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国外空间碎片清除计划马楠 贵先洲（国防科技大学航天科学与工程学院）当前，近地球轨道上分布的空间碎片达到了前所未有的数量，且呈现加速增长的趋势，若不实施主动清除，碎片的数量将在未来200年内快速增长，给空间系统安全带来巨大的威胁。对空间碎片实施主动清除已成为主要航天国家的共识。Space International / 国际太空2013.264空间碎片 1 概述据美国空间监视网（SSN ）观测（截至2 0 1 2 年7月4日），近地轨道中直径大于10cm的物体 共 有1 6 3 9 9 个 ，其 中 现役 航天 器不 足1 0 0 0 个 ，而 90%以上为失效或失控的空间碎片，其中质量大于 2kg 的编目碎片约2500个，它们集中分布在距地球 6001000km的轨道上。由于空间碎片轨道的自然 衰减过程相当缓慢，所以若不采取措施，碎片数量将 以每年5%的速度增加。空间碎片问题的严重性和迫切性已受到各航天 国家、组织越来越多的重视。多国正在积极探索可行 的解决方案，并为推动研究工作取得实质性进展而提 供适当的政策支持和资金保障。例如，美国在2010 年6月公布的新版国家航天政策中，特别增加了3项与空间碎片相关的条款：一是强调空间态势感知 在碎片监测上的应用；二是提出必须同时开展碎片减 缓与清除；三是促进空间碰撞告警措施的制定。其他航天国家也在积极组织开展关于空间碎片的责任、政策、立法、清除策略与技术的研究，并举办以空间碎 片为主题的国际研讨会，加强沟通和交流，以推动建 立统一的空间碎片约束、管理和操作规范。为了避免出现空间碎片级联碰撞效应（Kessler Syndrome），近地球轨道的大型碎片（废弃航天器/ 火 箭 体 ） 是 碎 片 清 除 的 首 要 对 象 。 美 国 航 空 航 天 局（NASA）开展的空间环境演化仿真研究结果表明， 若要抑制空间碎片总量的增长，需要在实施碎片减缓 措施的同时，从2020年开始每年最少清除5块近地球 轨道大型空间碎片。在碎片清除系统方案选择上，当前各国一致倾 向于“捕获离轨”式清除方案。其工作过程是：碎 片清除器首先依靠跟踪定位系统逐渐逼近失去姿控能 力的目标碎片（非合作目标），进行捕获，然后依靠 轨道转移（离轨）系统将目标拖入大气层烧毁，或降 低其轨道，待其日后自行衰减。清除器主要包括捕获空间碎片（红色为“风云”碎片，绿色为其他可能威胁在轨卫星和空间站的碎片）Space International / 国际太空2013.265空间碎片 电动碎片清除器在轨展开示意图系统、轨道转移系统，以及其他辅助系统，如导航系统、通信系统等。其关键技术是非合作目标捕获技术 和高效轨道转移技术。美国、欧洲和日本的空间碎片 主动清除研究起步较早，已提出了各自的碎片清除方 案 ， 部 分 关 键 技 术 已 开 展 在 轨 演 示 验 证 。 但 总 的 来 说，当前的发展水平距在轨应用尚有差距，仍处于关 键技术突破和掌握阶段。器和飞网管理器组成，各部分通过导线（强化铝带）连接，在轨展开长度超过10km，质量小于100kg， 收纳体积为0.11m 3 ，每个“改进型一次性运载火 箭”的次级有效载荷插槽可容纳2个这样的清除器。 飞网约有几十平方米大小，质量约50g，由位于缆绳 末端的飞网管理器进行控制，不能重复使用，每个管 理器携带100张飞网。电动碎片清除器运行在低地球轨道上，利用电 动力学原理，通过太阳电池翼转化电能，在导线中形 成电流，由其中一端的电子发射器发射电子，飞行器 另一端的裸露铝导线收集电子，形成电流回路。由于 电动碎片清除器处于地磁场中，所以通过磁场作用便 会施加1个洛伦兹力在导线上。力的大小决定于导线2 美国的电动碎片清除器2 0 1 0 年 8 月 ， 美 国 国 防 高 级 研 究 计 划 局 （DARPA）公布了正在研制的空间碎片清除技术演 示验证项目电动碎片清除器（EDDE）。电动碎片清除器主要由太阳电池翼、电子发射 电动力缆绳示意图Space International / 国际太空2013.2661 km发射器发射器飞网控制器导线太阳电池翼飞网控制器空间碎片 空间激光：可以使较小的碎片落入衰减的轨道使空间碎片加速掉落大气层中焚烧的三种方法1958年发射的先锋-1是最早的空间碎片探测器星载激光电动链绳：通过微型游走机构和空间碎片连接，通过流过链绳的电流和空间碎片的相互作用，可以将太空垃圾拉低收集卫星：可以用网捕获大的空间碎片，并将其释放在较低的轨道，使其进入大气层失效卫星链绳微型游走卫星空间碎片的形成、危险和清除的长度、电流以及磁场的局部场强和方向。整个电动碎 片 清 除 器 系 统 在 空 间 是 缓 慢 旋 转 的 ， 旋 转 周 期 约15min，电动碎片清除器以此保持张力和稳定性。电动碎片清除器方案的最大优点是无需携带推 进剂，而是依靠薄膜太阳电池与电动力缆绳产生高效 动力，它可在其寿命期内产生数百千米每秒的累计速 度的变化量。在4001000km的轨道上，1个电动碎 片清除器可产生7kW的功率，可以每天爬升或下降数 百千米，或者以1/天的速率改变轨道倾角。电动碎 片清除器的电动力缆绳（EDT）系统不仅在与其他可用于清除空间碎片的推进系统相比时表现出明显的优势 ， 而且缓慢旋转的电动碎片清除器的清除系统在 大 部 分 大 型 碎 片 所 处 的 大 倾 角 轨 道 上 的 清 除 效 率 更 高。单个电动碎片清除器每年可清除约30块碎片， 美国规划的清除系统包括12个这样的清除器，可在 7年内清除近地球轨道上所有2500块质量大于2kg的 碎片。美国自20世纪60年代就开始在亚轨道、近地球 轨道进行空间缆绳技术试验，从1992年开始开展电 动 力 缆 绳 的 低 轨 试 验 ， 至 今 已 通 过 多 次 试 验 验 证 了可用于空间碎片清除的各类推进系统比较Space International / 国际太空2013.267指标固体推进双组元推进电推进推力比冲复杂度功率技术成熟度（TRL）9969空间碎片 空间碎片日本的空间碎片微型清除器示意图太 阳 薄 膜 电 池 、 空 心 阴 极 、 电 子 收 集 器 和 缆 绳 在 轨展开（20km）等技术。2010年，美国的系绳应用公 司和恒星技术与研究公司在美国海军“小企业创新研 究 计 划 ” 的 资 助 下 ， 完 成 了 电 动 碎 片 清 除 器 项 目 第 一阶段的研究。2012年3月，美国航空航天局又授予 这两家公司一份为期2年、价值190万美元的合同。 按照合同，这两公司将在2013财年向美国航空航天 局交付电动力缆绳产品的缩比样品，并由海军研究实 验室完成其在轨推进能力测试。测试缆绳的长度将达 到1 km，末端是3 U “立方体卫星”，主要用于演示 旋 转 状 态 下 的 大 尺 度 轨 道 变 化 ， 测 试 导 航 、 跟 踪 和 主 动 规 避 能 力 ， 以 及 与 目 标 物 体 的 交 会 能 力 （ 不 捕 获）。如果试验成功，美国国防高级研究计划局称将 在2017年前开始对低地球轨道开展全面的碎片清除 工作。为：空间碎片微型清除器首先与目标空间碎片自主会合，并测量其运行轨道；然后围绕目标飞行，确定将 其捕获的最佳路径；逼近目标，使其稳定并用机械臂 捕 获 目 标 ； 随 后 将 固 定 在 机 械 臂 上 的 电 动 力 缆 绳 展 开；最终自动调节缆绳倾角，以控制推力并避免缆绳 失稳，携带碎片离轨。空间碎片微型清除器采用了较简单的目标定位 与交会系统，包括“全球定位系统”（GPS）接收 机、星跟踪器和成像传感器，技术成熟度较高。在该 系统研制中需要突破的关键技术是电动力缆绳技术和 可展开灵活机械臂技术。该任务所需的电动力缆绳长2km，峰值电流1A，设计寿命1年。2 0 1 0 年8 月3 1 日，日本成功进行了本国的首个 电动力缆绳推进在轨演示试验。缆绳呈磁带状，宽为25mm，厚度为0.05mm，长为300m。试验高度约为100km，运行速度约为8m/s。试验中，导电缆绳和 机械臂成功展开，验证了空心阴极在高速运动条件下 的工作能力，但高压控制器未能按计划工作。这次试 验提供的信息可用于改进等离子体收集设备，提高收 集效率。目前，日本正在开展进一步研究，测试电动 力缆绳的受力、电阻、电子收集能力、柔韧性，以及 在展开时受到的阻力大小，为下一轮在轨演示验证试 验做准备。3 日本的空间碎片微型清除器日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）正在研究 一 种 演 示 验 证 主 动 清 除 空 间 碎 片 技 术 的 微 小 卫 星 系 统 空间碎片微型清除器（SDMR）。这种清除器 质量为140kg，尺寸为700mm700mm600mm， 可作为次级有效载荷与其他卫星一起发射。空间碎 片微型清 除器的任务 过程可简 要概括 Space International / 国际太空2013.268微小卫星可展开轻型机械臂 电子发射器裸缆线发射装置 卷轴装置空间碎片可展开机械臂 缆绳展开微小卫星空间碎片 法国的碎片清除系统示意图对于碎片清除器而言，目标碎片通常已失去姿 除系列的首颗卫星 太空清理1（CleanSpace One）卫星，以清除目前瑞士在轨的一颗“立方体卫 星”或其姐妹星Tlsat卫星。太空清理1是一颗纳卫 星，初步设计基于3U“立方体卫星”平台，采用微 推进系统，造价1100万美元，计划于20152016年 发射，主要验证远距离和近距离目标探测系统、捕获 系统、微推进系统及可控再入系统。该系统采用图像 和视频系统对目标进行定位，采用机械臂/ 机械手抓 捕目标。2012年3月，法国公布了自己的碎片清除系统 计划。该系统长6m，直径4.57m，发射质量17t，采 用化学燃料推进（推进剂质量13t），采用机械手对 碎片进行抓捕。法国计划在2020年前采用小型原理 样 机 进 行 非 合 作 目 标 交 会 和 离 轨 技 术 的 首 次 在 轨 演 示验证，20222024年进行全功能样机的在轨演示 验证。此外，各国还提出了聚焦太阳光消融碎片，向 碎片喷射高速气流使其改变运行方向并离轨，向碎片 喷射泡沫增大气动阻力，使其提早坠入大气层烧毁等 一些概念方案。控能力。对于这样一个翻滚的、不合作的且可能是未知 质 量 的 空 间 目 标 ， 捕 获 难 度 很 大 。 特 别 是 对 于 翻 转速度较快的目标，机械臂/ 机械手无法进行直接抓 取，需要先稳定目标物体。为此，日本研制了电刷接 触器，它在靠近碎片后，可通过磨擦碎片表面使其转 速减慢或直至静止，以利于采用机械臂/ 机械手进行 捕获。日本计划在2020年前进行空间碎片微型清除器 系统的在轨演示验证试验，此后，采用较大的卫星建 造具有实用价值的碎片清除系统。4 其他计划2010年，德国制动火箭空间