陳川, 宋光明, 楊武霖, 武強(qiáng), 張品亮, 曹燕, 龔自正

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所, 北京100094)

1 前言

空間碎片是地球軌道上在軌運(yùn)行或再入大氣層的無功能的人造物體及其殘塊和組件。 隨著航天活動(dòng)的日益頻繁, 空間碎片的數(shù)量迅速增加,已經(jīng)對(duì)人類空間資產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)威脅, 是全世界面臨的重大挑戰(zhàn)。 開展空間碎片主動(dòng)移除已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)的共識(shí)。 在眾多空間碎片移除技術(shù)中, 天基激光燒蝕驅(qū)動(dòng)是一種高效的、 有廣闊應(yīng)用前景的移除技術(shù), 特別是針對(duì)移除海量的、 尺寸在1 ～10cm 的危險(xiǎn)碎片而言, 更是具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì), 因而是國(guó)內(nèi)外移除技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。

根據(jù)激光的不同作用參數(shù)及所希望達(dá)成的不同效果, 激光移除空間碎片可分為光壓驅(qū)動(dòng)[1]、燒蝕破碎[2]、 燒蝕驅(qū)動(dòng)三種方式[3,4]。 光壓驅(qū)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換效率低, 作用速度慢, 且易受宇宙環(huán)境和太陽(yáng)光的影響。 燒蝕破碎能量消耗高, 且碎片依舊留存在太空中, 不僅不能從根本上解決空間碎片問題, 還會(huì)增加碎片數(shù)量, 加劇空間碎片環(huán)境惡化。

激光燒蝕驅(qū)動(dòng)技術(shù)[3-5]是使用強(qiáng)激光束照射碎片表面, 使輻照區(qū)材料產(chǎn)生熔融、 汽化、 電離, 形成等離子體反噴羽流, 反噴羽流的沖量耦合使碎片獲得反向速度增量, 從而驅(qū)動(dòng)碎片運(yùn)動(dòng), 改變碎片初始軌道, 如圖1 所示。 該方案能量轉(zhuǎn)換效率是光壓方式的4 ～5 倍[3], 所需能量比燒蝕破碎模式小一個(gè)數(shù)量級(jí)[5], 移除碎片效率高, 作用距離遠(yuǎn), 且對(duì)米級(jí)以上大碎片和厘米級(jí)小碎片都有很好的移除效果, 在所有主動(dòng)移除空間碎片的方案中, 單個(gè)碎片清理成本最低。 同時(shí), 既能作為在軌航天器的主動(dòng)防御手段又可對(duì)整個(gè)空間碎片環(huán)境進(jìn)行有效清理, 是當(dāng)下激光移除空間碎片的主流方案。

圖1 激光移除空間碎片原理示意圖ig.1 Schematic diagram of laser removal of space debris

本文梳理了激光驅(qū)動(dòng)移除空間碎片技術(shù)從提出至今, 天基地基方案交替發(fā)展的歷程, 介紹了其國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。 圍繞激光器、 探測(cè)跟瞄系統(tǒng)、 天基平臺(tái)和移除策略分析了該技術(shù)工程化應(yīng)用存在的問題。 最后, 圍繞存在的問題介紹了當(dāng)前該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 發(fā)展歷程

通過激光燒蝕反噴來移除空間碎片的最初靈感來源于激光推進(jìn)技術(shù)[6,7]。 根據(jù)激光平臺(tái)的不同可分為地基和天基兩種, 整個(gè)方案的發(fā)展是一個(gè)天基和地基不斷交替提出, 互相參照演進(jìn)論證的過程。 在概念出現(xiàn)的最初階段, 各國(guó)提出的技術(shù)方案都是基于天基平臺(tái)。

1989 年, 美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的John DMetzger 在激光武器的研究發(fā)展和激光作用物質(zhì)沖量耦合系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的基礎(chǔ)上, 提出最早的天基激光移除空間碎片系統(tǒng)概念[8]。 1990年, 德國(guó)航天研究中心的Schall 計(jì)算驗(yàn)證了用激光改變直徑10cm 碎片以避免撞擊或移除離軌的可行性, 并提出了用一個(gè)包含探測(cè)、 跟蹤和激光驅(qū)動(dòng)完整功能, 能夠獨(dú)立執(zhí)行LEO 軌道小尺寸碎片探測(cè)移除任務(wù)的天基方案概念[9], 后續(xù)進(jìn)一步將功能拓展到了為國(guó)際空間站等大型高價(jià)值航天器提供碎片撞擊主動(dòng)防御[10]。 1994年, 日本神戶大學(xué)的Mengu Cho 提出了一個(gè)探測(cè)跟蹤、 瞄準(zhǔn)和激光發(fā)射同光路的天基空間碎片移除系統(tǒng)方案, 如圖2 所示, 大大縮小了系統(tǒng)尺寸規(guī)模[11]。

圖2 神戶大學(xué)天基激光移除碎片方案圖Fig.2 Schematic diagram of debris-removal laser satellite of Kobe University

雖然基于天基平臺(tái)的激光移除碎片系統(tǒng)的提出早于地基系統(tǒng), 但是由于當(dāng)時(shí)不論是天基激光器、 探測(cè)載荷還是天基平臺(tái)的技術(shù)水平都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求, 天基系統(tǒng)往往都只能停步于理論論證階段, 無法向工程化進(jìn)一步推進(jìn)。 相對(duì)于天基平臺(tái), 地基平臺(tái)不受尺寸重量的限制, 沒有發(fā)射成本, 功耗幾乎不受限制, 且可以直接借用天文望遠(yuǎn)鏡、 太空監(jiān)視雷達(dá)等現(xiàn)有地基探測(cè)跟蹤設(shè)備。在激光器設(shè)計(jì)上也可參考已有或正在建設(shè)的大型地基激光器, 因而參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)和工程化嘗試有著明確可行的參照目標(biāo)。 因此, 在天基激光移除空間碎片概念出現(xiàn)后不久, 大型地基空間碎片激光移除系統(tǒng)成為了各國(guó)研究論證的主流。

1993—1994 年, 美國(guó)D.Monroe[12]、 Phipps[13]等人都對(duì)不同的地基方案開展了設(shè)計(jì)論證。 1996 年,由NASA 先進(jìn)概念辦公室提議, 馬歇爾航天飛行中心牽頭, 包括美國(guó)空軍菲利普實(shí)驗(yàn)室、 麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室等眾多尖端科研機(jī)構(gòu)參與, 開展了一項(xiàng)旨在全面驗(yàn)證地基空間碎片移除系統(tǒng)可行性的ORION 計(jì)劃[14-17]。 該計(jì)劃從碎片環(huán)境開始, 依次論證分析了激光與物質(zhì)相互作用、 激光的大氣傳輸、 激光器的選擇、 探測(cè)跟蹤設(shè)備的選擇、 系統(tǒng)耗資、 政治風(fēng)險(xiǎn)等所有可能相關(guān)的方面。 ORION 計(jì)劃針對(duì)的目標(biāo)是200 ～1500km 以內(nèi)所有1 ～10cm 的空間碎片, 以保護(hù)400km 軌道上的國(guó)際空間站為第一階段目標(biāo), 并最終擴(kuò)展到對(duì)所有1500km 以下航天器的保障。 報(bào)告第一部分分析了目標(biāo)范圍空間碎片的空間分布情況及主要組成材料, 并制定了盡最大可能清理所有過頂碎片(過頂即清除) 和先低軌后高軌按順序依次清理兩種碎片的清除策略。 報(bào)告第二部分主要著眼于根據(jù)碎片在高能量激光作用下表現(xiàn)出來的特點(diǎn), 特別是沖量耦合系數(shù)的變化規(guī)律對(duì)激光與物質(zhì)相互作用問題進(jìn)行了分析, 用于進(jìn)一步論證ORION 計(jì)劃中激光參數(shù)、 發(fā)射鏡尺寸、 激光作用頻率等參數(shù)。 報(bào)告第三部分分析了大氣層對(duì)激光傳輸?shù)挠绊? 包括直線傳輸假設(shè)下焦點(diǎn)處光斑衍射極限直徑對(duì)激光波長(zhǎng)和發(fā)射鏡尺寸的關(guān)系、 大氣層對(duì)激光的扭曲和吸收以及各種非線性效應(yīng)對(duì)激光波長(zhǎng)選擇的限制。 報(bào)告第四部分根據(jù)前三部分的結(jié)論提出了對(duì)系統(tǒng)各部分的參數(shù)要求, 并據(jù)此對(duì)比分析了脈沖固體激光器(Nd:YAG 激光器)、 氣體激光器(CO2氣體激光器)、 連續(xù)波氣體激光器(碘氧激光器) 三類激光器, 及微波雷達(dá)、 被動(dòng)光學(xué)、 激光雷達(dá)、 分布式雷達(dá)四種探測(cè)手段的性能、 特點(diǎn)、 適用性、 可行性和可能花費(fèi)等問題。 報(bào)告最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的預(yù)算及政治風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。 ORION 計(jì)劃是迄今為止最全面最深入的對(duì)地基激光移除碎片系統(tǒng)的全面論證, 有很高參考價(jià)值。 后續(xù), 美國(guó)在ORION 計(jì)劃的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步對(duì)地基探測(cè)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了完善[3,18]。

地基系統(tǒng)由于要求作用距離遠(yuǎn), 發(fā)射鏡尺寸從幾米到幾十米不等, 所需激光功率也較大。 同時(shí), 由于作用激光需要穿過大氣層, 為了修正激光在大氣層中的折射和最小化大氣對(duì)激光傳輸?shù)挠绊? 除了需要較復(fù)雜的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)以外,激光波長(zhǎng)還被限制在1.06μm 附近。 相同距離和發(fā)射鏡尺寸下, 波長(zhǎng)越長(zhǎng)衍射光斑越大, 因此這一限制又反過來進(jìn)一步提高了對(duì)激光器功率密度和發(fā)射鏡尺寸的要求。 除此之外, 地基系統(tǒng)位置是固定的, 碎片探測(cè)跟蹤和激光作用都局限于天頂范圍, 嚴(yán)重制約了其在碎片移除和航天器碎片主動(dòng)防護(hù)上的任務(wù)靈活性。 隨著激光器小型化、 天基探測(cè)跟蹤技術(shù)的成熟和天基平臺(tái)太陽(yáng)能電池技術(shù)水平的提高, 天基平臺(tái)的可行性不斷提高, 2010 年左右各國(guó)的研究重點(diǎn)都轉(zhuǎn)移到了天基平臺(tái)上。

2013 年美國(guó)的Phipps 在此前地基激光系統(tǒng)方案上進(jìn)一步提出了可探測(cè)跟蹤作用150km 范圍內(nèi)1cm 尺寸以上碎片的天基系統(tǒng)方案[18]。 俄羅斯科學(xué)院的V. V. Apollonov 從對(duì)LEO 軌道航天器進(jìn)行空間碎片主動(dòng)防護(hù)的角度分析計(jì)算了地基和天基激光移除碎片系統(tǒng)對(duì)激光器的功率要求[19], 結(jié)論顯示天基系統(tǒng)的能量需求比地基低40%左右。

2014 年, 為盡可能減小平臺(tái)規(guī)模, Phipps 提出了由獨(dú)立的探測(cè)系統(tǒng)和跟瞄、 激光發(fā)射共光路系統(tǒng)組成的空間碎片探測(cè)跟蹤移除一體化天基激光平臺(tái)方案, 該系統(tǒng)采用Nd:YAG 激光器提供的56Hz、 355nm 波長(zhǎng)紫外激光, 以降低對(duì)小發(fā)射鏡尺寸和激光功率的需求[20,21]。 法國(guó)的Rémi Soulard等人基于國(guó)際相干放大網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(ICAN), 提出了一套天基跟蹤移除一體化的光纖激光系統(tǒng)[22], 如圖3 所示。 該系統(tǒng)由10000 根以上的1mJ 光纖激光器組成, 通過相干合成來提供所需的激光能量。 在此基礎(chǔ)上, 2015 年日本和法國(guó)合作提出了利用國(guó)際空間站上用于探測(cè)超高能宇宙射線的JEM-EUSO 超寬視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡和光纖激光器對(duì)厘米級(jí)碎片探測(cè)和激光移除技術(shù)進(jìn)行在軌驗(yàn)證的方案, 如圖4 所示[23]。

圖3 天基光纖激光系統(tǒng)Fig.3 Space-based fiber optic laser system

2018 年美國(guó)的Phipps 提出了激光驅(qū)動(dòng)大碎片交通管理(LDTM) 的概念, 如圖5 所示, 即通過小能量天基激光器產(chǎn)生的有限速度增量來改變空間碎片軌道進(jìn)而預(yù)防高概率撞擊事件的方案, 從而遏制碎片增長(zhǎng)[24]。 2019 年我國(guó)陳川、 龔自正等人提出了天基激光驅(qū)動(dòng)接力移除低軌碎片方法, 即在單個(gè)天基激光平臺(tái)驅(qū)動(dòng)降軌效果不足以實(shí)現(xiàn)碎片移除的情況下, 通過分布在不同軌道高度的多個(gè)天基激光平臺(tái)組成移除星座, 以接力移除的方式實(shí)現(xiàn)空間碎片移除,如圖6 所示[25]。 這兩個(gè)方案的思路都是在激光器能量難以滿足已有方案需求情況下, 探索小脈沖能量天基激光驅(qū)動(dòng)在碎片環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 發(fā)展現(xiàn)狀

從1989 年至今, 各國(guó)以激光移除空間碎片為目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)總體方案進(jìn)行了大量論證, 見表1?？傮w方案的核心內(nèi)容主要由以下幾項(xiàng): 激光器系統(tǒng)、 探測(cè)跟蹤系統(tǒng)、 平臺(tái)、 移除策略等。 其中,探測(cè)跟瞄系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)目標(biāo)碎片的發(fā)現(xiàn)和將激光能量準(zhǔn)確投送到目標(biāo)碎片上, 激光器系統(tǒng)是負(fù)責(zé)提供足夠的激光能量以產(chǎn)生足夠的速度改變量, 平臺(tái)則負(fù)責(zé)能量供給和系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作環(huán)境, 移除策略負(fù)責(zé)具體如何移除的問題, 包括設(shè)計(jì)目標(biāo)選擇和激光驅(qū)動(dòng)策略的移除策略確定以及具體移除策略的實(shí)現(xiàn)過程。

圖4 利用JEM-EUSO 的在軌驗(yàn)證方案Fig.4 On-orbit demonstration using JEM-EUSO

圖5 LDTM 示意圖Fig.5 Schematic diagram of LDTM

圖6 激光接力移除空間碎片系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of laser removal of space debris by relay method

3.1 激光器

激光器是激光移除空間碎片系統(tǒng)中的核心分系統(tǒng), 它的選擇基本上決定了整套系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 激光移除碎片系統(tǒng)要求激光具有優(yōu)秀的長(zhǎng)距離傳輸特性, 高重復(fù)頻率、 高脈沖能量、 短脈寬, 要求激光器高能量轉(zhuǎn)換效率、 高功率/重量比、 高功率/體積比。 Nd:YAG 激光器因其高能量轉(zhuǎn)換效率、 高重復(fù)率、 高能量密度, 成為目前天基脈沖激光系統(tǒng)的主流選擇[26,27]。 但是目前該類激光器在天基平臺(tái)上也僅有小脈沖能量系統(tǒng)用于激光測(cè)距和通信, 尚無大脈沖能量系統(tǒng)的應(yīng)用。 地基高能量Nd:YAG 激光器用于天基碎片移除還有小型化、 天基平臺(tái)適應(yīng)性等一系列問題。此外, 最近幾年光纖激光器也開始進(jìn)入天基激光移除碎片系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)中。 光纖激光器具有高熱量散發(fā)效率、 高功率/重量比的優(yōu)點(diǎn), 且可實(shí)現(xiàn)kHz 級(jí)的高重復(fù)率以及40%的高能量轉(zhuǎn)換效率[28-30]。 但是目前光纖激光器的相干合束能力還僅僅停留在100 根光纖以下, 對(duì)于達(dá)到移除碎片能量需求的10000 根光纖指標(biāo)還有很大距離[31,32]。

3.2 探測(cè)跟瞄系統(tǒng)

探測(cè)跟蹤系統(tǒng)分為探測(cè)和跟蹤兩部分, 分別用于大視場(chǎng)遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)目標(biāo)碎片和中距離持續(xù)跟蹤及定軌。 當(dāng)前天基探測(cè)手段分為三大類: 微波雷達(dá)、 被動(dòng)光學(xué)(包括紅外) 和主動(dòng)光學(xué)(激光雷達(dá)或激光測(cè)距)。

表1 激光移除空間碎片系統(tǒng)總體方案[5]Table 1 Overall concepts of laser space debris removal systems

續(xù)表1

續(xù)表1

微波雷達(dá)是一種主動(dòng)的探測(cè)方式, 通過向空間發(fā)射微波信號(hào), 由接收器接收信號(hào)回波來確定空間碎片的位置和速度。 微波雷達(dá)作用范圍大,不受光照和天氣條件限制, 可全天時(shí)全天侯的進(jìn)行空間碎片檢測(cè), 并且可以精確地獲取其位置和速度。 但是, 微波雷達(dá)存在以下缺點(diǎn): (1) 由于其設(shè)備體積大, 重量大, 尤其是天線尺寸太大,不適合天基部署; (2) 其能量轉(zhuǎn)換效率低, 總功率要求高, 同樣影響了天基部署。

被動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)是利用空間碎片對(duì)太陽(yáng)光的反射, 采用高敏感度高分辨率的被動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)碎片進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 對(duì)于可見光波段, 在太陽(yáng)照射背景黑暗時(shí), 可以用望遠(yuǎn)鏡探測(cè)空間碎片。對(duì)于天基測(cè)量而言, 如果采用合適的觀測(cè)方向,避免地球亮背景、 太陽(yáng)和月亮的影響, 可見光監(jiān)測(cè)器看到的背景基本為深空黑背景, 可不受地面日照時(shí)間限制長(zhǎng)時(shí)間探測(cè)碎片。 對(duì)于紅外波段, 由于目標(biāo)是較小尺度的碎片, 其紅外輻射較小, 相對(duì)難以發(fā)現(xiàn)。

激光雷達(dá)需要自身發(fā)射激光波束, 通過接收空間碎片反射波束, 對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理, 實(shí)現(xiàn)空間碎片的監(jiān)測(cè)和跟蹤。 激光雷達(dá)不受光照條件限制, 基本可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)與全天候監(jiān)測(cè), 并可精確地獲取目標(biāo)相對(duì)位置與速度信息。 但是隨著監(jiān)測(cè)距離的增加, 為了達(dá)到足夠的信噪比, 激光聚焦點(diǎn)必須足夠小, 這就限制了它的監(jiān)測(cè)區(qū)域。 在目前激光功率有限的情況下, 作用距離受發(fā)射功率限制, 如果要提高作用距離, 必須按指數(shù)倍數(shù)提高發(fā)射功率。

目前的技術(shù)方案中, 基于光學(xué)的可見光被動(dòng)探測(cè)手段和激光雷達(dá)是主流的碎片探測(cè)跟蹤手段。 一方面, 通過共光路設(shè)計(jì), 光學(xué)探測(cè)手段所需的大口徑發(fā)射接收鏡可與移除碎片的激光發(fā)射鏡合二為一, 通過共光路設(shè)計(jì)在減少系統(tǒng)規(guī)模的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)所見即所打, 將激光跟瞄和發(fā)射的誤差降到最低。 另一方面, 天基大口徑光學(xué)鏡組已在其他領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用, 工程技術(shù)難度相對(duì)較小。

3.3 平臺(tái)

天基激光移除碎片系統(tǒng)對(duì)天基平臺(tái)的要求主要體現(xiàn)在平臺(tái)穩(wěn)定性、 能量供給及熱控上, 由于移除碎片所需脈沖激光器平均輸出功率并不大,大尺寸衛(wèi)星平臺(tái)和空間站現(xiàn)有指標(biāo)參數(shù)都能充分滿足需求。

3.4 移除策略

空間碎片主動(dòng)移除策略是空間碎片主動(dòng)移除工程化過程中必須要解決的關(guān)鍵問題。 尤其是在目前空間碎片數(shù)量眾多且持續(xù)增長(zhǎng), 大量軌道都面臨嚴(yán)重碎片威脅且移除能力有限的情況下, 需要我們準(zhǔn)確地選擇影響大的關(guān)鍵目標(biāo)進(jìn)行移除,以盡可能高效地控制碎片數(shù)量, 緩解碎片威脅。具體到激光移除, 由于其作用距離遠(yuǎn)、 移除周期短、 可重復(fù)使用等特點(diǎn), 其目標(biāo)選擇策略和其他主動(dòng)移除手段有很大不同, 不能僅僅局限于單個(gè)目標(biāo)的分析, 而要擴(kuò)展到對(duì)某條軌道甚至某一區(qū)域整體的移除策略研究。 同時(shí)由于其驅(qū)動(dòng)變軌的工作方式, 還需要考慮確定平臺(tái)在針對(duì)確定目標(biāo)時(shí)包括激光作用參數(shù)時(shí)間周期等在內(nèi)的碎片驅(qū)動(dòng)變軌策略。 不同的作用策略對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的探測(cè)距離、 跟蹤距離、 作用距離、 激光能量密度等都會(huì)有不同的要求, 進(jìn)而影響到探測(cè)跟蹤設(shè)備, 激光器, 激光參數(shù)(波長(zhǎng), 脈寬、 重復(fù)率), 發(fā)射鏡口徑, 系統(tǒng)功耗的選擇計(jì)算, 最終將導(dǎo)致完全不同的總體方案。 尤其是在現(xiàn)有激光器技術(shù)水平的限制下, 更需要通過移除策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)來最大化系統(tǒng)效能。

空間碎片的移除策略可粗略分為直接使其降軌再入大氣層燒毀徹底移除和將其推離常用軌道兩種方式。 針對(duì)LEO 軌道目標(biāo), 一方面, 由于其軌道高度低, 易于采用降軌移除方式; 另一方面, 該區(qū)域航天器密集, 碎片數(shù)量巨大, 簡(jiǎn)單推離常用軌道難以徹底排除其撞擊隱患, 因而基本都采用降軌移除方式, 只在針對(duì)高撞擊概率碎片的主動(dòng)防御中會(huì)采用推離現(xiàn)有軌道的方式。 針對(duì)GEO 軌道目標(biāo), 由于其小碎片數(shù)量相對(duì)較少, 需要移除的目標(biāo)大都是大尺寸的廢棄航天器, 且軌道太高, 返回再入成本高昂, 因而普遍采用推入遠(yuǎn)離常用軌道的墳?zāi)管壍婪绞健?兩種方式的本質(zhì)都是通過激光照射產(chǎn)生燒蝕反噴使碎片獲得沖量從而改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

對(duì)于地基激光移除空間碎片系統(tǒng), 由于基站的固定, 只有碎片過頂移除一種基本移除方式,區(qū)別只是一次過頂即提供足夠的速度變量使其降軌再入和多次過頂逐漸累積速度變量?jī)煞N方式。1996 年, 美國(guó)ORION 計(jì)劃中針對(duì)不能在一次過頂中移除的目標(biāo), 提出了一種分層逐次移除的策略[15], 即將整個(gè)LEO 軌道待移除碎片按10 ～50km一層分為若干個(gè)區(qū)域, 當(dāng)某一層的碎片被移除或降軌到下一層時(shí), 才能將高一層的碎片降軌到該層。 這樣按照由低到高逐次對(duì)各層碎片進(jìn)行降軌移除, 可使得移除過程中每個(gè)區(qū)域的碎片密度都不會(huì)因?yàn)榻弟夁^程而增加, 維持碎片環(huán)境在穩(wěn)定中下降。

對(duì)于天基激光移除空間碎片系統(tǒng), 由于其本身也是在軌道上運(yùn)動(dòng)的, 且自身也可以變軌機(jī)動(dòng), 因而在移除策略上可以靈活得多。 無論是針對(duì)LEO 還是GEO 軌道、 大型廢棄航天器火箭殘骸還是厘米級(jí)小碎片, 天基系統(tǒng)都有靈活多變的移除手段和策略, 但是相關(guān)具體研究還比較少。2015 年, C. Phipps 針對(duì)GEO 軌道上質(zhì)量3t 左右的大型廢棄航天器制定了單平臺(tái)變軌跟隨退離和漂移軌道雙平臺(tái)輪流退離, 兩個(gè)推離現(xiàn)軌道進(jìn)入墳?zāi)管壍赖囊瞥桨竵硪瞥鼼EO 軌道上的碎片[21], 如圖7、 圖8 所示。

圖7 單平臺(tái)GEO 軌道碎片移除策略Fig.7 Single-platform GEO orbit debris removal strategy

目前空間碎片移除策略的相關(guān)研究較少且不夠深入, 基本都停留在簡(jiǎn)單的作用角度和速度改變量計(jì)算上, 其主要目的也都著眼于對(duì)平臺(tái)移除能力的估計(jì), 缺少包括目標(biāo)選擇策略、 碎片降軌路徑規(guī)劃、 激光驅(qū)動(dòng)策略等較精細(xì)的移除策略分析和研究, 更沒有對(duì)此類過程的模擬演示手段。這也進(jìn)一步導(dǎo)致了在方案設(shè)計(jì)中系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)選擇上的盲目性。

圖8 多平臺(tái)GEO 軌道碎片移除策略Fig.8 Multi-platform GEO orbit debris removal strategy

4 發(fā)展趨勢(shì)

目前, 天基激光移除空間碎片系統(tǒng)已經(jīng)基本驗(yàn)證了其可行性并完成了多個(gè)總體方案的設(shè)計(jì)論證, 正在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和向工程化應(yīng)用發(fā)展的階段。 各國(guó)方案已逐漸趨向統(tǒng)一, 天基平臺(tái)、 Nd:YAG 激光器或光纖激光器搭配與激光發(fā)射系統(tǒng)共光路的主被動(dòng)光學(xué)探測(cè)跟蹤系統(tǒng)是當(dāng)前主流方案的選擇。

當(dāng)前技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展尤其是工程化推進(jìn)的主要障礙在于各分系統(tǒng)硬件技術(shù)水平的限制, 尤其是天基高能量激光器單脈沖能量、 重頻、 功率等性能參數(shù)的不足。 由于硬件條件的制約, 導(dǎo)致現(xiàn)有的移除系統(tǒng)方案往往都只能停留在紙面上, 難以實(shí)現(xiàn)工程化。 在最近一兩年的研究中, 各國(guó)學(xué)者都開始從方案可行性的計(jì)算論證上轉(zhuǎn)移到基于現(xiàn)有激光器水平的應(yīng)用探索或策略分析研究中。因?yàn)榍捌趯?duì)移除策略的研究不足, 各系統(tǒng)方案都只做了簡(jiǎn)單的降軌能力計(jì)算, 并沒有通過策略設(shè)計(jì)充分挖掘方案的能力潛力, 同時(shí)也導(dǎo)致系統(tǒng)方案缺乏進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向和手段。

因此目前激光移除空間碎片的技術(shù)發(fā)展主要有兩個(gè)大的方向。 一是在繼續(xù)完善總體方案, 盡可能降低相關(guān)硬件參數(shù)需求, 減小相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究突破壓力的同時(shí), 根據(jù)總體方案需求指導(dǎo)推進(jìn)激光器的研究發(fā)展, 包括大能量Nd:YAG 固體激光器和光纖激光器。 二是從移除策略的角度進(jìn)行優(yōu)化, 基于現(xiàn)有硬件技術(shù)水平, 研究?jī)?yōu)化移除策略, 通過探索新的移除方法和方案, 在現(xiàn)有硬件技術(shù)條件約束下最大化其移除效能。