采用電動力繩系清除空間碎片的優劣勢分析

唐瓊,張烽,張雨佳

(中國運載火箭技術研究院研究發展部,北京100076)

1 空間碎片環境現狀

目前，空間碎片的數目急劇增長，在軌的編目空間物體已經突破1.8萬個，其中大多數是空間碎片。如表1所示，截至2018年8月31日，美國空間監測網 (SSN)編目的在軌廢棄物數量已達19201個，而無法編目的微小廢棄物質量已達幾千噸，數量超過200億個。

由于空間碎片軌道的自然衰減過程相當緩慢，若不采取措施，未來50年間，碎片數量將以每年10%的速度增加[1]。近地軌道 (LEO)是有限資源，因此，有必要采取碎片減緩或清除措施來解決廢棄航天器和火箭殘骸的問題。

2 空間碎片清除技術現狀

空間碎片的清除技術，包括推移離軌、增阻離軌、捕獲離軌、服務后重用和自主離軌五個方面。表2針對每個方面，列舉了典型的技術方法，從適用軌道高度范圍、清除目標類型、以及應用前景三方面，將各種方法進行歸納總結[1]。

3 電動力繩系離軌原理

當導電系繩在地球磁場中運動時，由于切割地球磁力線而在系繩中產生電動勢，當系繩和大氣電離層中的自由電子和離子構成閉合回路時，便能在系繩中產生電流，電流和地球磁場相互作用會在系繩上產生洛侖茲力。洛侖茲力與航天器運動方向相反，與大氣阻力的作用是一致的。

電動阻力的概念就是利用導電系繩中的電流與地磁場之間互相作用產生的洛倫茲力。用于減速的洛倫茲力F(電動阻力)以復雜的方式由系繩系統設計參數、軌道及當地電離層的特性確定。

式中，I(l)是系繩中流動的電流；dl是系繩長度的微分；B是當地地磁場。系繩中的電流由感應電壓Φ自我維持，感應電壓Φ由系繩切割磁場的相對運動產生:

其中，v是系繩相對于磁場的相對速度矢量。電動力產生的功率表示如下:

在電動力作用下，航天器從軌道半徑a2的圓軌道降到軌道半徑a1的圓軌道 (a1＜a2)所需時間可由下式估算:

式中，μ8是地球引力常數；m是航天器質量 (包括系繩系統)；a是軌道半徑。

通過分析可知，對于赤道面軌道，能夠獲得最大效率的電動阻力。對于傾角較大的軌道，由于軌道運動與地磁場的相對幾何關系，且電離層離子的密度相對較低，電動阻力的效率較低。

對于繩系系統設計，另一個要考慮的重要參數是系繩長度L，由式 (1)可知，其值決定感應電壓，并與阻抗一起確定系繩中的電流。通常，較短的系繩具有較小的感應電壓和電流，這意味著離軌的時間將更長。雖然增加系繩長度使其性能更優，但在質量、撓性、空間碎片風險方面要付出代價。

4 繩系離軌試驗

到目前為止，在太空開展電動力繩系系統全尺寸的試驗為數不多，但是關于電動力繩系離軌的可行性研究已經開展了近10年。國外已經研究了形式多樣的電動力系繩配置，并對其離軌性能進行了評估。

美國TUI公司由 Robert P.Hoyt和 Robert L.Forward于1994年成立，致力于利用電動力清除近地軌道的廢棄航天器。該公司基于電動力繩系技術開發了一種輕巧可靠的空間系繩產品，稱為終結者 (Terminator Tether，TM)。TM系繩系統的設計取決于被清除航天器的質量及其所在的軌道。對于典型的LEO軌道航天器，TM系繩的長度為5～7.5km，系統質量為航天器的1% ～2%。表3給出了7.5km電動力系繩的離軌時間，對質量為1500kg的航天器實施離軌，系繩系統質量占航天器總質量的1%，離軌過程從初始軌道高度降低到距離地面250km處。

表1 編目在軌廢棄物數量統計 (截至2018年8月31日)Tab.1 Statistics of the amount of cataloged orbital wastes(up to August 31，2018)

表2 主要空間碎片清除方法Tab.2 Main removal methods of space debris

表3 電動力繩系離軌時間研究數據[2]Tab.3 Research data on the deorbit time of electrodynamic tethered system

事實上，對于5～10km的典型電動力繩系長度，洛倫茲力隨著有效載荷質量、軌道傾角和高度的增加而減小，以每天2～50km的速率降低系繩系統的軌道高度。

5 優劣勢分析

5.1 優勢

(1)減輕質量

與其它推進系統相比，電動力繩系離軌系統的主要優點是不需要任何推進劑。傳統的化學推進器的推進劑質量占總質量很大一部分 (10%～20%)。而一個典型的電動力繩系系統，重約30～50kg，就完全可以實現航天器的離軌，發射時僅占運載工具質量的百分之幾 (1% ～5%)。此外，化學推進器必須能夠保證在比任務時長更長的時間內可靠地運行。而系繩系統在任務期間將處于非活動狀態，在軌等待航天器離軌指令即可。電動力繩系系統通過消除大量推進劑發射和長期在軌存貯的需求，大大降低了成本，提高了空間推進和操作的可靠性。

(2)減少離軌時間

使用電動力繩系離軌的另一個好處是，LEO的離軌時間僅比大氣阻力衰減離軌縮短若干個數量級。對于一顆500km高度以上的典型航天器，受自然軌道擾動影響，軌道壽命可能是幾十年到幾千年。而終結者TM系繩系統則可以將運行在LEO軌道上的航天器在幾周到幾個月時間內推離軌道。

(3)提高ATP有效性

離軌技術的主要目標是從軌道上移除廢棄的和不需要的航天器，使它們不會對其他航天器構成碰撞威脅。使用系繩離軌會增加航天器系統的橫截面積，從而增大了系統在任務期間遭受意外碰撞的可能性。然而，碰撞可能性不僅僅取決于橫截面積，還取決于航天器離軌所花費的時間。對于僅通過氣動阻力離軌的航天器，系統橫截面積相對較小，離軌進入地球大氣層所需的時間有可能是數百年或數千年。因此，即使系繩增加了航天器系統的橫截面積，但是軌道衰減速率使離軌時間大幅縮減，足以補償橫截面積增加帶來的不利影響，大大降低系繩離軌系統與其它航天器碰撞的概率。

評估離軌技術有效性的標準不僅僅是它是否與大氣阻力衰減相比減少了離軌時間，而是其是否減小了離軌時間和航天器橫截面積的乘積 (Area-time-Product，ATP)。根據 Forward和Hoyt16的研究結果 (表3)，證明了終結者TM系繩系統可以顯著降低大多數LEO軌道的ATP值。

5.2 風險

電動力繩系系統的系繩通常非常長，而且薄，這導致其極易出現故障，如系繩斷裂等。系繩的意外斷裂可能是由許多原因造成的，包括制造缺陷、系統故障、材料退化、振動以及與其它航天器元件的接觸。而通過設計、質量檢查及任務期間對系繩動力學和穩定性的主動控制，可以防止以上大多數原因。

盡管如此，由于系繩的直徑較小，容易被相對較小的流星體和軌道碎片撞擊并切斷，由此產生的系繩碎片給在軌航天器造成了額外的碰撞風險。未來，可以通過增加系繩直徑或采用其它創造性的設計來提高系繩的生存能力。

因此，在電動力繩系系統應用于空間碎片減緩任務之前，必須解決下述問題:

(1)評估系繩對空間環境的影響。確定繩系系統與在軌航天器的碰撞風險，系繩切斷后的殘余物造成的碰撞風險，以及系繩之間發生碰撞的可能性。

(2)評估系繩的生存能力。評估任務期間系繩被空間碎片和流星體切斷的風險。

6 結論和建議

目前，國內外已經提出了一些基于電動力繩的離軌裝置以緩解空間碎片的解決方案，但是，從空間碎片的角度來看，電動力繩系系統會在太空中帶來一些新的問題。因此，盡管電動力繩系系統很有可能成為緩解空間碎片的有效措施，但在實際采用這種技術之前，系繩對空間環境的影響以及系繩的生存能力這兩個問題需要重點考慮。