全球幾大商業(yè)航天巨頭紛紛提出了龐大星座計劃:OneWeb的星座計劃將由600多顆衛(wèi)星組成，SpaceX公司規(guī)劃發(fā)射4.2萬顆小衛(wèi)星組成星鏈星座。此外在全球范圍內(nèi)還有各種大大小小的星座計劃，小衛(wèi)星數(shù)量相當(dāng)可觀。這些發(fā)射到外層空間的小衛(wèi)星在其失效后將成為新的空間碎片，如此龐大數(shù)量的衛(wèi)星進(jìn)入軌道，極有可能引發(fā)大量碎片的產(chǎn)生，甚至導(dǎo)致鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[1]。

數(shù)以萬計的小衛(wèi)星進(jìn)入太空，當(dāng)軌道上布滿各種各樣的衛(wèi)星，新的衛(wèi)星發(fā)射窗口被一步步壓縮，采取復(fù)雜的空間碎片規(guī)避策略將帶來高昂的代價，科學(xué)研究衛(wèi)星也將不得不置于更遙遠(yuǎn)的軌道，這些都將造成未來衛(wèi)星研制和發(fā)射成本的驟然增長[2]。

空間碎片對人類的空間資源利用活動構(gòu)成了極大的威脅，空間環(huán)境的不斷惡化已成為當(dāng)今國際社會面臨的全球性挑戰(zhàn)。為了安全、持續(xù)地開發(fā)和利用外層空間資源，有效遏制空間碎片密度快速上升、碰撞風(fēng)險日益加劇的趨勢，在采取鈍化、系留、離軌等任務(wù)后處理 (post-mission disposal，PMD)措施以減緩空間碎片產(chǎn)生的同時，還有必要設(shè)法移除軌道上已存在的空間碎片?？臻g碎片主動移除技術(shù)作為空間環(huán)境治理的必然選擇，日益受到各航天大國的高度關(guān)注。

2 國外研究情況

對于廢棄衛(wèi)星或火箭末級/上面級等大尺寸的空間碎片，傾向于先使用機(jī)械臂、飛網(wǎng)或魚叉等裝置主動捕獲空間目標(biāo)，隨后通過離軌手段將其轉(zhuǎn)移離開當(dāng)前軌道的方法。對于小型空間碎片，可以采用非接觸式移除方法，如激光推移、離子束推移等方式。

最近幾年，國外已完成多次以空間碎片移除技術(shù)為代表的在軌操作演示驗證試驗，或正在實施在軌演示試驗的計劃。

2.1 捕獲移除方式

2018年6月，歐洲 “空間碎片移除” (RemoveDEBRIS)任務(wù)試驗衛(wèi)星完成在國際空間站的部署。2018年9月至2019年3月，該任務(wù)陸續(xù)成功完成了真實太空環(huán)境下飛網(wǎng)捕獲立方星、空間目標(biāo)運(yùn)動跟蹤、魚叉捕獲、拖曳帆離軌等4項技術(shù)在軌驗證試驗?！癛emoveDEBRIS”的實施加速了空間碎片移除技術(shù)的實用化進(jìn)程[3，4]。

圖1 RemoveDEBRIS任務(wù)在軌試驗Fig.1 On-orbit test of RemoveDEBRIS

歐空局 (ESA)將于2023年發(fā)射 “e.Deorbit”航天器，驗證針對大型報廢衛(wèi)星的移除技術(shù)?！癳.Deorbit”任務(wù)于2012年啟動，目標(biāo)是移除800～1000km太陽同步軌道和極軌道上已停用的“歐洲環(huán)境衛(wèi)星” (Envisat)，該衛(wèi)星展開寬度為26m，重約8.2t。擬采用的主動移除方案包括:機(jī)械臂、觸須、飛網(wǎng)、離子束等，如圖2所示。

瑞士企業(yè)ClearSpace公司與ESA在2019年簽訂了一份合同，計劃開展一項碎片移除衛(wèi)星項目，如圖3所示。該項目計劃在2025年發(fā)射，旨在移除2013年 “織女星”(Vega)火箭發(fā)射時遺留在軌道上的一個適配器，該適配器重約100kg，目前在800km×660km的軌道高度上。

2020年初，成立于2013年的日本宇宙尺度公司 (Astroscale)拿下了日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu) (JAXA)的碎片移除合同。JAXA的商業(yè)碎片移除演示項目 (CRD2)包括兩個階段，目前Astroscale拿下了第一階段的合同。該階段是在2023年3月31日前，發(fā)射一顆演示衛(wèi)星，該衛(wèi)星要逼近日本H-II A火箭的上面級，逼近上面級之后進(jìn)行懸停、繞飛等操作，獲取一些近距離監(jiān)視數(shù)據(jù)，如圖4所示。第二階段的完成時間節(jié)點為2026年3月31日，主要完成對火箭上面級的對接，并加速其離軌再入大氣層。該公司還開發(fā)了一顆名為ELSA-d的衛(wèi)星來清理軌道碎片，計劃于2020年初由聯(lián)盟號火箭發(fā)射。該星由目標(biāo)飛行器和軌道交會機(jī)動飛行器兩部分組成，用于演示交會和近距離作業(yè)。

圖2 擬采用的空間碎片捕獲及移除技術(shù)方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of space debris capture and removal technologies to be used

圖3 ClearSpace在軌試驗動畫Fig.3 On-orbit experiment animation of ClearSpace

圖4 CRD2任務(wù)對上面級繞飛操作Fig.4 Flying around an upper stage of CDR2 mission

2.2 其它移除方式

除了傳統(tǒng)的捕獲方式外，國外還提出了很多新型空間碎片移除手段。

(1)電動力繩系離軌。ESA最先提出這種清理方法，這種清理方法以電動力繩系 (EDT)衛(wèi)星為基礎(chǔ)，通過其電動力纜繩釋放捕獲器對非合作目標(biāo)實施準(zhǔn)確、可靠捕獲，之后利用電動力繩系切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生電動力使EDT衛(wèi)星與目標(biāo)形成的組合體逐漸降軌，再入大氣層燒毀。2016年12月13日，日本發(fā)射的HTV貨運(yùn)飛船攜帶了一套電動力繩系的原型機(jī)，原計劃在太空釋放系繩以對該電動力繩系技術(shù)進(jìn)行在軌測試，被稱為“鸛號集成系繩試驗” (KITE)，但最終試驗未能完成向太空拋出金屬纜繩這一最重要的步驟而宣告失敗。

(2)激光推移離軌。使用激光推移空間碎片有兩種方法:第一種主要用來清理微小型空間碎片，利用激光光束能量極高的特點，直接高能連續(xù)光波沖擊碎片，將碎片焚毀，完成任務(wù)；而第二種方法則是面向稍大一些尺寸的空間碎片，利用高能脈沖在碎片表面照射產(chǎn)生“物質(zhì)燃燒流動推力”，利用推力改變空間碎片的運(yùn)行軌道，實現(xiàn)降軌后再入大氣層。這兩種方法一個是利用連續(xù)波激光產(chǎn)生巨大能量，另一個利用高能脈沖激光產(chǎn)生推力。最具代表性的是1996年由美國空軍和NASA聯(lián)合提出的Orion計劃，擬移除1500 km軌道范圍內(nèi)的厘米級碎片[5]。

3 我國研究情況

近年來，我國也在加強(qiáng)對空間碎片主動移除技術(shù)的攻關(guān)研究。在 “空間碎片專項”的支持下，開展了空間碎片減緩及移除技術(shù)研究并取得了豐碩的成果。

(1)空間碎片主動移除關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破。“十一五”以來，空間碎片主動移除所涉及的空間碎片非合作目標(biāo)測量、識別與操作技術(shù)、新型抓捕裝置設(shè)計等一系列關(guān)鍵技術(shù)得以攻克；針對不同軌道、不同尺寸的空間碎片，得到了可行的空間碎片移除方案；研制了原理樣機(jī)并完成了許多具有高顯示度的地面集成驗證試驗，有力地提升了我國空間碎片主動移除技術(shù)水平，為空間碎片移除工程應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

(2)空間碎片主動移除技術(shù)飛行演示驗證試驗取得圓滿成功。2016年6月25日，我國自主研制的 “遨龍一號”空間碎片主動清除飛行器搭載長征七號火箭發(fā)射升空。飛行器以自由漂浮空間碎片模擬器為目標(biāo)，開展了空間碎片非合作目標(biāo)探測、識別、跟蹤與操作等在軌試驗并獲得圓滿成功，這是我國乃至國際上首次針對空間碎片目標(biāo)的主動清除關(guān)鍵技術(shù)在軌驗證。近兩年，我國也多次開展了針對小衛(wèi)星的離軌帆技術(shù)在軌試驗驗證。

(3)注重前沿技術(shù)應(yīng)用，探索新概念空間碎片移除手段。我國從創(chuàng)新性、實用性和靈活性的角度出發(fā)，開展了空間碎片移除前沿技術(shù)研究，探索了飛網(wǎng)捕獲、激光移除碎片、電動力繩系離軌等移除新概念，此外也開展了空間碎片再入預(yù)報、空間碎片減緩效果評估等相關(guān)技術(shù)研究，推動了空間碎片移除領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

4 空間碎片主動移除領(lǐng)域發(fā)展趨勢

空間碎片主動移除領(lǐng)域呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢:

(1)移除方式多樣化。根據(jù)特定軌道高度范圍、特定尺寸范圍的空間碎片，可以選擇空間碎片主動移除方式。相對來說，臂桿捕獲移除方式技術(shù)成熟度高，是空間碎片移除工程應(yīng)用近期可實現(xiàn)的理想方式。瞄準(zhǔn)中長期發(fā)展，飛網(wǎng)捕獲、魚叉捕獲、可附著離軌裝置、激光移除、電動力繩索等新概念碎片清理技術(shù)也在逐步開展論證或研制。

(2)空間碎片主動移除技術(shù)正由概念設(shè)想逐步走向關(guān)鍵技術(shù)驗證和工程應(yīng)用。2016年以來，我國完成了以 “遨龍一號”為代表的空間碎片主動移除技術(shù)飛行試驗，完成了針對小衛(wèi)星的增阻帆離軌在軌試驗，歐洲完成了以 “RemoveDEBRIS”任務(wù)為代表的在軌試驗，這些試驗的成功開展為后續(xù)空間碎片移除工程應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

(3)研究主體多樣化。除了歐空局 (ESA)、美國國防高級研究計劃局 (DARPA)、美國國家航空航天局 (NASA)等政府研究機(jī)構(gòu)外，還涌現(xiàn)出許多商業(yè)公司計劃從事空間碎片移除服務(wù)。如日本的宇宙尺度公司 (Astroscale)計劃為H-2A火箭末級實施捕獲離軌，美國的諾瓦克斯公司(NovaWurks)計劃通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)捕獲失效衛(wèi)星并對其進(jìn)行重新利用，英國有效空間解決方案公司(Effective Space Solutions)計劃發(fā)射微小衛(wèi)星捕獲空間碎片，并將其拖曳至棄星軌道。未來，空間碎片移除無疑是一項有著良好前景的產(chǎn)業(yè)，其商業(yè)化運(yùn)行勢在必行。

5 關(guān)鍵技術(shù)分析

對于針對大尺寸目標(biāo)的捕獲移除方式，主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下:

(1)高動態(tài)非合作目標(biāo)消旋技術(shù)。由于空間碎片可能處于高速自旋或翻滾狀態(tài)，具有不可控特性，目標(biāo)復(fù)雜的運(yùn)動增加了目標(biāo)的抓捕難度。對于剛性捕獲來說，如果不在捕獲前對目標(biāo)實施消旋操作及穩(wěn)定控制，在抓捕時極有可能會對捕獲裝置造成損傷。柔性接觸式緩沖消旋、非接觸式電磁消旋等技術(shù)，正在成為重要的研究方向。

(2)柔性/軟體自適應(yīng)碎片捕獲技術(shù)。剛性捕獲可能會造成一定的沖擊和破壞，采用柔性/軟體、智能變形材料等制成的捕獲裝置可根據(jù)目標(biāo)的尺寸、運(yùn)動狀態(tài)等進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，可實現(xiàn)無損無傷捕獲，并且不會產(chǎn)生新的碎片。

(3)飛行器自適應(yīng)控制技術(shù)。完成空間碎片捕獲后，組合體可能具有殘余角速度，需要進(jìn)行快速的姿態(tài)穩(wěn)定控制。而組合體質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量等質(zhì)量特性未知，需要進(jìn)行在線辨識，以滿足穩(wěn)定控制需求。另外，組合體離軌時，主發(fā)動機(jī)推力線可能不通過組合體質(zhì)心，且偏差較大，需要采用合理的控制策略有效解決此問題，實現(xiàn)飛行器的自適應(yīng)穩(wěn)定控制。

(4)空間碎片接近與導(dǎo)航制導(dǎo)技術(shù)?？臻g碎片的非合作特性使得飛行器接近過程中信息無法共享，傳統(tǒng)制導(dǎo)方案在此條件下魯棒性較差。另外，失效衛(wèi)星或任務(wù)后火箭末級本身不具備姿態(tài)控制能力，這就提高了對目標(biāo)探測的指向要求。因此需要開展空間碎片接近與導(dǎo)航制導(dǎo)技術(shù)研究，為空間碎片接近、繞飛與?？咳蝿?wù)提供技術(shù)支撐。

(5)翻滾目標(biāo)運(yùn)動特性分析與預(yù)測技術(shù)。任務(wù)后衛(wèi)星或火箭末級/上面級在正常壽命終止或意外失控失效后，均會持續(xù)受到外界干擾，如太陽光壓、重力梯度等。在外力矩的作用下，會產(chǎn)生繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動，由于其轉(zhuǎn)動慣量分布不會三軸完全一致，并且存在著能量耗散，經(jīng)過長期演化會伴隨有進(jìn)動和章動運(yùn)動。這些對于空間碎片主動移除構(gòu)成了很大的挑戰(zhàn)，開展翻滾目標(biāo)運(yùn)動特性分析與預(yù)測至關(guān)重要，可為空間碎片主動移除提供信息引導(dǎo)輸入。

(6)翻滾目標(biāo)捕獲地面試驗驗證技術(shù)。與空間在軌任務(wù)相比，地面驗證試驗需要解決軌道動力學(xué)模擬、空間與地面天地一致性、位姿六自由度運(yùn)動耦合等問題，特別是針對翻滾目標(biāo)，具有運(yùn)動狀態(tài)模擬難度大、相對速度與距離跨度大、跟蹤停靠精度要求高等特點，需要綜合采用多種技術(shù)途徑應(yīng)用虛實結(jié)合的試驗方式解決問題。

除此之外，其它移除方式涉及的關(guān)鍵技術(shù)，也值得關(guān)注與研究。

激光推移清除需要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要有:(1)激光燒蝕驅(qū)動空間碎片力學(xué)行為分析。(2)高能量激光光束產(chǎn)生技術(shù)。(3)高精度跟瞄技術(shù)[6]。

充氣增阻移除需要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括:(1)充氣結(jié)構(gòu)材料制備技術(shù)。(2)充氣結(jié)構(gòu)自剛化技術(shù)。(3)充氣結(jié)構(gòu)折疊技術(shù)。

電動力繩系離軌移除需解決的關(guān)鍵技術(shù)包括:(1)長時存活繩系結(jié)構(gòu)設(shè)計。(2)存儲釋放裝置設(shè)計。(3)空間電荷交換技術(shù)。

6 建議

(1)形成空間碎片治理的有效機(jī)制，推動空間碎片治理國際合作。外層空間是人類的共同資源，空間碎片治理關(guān)乎全人類利益。為了更好地應(yīng)對空間碎片這一全球性挑戰(zhàn)，各國需要協(xié)調(diào)和管理自身利益訴求，共同維護(hù)全球公共利益。充分重視聯(lián)合國和平利用外層空間委員會 (COPUOS)的作用，在相關(guān)國際規(guī)則和框架下，積極尋求與開展國際合作，加強(qiáng)信息和技術(shù)共享，為更好地保護(hù)空間環(huán)境、實現(xiàn)空間開發(fā)和利用的可持續(xù)性發(fā)展貢獻(xiàn)中國力量。

(2)空間碎片治理應(yīng)從國家層面出發(fā)，加強(qiáng)頂層規(guī)劃，統(tǒng)籌長遠(yuǎn)發(fā)展?？臻g碎片環(huán)境治理技術(shù)正處于一個加速發(fā)展的歷史機(jī)遇期，美國、日本、歐空局等國家或組織已制定了明確的技術(shù)演示驗證計劃，我國也需要開展空間碎片減緩與移除領(lǐng)域規(guī)劃論證，從頂層制定空間碎片減緩近、中、遠(yuǎn)期技術(shù)發(fā)展路線，有計劃、有步驟地實施空間碎片移除在軌演示驗證計劃，不斷提升技術(shù)成熟度，并逐步推動工程化應(yīng)用和實施。

(3)尋求技術(shù)途徑的多樣化，推動空間碎片治理產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。目前空間碎片環(huán)境態(tài)勢日益嚴(yán)峻，空間碎片移除將面臨潛在的巨大的商業(yè)市場需求。建立適合我國的空間碎片治理體系，鼓勵并指導(dǎo)社會資本參與空間碎片治理，共同推動空間碎片治理產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。探求多樣化的空間碎片環(huán)境治理技術(shù)手段，促進(jìn)空間碎片移除商業(yè)化運(yùn)營。