天基激光清除空間碎片方案設想

黃虎 張耀磊 易娟 范國臣（中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

隨著空間碎片數量的不斷增長，對人類航天事業的發展構成巨大威脅，清除空間碎片已經迫在眉睫。使用激光清除太空垃圾是一種低成本、高效、安全的清除技術。本文介紹了空間碎片的現狀和現有清除方法，針對地基清除空間碎片技術存在的局限性，提出了一種天基激光清除空間碎片方案設想。

1 空間碎片現狀

空間碎片是指人類在空間活動過程中遺留在空間的廢棄物。根據美國戰略司令部下屬的空間監視網（SSN）的數據顯示，近10年，特別是近5年來，空間碎片數量急劇增加，例如直徑大于10cm以上的空間碎片，2006年共監測到9949個，到2010年監測到160914個，上升了1.6倍之多；直徑在10cm以下的空間碎片上升速度更快。這說明空間碎片的數量對空間安全的危害已經發展到嚴峻的地步，特別是在近地軌道，若其數量達到飽和狀態，則意味著碎片與衛星相撞的概率增大，甚至有可能由于碰撞而發生連鎖反應，使得軌道資源成為廢墟。為此，當今世界各國應同心協力采取有效措施來解決這一問題。

空間碎片有兩個主要來源。第一個來源是人類在太空活動中產生的廢棄物及其衍生物，包括丟棄的設備、運載火箭末級、廢棄的衛星、衛星展開時釋放的螺釘和其他硬件、衛星和分級火箭分離時的碎片、固體火箭燃料燃燒時向空間的噴射物、航天員遺棄的工具（扳手、手套、攝像機燈等），以及航天器與原來空間碎片撞擊產生表面材料剝落等等。目前國際社會日益關注這類來源，采取的措施之一是發展旨在限制常規太空活動碎片產生的清污指南。第二個來源是人類試驗或摧毀衛星過程中產生的碎片，多個國家都曾用這種方法銷毀廢棄衛星，這種碰撞產生了比通常理解的要大得多的空間碎片。

從歐洲航天局（ESA）公布的近地軌道區域空間碎片合成圖上可以看到讓人難以置信的情形：地球如同是被蜂群圍得密不透風的蜂巢。雖然空間環境面臨種種風險，但是目前的補救措施幾乎為零。

空間碎片分布圖

空間問題研究專家們普遍認為，目前地球軌道上漂浮的空間碎片直接威脅到衛星發射及載人航天任務，需要采取行動處理地球軌道上的空間碎片，在未來發射衛星時將應用更多的可回收技術，比如新型“蚱蜢”火箭就可以通過自身的動力裝置安全返回，不僅減少了軌道碎片，同時也降低了發射成本。

天基激光清除空間碎片系統組成和信息流示意圖

2 天基激光清除空間碎片方案設想

工作原理

激光清除空間碎片的模式主要有兩種：直接燒蝕模式和燒蝕反噴模式。前一種主要針對微小空間碎片，利用強大的連續波激光照射碎片，使其溫度升高至碎片的熔點甚至沸點，使碎片熔化或汽化，實現清理；后一種主要針對較大的空間碎片，利用高能脈沖激光束照射碎片表面，產生類似于火箭推進的“熱物質射流”，為碎片提供一定的速度增量，使其近地點高度降低，進入大氣層燒毀，從而達到空間碎片清除的目的。

地基與空基激光可提供較大的能量，技術成熟，但由于大氣層的吸收作用導致其能量損耗較大，且受到地理位置和距離影響，使其可工作空間范圍有限。天基激光在真空中傳播，能忽略損耗，且沒有折射、散射等傳播誤差影響，隨著平臺部署的變化，可擴展其控制的空間范圍。因此，天基激光清除空間碎片能夠克服地基清除方法的局限性，并且效率相對更高。隨著激光器技術的發展，未來天基激光清除空間碎片將成為一種高效的方案。

方案詳解

天基激光空間碎片清除系統一般由六大分系統組成。

1）動力系統 該分系統的主要功能是提供天基激光平臺在空間飛行中軌道控制、姿態控制及軸向加速和制動所需要的控制力，實現對不同軌道上的空間碎片清除。

2）控制系統 該分系統在對全系統進行供配電的基礎上，經過控制算法輸出控制指令給動力系統和高能激光器，協調各系統運行，有計劃地控制空間碎片清除任務。

3）電源系統 該分系統是給全系統供電的能量來源，保障全系統正常工作，并提供清除空間碎片所需的能源。

4）遙測控系統 該分系統用于實現天基系統與地面的雙向信息傳輸，將天基系統的狀態信息下傳到地面，同時也可以接收地面發送的遙控指令。

5）跟蹤瞄準系統 該分系統實現對空間碎片的捕獲、識別、跟蹤和瞄準，并保證將高能激光束匯聚到空間碎片上，實現對空間碎片的持續照射。

6）高能激光器 該分系統是整個系統的核心，產生清除空間碎片所需的高能激光束。

與地基方式相比較，天基激光清除空間碎片系統能夠部署在不同的軌道，并且通過機動變軌和姿態調整，可清除同一軌道上的多個空間碎片，也可清除不同軌道上空間碎片，而且不受大氣衰減影響，可清除的范圍更大。天基激光清除空間碎片的具體流程設想包括：①首先利用天基平臺自身的探測設備發現清除范圍內空間碎片目標；②將碎片信息傳送給控制系統，引導跟蹤瞄準系統對空間碎片進行跟蹤瞄準；③同時將探測到的空間碎片圖像信息以及其他信息通過遙測控系統傳送到地面；④當系統實現對空間碎片精確瞄準后，可以通過自主方式或者接收地面遙控指令方式啟動高能激光器，對空間碎片進行照射，改變空間碎片的原始軌道，使其近地點高度降低；⑤如空間碎片比較大，可對空間碎片進行多圈照射，直至進入大氣層燒毀；⑥隨后通過調整姿態或軌道繼續對其他空間碎片進行捕獲跟蹤，采取相同的方式清除。

關鍵技術

為了使該方案真正達到實際效用，必須克服以下幾項關鍵技術。

（1）高功率激光器技術

作為空間碎片清除系統的核心部件，在某種程度上，激光光源的選擇就成為決定該方案成敗的關鍵。高能激光必須滿足高光束質量、高功率、高重頻的特性。在美國發展的各種高能激光器中，化學激光器是最成熟的激光器。但其發展已近晚期，將逐漸被固態激光器所取代。而推動固態激光器發展的一個重要因素是其具有更高的轉換效率。高效率最重要的作用是對激光系統本身的影響，使更小的熱流進出激光器，從而達到系統更加堅固耐用的作用。

（2）跟蹤瞄準系統精度

高精度的跟蹤瞄準系統是天基激光清除空間碎片系統的重要組成部分之一，其性能決定了碎片清除的效能。跟蹤瞄準系統主要完成對空間目標實施捕獲、跟蹤和監視，通過目標識別，確定目標的類型和最佳攻擊部位，并引導激光指向目標最佳照射部位，實施碎片清除。由于空間碎片具有目標直徑小、探測距離遠、運行速度快的特點，因此應保證在清除過程中使激光束準確聚焦在空間碎片上，產生足夠的激光脈沖能量，從而改變空間碎片的軌道。

（3）激光與物質作用的效能

激光與物質作用的效能決定了激光清除空間碎片的效果，效能越高，清除碎片所需的能量和時間就會相應減少。而激光與物質作用效能的高低取決于激光與碎片作用的沖量耦合系數。物質接受入射激光，在不同條件下通過不同的吸收機制吸收激光能量，溫度升高，同時發生復雜的相變。這一過程的時間很短，且在高速運動的流場中進行，所以激光能量的吸收伴隨著相當復雜的動態過程；同時還受到波長、脈寬、能量及光束聚焦尺寸等參數的影響，因此需要如何選取最優的參數配置，獲得最佳的效能在清除碎片過程中是一項非常復雜且重要的工作。

3 結束語

隨著人類航天活動的不斷增多，對消除空間碎片危害的需求日趨強烈，主動式空間碎片清除技術是解決這一問題的有效手段，對這類技術的研究必須不斷深入和發展。然而，由于主動式清除技術，特別是天基激光清除空間碎片技術難度較高，許多關鍵技術至今仍未突破，而且實現這一技術的投入巨大，需要各主要航天國家間的國際合作。我國應根據自身情況，進行預先研究，突破其關鍵技術，能在該領域具備一定的話語權。