應(yīng)用地面電磁發(fā)射清除空間碎片方法*

張 曉，魯軍勇，侯重遠(yuǎn)，戴宇峰，王 杰

(1．海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430033；2．西安衛(wèi)星測(cè)控中心 宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710043)

應(yīng)用地面電磁發(fā)射清除空間碎片方法*

張 曉1，魯軍勇1，侯重遠(yuǎn)2，戴宇峰1，王 杰1

(1．海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430033；2．西安衛(wèi)星測(cè)控中心 宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710043)

針對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)發(fā)射的空間碎片清除技術(shù)成本過(guò)高、難以實(shí)施的問(wèn)題，提出應(yīng)用地基電磁發(fā)射方式的空間碎片清除新方法。通過(guò)地面電磁發(fā)射的方式以低成本將射彈運(yùn)送至空間，并通過(guò)釋放空間微粒云團(tuán)控制空間碎片離軌，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)空間碎片的清除。由于取消使用占絕大部分成本的化學(xué)推進(jìn)劑，所提出的應(yīng)用地基電磁發(fā)射的空間碎片清除技術(shù)為空間碎片低成本清除提供了有效解決途徑。

電磁發(fā)射；空間碎片清除；空間微粒云團(tuán)

在過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)，空間技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)，人類的空間活動(dòng)也在太空中遺留下不計(jì)其數(shù)的空間碎片。這些碎片產(chǎn)生和運(yùn)行的空間大多是目前航天器運(yùn)行區(qū)域，嚴(yán)重污染了空間環(huán)境，威脅著空間活動(dòng)的安全。目前空間碎片的尺寸橫跨了從微米到米七個(gè)數(shù)量級(jí)，分布在300 km的高地高度到超過(guò)36 000 km的地球環(huán)繞軌道上，碎片數(shù)量在800～1100 km的軌道處達(dá)到峰值。目前，10 cm量級(jí)以上編目的空間碎片已經(jīng)超過(guò)15 000個(gè)，這部分空間碎片，航天器可以通過(guò)主動(dòng)規(guī)避方式避免撞擊。1 cm量級(jí)以下的空間碎片有幾百萬(wàn)個(gè)，雖然數(shù)量眾多，但是所具有的動(dòng)能較小，航天器可以通過(guò)結(jié)構(gòu)防護(hù)的方式抵御撞擊。處于1 cm～10 cm量級(jí)之間的空間碎片數(shù)量約有10萬(wàn)個(gè)，其動(dòng)能較大，對(duì)航天器產(chǎn)生的威脅也最大，需采用外加的輔助手段加以清除。迄今為止，對(duì)于空間碎片問(wèn)題的解決還僅僅停留在預(yù)防階段，即如何減少空間碎片的增速，對(duì)于消除已經(jīng)存在的數(shù)量眾多的空間碎片尚未有行之有效的方法[1-3]。根據(jù)國(guó)外相關(guān)研究，即使人類停止一切空間活動(dòng)，由于空間碎片相互碰撞等原因，數(shù)量依然會(huì)持續(xù)增加，且從2055年開(kāi)始將災(zāi)難性地增長(zhǎng)。

空間碎片的日益增多已嚴(yán)重威脅人類航天活動(dòng)。近年來(lái)，國(guó)際社會(huì)對(duì)空間碎片清除問(wèn)題日益關(guān)注，美日歐等航天大國(guó)也開(kāi)始投入大量人力和經(jīng)費(fèi)用于空間碎片清除技術(shù)的探索性研究，并提出了數(shù)量眾多的技術(shù)途徑和裝置設(shè)計(jì)[4-6]。

然而，現(xiàn)有空間碎片清除成本極高，距離徹底解決空間碎片威脅尚有很大差距。高昂清除成本的本質(zhì)來(lái)源于清除裝置搭載化學(xué)火箭進(jìn)入太空的成本。比如，對(duì)近地軌道而言，1 kg有效載荷的化學(xué)火箭運(yùn)載成本約為1萬(wàn)～6萬(wàn)美元[7-9]。

只有使用比目前化學(xué)火箭運(yùn)載成本低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)的運(yùn)載方式把清除裝置送入太空，才能使空間碎片的清除成本相較這枚碎片進(jìn)入太空的成本成為小量，從而使清除碎片在經(jīng)濟(jì)上變得可負(fù)擔(dān)。而成本低于百萬(wàn)元量級(jí)的碎片清除技術(shù)，可能徹底扭轉(zhuǎn)人類面對(duì)空間碎片的困局[10-11]。

因此，徹底解決空間碎片問(wèn)題的核心，在于大幅度降低碎片清除裝置進(jìn)入太空的運(yùn)載成本。而在眾多運(yùn)載方式中，從地面利用電磁發(fā)射裝置獲得很大初速度并直接進(jìn)入太空的方式，因其特有的極低成本優(yōu)勢(shì)(由于省去了化學(xué)火箭的多個(gè)推進(jìn)級(jí)，載荷利用從地面獲得的初速度直接進(jìn)入太空，因而成本極低，約為化學(xué)火箭發(fā)射成本的百分之一)，可能成為未來(lái)代替化學(xué)火箭運(yùn)輸空間碎片清除裝置的最佳手段。本文介紹基于電磁發(fā)射的空間碎片清除的概念、原理和結(jié)構(gòu)組成，為低成本碎片清除提供一種有效方法。

1 空間碎片清除方法現(xiàn)狀

地基亞軌道攔截清除空間碎片是近年來(lái)各國(guó)研究的熱點(diǎn)之一，較為成熟的清除技術(shù)包括激光清除技術(shù)、碎片收集裝置、電動(dòng)力纜繩、薄膜帆阻力裝置等。但是，這些清除技術(shù)目前還都處于理論研究和原理試驗(yàn)階段，材料、檢測(cè)、跟蹤等多項(xiàng)技術(shù)難題尚未攻克，距離實(shí)用還有一段距離。

2012年，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的Ganguli提出可在低軌空間碎片飛經(jīng)的區(qū)域施放人造粉塵顆粒(如鎢粉)，以攔截和減速空間碎片，從而使其墜入大氣層，如圖1所示。目前，該技術(shù)已申請(qǐng)美國(guó)專利并完成概念設(shè)計(jì)與特點(diǎn)證明，技術(shù)成熟度已達(dá)到2級(jí)。值得注意的是，該方案的提出者Ganguli在文章中并沒(méi)有說(shuō)明采用什么樣的方式將攔截裝置運(yùn)送到太空。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)這一清除技術(shù)展開(kāi)了理論計(jì)算研究。2015年，裝備學(xué)院以及太原衛(wèi)星發(fā)射中心的李怡勇等[7]發(fā)表了理論分析結(jié)果，理論分析結(jié)論認(rèn)為該方法具有一定概念意義，但綜合考慮運(yùn)載發(fā)射能力和成本、粉塵顆粒大小和釋放密度、碎片尺寸大小和空間密度分布等因素，該方法作用效果有限。

可見(jiàn)，該技術(shù)仍處于概念探索階段。然而，如采用成本很低的電磁發(fā)射方式代替化學(xué)探空火箭來(lái)運(yùn)載空間微小顆粒云團(tuán)，則能大大提高此方法的經(jīng)濟(jì)效能和碎片清除效果，因此該方法仍然有待進(jìn)一步探索研究。

圖1 美海軍研究實(shí)驗(yàn)室提出的亞軌道碎片攔截方案Fig.1 Schematic illustration of the suborbital debris interception method proposed by NRL

2 應(yīng)用地面電磁發(fā)射空間碎片清除原理

電磁發(fā)射是一種利用電磁能將載荷進(jìn)行超高速發(fā)射的新概念技術(shù)，與傳統(tǒng)發(fā)射技術(shù)相比，具有發(fā)射速度快、循環(huán)周期短、發(fā)射能量大、發(fā)射成本低、易于控制等突出優(yōu)勢(shì)。自1901年世界上第一個(gè)電火炮專利問(wèn)世以來(lái)，電磁發(fā)射技術(shù)經(jīng)過(guò)原理驗(yàn)證和關(guān)鍵技術(shù)攻克，目前已經(jīng)進(jìn)入工程化研制階段。美國(guó)在2010年即實(shí)現(xiàn)了利用電磁發(fā)射技術(shù)在地面將10 kg物體在10 m內(nèi)加速到2500 m/s的出口速度的目標(biāo)。此外，英、法、德、俄羅斯、日本及我國(guó)等也都在大力進(jìn)行電磁發(fā)射技術(shù)研究。電磁發(fā)射技術(shù)的工程化應(yīng)用指日可待。

電磁發(fā)射利用電磁能發(fā)射替代傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)劑，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的超高聲速發(fā)射。傳統(tǒng)的基于化學(xué)推進(jìn)劑將空間碎片清除裝置運(yùn)送到太空的方式成本過(guò)高，是制約碎片清除技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。電磁發(fā)射利用電磁能推進(jìn)，不需要化學(xué)推進(jìn)劑，是一種高效、低成本的推進(jìn)技術(shù)。為此可將碎片清除裝置通過(guò)電磁發(fā)射的方式運(yùn)送至太空。同時(shí)為了避免清除裝置本身在太空產(chǎn)生碎片，可采用微粒云團(tuán)來(lái)清除碎片。這種基于地面電磁發(fā)射的空間碎片清除方法，其清除過(guò)程可分為下面幾個(gè)階段。

2.1 電磁發(fā)射

首先，通過(guò)電磁發(fā)射的原理將清除裝置加速到預(yù)定速度，發(fā)射體出膛后采用近垂直的發(fā)射角通過(guò)高初速將清除裝置運(yùn)送到太空。該階段的工作原理如圖2所示。

圖2 電磁發(fā)射階段原理示意圖Fig.2 Schematic of electromagnetic launch phase

圖2是利用電磁發(fā)射原理進(jìn)行清除裝置加速的原理示意圖。電磁發(fā)射裝置通常由儲(chǔ)能電源、發(fā)射裝置、電樞和控制系統(tǒng)組成，儲(chǔ)能電源用于提供能源，控制系統(tǒng)用于系統(tǒng)信息流控制，圖中未給出。清除裝置和電樞安裝在一起，作為發(fā)射體，設(shè)其總質(zhì)量為m；電樞為良導(dǎo)電體，假設(shè)在兩條平行導(dǎo)軌間通恒定電流I，則清除裝置和電樞在兩條導(dǎo)軌產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下受到指向出口的作用力F=k·I2。其中，k是由電磁發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)確定的系數(shù)。假設(shè)加速距離為s，則清除裝置經(jīng)電磁發(fā)射加速，出口速度可達(dá)到：

從上式可以看出，通過(guò)加大電流、加長(zhǎng)電磁發(fā)射距離和優(yōu)化發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)都可提高發(fā)射體出口速度和動(dòng)能，使得清除裝置獲得亞軌道攔截空間碎片的地面初速度，典型速度曲線如圖3所示。

圖3 發(fā)射體電磁速度曲線Fig.3 Schematic of the projectile velocity during electromagnetic launch

在電磁發(fā)射過(guò)程中，電源提供能源，能量轉(zhuǎn)化為電樞及清除裝置的機(jī)械功和感應(yīng)磁能，能量轉(zhuǎn)換效率理論最高是50%。實(shí)際裝置目前能夠達(dá)到的效率為30%左右。這樣發(fā)射一個(gè)20 kg的物體到2500 m/s所需能量?jī)H為58 kW·h。圖2所示的發(fā)射系統(tǒng)可重復(fù)利用，且能量可靈活調(diào)節(jié)，基于電磁發(fā)射將清除裝置運(yùn)送至太空提供了一種低成本靈活可控的方法。

出膛后，電樞和清除裝置分離，清除裝置以高射角發(fā)射到太空，如圖4所示。

圖4 清除裝置出膛后軌跡示意圖Fig.4 Schematic of the trajectory of the removal device

2.2 釋放燃?xì)馍淞骱脱b置飛離

清除裝置采用圖5所示的結(jié)構(gòu)，由防熱層、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)舛娼M成。防熱層用于防護(hù)高速運(yùn)行的氣動(dòng)熱燒蝕，導(dǎo)航制導(dǎo)與控制裝置用于運(yùn)行控制，發(fā)動(dòng)機(jī)用于提供能量，燃?xì)舛嬗糜诳刂蒲b置飛行姿態(tài)。

圖5 空間碎片清除裝置示意圖Fig.5 Schematic of space debris removal device

清除裝置到達(dá)碎片運(yùn)行區(qū)域后，在高拋彈道的頂點(diǎn)調(diào)姿90°并點(diǎn)火，使燃?xì)馍淞鞲采w住空間碎片即將飛經(jīng)的一小段軌道。

釋放燃?xì)馍淞骱螅宄b置調(diào)姿并離軌，防止與碎片相撞。

2.3 微粒云團(tuán)碰撞并減速碎片

空間碎片(速度約為7700 m/s)與燃?xì)馍淞髦械南”∥⒘Ｔ茍F(tuán)(速度約為3000 m/s)相向撞擊，動(dòng)能下降。通過(guò)使用電磁發(fā)射裝置多次以此原理攔截并減速碎片，最終使碎片近地點(diǎn)不斷降低而墜入大氣層。

綜上所述，基于地面電磁發(fā)射的空間碎片清除總的工作原理如圖6所示，由電磁發(fā)射、點(diǎn)火施放燃?xì)馍淞鞑⑿纬晌⒘Ｔ茍F(tuán)、飛離和微粒云團(tuán)碰撞并減速碎片四個(gè)階段組成。

圖6 空間碎片清除原理Fig.6 Schematic of the proposed space debris removal strategy

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

基于地基電磁發(fā)射的空間碎片清除技術(shù)具有發(fā)射成本低、安全度高、適應(yīng)性強(qiáng)、能量釋放易于控制、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，為快速、低成本空間碎片清除提供了新的途徑。其中，火箭發(fā)射與電磁發(fā)射應(yīng)用效能的簡(jiǎn)單對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 電磁發(fā)射與火箭發(fā)射技術(shù)應(yīng)用效能對(duì)比Tab.1 Traits comparison of electromagnetic launch and rocket launch

盡管電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展已較為成熟，但其在地基電磁發(fā)射空間碎片清除上的應(yīng)用以及在過(guò)載環(huán)境、電磁環(huán)境和熱環(huán)境上與傳統(tǒng)的化學(xué)發(fā)射有本質(zhì)區(qū)別。

3.1 過(guò)載分析

電磁發(fā)射可以將克至千克級(jí)的物體在毫秒級(jí)時(shí)間、十米級(jí)距離內(nèi)加速至7.5馬赫，被加速物體承受過(guò)載高達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè)重力加速度[12]。傳統(tǒng)火箭發(fā)射由兩或三級(jí)發(fā)射組成，其一級(jí)發(fā)射推力和過(guò)載最大，加速時(shí)間在百秒級(jí)，過(guò)載為十個(gè)重力加速度級(jí)。兩種發(fā)射方式的過(guò)載環(huán)境對(duì)比見(jiàn)表2。可見(jiàn)，電磁發(fā)射的加速度是火箭發(fā)射的數(shù)千倍，其過(guò)載環(huán)境相對(duì)傳統(tǒng)發(fā)射要嚴(yán)酷得多。圖5基于地基電磁發(fā)射的空間碎片清除裝置中，導(dǎo)航制導(dǎo)與控制裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)屬于過(guò)載敏感器件，抗過(guò)載能力是影響可行性的重要因素。目前，電磁發(fā)射技術(shù)研究的國(guó)家都在積極進(jìn)行抗過(guò)載器件的研究。美國(guó)在2016年初，已經(jīng)研制出抗過(guò)載3.5萬(wàn)個(gè)重力加速度的制導(dǎo)器件，達(dá)到電磁發(fā)射抗過(guò)載技術(shù)要求，在不久將來(lái)可投入實(shí)用。

表2 電磁發(fā)射與火箭發(fā)射技術(shù)過(guò)載環(huán)境對(duì)比Tab.2 Overload comparison of electromagnetic launch and rocket launch

3.2 電磁環(huán)境分析

基于地基電磁發(fā)射空間碎片清除技術(shù)利用脈沖大電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)清除裝置的推進(jìn)。用于驅(qū)動(dòng)清除裝置的電流達(dá)到數(shù)百萬(wàn)安培，由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)高達(dá)數(shù)十特斯拉[13-15]。與傳統(tǒng)火箭發(fā)射采用化學(xué)能驅(qū)動(dòng)相比，地基發(fā)射給驅(qū)動(dòng)裝置帶來(lái)極其嚴(yán)酷的電磁環(huán)境。但是，電磁發(fā)射持續(xù)時(shí)間短，僅為毫秒級(jí)，其高達(dá)數(shù)十特斯拉的最強(qiáng)磁場(chǎng)位于圖2電樞尾部附近區(qū)域，隨時(shí)間和位置變化，磁場(chǎng)會(huì)急劇衰減。通過(guò)合理優(yōu)化布局清除裝置，可將磁場(chǎng)強(qiáng)度降低至百毫特甚至更低，再加上根據(jù)電磁發(fā)射頻率特性特殊設(shè)計(jì)的電磁屏蔽措施，可以達(dá)到避免強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)清除裝置中磁敏感器件的干擾的目的。因而，從電磁環(huán)境分析，基于地基電磁發(fā)射的空間碎片清除技術(shù)不存在難以跨越的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 氣動(dòng)熱環(huán)境分析

基于地基電磁發(fā)射的空間碎片清除，在地面十米級(jí)距離內(nèi)即可將清除裝置加速至7.5馬赫，地面空氣最稠密且具有黏性，裝置表面與空氣摩擦產(chǎn)生熱量，頭部駐點(diǎn)溫度達(dá)到2000 ℃以上，造成頭部燒蝕[16-17]。與傳統(tǒng)的火箭發(fā)射相比，電磁發(fā)射的空間碎片清除裝置體積小、質(zhì)量輕、氣動(dòng)載荷大、氣動(dòng)熱更為嚴(yán)酷、熱防護(hù)更為困難。空間碎片清除可采用熔點(diǎn)高達(dá)3500 ℃的鎢合金進(jìn)行熱防護(hù)，同時(shí)還可借鑒現(xiàn)有超高聲速飛行器等的氣動(dòng)熱防護(hù)方法，再加上特有的飛行體外形和彈道設(shè)計(jì)，具備氣動(dòng)熱防護(hù)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于地基電磁發(fā)射的空間碎片清除技術(shù)，它以電磁能推進(jìn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)推進(jìn)，具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，有望發(fā)展成為解決空間碎片問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一。提出了該方法的概念、工作原理和主要結(jié)構(gòu)，并基于電磁發(fā)射原理分析了其過(guò)載、電磁環(huán)境和熱環(huán)境等關(guān)鍵技術(shù)與傳統(tǒng)火箭發(fā)射的區(qū)別。后續(xù)還需針對(duì)空間環(huán)境，重點(diǎn)研究稀薄微粒云團(tuán)的動(dòng)力學(xué)演化及其與空間碎片的作用機(jī)理等關(guān)鍵問(wèn)題。

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Space debris removal method utilizing earth electromagnetic launch

ZHANG Xiao1, LU Junyong1, HOU Chongyuan2, DAI Yufeng1, WANG Jie1

(1. National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;2. State Key Laboratory of Astronautic Dynamics, Xi′an Satellite Control Center, Xi′an 710043, China)

Traditional space debris removal technology with chemical fuel is costly, and it is difficult to be implemented. An innovative method, which is based on ground electromagnetic launch technology, was proposed to remove the space debris. The projectile was launched to the space utilizing ground electromagnetic launch technology which is effective with low cost, and then the particle cloud was released out, which can make the debris can go out of its orbit. The debris was removed by the friction effect during falling out of orbit. As eliminating chemical propellant, which accounts for the majority of the cost, the proposed strategy utilizing ground electromagnetic launch technology to remove the space debris provides an effective and low cost method for space debris removal.

electromagnetic launch; space debris removal; space particle cloud

10.11887/j.cn.201606009

2016-05-01

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51407191)；國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(9140C840409140C84026)；國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目(613262)

張曉(1983—)，女，河南新鄭人，副研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，E-mail：zhangxiao01@163.com

TP25

A

1001-2486(2016)06-054-05

http://journal.nudt.edu.cn