国外太空碎片清除项目与技术发展概况

随着人类空间活动的日趋频繁,航天器的报废、有意或无意的碰撞导致碎片散落轨道各处。目前有近4500吨的太空垃圾运行在地球周围的轨道上,形成了“行星环”。这些高速运行的太空垃圾对航天器和航天员存在巨大的威胁,一旦与正在运行的卫星相撞,将带来毁灭性的后果,太空碎片清除技术的发展已经刻不容缓。

一、太空碎片清除项目开展情况

太空垃圾对两条重要轨道构成巨大威胁,一个是低地球轨道,一个是同步轨道。导航卫星、国际空间站和哈勃太空望远镜位于低地球轨道,我国也在低轨执行载人航天任务。而通讯、气象和侦察卫星使用同步轨道,以便与地球的相对位置保持不变。

从1957年10月第一颗人造地球卫星发射至今,已经发生了多起太空垃圾与航天器相撞事件。美国国家航空航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)的研究表明,为防范“凯斯勒综合征”的发生,稳定轨道环境的唯一方法是主动清除大碎片。NASA以及ESA的专家建议每年移除5~10个大型空间碎片。

2009年2月10日,美国一颗通信卫星与俄罗斯一颗已经报废的卫星在西伯利亚790公里上空相撞,碎片散落在轨道上

总的来说,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。国外一些典型的发展计划如下。

1、欧洲空间局“清洁太空”(Clear Space)计划

2019年12月,欧洲空间局(ESA)网站报道称已委托瑞士初创公司“清洁太空”(Clear Space)提交方案,于2025年发射“清道夫”清理ESA位于轨道上一块100公斤重的碎片。这一任务将使ESA在新的在轨服务和碎片清理市场上拔得头筹。

Clear Space公司由洛桑联邦理工学院的人员组成,他们提交了“清洁太空-1”任务的相关方案。该计划已于2020年3月启动,这也是首个从轨道上清除太空碎片的任务。

“清洁太空-1”任务此次的目标是“织女星火箭二次有效载荷适配器”(Vespa),这一碎片目前位于660公里左右的轨道上。Vespa重约100公斤,大小跟一个小型卫星相当,其形状相对简单而且结构坚固,这使它非常适合成为首次太空清理任务的目标。

二次有效载荷适配器Vespa(右侧灰色罐)和整流罩中的卫星Proba-V

“清道夫”航天器捕获目标太空碎片并再入坠毁的过程

同时,ESA正在通过一个名为“主动清除碎片/在轨服务”(In-Orbit Servicing/Active Debris Removal)的新项目,开发必要的制导、导航和控制技术以及会合和捕获方法,研究结果也将应用于“清洁太空-1”任务。

2、英国萨里航天中心“太空碎片移除”(Remove DEBRIS)项目

2013年,英国萨里航天中心联合欧洲多家研究机构,在欧盟第七框架计划(FP7)资助下,启动“太空碎片移除”项目(Remove DEBRIS);2014年至2016年间陆续完成核心分系统样机的地面试验;2017年完成全系统集成;2018年4月试验卫星运抵国际空间站,为入轨释放做准备;2018年6月,试验卫星成功从国际空间站释放,开展在轨调试。

从2018年9月起,试验卫星将在地面站操作指令下,依次开展4项技术在轨验证(飞网抓捕立方星、空间目标运动跟踪、鱼叉捕获和拖曳帆离轨),期间试验卫星轨道高度逐步降低。地面任务控制中心在每项技术验证结束后将下载试验卫星与有效载荷的相关数据,并准备下一项技术验证,每项技术在轨验证将持续6至8周。

2018年9月16日,“太空碎片移除”任务成功开展世界首次真实太空环境下飞网抓捕立方星技术验证。飞网抓捕试验利用飞网装置对模拟非合作目标的立方星实施抓捕。研究团队创新研制类似“网坠”的功能质量块,利用其重量和内置电机转动,解决抛网舒展与网口收拢等难点。

“太空碎片移除”飞网试验

2019年2月15日,英国萨里航天中心宣布,“太空碎片移除”项目成功完成世界首次鱼叉捕获模拟空间碎片靶板的在轨验证。试验中,铅笔大小的缩比鱼叉以20米/秒的速度刺穿了距离其1.5米的靶板。未来萨里还将进行全尺寸在轨试验,届时鱼叉和靶板将距离30米远。

“太空碎片移除”鱼叉试验

试验卫星与任务载荷完成全部4项技术验证后,将陆续在6个月内再入大气层烧毁。鱼叉、飞网等太空碎片机械捕获方式简单易行,成功率较高,不仅可用于移除太空碎片,维护轨道交通环境,也可用于捕获在轨运行卫星,具备太空对抗应用潜力。但相关技术距离工程应用还需数年。

3、欧盟第七框架(FP7-SPACE CLEANSPACE)计划

CLEAN SPACE项目自2011年启动,2014年5月结束。主要基于地基激光方案移除特定飞行器周围1~10cm中等尺寸太空碎片,避免飞行器收到太空碎片的碰撞。该项目为FP7空间项目的一部分,它和空间环境认知(Space situational awareness,SSA)、碰撞避免(Collision avoidance)一起构成了空间碎片管理项目。该项目分为五个步骤,如图所示,1)认真评估空间碎片情况;2)提出全面系统框架,包含碎片的调查、跟踪、识别、基于激光技术碎片移除系统(该系统为ESA,SSA项目的补充);3)应对安全管理规范、政治意义及未来合作伙伴;4)发展可用的碎片移除技术(主要是激光);5)建立发展和实施激光移除碎片系统(Lasser debris removal,LDR)的路线图。

CLEANSPACE计划主要步骤

LDR使用来自地球表面的脉冲激光改变近地轨道上太空碎片的运行轨道,如图所示,激光辐照太空碎片后,将其表面材料烧蚀、汽化或者离化,被烧蚀材料在碎片表面高速喷发,生成足够的力驱动碎片更换轨道或者进入大气层烧蚀,从而达到移除航天器周围碎片,保护航天器运行安全的目标。

CLEAN SPACE项目概念简析

LDR系统实施路线图(2015-2026)

CLEAN SPACE项目的特点:1)响应快,在碰撞警报前几个小时及几天时间内可以移除有害碎片;2)灵活性高,可以处理LEO轨道几个碎片,甚至是不同轨道或高度;3)成本低,地基激光系统可以重复使用,不需要空间发射。该项目在发展低成本激光技术时,可以使用SSA项目中大部分技术;4)对空间环境无影响,不会产生与发射或轨道内碰撞相关的新的碎片。

4、美国国家航空航天局“猎户座”(ORION PROJECT)计划

1993年,NASA的C.Phipps提出了利用30kW的地基脉冲激光器清除近地空间垃圾的“ORION”计划。ORION计划采用地基激光清除近地轨道1~10cm量级空间碎片,减缓空间碎片对空间站、载人飞船和卫星的撞击威胁。它利用激光烧蚀空间垃圾产生的推力改变空间垃圾的运行轨道,使空间垃圾坠入大气层燃烧掉。

激光空间碎片清理示意图

ORION计划采用平均功率30kW的激光器,重频2Hz,单脉冲能量15kJ,脉宽10ns,用6m直径的自适应光学系统作为发射望远镜。原计划近期目标是清除800km以下轨道高度空间碎片,远期目标是清除1500km以下轨道高度空间碎片。ORION计划中的中心——Laser Orbital Debris Removal(LODR)一直在研究当中,但是,ORION计划一直没有实施。

2014年,C.Phipps将重点从地面激光器转移到了太空激光器。基于太空的空间可以使目标更近距离地通过,因此可以使用较小的光学元件和激光。它还消除了激光束散射和大气吸收,支持使用355nm的UV而不是532或1064nm的波长。这进一步减小了望远镜的尺寸,还可以降低消融阈值。此外,天基激光器也可用于GEO,而不仅仅是LEO。但是,天基激光器的研究依然要依靠地基和机载的试验成果来进行。

5、其他

2017年9月,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)发布太空碎片清除系统共同研究和委托公告,旨在征集太空碎片清除系统及其关键技术方案,以及商业化可行性方案。JAXA期望借此清除处在700~1000千米轨道高度的大型空间碎片,计划在十年内以低成本(不超过20亿日元)完成系统研发并将其商业化。

2018年6月,俄罗斯精密仪器系统科学生产联合体(Precision Instrument Systems)向俄罗斯国家航空航天局(Roscosmos)提议基于阿尔泰季托夫光学激光中心研制的三米光学望远镜研制用于清除空间碎片的“激光炮”,以通过聚焦激光束使潜在危险的碎片汽化。

2020年6月,日本天空完美公司(SKY Perfect JSAT Corp.)表示,将开发一颗用激光清除太空碎片的卫星,目标是在2026年发射相关服务。该公司表示,卫星通信服务提供商将主要与日本理化学研究所和日本宇宙航空研究开发机构合作制造该卫星。据天空完美公司称,这颗卫星将发射激光,将空间碎片推进地球大气层并将其燃烧。该公司计划在2024年开始试验,测试激光设备,并计划在2026年使卫星投入运行。

图片显示了卫星的激光是如何清除轨道上的碎片的(由日本天空完美公司提供)

此外,ESA将于2025年发射e.Deorbit航天器,演示验证大型报废卫星移除技术。该任务针对的目标极有可能是展开宽度为26米的“欧洲环境卫星”(ENVISAT)。该颗对地观测卫星已在2012年停用,轨道高度不到800千米,自然脱轨需要150年以上。如果与仅重10千克的太空物体发生碰撞,“欧洲环境卫星”将瓦解成危险的太空碎片。e.Deorbit将首次使用太空渔网或配备抓爪的机械臂来捕获该卫星,随后,e.Deorbit将使用自身推进装置,操纵被捕获的卫星进入大气层,两颗卫星将在大气层中同时焚毁。

二、太空碎片清除技术应用发展趋势分析
1、技术发展趋势分析

除了前面所介绍的激光清除技术和机械移除技术外,还有利用电动系绳、静电牵引、离子束推移以及膨胀泡沫增阻等方法的技术方案。

电动系绳法是让导电绳以轨道速度在地磁场中运动,在系绳上感生出电动势,使电离层中的带电粒子在系绳顶端被收集起来,在系绳末端被发射出去,形成稳定的电流,地磁场对通电系绳的作用产生了洛伦兹力,洛伦兹力改变卫星的速度。电动系绳会产生比空气阻力更强大的磁阻力,可在一年内使大型太空碎片从轨道坠落。这种导电系绳将在与地球磁场相互作用时产生推力,不需要额外电源。JAXA在2017年初测试了该技术,但电动系绳未能成功部署,试验失败。

美国科罗拉多大学博尔德校区的研究机构构思了静电牵引装置(electrostatic tractor)概念。该装置无需通过接触,便可将报废卫星推离拥挤的地球同步轨道。此概念将使用“脉冲电子枪”,利用电子枪产生的能量为数十瓦的脉冲式电子束将卫星推出轨道。

静电牵引概念

离子束推移与激光推移离轨清除空间碎片的原理类似,是利用远距离发射的物质(离子)与空间碎片相互作用产生力的原理进行工作。它使用天基离子系统,即离子束管控卫星,向空间碎片发射高能离子束,通过产生足够的推力使其离轨。在这种方式中,工作卫星不需要与非合作的碎片直接接触,具有使用简单,成本低,操作安全的潜在优势。

膨胀泡沫法构想是依赖于碎片泡沫球所受的大气阻力,任务航天器向碎片喷射泡沫,增大碎片的面质比,增加碎片的大气阻力,使碎片相比于自然衰减能够显著的降低碎片的轨道寿命。这种方法的创新型体现在避免任务航天器与空间碎片的直接接触,能够克服捕获清除碎片发的困难。泡沫法的一项关键技术是真空环境下可靠的泡沫膨胀和碎片附着技术。

综合来看,经过这些年的科技进步,目前的激光技术已经有了很大的发展,利用激光清除碎片的平均成本仅约几千美元,考虑到空间碎片的数目成千上万,激光清除空间碎片可能是唯一实用的选择;其他技术要么每次仅能清除数目有限的碎片,成本太高,要么仍处于概念研究阶段,技术尚不成熟。

2、应用模式发展分析

太空碎片清除技术具有明显的军事价值。

人类的外太空活动深深植根于地缘政治。太空碎片清除正构成一个可怕的挑战,即垃圾清理技术武器化。不论是政府的还是商业的反轨道碎片技术,谁也无法保证在设计上用于摧毁太空垃圾的技术不会用于摧毁他国至关重要的通讯和军用卫星。一旦发生战事,空间碎片清除技术可以将清除的目标定位为敌方的卫星,对敌方在轨卫星进行清除或者破坏等。多数主动碎片清除技术完全可以直接用于空间对抗活动。这也是世界各国都高度重视、积极发展主动清除技术的重要原因。无论是老牌还是新兴太空强国,都有可能用商业解决方案应对太空垃圾问题,进而掩盖他们的军事意图。

太空碎片清除技术产生巨大的商业价值。

由于空间碎片占有有限的轨道资源,所以很可能具有商业价值。由于地球同步轨道资源有限,且非常宝贵,然而已有的航天器寿命结束后依然占据着轨位,通过空间碎片清除,将占据着资源轨道的废弃航天器拖至坟墓轨道,空出轨位将可能有利可图。

如果能明确某一需要清除的碎片的所有方,碎片的所有者可以通过付费来清除该碎片,这需要该客户对太空环境保护具有高度的责任感。对于一些国家手里那些位于“危险”区域的太空资产,可以通过付费商业空间碎片主动清除技术来保护其空间资产。

小结

当前,航天技术强国广泛展开太空碎片清除技术研究,有多个项目正在进行当中。捕获、移动或者拖拽太空碎片的技术也可以用来破坏现役卫星。这很可能会加剧太空武器化的进程,激起各国暗地里的技术竞争。对于我国来说,一方面应当主动承担起地球轨道碎片处理责任,为维护太空环境做出贡献。另一方面,也应快速建设自己的空间碎片监测能力,发展多种空间碎片清除技术,在未来的技术竞争中占据主动。

主要参考资料

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2020-08-10智邦网

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