國外空間碎片清除計劃

馬楠 貴先洲（國防科技大學航天科學與工程學院）

當前，近地球軌道上分布的空間碎片達到了前所未有的數量，且呈現加速增長的趨勢，若不實施主動清除，碎片的數量將在未來200年內快速增長，給空間系統安全帶來巨大的威脅。對空間碎片實施主動清除已成為主要航天國家的共識。

1 概述

據美國空間監視網（SSN）觀測（截至2012年7月4日），近地軌道中直徑大于10cm的物體共有16399個，其中現役航天器不足1000個，而90%以上為失效或失控的空間碎片，其中質量大于2kg的編目碎片約2500個，它們集中分布在距地球600～1000km的軌道上。由于空間碎片軌道的自然衰減過程相當緩慢，所以若不采取措施，碎片數量將以每年5%的速度增加。

空間碎片問題的嚴重性和迫切性已受到各航天國家、組織越來越多的重視。多國正在積極探索可行的解決方案，并為推動研究工作取得實質性進展而提供適當的政策支持和資金保障。例如，美國在2010年6月公布的新版《國家航天政策》中，特別增加了3項與空間碎片相關的條款：一是強調空間態勢感知在碎片監測上的應用；二是提出必須同時開展碎片減緩與清除；三是促進空間碰撞告警措施的制定。其他航天國家也在積極組織開展關于空間碎片的責任、政策、立法、清除策略與技術的研究，并舉辦以空間碎片為主題的國際研討會，加強溝通和交流，以推動建立統一的空間碎片約束、管理和操作規范。

為了避免出現空間碎片級聯碰撞效應（Kessler Syndrome），近地球軌道的大型碎片（廢棄航天器/火箭體）是碎片清除的首要對象。美國航空航天局（NASA）開展的空間環境演化仿真研究結果表明，若要抑制空間碎片總量的增長，需要在實施碎片減緩措施的同時，從2020年開始每年最少清除5塊近地球軌道大型空間碎片。

空間碎片（紅色為“風云”碎片，綠色為其他可能威脅在軌衛星和空間站的碎片）

電動碎片清除器在軌展開示意圖

在碎片清除系統方案選擇上，當前各國一致傾向于“捕獲＋離軌”式清除方案。其工作過程是：碎片清除器首先依靠跟蹤定位系統逐漸逼近失去姿控能力的目標碎片（非合作目標），進行捕獲，然后依靠軌道轉移（離軌）系統將目標拖入大氣層燒毀，或降低其軌道，待其日后自行衰減。清除器主要包括捕獲系統、軌道轉移系統，以及其他輔助系統，如導航系統、通信系統等。其關鍵技術是非合作目標捕獲技術和高效軌道轉移技術。美國、歐洲和日本的空間碎片主動清除研究起步較早，已提出了各自的碎片清除方案，部分關鍵技術已開展在軌演示驗證。但總的來說，當前的發展水平距在軌應用尚有差距，仍處于關鍵技術突破和掌握階段。

2 美國的電動碎片清除器

2010年8月，美國國防高級研究計劃局（DARPA）公布了正在研制的空間碎片清除技術演示驗證項目—電動碎片清除器（EDDE）。

電動碎片清除器主要由太陽電池翼、電子發射器和飛網管理器組成，各部分通過導線（強化鋁帶）連接，在軌展開長度超過10km，質量小于100kg，收納體積為0.11m3，每個“改進型一次性運載火箭”的次級有效載荷插槽可容納2個這樣的清除器。飛網約有幾十平方米大小，質量約50g，由位于纜繩末端的飛網管理器進行控制，不能重復使用，每個管理器攜帶100張飛網。

電動碎片清除器運行在低地球軌道上，利用電動力學原理，通過太陽電池翼轉化電能，在導線中形成電流，由其中一端的電子發射器發射電子，飛行器另一端的裸露鋁導線收集電子，形成電流回路。由于電動碎片清除器處于地磁場中，所以通過磁場作用便會施加1個洛倫茲力在導線上。力的大小決定于導線的長度、電流以及磁場的局部場強和方向。整個電動碎片清除器系統在空間是緩慢旋轉的，旋轉周期約15min，電動碎片清除器以此保持張力和穩定性。

電動力纜繩示意圖

電動碎片清除器方案的最大優點是無需攜帶推進劑，而是依靠薄膜太陽電池與電動力纜繩產生高效動力，它可在其壽命期內產生數百千米每秒的累計速度的變化量。在400～1000km的軌道上，1個電動碎片清除器可產生7kW的功率，可以每天爬升或下降數百千米，或者以1°/天的速率改變軌道傾角。電動碎片清除器的電動力纜繩（EDT）系統不僅在與其他可用于清除空間碎片的推進系統相比時表現出明顯的優勢，而且緩慢旋轉的電動碎片清除器的清除系統在大部分大型碎片所處的大傾角軌道上的清除效率更高。單個電動碎片清除器每年可清除約30塊碎片，美國規劃的清除系統包括12個這樣的清除器，可在7年內清除近地球軌道上所有2500塊質量大于2kg的碎片。

美國自20世紀60年代就開始在亞軌道、近地球軌道進行空間纜繩技術試驗，從1992年開始開展電動力纜繩的低軌試驗，至今已通過多次試驗驗證了太陽薄膜電池、空心陰極、電子收集器和纜繩在軌展開（20km）等技術。2010年，美國的系繩應用公司和恒星技術與研究公司在美國海軍“小企業創新研究計劃”的資助下，完成了電動碎片清除器項目第一階段的研究。2012年3月，美國航空航天局又授予這兩家公司一份為期2年、價值190萬美元的合同。按照合同，這兩公司將在2013財年向美國航空航天局交付電動力纜繩產品的縮比樣品，并由海軍研究實驗室完成其在軌推進能力測試。測試纜繩的長度將達到1km，末端是3U“立方體衛星”，主要用于演示旋轉狀態下的大尺度軌道變化，測試導航、跟蹤和主動規避能力，以及與目標物體的交會能力（不捕獲）。如果試驗成功，美國國防高級研究計劃局稱將在2017年前開始對低地球軌道開展全面的碎片清除工作。

可用于空間碎片清除的各類推進系統比較

日本的空間碎片微型清除器示意圖

3 日本的空間碎片微型清除器

日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）正在研究一種演示驗證主動清除空間碎片技術的微小衛星系統—空間碎片微型清除器（SDMR）。這種清除器質量為140kg，尺寸為700mm×700mm×600mm，可作為次級有效載荷與其他衛星一起發射。

空間碎片微型清除器的任務過程可簡要概括為：空間碎片微型清除器首先與目標空間碎片自主會合，并測量其運行軌道；然后圍繞目標飛行，確定將其捕獲的最佳路徑；逼近目標，使其穩定并用機械臂捕獲目標；隨后將固定在機械臂上的電動力纜繩展開；最終自動調節纜繩傾角，以控制推力并避免纜繩失穩，攜帶碎片離軌。

空間碎片微型清除器采用了較簡單的目標定位與交會系統，包括“全球定位系統”（GPS）接收機、星跟蹤器和成像傳感器，技術成熟度較高。在該系統研制中需要突破的關鍵技術是電動力纜繩技術和可展開靈活機械臂技術。該任務所需的電動力纜繩長2km，峰值電流1A，設計壽命1年。

2010年8月31日，日本成功進行了本國的首個電動力纜繩推進在軌演示試驗。纜繩呈磁帶狀，寬為25mm，厚度為0.05mm，長為300m。試驗高度約為100km，運行速度約為8m/s。試驗中，導電纜繩和機械臂成功展開，驗證了空心陰極在高速運動條件下的工作能力，但高壓控制器未能按計劃工作。這次試驗提供的信息可用于改進等離子體收集設備，提高收集效率。目前，日本正在開展進一步研究，測試電動力纜繩的受力、電阻、電子收集能力、柔韌性，以及在展開時受到的阻力大小，為下一輪在軌演示驗證試驗做準備。

法國的碎片清除系統示意圖

對于碎片清除器而言，目標碎片通常已失去姿控能力。對于這樣一個翻滾的、不合作的且可能是未知質量的空間目標，捕獲難度很大。特別是對于翻轉速度較快的目標，機械臂/機械手無法進行直接抓取，需要先穩定目標物體。為此，日本研制了電刷接觸器，它在靠近碎片后，可通過磨擦碎片表面使其轉速減慢或直至靜止，以利于采用機械臂/機械手進行捕獲。

日本計劃在2020年前進行空間碎片微型清除器系統的在軌演示驗證試驗，此后，采用較大的衛星建造具有實用價值的碎片清除系統。

4 其他計劃

2010年，德國制動火箭空間（RetroSpace）公司提出了“制動火箭星”（“RetroSats”）方案，計劃每年抓捕15塊大型空間碎片并使其離軌。德國制動火箭空間公司計劃在2016年開展首次在軌演示驗證任務，2022年發射業務星。

2012年2月，位于瑞士洛桑聯邦理工大學（EPFL）的瑞士航天中心宣布，將發射空間碎片清除系列的首顆衛星—太空清理－1（CleanSpace One）衛星，以清除目前瑞士在軌的一顆“立方體衛星”或其姐妹星Tlsat衛星。太空清理－1是一顆納衛星，初步設計基于3U“立方體衛星”平臺，采用微推進系統，造價1100萬美元，計劃于2015－2016年發射，主要驗證遠距離和近距離目標探測系統、捕獲系統、微推進系統及可控再入系統。該系統采用圖像和視頻系統對目標進行定位，采用機械臂/機械手抓捕目標。

2012年3月，法國公布了自己的碎片清除系統計劃。該系統長6m，直徑4.57m，發射質量17t，采用化學燃料推進（推進劑質量13t），采用機械手對碎片進行抓捕。法國計劃在2020年前采用小型原理樣機進行非合作目標交會和離軌技術的首次在軌演示驗證，2022－2024年進行全功能樣機的在軌演示驗證。

此外，各國還提出了聚焦太陽光消融碎片，向碎片噴射高速氣流使其改變運行方向并離軌，向碎片噴射泡沫增大氣動阻力，使其提早墜入大氣層燒毀等一些概念方案。