鄭永超, 趙思思, 李同, 張景豪

(1. 北京空間機(jī)電研究所, 北京100094;2. 中國空間技術(shù)研究院空間激光信息感知技術(shù)核心專業(yè)實(shí)驗(yàn)室, 北京100094)

1 引言

1.1 空間碎片現(xiàn)狀及危害

空間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(shí)產(chǎn)生的各種廢棄物及其衍生物, 包含失效航天器、 火箭體、 剩余燃料及氣體、 航天器材料、 生活垃圾等。 隨著各國空間技術(shù)的發(fā)展和空間任務(wù)的增多, 空間碎片目標(biāo)與日俱增, 根據(jù)2020 年ESA 給出的信息[1],美國空間監(jiān)視網(wǎng)(SSN) 維持編目的空間碎片數(shù)目約22300 個(gè), 質(zhì)量約8800t, 尺寸大于10cm 的目標(biāo)數(shù)量約為34000 個(gè), 尺寸介于1 ～10cm 的碎片約900000 個(gè)。

空間碎片對航天活動和發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[2]。 超高速撞擊試驗(yàn)表明, 直徑1mm 左右的鋁球即可擊穿衛(wèi)星常用的蜂窩板并對其中設(shè)備造成嚴(yán)重威脅[3]。 對于尺寸1cm 以下的空間碎片, 主要施行衛(wèi)星表面防護(hù)措施; 對于10cm 以上較大尺寸的空間碎片, 可以根據(jù)編目和預(yù)警采取規(guī)避措施; 但對于1 ～10cm 的空間碎片, 造成危害非常嚴(yán)重, 既難以編目又防護(hù)困難, 目前還沒有找到更好的解決方案。 各類碎片危害如表1 所示。

空間活動的快速發(fā)展加劇了空間環(huán)境的惡化。20 世紀(jì)70 年代美國人Kessler 在進(jìn)行了大量空間碎片數(shù)量預(yù)測研究后, 于1978 年提出空間碎片持續(xù)增加進(jìn)而發(fā)生碎片聯(lián)級碰撞的“凱斯勒效應(yīng)”(Kessler Syndrome) 的解釋, 并于1991 年對未來近地軌道(LEO) 區(qū)域空間碎片密度增長達(dá)到臨界值導(dǎo)致近地空間無法使用的“Kessler 災(zāi)難” 做相關(guān)預(yù)測[4,5]。 NASA 后續(xù)對不同軌道區(qū)域內(nèi)10cm 以上的碎片數(shù)量進(jìn)行了預(yù)測[6], 結(jié)果如圖1 所示。

截至2019 年, 人類共發(fā)射的航天器數(shù)量為9400 余顆, 隨著微小衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)步, 國際上大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座呈現(xiàn)出爆發(fā)式態(tài)勢, 航天器的發(fā)射數(shù)量成井噴式增長。 近幾年各航天大國和商業(yè)公司相繼提出了數(shù)量龐大的巨型星座計(jì)劃, 如SpaceX 的“星鏈” 計(jì)劃, 42000 顆星將覆蓋350 ～1300km 的軌道區(qū)域; OneWeb 公司與波音公司計(jì)劃發(fā)射上千顆星組成的大規(guī)模星座均分布在1200km 附近軌道高度上; 上述計(jì)劃部分已在實(shí)施中, 也就是說“Kessler 災(zāi)難” 正在加速走來。 目前低軌的編目碎片數(shù)量占總數(shù)的75%左右, 700 ～1100km 的軌道區(qū)域內(nèi), 碎片平均密度為其他軌道區(qū)域密度的5 倍以上[7], 如圖2 所示。 小衛(wèi)星星座的部署分布同目前LEO 軌道空間碎片高密度區(qū)域高度重合, 不僅可能造成大量衛(wèi)星在軌的碰撞失控, 還將因?yàn)樵搮^(qū)域航天活動的密集導(dǎo)致空間碎片環(huán)境的進(jìn)一步惡化。

表1 不同尺度空間碎片對航天器的危害及其防護(hù)措施Table 1 Hazards to spacecraft by space debris with different sizes and their protection measures

圖1 各軌道區(qū)域10cm 以上碎片數(shù)量增長預(yù)測[6]Fig.1 Growth prediction of space debris larger than 10cm in different orbit areas in cases of space activities without limitation (left) and under a post-mission de-orbit success rate of 90% with different removal rates (right)

圖2 LEO 區(qū)域編目空間碎片分布圖[8]Fig.2 Catalogued space debris distribution in LEO area

1.2 空間碎片移除技術(shù)

應(yīng)對空間碎片碰撞事件, 目前主要是基于碎片編目和碰撞預(yù)警, 采取航天器規(guī)避的方案。 但要從根本上解決問題, 就要對空間碎片實(shí)施主動移除。 目前, 已經(jīng)提出的空間碎片主動移除(Active debris removal, ADR) 技術(shù)主要有增阻離軌移除技術(shù)、 電動力繩系移除技術(shù)、 捕獲離軌移除技術(shù)、 激光主動移除技術(shù)以及離子束推移移除技術(shù)等, 每種方法都有其特點(diǎn), 適用軌道、 清除目標(biāo)、 作業(yè)保障等各有不同。

1.2.1 增阻離軌移除技術(shù)

該技術(shù)的原理是使用粘著泡沫、 膨脹式氣球、 折疊阻力帆等用以增加碎片的大氣阻力, 從而通過降低軌道速度來加速軌道衰減, 顯著降低碎片的軌道壽命, 如圖3 所示。 增阻離軌是非接觸式清除, 相比接觸式清除降低了清除難度, 但該技術(shù)需要針對不同特性碎片目標(biāo)選取不同方案, 且泡沫、 氣球等物易因操作不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)生新的空間碎片, 使得清除效率降低。 目前增阻離軌技術(shù)更多應(yīng)用于星上離軌裝置, 加拿大、 荷蘭、英國等國均在近年來開展了相關(guān)的地面及在軌試驗(yàn)[9], 2010 年美國全球航天公司提出的薄膜增阻降軌裝置(GOLD) 如圖3 所示。

1.2.2 電動力繩系移除技術(shù)

其原理是使用空間拖船、 機(jī)械臂等對碎片進(jìn)行抓取, 利用柔性系繩將一顆衛(wèi)星或拖船與空間碎片連接在一起, 拖動其沿軌道在地磁場中運(yùn)動,在繩上產(chǎn)生電動勢, 形成穩(wěn)定的電流, 利用洛倫茲力改變衛(wèi)星速度使組合體減速離軌, 如圖4 所示。該方法由于電磁場強(qiáng)的限制存在清除能力的限制, 目前只可應(yīng)用于LEO 軌道碎片的清除, 且存在系繩易斷裂和系繩難以釋放等問題, 導(dǎo)致在軌技術(shù)驗(yàn)證仍不成熟[11,12]。 2016 年, 日本JAXA 開展的KITE 系繩清除在軌演示任務(wù)最終由于系繩難以釋放的問題宣告失敗。

圖3 GOLD 裝置降軌概念圖[10]Fig.3 GOLD orbit lowering concept graphs

圖4 繩系捕獲法清除碎片原理圖Fig.4 Schematic diagram of tethered capturing method for space debris removal

1.2.3 捕獲式離軌移除技術(shù)

該技術(shù)的原理是由地面操控清除用航天器施行接觸式清除, 在達(dá)到預(yù)定軌道位置后使用有效的抓捕方案固定清除用航天器及待清除碎片, 使得清除衛(wèi)星與空間碎片進(jìn)行直接接觸從而對空間碎片產(chǎn)生作用力, 拖動碎片使之離軌從而達(dá)到降軌目的, 快速實(shí)現(xiàn)碎片主動清除。 該方法的具體抓捕方案較多也較為成熟, 目前可使用飛矛、 飛爪、 飛網(wǎng)、 機(jī)械臂、 彈弓等方式, 圖5 為ESA 飛網(wǎng)抓捕的在軌演示圖。

圖5 飛網(wǎng)抓捕離軌清除碎片在軌演示圖(ESA)[13]Fig.5 On-orbit demonstration of a net capturing space debris for deorbit removal by ESA

1.2.4 激光主動移除技術(shù)

激光主動移除碎片技術(shù)的原理有兩種: 一是針對較小的碎片, 利用強(qiáng)大連續(xù)波激光照射使其溫度升高至碎片熔點(diǎn), 使碎片汽化; 另一種針對較大碎片, 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(diǎn)高度,達(dá)到縮短碎片軌道壽命的目的。 激光主動移除技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單, 響應(yīng)快速, 可無限重復(fù)使用, 能進(jìn)行遠(yuǎn)距離、 非接觸清除, 成本低, 可以清除多種尺寸空間碎片; 劣勢在于目前的技術(shù)能力有限, 技術(shù)成熟度不高。 激光主動移除技術(shù)根據(jù)清除手段不同又分為地基激光移除技術(shù)和天基激光移除技術(shù), 圖6 為天基高能激光移除碎片示意圖。 從發(fā)展的觀點(diǎn)看, 激光主動移除技術(shù)將是最有前景的方案。 因此, 也逐漸成為碎片移除技術(shù)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

2 激光空間碎片移除技術(shù)發(fā)展

2.1 地基空間碎片激光移除技術(shù)

激光主動移除空間碎片技術(shù)始于20 世紀(jì)80 年代末, 美、 德等國先后提出了使用強(qiáng)激光移除空間碎片的想法; 20 世紀(jì)90 年代, 德國航天研究中心Schall 等人[14]對激光器運(yùn)行軌道、 激光器參數(shù)和激光光束傳播等方面做了進(jìn)一步系統(tǒng)研究, 提出用強(qiáng)激光清除空間碎片的理論, 并對天基激光站系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì), 提出了初步技術(shù)方案; 1996 年, NASA 推出了基于地基強(qiáng)激光移除空間碎片的ORION 計(jì)劃, 并于2012 年公布了最新的研究進(jìn)展[15], 顯示他們的激光碎片ADR 技術(shù)已經(jīng)處于關(guān)鍵技術(shù)攻堅(jiān)階段; 2014 年,Phipps 等[16]對使用激光光學(xué)系統(tǒng)降低低軌空間碎片的方案做了進(jìn)一步研究, 表明了激光清除方案是唯一一個(gè)能夠同時(shí)考慮小尺度和大尺度碎片的方案, 他們對地基移除方案做了模擬并討論了其優(yōu)勢和劣勢, 預(yù)估了大致的費(fèi)用。 在國內(nèi),2009 年, 李明等[17]建成了脈沖式激光驅(qū)動微小碎片發(fā)射系統(tǒng)并開展了相應(yīng)超高速撞擊試驗(yàn),對激光作用碎片特性和累積撞擊效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)分析; 2016 年, 方英武等[18]通過分析脈沖激光與鋁靶碎片的沖量耦合相互作用, 分析了沖量耦合系數(shù)與激光功率密度之間的定量關(guān)系,并分析了最優(yōu)系數(shù)下實(shí)現(xiàn)地基移除低軌碎片的相關(guān)條件。 截至今日, 國外的地基激光空間碎片移除計(jì)劃仍以美國提出的ORION 計(jì)劃具有代表性, 其后改進(jìn)的LODR 系統(tǒng)如圖7 所示。 美國諸多學(xué)者在ORION 計(jì)劃的推動下, 對地基激光移除空間碎片的概念、 原理和方案規(guī)劃進(jìn)行了一系列系統(tǒng)研究, 國內(nèi)相關(guān)單位也跟進(jìn)了該方面的研究, 進(jìn)行了原理的論證以及地基激光移除碎片軌道模型的建立與分析, 并有相應(yīng)移除方案策略的制定。

圖6 天基高能激光移除碎片示意圖Fig.6 Schematic diagram of space-based energetic laser debris removal

但由于大氣層的吸收作用損耗較大, 且受到地理位置與作用距離影響, 使得地基激光移除碎片系統(tǒng)的工作范圍和作用能力受限。 2017 年, 針對大氣傳輸中的主要問題, 溫泉等人[19]分析了大氣湍流對地基激光方案的影響并建立了沖量耦合關(guān)系, 討論了受大氣湍流影響的沖量耦合系數(shù)變化與激光脈寬間的關(guān)系。 因?yàn)榈鼗す馇宄槠桨复嬖诘娜毕? 也有學(xué)者將研究重心轉(zhuǎn)移到基于天基的激光移除空間碎片技術(shù)上。 2012 年起, NASA 也因大氣傳輸受阻問題將重心從地基激光移除碎片計(jì)劃轉(zhuǎn)為天基激光移除碎片技術(shù)的發(fā)展。

圖7 LODR 系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of LODR system

2.2 天基空間碎片激光移除技術(shù)

天基激光移除手段不受大氣傳輸?shù)挠绊? 且沒有折射、 散射等傳播特性的影響, 可重復(fù)使用, 安全性高, 因此同地基激光移除手段相比,天基移除手段是成本更低、 機(jī)動性更高、 作用場景更多樣的移除技術(shù)。

1989 年, Metzger 等[20]提出了將激光器安裝在核動力宇宙飛行器或衛(wèi)星上, 利用單脈沖氟化氪激光清除空間碎片, 這是早期的天基激光移除空間碎片構(gòu)想。 近年來, 各國又重新將發(fā)展目光轉(zhuǎn)向天基系統(tǒng)中, 美國、 德國、 日本相繼提出了相應(yīng)的天基激光移除碎片初期方案; 2013 年,Smith 等[21]提出了天基平臺持續(xù)機(jī)動以提供高能脈沖激光持續(xù)作用空間碎片形成一種拖曳力的方案, 能夠清理質(zhì)量在200kg 以內(nèi)的空間碎片, 并估算了清理所需要的時(shí)間; 2014 年, Phipps 等指出對使用激光光學(xué)系統(tǒng)降低低軌空間碎片的方案做了進(jìn)一步研究, 表明了激光移除方案是唯一能同時(shí)考慮多尺度碎片移除的方案, 并在ORION 計(jì)劃的基礎(chǔ)上對地基探測跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了完善, 并提出了天基激光移除系統(tǒng)方案; 2015 年, 日本的Toshikazu Ebisuzaki 等人基于國際空間站上用于探測超高能宇宙射線的JEM-EUSO 超寬視場望遠(yuǎn)鏡和光纖激光器提出了一套天基激光空間碎片移除系統(tǒng)。 各國提出的激光移除空間碎片計(jì)劃方案見表2, 可以看出各國的計(jì)劃方案由初期的天基方案逐漸轉(zhuǎn)向建設(shè)地基方案, 最終轉(zhuǎn)向天基為主的天地基聯(lián)合方案。

表2 激光空間碎片移除計(jì)劃表Table 2 Laser space debris removal programs

2.3 空間碎片監(jiān)視與激光探測和測量

對于空間碎片激光移除技術(shù), 空間碎片的監(jiān)視、 編目以及目標(biāo)特性的探測測量是基礎(chǔ)、 前提和保障。 空間碎片編目是在空間目標(biāo)編目堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展的, 激光測量由于具有更高的分辨率, 在空間碎片高精度測定軌與目標(biāo)特性測量識別方面的優(yōu)勢愈加顯現(xiàn), 空間碎片激光測距精密定軌和特征測量已經(jīng)成為空間碎片監(jiān)視編目的重要組成。

2.3.1 空間目標(biāo)雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)

目前許多國家或組織建立了包含激光雷達(dá)設(shè)備的空間目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng), 如美國的空間監(jiān)視網(wǎng)(SSN)、 俄羅斯的空間監(jiān)視系統(tǒng)(SSS) 等, 空間目標(biāo)監(jiān)測以地基為主、 天基輔助, 主要目的是空間目標(biāo)的軌道編目。 各個(gè)監(jiān)測網(wǎng)相對較為獨(dú)立, 均含有針對目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測、 跟瞄、 定軌的能力。 SSN 是目前世界上最大的空間態(tài)勢感知網(wǎng),如圖8 所示, 近年來為進(jìn)一步提升目標(biāo)探測識別系統(tǒng), 其在地面升級部署了新型太空籬笆系統(tǒng)并在LEO 部署了新的天基監(jiān)視系統(tǒng)用以探測GEO軌道目標(biāo), 大大提高了對空間碎片等微小目標(biāo)的探測能力以及對目標(biāo)的探測精度, 美國的新型相控陣籬笆系統(tǒng)是目前現(xiàn)有最先進(jìn)的低軌目標(biāo)監(jiān)測設(shè)施, 可以監(jiān)測高度為400km 的1cm 空間目標(biāo),編目維護(hù)能力10 萬以上[22]; SSS 主要由地基雷達(dá)系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)組成, 目前, 其雷達(dá)系統(tǒng)的建設(shè)主要以增強(qiáng)對目標(biāo)的監(jiān)測跟瞄能力和對更微小目標(biāo)的探測識別能力為目的, 提高整體探測識別與跟瞄能力, 尤其是對微弱目標(biāo)的識別及編目;歐洲正積極開展空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的建設(shè)及聯(lián)網(wǎng), 目前基于法、 德等國現(xiàn)有的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò), 建設(shè)了一體化歐洲空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)(ESSS), 可對低軌碎片目標(biāo)進(jìn)行探測, 探測能力達(dá)到2cm 級;目前國內(nèi)的激光雷達(dá)系統(tǒng)也通過近年來發(fā)射的諸多激光雷達(dá)載荷部署開來。

圖8 SSN 系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of SSN system

2.3.2 空間碎片激光測距系統(tǒng)

空間碎片激光測距技術(shù)(DLR) 起源于衛(wèi)星激光測距技術(shù)(SLR), 目前多數(shù)衛(wèi)星激光測距站都加入了全球衛(wèi)星激光測距服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)(ILRS),其觀測數(shù)據(jù)和軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)都是開放式數(shù)據(jù)。 從2006 年8 月起, 國際激光測距網(wǎng)開始使用綜合預(yù)測格式(CPF) 星歷預(yù)報(bào), 但現(xiàn)在參加全球聯(lián)測的空間目標(biāo)多為合作目標(biāo), 非合作目標(biāo)的激光測距一般為單站數(shù)據(jù), 相關(guān)研究仍處于起步階段。激光測距技術(shù)相較于光學(xué)成像跟蹤和雷達(dá)觀測技術(shù)有其更明顯優(yōu)勢, 其光束更窄, 方向更集中,能量集中度和功率更高, 單位亮度更強(qiáng), 在非成像目標(biāo)探測中可有效利用; 測距精度較其他技術(shù)高出1 ～2 個(gè)數(shù)量級, 當(dāng)天空背景對目標(biāo)可視化成像的背景亮度過高導(dǎo)致難以成像觀測時(shí), 也可以利用激光測距技術(shù)進(jìn)行探測, 激光測距對于定軌精度提高發(fā)揮了重要作用。

近年, 利用空間碎片激光測距技術(shù)進(jìn)行精密定軌的方案得到廣泛認(rèn)同和大力發(fā)展。 早在2000 年, 澳大利亞EOS 公司即在堪培拉Stromlo激光測距站進(jìn)行激光測距探測碎片方面的研究, 如圖9 所示; 2002 年, EOS 公司在華盛頓第13 屆國際激光測距會議上發(fā)表了其研究進(jìn)展[23], 首次提出了空間碎片激光測距(Debris Laser Ranging,DLR) 的概念, 并利用Stromlo 激光測距站望遠(yuǎn)鏡和高能激光器實(shí)現(xiàn)了對大于1000km 距離下15cm量級空間碎片的激光測距, 近年來該測站經(jīng)過不斷技術(shù)更新, 測量的目標(biāo)最小尺寸已達(dá)到5cm[24]。

圖9 澳大利亞Stromlo 空間碎片激光測距站Fig.9 Australia’s Stromlo space debris laser ranging station

奧地利科學(xué)院空間研究所Graz 站, 在空間目標(biāo)激光測距方面已經(jīng)有近40 年的歷史, 由于數(shù)據(jù)的高可靠性和高精準(zhǔn)性, Graz 衛(wèi)星激光測距站被ILRS 列為全球五個(gè)核心站之一, 同時(shí)被視為世界上最為準(zhǔn)確的臺站之一, 如圖10 所示。 2003 年,世界上首次實(shí)現(xiàn)2kHz 空間合作目標(biāo)激光測距;2012 年, 開發(fā)了新型專業(yè)化單光子探測器, 首次對空間碎片物體漫光反射的光子進(jìn)行了測量;2015 年, 團(tuán)隊(duì)又在原有系統(tǒng)上加裝了一套新的單光子光度曲線記錄系統(tǒng), 開展空間目標(biāo)位姿測量研究; 2019 年該臺站實(shí)現(xiàn)了500kHz 重復(fù)率衛(wèi)星激光測距, 在目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)密度和精度方面有了大幅度提高。 該臺站組織或參與了多項(xiàng)空間碎片目標(biāo)聯(lián)測試驗(yàn); 自2013 年起, Graz 站開展了多次雙基站、 多基站試驗(yàn)[25]; 2019 年, 奧地利科學(xué)院空間研究所Graz 站與北京空間機(jī)電研究所就空間碎片姿態(tài)測定技術(shù)開展了合作研究, 利用激光測距設(shè)備和單光子光度測量設(shè)備分析GLONASS星座失效衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)周期演化與分布, 對火箭殘骸的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)進(jìn)行研究[26]。

圖10 奧地利Graz 激光測距站Fig.10 Austria’s Graz laser ranging station

中國SLR 網(wǎng)成立于1989 年, 由上海站、 長春站、 昆明站等臺站組成。 上海天文臺佘山觀測站建立了大能量Nd:YAG 測距試驗(yàn)系統(tǒng), 開始非合作目標(biāo)空間碎片的激光跟蹤和測距試驗(yàn), 并多次獲得火箭殘骸的漫反射激光測距數(shù)據(jù); 2013年, 上海天文臺建設(shè)了1.56m/60cm 雙望遠(yuǎn)鏡激光測距實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 聯(lián)合開展空間目標(biāo)激光測距技術(shù)研究, 后續(xù)實(shí)現(xiàn)了碎片目標(biāo)500 ～2600km 的測量距離, 在低軌對于空間目標(biāo)的測距能力優(yōu)于0.5m[27]; 2016 年, 長春人造衛(wèi)星觀測站利用60cm 衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高重頻空間碎片常規(guī)探測, 測距精度可達(dá)1m[28]; 2017 年, 云南天文臺研制了53cm 高重頻雙筒望遠(yuǎn)鏡, 具有對低軌米級空間碎片的探測能力[29]。

3 空間碎片激光移除科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)

空間碎片激光移除技術(shù)是未來最有前景的碎片清除技術(shù), 這是目前業(yè)界的共識。 空間碎片激光移除方案歷經(jīng)地基、 天基幾度變更, 目前看天基實(shí)現(xiàn)的可能性更高。 在這個(gè)過程中, 相關(guān)的理論和技術(shù)日趨成熟, 部分關(guān)鍵技術(shù)依托于空間目標(biāo)監(jiān)視等已進(jìn)行在軌試驗(yàn)。 目前的技術(shù)鏈條中,激光光源是短板。 作為激光移除的前提和保障,目標(biāo)的監(jiān)視編目以及目標(biāo)特征, 依然依靠強(qiáng)大的地面網(wǎng)絡(luò)作支撐, 但天基觀測發(fā)展迅速, 天地協(xié)同、 以地為主的格局沒有變化。

3.1 激光對空間碎片移除的作用機(jī)理機(jī)制

激光移除空間碎片的原理是明確的, 各種工況下的實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了其可行性。 但要進(jìn)行工程設(shè)計(jì), 尤其天基移除要實(shí)現(xiàn)高的效能和效率, 還需要對其作用機(jī)制和機(jī)理進(jìn)行定量定性的描述和刻畫, 包括激光作用于空間碎片的力學(xué)過程、 能動耦合、 多物理場轉(zhuǎn)化; 激光作用空間碎片的空間、 運(yùn)動、 姿態(tài)效應(yīng); 激光作用空間碎片的時(shí)間、 頻域、 形貌影響等等, 這些科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)的突破對于激光移除的方案、 策略、 效能至關(guān)重要。

激光作用在碎片目標(biāo)的效果主要由激光的作用距離和相對作用位置即作用角度決定, 空間碎片目標(biāo)形狀不規(guī)則且旋轉(zhuǎn)姿態(tài)各異, 實(shí)際移除過程中無法將其看為規(guī)則目標(biāo)或點(diǎn)目標(biāo), 在不同相對位置對不同角度、 不同可視面元的作用下可能得到的作用效果也不相同, 明確任一激光作用情況的效果是保證降軌有效的前提。

激光入射至不同碎片目標(biāo), 目標(biāo)會在極短時(shí)間內(nèi)吸收激光能量進(jìn)而能量轉(zhuǎn)化產(chǎn)生復(fù)雜相變,不同碎片目標(biāo)表面物質(zhì)在不同條件下的吸收機(jī)制并不相同, 由此產(chǎn)生的機(jī)械能與耦合反沖沖量特征也就不同, 該作用的效能與目標(biāo)的沖量耦合特性有關(guān), 取決于其沖量耦合系數(shù), 即指復(fù)雜能量轉(zhuǎn)化過程的動量系數(shù), 對其作用能量轉(zhuǎn)化過程及沖量耦合特性的研究, 最終目的是得到任一作用條件下的精確速度增量, 準(zhǔn)確表示激光作用的特征。

3.2 目標(biāo)特性識別研究

空間碎片目標(biāo)特性的探測與測量關(guān)系激光碎片移除的技術(shù)路線和系統(tǒng)方案。 對目標(biāo)特性的描述要素包括運(yùn)動特性、 幾何特性、 材料特性、 尺寸特性以及光學(xué)特性等。 只有準(zhǔn)確掌握目標(biāo)特性, 才能對移除目標(biāo)、 移除策略、 移除過程、 移除系統(tǒng)、 移除效果等作出正確研判, 如何獲取尤其是在軌快速獲取目標(biāo)特征, 是激光空間碎片移除的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和過程實(shí)施的關(guān)鍵保證。

碎片目標(biāo)形狀姿態(tài)各異, 表面材料不盡相同, 軌道位置導(dǎo)致的相對觀測角度變化及由于太陽光壓和大氣阻力造成的目標(biāo)碎片旋轉(zhuǎn)軸指向緩速變化等的不同, 都構(gòu)成每一個(gè)碎片的綜合目標(biāo)特征信息且各不相同。 以激光移除碎片為研究目標(biāo)時(shí), 這些信息即為先驗(yàn)信息。 獲取準(zhǔn)確先驗(yàn)信息難度的不同是造成激光移除空間碎片任務(wù)難度不一的重要因素。

對于可成像的明顯尺寸空間碎片, 需要對先驗(yàn)信息進(jìn)行準(zhǔn)確認(rèn)知, 對實(shí)時(shí)變化的目標(biāo)特性進(jìn)行追蹤監(jiān)測和時(shí)序預(yù)報(bào), 必要時(shí)可建立完備先驗(yàn)信息數(shù)據(jù)庫, 以便更加系統(tǒng)地完善和利用多維度典型目標(biāo)特征。

對于難以成像觀測的空間微小碎片而言, 特性識別難度更大, 目前的研究策略是將這些碎片目標(biāo)典型化, 篩選有代表性和單一性的先驗(yàn)信息進(jìn)行假定, 通過與其他條件下的光學(xué)觀測信息進(jìn)行比對, 反演相對更準(zhǔn)確的目標(biāo)特性。

3.3 空間碎片探測與測量技術(shù)

基于空間碎片的探測與測量信息, 可以對空間碎片目標(biāo)甄別與選定、 目標(biāo)跟瞄與定位、 移除導(dǎo)引與評估、 移除策略與過程控制等進(jìn)行構(gòu)建,是激光空間碎片移除能力和效果支撐的基礎(chǔ)所在。

對被測碎片目標(biāo)進(jìn)行測量的目的是獲取更多的準(zhǔn)確先驗(yàn)信息, 支持預(yù)期激光作用效果的實(shí)現(xiàn)。 對于可視化的明顯碎片目標(biāo), 現(xiàn)有的測量技術(shù)包括圖像識別和碎片激光測距(DLR), 常用的圖像識別方法主要包括雙目視覺測量、 圖像匹配、 激光掃描、 三維點(diǎn)云重構(gòu)等, 這些方法大都基于圖像進(jìn)行篩選, 提取圖像中的特征信息以獲取碎片目標(biāo)的先驗(yàn)信息, 部分方法如雙目立體視覺測量更是不需要預(yù)先已知先驗(yàn)信息, 這些方法可以較為準(zhǔn)確全面地提供可視化碎片的部分目標(biāo)特性。

對于非成像微小碎片目標(biāo), 現(xiàn)有的測量技術(shù)主要包括光變探測(LC) 和空間碎片激光測距(DLR)。 從原理上說, 碎片由于自身的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致觀測光度信息和測距殘差產(chǎn)生了周期性變化, 因此對碎片目標(biāo)進(jìn)行光變和測距殘差分析是提取與碎片目標(biāo)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動相關(guān)特征參數(shù)的有效手段。 基于這些方法進(jìn)行多維度分析研究, 力求從有限的信息中更好地提取空間目標(biāo)姿態(tài)及目標(biāo)光學(xué)特性等信息。

3.4 高效激光光源研制

高效、 高能、 高光束質(zhì)量的激光器對激光移除系統(tǒng)至關(guān)重要。 激光光源甚至決定了系統(tǒng)的能力。 激光器的研制屬于技術(shù)攻關(guān)范疇, 受到承載平臺的空間、 能源、 環(huán)境等多方面嚴(yán)格約束, 同時(shí)又要滿足基于目標(biāo)特征的系統(tǒng)能力要求。 其核心在于效率, 電光轉(zhuǎn)換、 光熱轉(zhuǎn)換、 力熱耦合、熱排散與熱管理等是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

激光器參數(shù)選取涉及多參數(shù), 如傳輸特征參數(shù)、 沖量耦合參數(shù)、 波束能量參數(shù)等, 激光器研制的優(yōu)化目的是在同樣發(fā)射能量的基礎(chǔ)上, 作用在目標(biāo)合適角度下獲得最大的速度增量。 考慮激光遠(yuǎn)場是否覆蓋目標(biāo)碎片, 對其沖量耦合機(jī)理進(jìn)行分解, 確定近場功率密度, 根據(jù)總沖量的數(shù)值確定激光器重頻和平均功率并根據(jù)具體特征需求確定合適的激光器參數(shù)指標(biāo)。 激光器的選取與研制是綜合了多維度參數(shù)的考慮及方案設(shè)計(jì), 需要不斷優(yōu)化完善才能滿足激光移除需求。

3.5 任務(wù)規(guī)劃與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對于空間碎片激光移除, 需要從頂層進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和系統(tǒng)設(shè)計(jì), 要充分理解任務(wù)、 對任務(wù)進(jìn)行分解、 深入研究移除策略, 包括目標(biāo)甄選、 碎片降軌路徑規(guī)劃、 激光驅(qū)動策略等較精細(xì)的移除策略分析, 并根據(jù)空間碎片探測跟蹤、 燒蝕驅(qū)動和變軌清除過程對清除系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì), 明確各分系統(tǒng)指標(biāo)。 在此基礎(chǔ)上, 有計(jì)劃、 有步驟地實(shí)施空間碎片移除在軌演示驗(yàn)證, 不斷提升技術(shù)成熟度, 逐步推動工程化應(yīng)用和實(shí)施。

天基激光移除空間碎片的具體任務(wù)規(guī)劃包括: 目標(biāo)發(fā)現(xiàn)與鎖定, 目標(biāo)甄別與威脅判識, 移除策略, 移除系統(tǒng)資源投入, 移除目的、 目標(biāo)、階段, 移除效果及風(fēng)險(xiǎn)控制等。 首先利用天地基協(xié)同平臺在合適的探測水平下發(fā)現(xiàn)、 識別并鎖定被測的空間碎片目標(biāo); 將碎片信息傳輸給天地基協(xié)同平臺的各控制系統(tǒng)與控制組件, 進(jìn)行多方位多時(shí)效跟蹤瞄準(zhǔn), 獲取穩(wěn)定的碎片目標(biāo)運(yùn)動規(guī)律并進(jìn)行一定程度的預(yù)報(bào); 獲取可成像碎片的圖像信息或非成像碎片的光學(xué)周期變化信息, 通過遙測傳輸或地面站傳輸進(jìn)行整理, 對數(shù)據(jù)分析獲取相應(yīng)的碎片姿軌及目標(biāo)特性信息, 與地面特征信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對確定目標(biāo)的具體特征信息; 整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)跟瞄后, 通過選擇地面遙控指令啟動合適范圍內(nèi)的可用高能脈沖激光載荷、 發(fā)射新的搭載高能激光器航天器到達(dá)預(yù)定軌道以及地基合適范圍內(nèi)強(qiáng)激光器瞄準(zhǔn)等不同方案, 對空間碎片進(jìn)行照射實(shí)現(xiàn)降軌需求; 根據(jù)碎片尺寸選擇合適的激光移除方案, 對于大尺寸碎片可進(jìn)行多次多圈降軌, 逐步滿足需求。

4 發(fā)展展望與建議

空間環(huán)境的不斷惡化是全人類面臨的挑戰(zhàn),主動移除是應(yīng)對挑戰(zhàn)的關(guān)鍵手段, 激光移除方案是最有發(fā)展前途的方案。 經(jīng)過多輪次的研究論證, 天基方案優(yōu)勢明顯, 建議發(fā)展激光移除方案以地基觀測網(wǎng)、 天地協(xié)同觀測為支撐, 基于天基平臺實(shí)現(xiàn)多尺寸、 多天域空間碎片的高效移除。天基移除的主要技術(shù)、 基礎(chǔ)理論等經(jīng)過國內(nèi)外40余年探索, 均有一定的積淀和基礎(chǔ), 技術(shù)鏈條短板在于激光光源。 可以說, 目前天基激光空間碎片移除已具備了開展有限目標(biāo)的在軌試驗(yàn)的基礎(chǔ)。

空間環(huán)境治理是大國責(zé)任, 空間碎片移除是國際研究熱點(diǎn)。 目前不僅國際組織、 國家組織,而且商業(yè)航天也加入其中, 空間碎片已成為技術(shù)制高點(diǎn)和競爭點(diǎn), 這其中不僅有對航天技術(shù)發(fā)展的推動、 空間安全的需要, 也蘊(yùn)含巨大的商業(yè)利益。 我國經(jīng)過多年研究, 已有較好基礎(chǔ), 建議基于“先易后難, 基礎(chǔ)研究、 關(guān)鍵技術(shù)、 系統(tǒng)規(guī)劃, 統(tǒng)籌推動, 分步實(shí)施, 頂層設(shè)計(jì), 探測先行” 的原則, 推動空間碎片激光移除在軌驗(yàn)證?？臻g碎片激光移除技術(shù)正處于一個(gè)加速發(fā)展的歷史機(jī)遇期, 我們有望與美、 日、 歐等國家或組織在該高地一競高低, 實(shí)現(xiàn)局部超越, 這也是航天強(qiáng)國建設(shè)賦予我們的責(zé)任和使命。