空間碎片主動(dòng)移除技術(shù)研究綜述

申麟，陳蓉，焉寧，張雨佳

(中國(guó)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(lèi)便進(jìn)入太空時(shí)代，外層空間已經(jīng)成為人類(lèi)生存與發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。空間碎片是人類(lèi)探索和利用外層空間的產(chǎn)物，是人類(lèi)在進(jìn)行外空活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的各種廢棄物及其衍生物。截至2019年1月底，美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng) (Space Surveillance Network，SSN)編目10cm以上在軌廢棄物數(shù)量已超過(guò)2萬(wàn)個(gè)，這些編目?jī)?nèi)的在軌廢棄物數(shù)量?jī)H占碎片總量的0.02%。而無(wú)法編目的微小廢棄物重量已達(dá)幾千噸，數(shù)量超過(guò)10億個(gè)。最近幾年，隨著科技的不斷進(jìn)步，進(jìn)入外空的門(mén)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(jì)劃:OneWeb的星座計(jì)劃將由600多顆衛(wèi)星組成，SpaceX公司規(guī)劃發(fā)射4.2萬(wàn)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(jì)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(wàn)計(jì)的小衛(wèi)星進(jìn)入太空，當(dāng)軌道上布滿(mǎn)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(lái)高昂的代價(jià)，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(lái)衛(wèi)星研制和發(fā)射成本的驟然增長(zhǎng)[2]。

空間碎片對(duì)人類(lèi)的空間資源利用活動(dòng)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(guó)際社會(huì)面臨的全球性挑戰(zhàn)。為了安全、持續(xù)地開(kāi)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(xiǎn)日益加劇的趨勢(shì)，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(shí)，還有必要設(shè)法移除軌道上已存在的空間碎片。空間碎片主動(dòng)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(guó)的高度關(guān)注。

2 國(guó)外研究情況

對(duì)于廢棄衛(wèi)星或火箭末級(jí)/上面級(jí)等大尺寸的空間碎片，傾向于先使用機(jī)械臂、飛網(wǎng)或魚(yú)叉等裝置主動(dòng)捕獲空間目標(biāo)，隨后通過(guò)離軌手段將其轉(zhuǎn)移離開(kāi)當(dāng)前軌道的方法。對(duì)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(guó)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(yàn)證試驗(yàn)，或正在實(shí)施在軌演示試驗(yàn)的計(jì)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(yàn)衛(wèi)星完成在國(guó)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(shí)太空環(huán)境下飛網(wǎng)捕獲立方星、空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)跟蹤、魚(yú)叉捕獲、拖曳帆離軌等4項(xiàng)技術(shù)在軌驗(yàn)證試驗(yàn)?！癛emoveDEBRIS”的實(shí)施加速了空間碎片移除技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程[3，4]。

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

歐空局 (ESA)將于2023年發(fā)射 “e.Deorbit”航天器，驗(yàn)證針對(duì)大型報(bào)廢衛(wèi)星的移除技術(shù)。“e.Deorbit”任務(wù)于2012年啟動(dòng)，目標(biāo)是移除800～1000km太陽(yáng)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(kāi)寬度為26m，重約8.2t。擬采用的主動(dòng)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(jì)劃開(kāi)展一項(xiàng)碎片移除衛(wèi)星項(xiàng)目，如圖3所示。該項(xiàng)目計(jì)劃在2025年發(fā)射，旨在移除2013年 “織女星”(Vega)火箭發(fā)射時(shí)遺留在軌道上的一個(gè)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(kāi)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(xiàng)目 (CRD2)包括兩個(gè)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(jí)，逼近上面級(jí)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(shí)間節(jié)點(diǎn)為2026年3月31日，主要完成對(duì)火箭上面級(jí)的對(duì)接，并加速其離軌再入大氣層。該公司還開(kāi)發(fā)了一顆名為ELSA-d的衛(wèi)星來(lái)清理軌道碎片，計(jì)劃于2020年初由聯(lián)盟號(hào)火箭發(fā)射。該星由目標(biāo)飛行器和軌道交會(huì)機(jī)動(dòng)飛行器兩部分組成，用于演示交會(huì)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(yàn)動(dòng)畫(huà)Fig.3 On-orbit experiment animation of ClearSpace

圖4 CRD2任務(wù)對(duì)上面級(jí)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(guó)外還提出了很多新型空間碎片移除手段。

(1)電動(dòng)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(dòng)力繩系 (EDT)衛(wèi)星為基礎(chǔ)，通過(guò)其電動(dòng)力纜繩釋放捕獲器對(duì)非合作目標(biāo)實(shí)施準(zhǔn)確、可靠捕獲，之后利用電動(dòng)力繩系切割磁感應(yīng)線(xiàn)產(chǎn)生電動(dòng)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(dòng)力繩系的原型機(jī)，原計(jì)劃在太空釋放系繩以對(duì)該電動(dòng)力繩系技術(shù)進(jìn)行在軌測(cè)試，被稱(chēng)為“鸛號(hào)集成系繩試驗(yàn)” (KITE)，但最終試驗(yàn)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(lái)清理微小型空間碎片，利用激光光束能量極高的特點(diǎn)，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(dòng)推力”，利用推力改變空間碎片的運(yùn)行軌道，實(shí)現(xiàn)降軌后再入大氣層。這兩種方法一個(gè)是利用連續(xù)波激光產(chǎn)生巨大能量，另一個(gè)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(guó)空軍和NASA聯(lián)合提出的Orion計(jì)劃，擬移除1500 km軌道范圍內(nèi)的厘米級(jí)碎片[5]。

3 我國(guó)研究情況

近年來(lái)，我國(guó)也在加強(qiáng)對(duì)空間碎片主動(dòng)移除技術(shù)的攻關(guān)研究。在 “空間碎片專(zhuān)項(xiàng)”的支持下，開(kāi)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(dòng)移除關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破?！笆晃濉币詠?lái)，空間碎片主動(dòng)移除所涉及的空間碎片非合作目標(biāo)測(cè)量、識(shí)別與操作技術(shù)、新型抓捕裝置設(shè)計(jì)等一系列關(guān)鍵技術(shù)得以攻克；針對(duì)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(yàn)證試驗(yàn)，有力地提升了我國(guó)空間碎片主動(dòng)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(dòng)移除技術(shù)飛行演示驗(yàn)證試驗(yàn)取得圓滿(mǎn)成功。2016年6月25日，我國(guó)自主研制的 “遨龍一號(hào)”空間碎片主動(dòng)清除飛行器搭載長(zhǎng)征七號(hào)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(kāi)展了空間碎片非合作目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別、跟蹤與操作等在軌試驗(yàn)并獲得圓滿(mǎn)成功，這是我國(guó)乃至國(guó)際上首次針對(duì)空間碎片目標(biāo)的主動(dòng)清除關(guān)鍵技術(shù)在軌驗(yàn)證。近兩年，我國(guó)也多次開(kāi)展了針對(duì)小衛(wèi)星的離軌帆技術(shù)在軌試驗(yàn)驗(yàn)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(guó)從創(chuàng)新性、實(shí)用性和靈活性的角度出發(fā)，開(kāi)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(dòng)力繩系離軌等移除新概念，此外也開(kāi)展了空間碎片再入預(yù)報(bào)、空間碎片減緩效果評(píng)估等相關(guān)技術(shù)研究，推動(dòng)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(dòng)移除領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)

空間碎片主動(dòng)移除領(lǐng)域呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì):

(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(dòng)移除方式。相對(duì)來(lái)說(shuō)，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(shí)現(xiàn)的理想方式。瞄準(zhǔn)中長(zhǎng)期發(fā)展，飛網(wǎng)捕獲、魚(yú)叉捕獲、可附著離軌裝置、激光移除、電動(dòng)力繩索等新概念碎片清理技術(shù)也在逐步開(kāi)展論證或研制。

(2)空間碎片主動(dòng)移除技術(shù)正由概念設(shè)想逐步走向關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證和工程應(yīng)用。2016年以來(lái)，我國(guó)完成了以 “遨龍一號(hào)”為代表的空間碎片主動(dòng)移除技術(shù)飛行試驗(yàn)，完成了針對(duì)小衛(wèi)星的增阻帆離軌在軌試驗(yàn)，歐洲完成了以 “RemoveDEBRIS”任務(wù)為代表的在軌試驗(yàn)，這些試驗(yàn)的成功開(kāi)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(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA)、美國(guó)國(guó)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(jì)劃從事空間碎片移除服務(wù)。如日本的宇宙尺度公司 (Astroscale)計(jì)劃為H-2A火箭末級(jí)實(shí)施捕獲離軌，美國(guó)的諾瓦克斯公司(NovaWurks)計(jì)劃通過(guò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)捕獲失效衛(wèi)星并對(duì)其進(jìn)行重新利用，英國(guó)有效空間解決方案公司(Effective Space Solutions)計(jì)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(lái)，空間碎片移除無(wú)疑是一項(xiàng)有著良好前景的產(chǎn)業(yè)，其商業(yè)化運(yùn)行勢(shì)在必行。

5 關(guān)鍵技術(shù)分析

對(duì)于針對(duì)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(dòng)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(dòng)增加了目標(biāo)的抓捕難度。對(duì)于剛性捕獲來(lái)說(shuō)，如果不在捕獲前對(duì)目標(biāo)實(shí)施消旋操作及穩(wěn)定控制，在抓捕時(shí)極有可能會(huì)對(duì)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(huì)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(dòng)狀態(tài)等進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)無(wú)損無(wú)傷捕獲，并且不會(huì)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(dòng)慣量等質(zhì)量特性未知，需要進(jìn)行在線(xiàn)辨識(shí)，以滿(mǎn)足穩(wěn)定控制需求。另外，組合體離軌時(shí)，主發(fā)動(dòng)機(jī)推力線(xiàn)可能不通過(guò)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(wèn)題，實(shí)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(guò)程中信息無(wú)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(jí)本身不具備姿態(tài)控制能力，這就提高了對(duì)目標(biāo)探測(cè)的指向要求。因此需要開(kāi)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(dòng)特性分析與預(yù)測(cè)技術(shù)。任務(wù)后衛(wèi)星或火箭末級(jí)/上面級(jí)在正常壽命終止或意外失控失效后，均會(huì)持續(xù)受到外界干擾，如太陽(yáng)光壓、重力梯度等。在外力矩的作用下，會(huì)產(chǎn)生繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，由于其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分布不會(huì)三軸完全一致，并且存在著能量耗散，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化會(huì)伴隨有進(jìn)動(dòng)和章動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這些對(duì)于空間碎片主動(dòng)移除構(gòu)成了很大的挑戰(zhàn)，開(kāi)展翻滾目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性分析與預(yù)測(cè)至關(guān)重要，可為空間碎片主動(dòng)移除提供信息引導(dǎo)輸入。

(6)翻滾目標(biāo)捕獲地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)。與空間在軌任務(wù)相比，地面驗(yàn)證試驗(yàn)需要解決軌道動(dòng)力學(xué)模擬、空間與地面天地一致性、位姿六自由度運(yùn)動(dòng)耦合等問(wèn)題，特別是針對(duì)翻滾目標(biāo)，具有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬難度大、相對(duì)速度與距離跨度大、跟蹤?？烤纫蟾叩忍攸c(diǎn)，需要綜合采用多種技術(shù)途徑應(yīng)用虛實(shí)結(jié)合的試驗(yàn)方式解決問(wèn)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(dòng)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(dòng)力繩系離軌移除需解決的關(guān)鍵技術(shù)包括:(1)長(zhǎng)時(shí)存活繩系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(2)存儲(chǔ)釋放裝置設(shè)計(jì)。(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(dòng)空間碎片治理國(guó)際合作。外層空間是人類(lèi)的共同資源，空間碎片治理關(guān)乎全人類(lèi)利益。為了更好地應(yīng)對(duì)空間碎片這一全球性挑戰(zhàn)，各國(guó)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(guó)和平利用外層空間委員會(huì) (COPUOS)的作用，在相關(guān)國(guó)際規(guī)則和框架下，積極尋求與開(kāi)展國(guó)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(shí)現(xiàn)空間開(kāi)發(fā)和利用的可持續(xù)性發(fā)展貢獻(xiàn)中國(guó)力量。

(2)空間碎片治理應(yīng)從國(guó)家層面出發(fā)，加強(qiáng)頂層規(guī)劃，統(tǒng)籌長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展?？臻g碎片環(huán)境治理技術(shù)正處于一個(gè)加速發(fā)展的歷史機(jī)遇期，美國(guó)、日本、歐空局等國(guó)家或組織已制定了明確的技術(shù)演示驗(yàn)證計(jì)劃，我國(guó)也需要開(kāi)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(xiàn)，有計(jì)劃、有步驟地實(shí)施空間碎片移除在軌演示驗(yàn)證計(jì)劃，不斷提升技術(shù)成熟度，并逐步推動(dòng)工程化應(yīng)用和實(shí)施。

(3)尋求技術(shù)途徑的多樣化，推動(dòng)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(shì)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(chǎng)需求。建立適合我國(guó)的空間碎片治理體系，鼓勵(lì)并指導(dǎo)社會(huì)資本參與空間碎片治理，共同推動(dòng)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(yíng)。