航天器壽命末期離軌技術研究綜述

康會峰，梅天宇，夏廣慶，王曉陽，范益朋，鹿暢，3

1. 北華航天工業(yè)學院 航空宇航學院，廊坊 065000 2. 大連理工大學 工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，大連 116024 3. 河北省跨氣水介質飛行器重點實驗室，廊坊 065000

1 引言

航空航天技術的飛速發(fā)展，使人類對太空有了更深刻的了解，但與此同時，也對空間環(huán)境產生了巨大影響。目前被空間碎片監(jiān)測網絡定期跟蹤、編目的碎片超過28 000個，近地軌道人造物體的總質量超過了9 200 t[1]，大量空間碎片被遺留在太空中將嚴重影響航天器正常在軌運行。中美俄等航天大國紛紛建立起預警系統(tǒng)，為航天器正常在軌工作保駕護航。為了安全、持續(xù)地開發(fā)和利用外層空間資源，有效遏制空間碎片密度快速上升、碰撞風險日益加劇的趨勢，在采取鈍化、系留、離軌等后處理措施以減緩空間碎片產生的同時，還有必要設法移除軌道上已存在的空間碎片[2]。

現有航天器離軌方式主要有電動力繩系離軌、離軌帆離軌、增阻球離軌及捕獲式離軌等。電動力繩系離軌主要通過服務衛(wèi)星對目標進行控制，繩體在軌展開長度較長，其可控展開技術難度高、不成熟，繩系展開控制及姿態(tài)穩(wěn)定是目前研究的熱點。中國哈爾濱工業(yè)大學的孔憲仁、徐大富，南京航空航天大學的文浩、金棟平在電動力繩系離軌控制[3]、動力學分析[4-5]及離軌時間預估[6-7]方面進行了大量研究。離軌帆裝置與增阻球裝置是兩種新興的離軌裝置，此兩種裝置可在衛(wèi)星發(fā)射前安裝在衛(wèi)星上，在衛(wèi)星完成任務后對衛(wèi)星進行軌道轉移。這兩種離軌方式都是過薄膜展開或膨脹后產生阻力，控制衛(wèi)星脫離原軌道。薄膜折疊與展開[8-10，11，12]、薄膜材料[13]、薄膜儲存裝置設計[14]及離軌裝置總體設計[15-16]是離軌帆與增阻球裝置研究的重點內容。捕獲式離軌主要通過末端捕獲裝置對目標進行抓捕、包絡、拖曳等動作。捕獲式離軌根據其末端捕獲裝置的不同，功能各有差異，可大致分為剛性、柔性、剛柔混合新型捕獲。剛性捕獲對目標的控制較強，有幾率產生新的空間碎片，柔性捕獲雖然可捕獲的距離遠、適用范圍更廣，但其對目標的控制能力弱，易失去對目標的控制。新型捕獲裝置可將此兩種捕獲方式的優(yōu)點結合，但其在應用范圍、裝置穩(wěn)定性、使用壽命等方面有待考究。

本文主要對上述幾種離軌技術進行介紹，包括國內外研究現狀，各系統(tǒng)組成及關鍵技術，最后對航天器壽命末期離軌技術存在的關鍵問題進行總結，對其發(fā)展方向提出建議，為今后的研究提供參考。

2 主要離軌技術

2.1 電動力繩系離軌

電動力繩系離軌系統(tǒng)通常由4部分組成，即繩系、繩系的釋放回收裝置、等離子接觸器和繩系控制單元[17]。繩系作為系統(tǒng)的主要部分，兩端分別連接主星和離軌目標；釋放回收裝置主要控制繩系展開及任務結束后對離軌目標的回收；等離子接觸器為導電繩系與空間電子提供耦合；繩系控制單元負責控制各部件的動作，使各部分配合共同完成離軌任務。

電動力繩系的離軌原理：高速繞地運行的導電繩系切割地磁感線會產生上千伏的動生電動勢，此時若在繩系兩端分別安裝電荷采集和發(fā)射裝置即可建立起電流回路，電流與地磁場相互作用可產生洛倫茲力[18]，拖拽目標衛(wèi)星脫離原始軌道，以達到離軌的目的。電動力繩系離軌示意圖如圖1所示。

圖1 電動力繩系示意[4]Fig.1 The diagram of electro-dynamic tether

2.2 離軌帆離軌

離軌帆裝置通常由四部分組成，即離軌帆帆體、離軌帆儲存機構、桅桿展開機構及鎖緊機構。帆體儲存機構負責儲存和保護帆面；鎖緊機構負責將帆體鎖在儲存機構中，在收到展開指令后及時解鎖，釋放并展開帆體；桅桿可為帆面的展開提供動力，并為展開后的帆面提供支撐力，使帆面能承受更大阻力以完成離軌任務。

離軌帆裝置的離軌原理：在稀薄大氣中展開一張面積較大的薄膜帆，利用帆體受到的大氣阻力來降低航天器的飛行速度，迫使航天器離開原始軌道，最終墜入大氣層內燒毀[15]。離軌帆在軌示意圖如圖2所示。

圖2 離軌帆展開示意[13]Fig.2 The schematic diagram of deorbit sail

2.3 增阻球離軌

增阻球離軌裝置通常由4部分組成，即充氣球體儲艙、充氣系統(tǒng)、箱體鎖緊裝置及球體本身。儲艙為展開前的球體提供保護，鎖緊裝置收到展開指令后對儲艙進行解鎖，充氣系統(tǒng)對球體進行充氣使其展開。

增阻球裝置的離軌原理：通過在空間碎片上使用充氣裝置膨脹展開氣球的方式，通過增加阻力面積，利用稀薄大氣和太陽光壓共同作用，使得空間碎片速度降低實現加速離軌[19]。增阻球在軌示意圖如圖3所示。

圖3 增阻球在軌示意[20]Fig.3 The schematic diagram of resistance ball

2.4 捕獲式離軌

捕獲裝置主要由以下部分組成：即目標捕獲系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、識別系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)等[21]。捕獲裝置通過識別系統(tǒng)判斷目標是否屬于太空垃圾，由探測系統(tǒng)確定目標的距離，接下來中央控制系統(tǒng)控制動力系統(tǒng)到達目標軌道，隨后控制目標捕獲系統(tǒng)進行捕獲動作，姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)負責在捕獲過程中保持系統(tǒng)整體穩(wěn)定。衛(wèi)星在軌捕獲示意圖如圖4所示。

捕獲式裝置的離軌原理：通過目標捕獲系統(tǒng)與目標接觸，在外力作用下對目標進行包裹、拖拽等動作，使目標脫離原始軌道，完成離軌任務。

圖4 衛(wèi)星捕獲示意Fig.4 The schematic diagram of satellite capture

3 國內外研究及發(fā)展現狀

3.1 電動力繩系研究及發(fā)展現狀

電動力繩系的概念于20世紀80年代提出，主要為解決動量交換繩系難以控制、可操作性低等問題。電動力繩系在航天器離軌方面具有獨特的優(yōu)勢，至今為止，美國、意大利、加拿大、日本等國已開展大量的相關研究，同時對繩系的離軌能力進行了在軌試驗。目前，電動力繩系的基本特性已得到驗證，表明該技術在航天器離軌上是完全可行的。

(1)國外電動力繩系主要試驗

1)CHARGE-1與CHARGE-2試驗：NASA和ISAS(日本宇宙科學研究所)于1983年聯(lián)合開展CHARGE-1任務，繩系在軌成功展開500 m，驗證繩系裝置的導電性；NASA又于1985年發(fā)射了CHARGE-2系統(tǒng)，目的是在太空中進行新型實驗。在繩系中加入1 kV電壓和80 mA電流以驗證系統(tǒng)在高電壓作用下連續(xù)放電、集電能力[22]。

2)OEDIPUS-a與OEDIPUS-c試驗：NASA與CSA(加拿大空間局)進行合作OEDIPUS-a和OEDIPUS-c實驗，利用繩系衛(wèi)星對地球大氣電離層磁場分布進行探測。OEDIPUS-a目的是對軌道高度為600 km電離層中的電場、電波、磁場及顆粒進行測量；OEDIPUS-c研究電離層中的自然波和人造波，并對旋轉的繩系衛(wèi)星動力學進行研究，通過張力傳感器檢測繩系的張力，這為兩體繩系衛(wèi)星復雜動力學研究提供了有效測試手段[23]。

3)TSS-1系統(tǒng)與TSS-1R系統(tǒng)：NASA和ASI(意大利空間局)于1992共同進行TSS-1系統(tǒng)的試驗。TSS-1由亞特蘭蒂斯號航天飛機帶上軌道，繩系未按照計劃展開20 km，僅在軌釋放256 m。盡管繩系未完全釋放，但仍在繩系中檢測到感應電流，證明了電動力繩系的可行性[24]。

TSS-1R試驗的目的在于證明空間等離子體電動力學過程與太空中的高壓和電流有關，試驗中繩系的電動勢達到3.5 kV，通過電流為1 A。試驗過程中發(fā)現，由于系統(tǒng)強烈放電將繩系的絕緣層熔斷，靠近展開桿頂部的位置發(fā)生了斷裂[25]。本次試驗結果表明等離子體運動會影響電流收集。

4)等離子體發(fā)電機試驗(PMG)：NASA于1993年進行了等離子體發(fā)電機試驗，繩系系統(tǒng)由500 m長的導電繩系及兩個相同的等離子接觸器構成。本試驗目的在于證明等離子體接觸器能夠為電子發(fā)射和收集提供低阻抗連接[26]。試驗過程中系統(tǒng)產生了0.3 A的穩(wěn)定電流，證明了等離子接觸器通過中和空間電荷和散射穿過地磁力線的電子來增強電子收集和發(fā)射。

5)The propulsive small expendable deployer system(ProSEDS)試驗：ProSEDS試驗建立在TSS、PMG等試驗技術層面上，旨在證明電動力繩系可應用于空間推進技術中。試驗計劃展開5 km長的繩系，在繩系中產生1-2 A電流，產生的阻力至少使航天器每天降軌5 km，并對裝置能否作為Delta-II火箭的二級降軌裝置進行測試[27]。

6)T-REX試驗：日本JAXA贊助研制的T-REX系統(tǒng)旨在驗證繩系快速展開、空心陰極快速點火、電動力繩系電子收集等內容。繩系為寬25 mm、厚0.05 mm裸露的鋁帶，繩體收集采用反向折紙(膠帶折疊)的方式，與通常卷筒式折疊完全不同，可實現在軌快速展開。繩系使用朗繆爾探針作為主要測量設備，在120 s內展開300 m[28]。

7)日本KITE試驗：日本于2016年12月成功發(fā)射HTV貨運飛船，KITE試驗裝置搭載HTV到達并降低到國際空間站軌道位置20 km以下，成功完成約700 m長的裸繩系釋放、繩系和末端運動狀態(tài)監(jiān)測、電動力產生試驗、裸繩系電荷收集試驗、電子發(fā)射器陰極電荷發(fā)射試驗和力的測量試驗[29]。

(2)電動力繩系國內研究現狀

目前為止，國內還未對電動力繩系離軌展開在軌試驗，但在繩系理論研究中頗有進展。

1)哈爾濱工業(yè)大學孔憲仁、徐大富等于2007年對電動力繩離軌衛(wèi)星離軌時間進行了預測。通過建立繩系數學模型及地磁場模型，進行仿真計算，最終得出重500 kg的衛(wèi)星，在長5 m的鋁制繩系作用下于31天內從960 km降軌至100 km[6]；在2009年對電動力繩的橫向震動進行建模研究并對繩系離軌方式進行介紹[30-31]；在2010年提出了一種柔索模型，并指出剛性模型進行離軌時間預測存在誤差，柔索模型更接近繩系在軌的運動狀態(tài)[4]。

2)南京航空航天大學文浩、金棟平等在2016年提出一種電流輸出反饋控制率，以實現電動力繩的快速穩(wěn)定離軌[7]。2017年通過啞鈴模型建立了電動力繩姿態(tài)控制動力學模型的非奇異公式，使得繩系離軌控制更加穩(wěn)定[3]；隨后又提出通過電流控制器來減小繩系的震動，最終通過仿真成功將繩系震動減小至較低水平[5]。

3.2 離軌帆裝置研究及發(fā)展現狀

隨著立方星的蓬勃發(fā)展，空間環(huán)境的壓力越來越大，為防止立方星變?yōu)樘绽?，應使其在壽命末期及時離軌。離軌帆裝置可作為立方星上的一個獨立模塊，隨立方星一起發(fā)射升空。目前國內外研究人員針對離軌帆的氣動阻力、帆膜折疊與展開、支撐桅桿材料及設計進行了大量研究。同時，國內外的很多機構進行了離軌帆裝置的在軌試驗，證明該項技術的可行性。

(1)離軌帆國外主要試驗

1)NanoSail-D離軌帆：NASA于2010年成功發(fā)射搭載NanoSail-D離軌帆的立方星[8]，并于2011年1月20日在軌展開。帆面由四個三角形鍍鋁聚酰亞胺薄膜構成，通過徑向展開的方式展開，展開后面積為10 m2。

2)薩里Deorbit Sail：英國薩里大學空間科學中心研制的“Deorbit Sail”于2015年7月10日成功發(fā)射入軌。Deorbit Sail阻力帆裝置配有一個5 m×5 m的薄膜，通過四根雙穩(wěn)態(tài)碳纖維桅桿進行支撐，可使衛(wèi)星在25年內離軌[9]。裝置的伸縮式外殼在帆體展開前會將帆體從主機上移開，以便帆體展開時不受衛(wèi)星外部其它設備影響，同時起到穩(wěn)定帆體的作用。

3)Aerodynamic end of life de-orbit system：AEOLDOS阻力帆是英國格拉斯哥大學與德國慕尼黑工業(yè)大學聯(lián)合研制。AEOLDOS離軌帆提出了一種新穎的輪轂幾何結構，以減少展開時對帆體末端的沖擊，裝置采用徑向展開方式，并對各種展開條件下的輪轂轉速進行測量。帆面折疊采用花瓣式對稱折疊，材料為聚酰亞胺，展開面積為1 m2，可使在軌650 km的2 U立方星于25年內實現離軌[10]。

4)CanX-7離軌帆裝置：Canx-7上裝有多倫多大學空間飛行實驗室設計的離軌帆裝置，于2016年9月發(fā)射，2017年5月展開。裝置儲存于鋁制儲箱中，能有效減少衛(wèi)星其它部件產生的電磁干擾，確保裝置可以順利展開。帆膜由4個三角形帆面組成，材料為聚酰亞胺，展開面積為4 m2，裝置通過廣播式自動相關監(jiān)視系統(tǒng)(ADS-B)接收器接收衛(wèi)星指令[14]。

5)PW-Sat2阻力帆裝置：PW-Sat2衛(wèi)星搭載波蘭華沙理工大學研制的阻力帆裝置，于2018年發(fā)射入軌。離軌帆為矩形薄膜帆，邊長2 m，展開面積4 m2，整個帆面由卷尺制成的豆莢桿固定，并折疊纏繞在其中心軸上，展開后處在衛(wèi)星上方20 cm處[11]。

6)D3阻力離軌裝置：NASA與佛羅里達大學共同提出了D3阻力離軌裝置，該裝置可將一個在軌700 km，質量15 kg的12 U立方星，在25年內完成離軌。裝置質量為1.33 kg，體積為1 U，可集成到標準立方星結構中。帆面由4根3.7 m長的彈簧桅桿支撐，預計最大可產生0.5 m2的側風面積[30]。

(2)離軌帆國內主要試驗

1)“淮安號”恩來星：國內于2018年在“淮安號”恩來星上首次開展制動帆主動離軌技術驗證，制動帆帆面材料為雙面鍍鋁聚酰亞胺，質量僅有300 g，展開后的面積約為1.2 m2，收攏時體積為70 mm×60 mm[13]。

2)“青騰之星”：“青騰之星”攜帶由天儀研究院自主研發(fā)的離軌帆，設計時利用立方星邊角空間巧妙地將離軌帆嵌入，帆面展開后面積達到0.7 m2，能夠使衛(wèi)星最快在6個月內脫離軌道[31]。

3)“降速”阻力帆：“降速”阻力帆裝置由西北工業(yè)大學航天學院研制，裝置由卷尺彈簧、帆膜、中心軸、導軌柱、帆膜儲箱、箱體、法蘭盤及阻力塊等組成，帆膜展開后面積為1 m2[15]。

4)金牛座納星：金牛座納星于2019年升空，對離軌帆技術進行驗證。其薄膜“離軌帆”展開可達2.25 m2，被收攏成一個高爾夫球大小的模塊，采用標準化接口，加裝到小衛(wèi)星平臺[32]。

3.3 增阻球研究及發(fā)展現狀

增阻球離軌作為立方星離軌的方式之一，近些年來發(fā)展十分迅猛。國外多家機構已成功進行在軌飛行試驗，中國也開展了重力梯度桿、相機遮光罩、空間充氣艙等項目，在空間充氣膨脹薄膜展開結構的研制方面積累了大量的工程實踐經驗[33]。同時對球殼屈曲模型仿真以及薄膜材料的研制等方面也在不斷探索。

(1)增阻球國外主要試驗

1)超輕離軌系統(tǒng)：Gossamer orbit lowering device(GOLD)是美國全球航空航天公司開發(fā)的一套衛(wèi)星軌道碎片離軌裝置，該裝置計劃使用一個輕量級超大充氣外殼，外殼受控展開形成一個巨大球體。本次試驗中對封裝系統(tǒng)、外殼的保護材料及涂層材料進行研制，并開發(fā)了一款仿真分析軟件來模擬系統(tǒng)在各種空間環(huán)境參數下的離軌效率[34]。通過仿真計算得出，裝置在120天內使一顆在軌650 km，重10 kg的衛(wèi)星完全離軌。

2)“固體膨脹氣球”SSIB：SSIB裝置是由美國阿肯色大學研制的，裝置由三部分構成：聚酰亞胺薄膜的球體、固態(tài)氣體發(fā)生器及微型機電系統(tǒng)。固態(tài)氣體發(fā)生器中NaN3微單元玻璃基板被加熱到350℃時會釋放N2。當釋放的N2量足夠大時將球體撐起，之后通過微型機電來系統(tǒng)控制N2釋放量以維持球體形狀[35]。

(2)增阻球國內研究現狀

1)哈工大自維型增阻球：哈爾濱工業(yè)大學開展超輕充氣自維型增阻球離軌技術研究，依靠球型結構來提供全向阻力，使立方星快速主動離軌。通過對空間環(huán)境進行分析，選擇12.5 μm的Kapton薄膜作為充氣增阻球材料，采用多個球體單瓣熱合連接的方式制作充氣增阻球[19]。

2)北理工一號增阻球：北理工一號衛(wèi)星于2019年搭乘星際榮耀公司的雙曲線一號火箭升空。衛(wèi)星上裝有北理工大學研制0.5 m直徑的增阻球，在稀薄大氣作用下，球體在軌充氣展開，并對球面鍍鋁與非鍍鋁的太陽光壓特性進行了驗證[36]。

3.4 捕獲式離軌裝置研究及發(fā)展現狀

(1)捕獲式離軌裝置國外主要試驗

1)歐空局ROGER計劃：2002年歐空局提出了ROGER計劃，計劃中含有飛網型捕獲末端和飛爪型捕獲末端。飛網型ROGER通過一個繩索連接的飛網對目標進行捕獲，飛網的尺寸有10 m×10 m和15 m×15 m兩種。飛爪型ROGER的末端是3個具有柔性接觸表面的飛爪，通過伸縮臂伸出的若干飛爪捕獲目標，由于飛爪的表面是柔性表面，且末端具有彈簧裝置，不會對捕獲目標造成沖擊[37]。

2)美國FREND計劃：2006年美國宇航局提出FREND計劃，利用機械臂抓捕完成對非合作目標的捕獲，但捕獲對象必須有用于抓捕的固定接口[38]。FREND裝置通過激光雷達確定目標位置，在目標不斷接近的過程中，通過機械臂上的微型相機配合圖像處理算法來識別目標特征，調整自身姿態(tài)和目標進行匹配，最終通過機械手捕獲目標[39]。

3)瑞士太空清潔一號：瑞士提出了太空清潔一號衛(wèi)星計劃，其任務是通過搭載的DEMES系統(tǒng)對已退役的納米衛(wèi)星進行主動清除。DEMSE系統(tǒng)由四個介電彈性體構成，展開前處于預拉緊狀態(tài)，靠近捕獲目標后，四個介電彈性體將展開，展開后對目標控制、包絡、最終完成離軌[40]。

(2)捕獲式離軌裝置國內研究現狀

1)東北農業(yè)大學多爪夾持式充氣抓捕手：多爪夾持式充氣抓捕手充氣伸展臂抓捕目標時，對充氣伸展臂進行充氣展開，通過機械臂控制兩直排充氣伸展臂夾持目標；釋放目標時，可以由機械臂控制兩直排充氣伸展臂張開，也可以直接將每根充氣伸展臂進行放氣，充氣伸展臂放氣后隨卷簧卷曲折疊，將目標釋放[41]。

2)哈工大凸起氣囊螺旋纏繞式抓捕手：凸起氣囊的螺旋纏繞式充氣抓捕手，解決了現有的空間目標抓捕機構存在的問題，應用于抓捕空間大尺寸非合作目標[42]。纏繞管和加壓管配有氣嘴，與充氣裝置連接，對抓捕手進行充放氣，加熱層可以保證抓捕手在空間低溫條件下能正常工作。

3.5 離軌技術對比

通過對國內外研究現狀的調研發(fā)現，電動力繩系離軌系統(tǒng)具有成本低、柔性大、離軌效率高、適用范圍廣、可重復使用、不消耗推進劑等優(yōu)勢。電動力繩離軌裝置可在較高軌道及近地軌道應用，對離軌對象的外形、尺寸等無特殊要求。但系統(tǒng)在軌展開長度普遍很長，繩體會做無規(guī)律運動，且繩體較薄，極易使裝置出現故障。

離軌帆裝置具有質量輕、體積小、成本低、可模塊化、結構簡單緊湊、無需消耗推進劑等優(yōu)點。裝置利用大氣阻力實現離軌，適用于低地球軌道的立方星。但裝置易受大氣阻力、地球攝動力等因素影響而導致離軌時間不穩(wěn)定，離軌時的姿態(tài)較難控制，存在與空間碎片發(fā)生碰撞的風險。增阻球裝置的優(yōu)點與離軌帆裝置十分相似，區(qū)別在于增阻球裝置適用范圍大(理論上可用于1 000 kg以上的大衛(wèi)星)，且充氣球體展開后可承受更大的彎曲變形，能夠較好的維持自身外形，具有較好的應用前景。

捕獲式離軌裝置種類較多，每種裝置的優(yōu)劣各不相同。以機械臂為代表的剛性捕獲裝置具有可靠性高、技術成熟、對目標控制能力強等優(yōu)點，但需要抓捕目標具有特殊抓捕點，適用范圍小，且抓捕裝置無法消除抓捕目標的自旋，極易造成抓捕裝置的損壞，形成新的空間碎片；以繩網為代表的柔性捕獲裝置具有成本低、質量小、捕獲距離遠、適用對象廣等優(yōu)勢。但裝置對目標的控制能力差，且抓捕后難以控制自身姿態(tài)；充氣結構抓捕手這一類充氣式新型捕獲方式具有高折展比、質量小、成本低等優(yōu)勢。但其只針對特定的捕獲目標，適用范圍小、剛度低、易被穿刺、可靠性低、應用前景有待考察。

4 關鍵技術

4.1 電動力繩系關鍵技術

(1)繩系材料分析及選擇

電動力繩系所處空間環(huán)境特殊，且繩體在軌展開較長，繩系材料的導電性、剛性、質量、耐久性等特性對裝置的性能、穩(wěn)定性及安全性有很大的影響。常用的繩系材料有鋁、銅、Dyneema(一種高強度聚乙烯纖維)、Rubber(合成橡膠)等。每種材料的密度、拉伸強度、楊氏模量、極限伸長率各不相同。除繩系本體特性對系統(tǒng)的影響外，繩體與空間等離子體接觸會產生接觸電阻，考慮接觸電阻后離軌時間明顯增長，增長時間約為兩倍[43-44]。因此選擇繩系材料時要根據任務需求，確定所需的特性。此外，對已有材料進行研究的同時，繼續(xù)研發(fā)適用于空間環(huán)境的新型材料，以滿足不同任務需求。

(2)繩系展開及離軌控制技術

除去材料因素，繩系展開及離軌控制也是裝置應用的關鍵。繩體無規(guī)律的擺動會導致其無法正常展開、甚至斷裂。軌道傾角、地磁場等都會對裝置的姿態(tài)穩(wěn)定產生影響，且繩系本身柔性大，極易受到電動力干擾。因此，控制繩體穩(wěn)定成為展開及離軌控制技術的難題。由電動力繩系離軌的原理可知，電動力是由繩系內部通過的電流，與地磁場相互作用產生。因此，可通過控制電流的大小，對繩體的振動進行抑制；在此基礎上建立繩系的數學模型，對電流反饋控制規(guī)律進行推導，進一步實現對繩體的控制。亦可將推導出的控制律應用于繩系姿態(tài)控制器，通過姿態(tài)控制器調節(jié)繩系張力及電流，以此來實現系統(tǒng)控制的穩(wěn)定[3，45-46]。

(3)空間環(huán)境電荷收發(fā)技術

繩系系統(tǒng)在空間環(huán)境中的電荷收發(fā)能力對其離軌效率有很大影響，特別是當系統(tǒng)處于電子濃度低區(qū)域時，電荷收集裝置的收集能力不可急劇下降。繩系系統(tǒng)通過等離子接觸器來進行電荷收集與發(fā)射，根據是否消耗自身能量將電荷收發(fā)技術分為主動與被動兩類(主動技術消耗自身儲能)。常見的主動技術有電子場發(fā)射陣列、空心陰極技術和熱電子陰極技術，被動技術有裸繩收發(fā)技術和終端收集技術。裸繩作為等離子體電子收集的有效裝置，為電子的收集提供更加穩(wěn)定的陽極，大大提升系統(tǒng)收集電子的能力，可替代體積較大的等離子體收集球，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更強。較短的裸繩可將整段都作為陽極來吸收電子，而長繩會在繩系某處達到電流飽和，置于在何處飽和與所處環(huán)境的空間等離子體密度、地磁場強度、繩體的材料及特性等因素有關[47-49]。

4.2 離軌帆關鍵技術

(1)薄膜帆面折展技術

通過離軌帆裝置的離軌原理可知，裝置是通過薄膜展開后產生的阻力進行離軌，因此要求薄膜的折痕短、折展比高、折疊方法簡單，此處可將折紙技術與其結合。Koryo Miura提出一種Miura-ori的折疊方式，即著名的三浦折疊。此折疊方法可將平面折疊問題轉化為無限平面壓縮問題，大大節(jié)省了空間結構的體積，已在日本衛(wèi)星的折疊電池陣上成功試用?，F階段常見的折疊方式有蛙腿式折疊、手風琴式折疊、單葉折疊等。蛙腿式折疊和手風琴式折疊均為“Z”形折疊的延伸，蛙腿式折疊先沿著與底邊平行的方向進行等距“Z”形折疊，將薄膜折成長條狀后，再從長條的中心向兩邊進行“Z”形折疊；而手風琴式折疊則先沿與底邊垂直的方向進行等距“Z”形折疊，折成長條后，將薄膜從長條的一邊折向另一邊，此兩種方法對三角形薄膜折疊效果很好。

(2)支撐桿設計與分析

薄膜的展開需借助外力，且展開后需要保持狀態(tài)穩(wěn)定，因此需要支撐桿提供展開時的外力及展開后的支撐及保護。卷尺彈簧常用于制作離軌帆支撐桿，其在收攏時會儲存彈性勢能，可為薄膜提供展開時所需的動力，在薄膜展開后提供支撐。卷尺彈簧可按截面形狀分為帶狀卷尺彈簧支撐桿，雙層帶狀卷尺彈簧支撐桿及人字形支撐桿，卷尺彈簧的力學性能是該技術研究的重點難點。卷尺彈簧的厚度、截面圓心角及曲率半徑是影響其性能的幾個因素，通過增加卷簧的厚度，增大截面圓心角，減小曲率半徑等方法可以提高支撐桿的剛度。雙穩(wěn)態(tài)復合材料卷尺彈簧在運動過程中更易保持結構完整性，不在折疊過程中發(fā)生破損、斷裂，性能更好，表現更加穩(wěn)定，很適合作為支撐桿[50-53]。因此，在進行支撐桿設計時，先綜合考慮支撐桿需提供的性能，再根據支撐桿的幾何參數對其性能進行調整。

(3)薄膜帆面結構分析

柔性薄膜與剛性支撐桿相連接，極易產生非線性運動，裝置所處空間環(huán)境相當復雜，且薄膜的折痕會產生褶皺甚至破損，這對薄膜帆面的設計提出了很高的要求，包括材料的特性、褶皺的處理等。NASA對薄膜進行期暴露實驗發(fā)現，在空間環(huán)境中，原子氧對薄膜的長時間侵蝕會導致薄膜破裂，鍍鋁膜則比無鍍鋁層的純薄膜具有更好的原子氧耐受性，提供更好的抗氧化性。其運動屬于剛柔耦合非線性運動，動態(tài)響應的頻率與變形峰值均與剛體運動加速度與初速度正相關，而與阻尼負相關；隨著結構基頻的增加，動態(tài)響應頻率提高但最大變形減小。薄膜折疊時產生的褶皺也會影響其結構的動態(tài)特性，通過PID控制方法可有效抑制震動，提高薄膜結構的穩(wěn)定性[54-56]。

4.3 增阻球關鍵技術

(1)充氣結構折展技術

增阻球裝置也是利用空氣阻力使目標移動軌道，但在結構設計上與離軌帆裝置有所差別。在增阻球裝置中不僅要對充氣結構進行折疊，還要對充氣結構進行充氣膨脹，充氣結構折疊后應具有體積小、質量輕、易收集等特點，不多占用航天器的空間。球體的折疊多數使用“Z”形折疊方法，哈工大的自維型增阻球使用的就是“Z”形折疊。除球體外，“Z”形折疊對圓形管的折疊同樣適用，但使用“Z”形折疊會使桁架產生褶皺，增加氣流在各部分間流動的不確定性，影響充氣結構的整體穩(wěn)定。將“Z”形折疊的單褶皺線替換為多褶皺線，以降低氣流流動時的不確定性，使得裝置整個結構更加穩(wěn)定。除了“Z”形折疊外，空間薄膜桁架協(xié)同折疊為折疊提供新的思路，該方法實現了薄膜與桿之間的橫向縱向同時折疊，且各部分之間不發(fā)生干涉?？臻g內曲面折疊較為復雜，已有的折疊方法難以使其平整展開，可通過分割映射折疊方法解決曲面折疊展開中存在的應力集中和網格畸變問題，進而建立有序的折疊模型[57-59]。

(2)充氣結構材料選擇與分析

充氣結構所處空間環(huán)境特殊，選擇材料時需考慮材料的抗氧化性、防護性、抗沖擊性及褶皺問題。聚酰亞胺材料是航天活動中常用的薄膜材料，具有耐高低溫、抗輻射、耐溶劑等優(yōu)秀性能。但原子氧的侵蝕使其性能及壽命大打折扣，NASA通過大量空間飛行暴露實驗，證明原子氧對聚合物材料具有不同程度的侵蝕作用。

提高聚酰亞胺薄膜的耐原子氧性能，可在其表面制備涂層進行防護，常見的方法有金屬涂層、無機涂層、有機涂層、復合涂層等。溶膠-凝膠法制備的Kapton/Al2O3復合薄膜具有一定抗原子氧性，且該方法制備的復合薄膜保留了Kapton基體材料的原有性能，韌性較好，不易產生裂紋。機械共混法制備的三硅醇苯基復合聚酰亞胺薄膜，可明顯提升薄膜的抗原子氧性能，對抗原子氧薄膜設計具有參考價值。光活化硅烷化工藝可對聚酰亞胺薄膜進行表面改性，經過改性的薄膜抗原子氧的性能提高35倍[60-63]。除了薄膜的抗原子氧性，薄膜表面褶皺也會導致薄膜破損，影響其性能及壽命。徐凡[64]等對曲面薄膜結構褶皺失穩(wěn)力學進行調研，研究發(fā)現增大初始曲率可抑制產生褶皺，為薄膜結構平整化提供了新思路。張亮[65]等提出了一種適用于充氣薄膜結構褶皺分析的互補共旋有限元方法，預測充氣薄膜結構的位移，應力以及褶皺區(qū)域。

(3)充氣結構增強技術

考慮到裝置所處空間環(huán)境及在軌工作時長，為避免充氣結構發(fā)生氣體泄露影響離軌效率，可對充氣結構進行結構增強，提高充氣結構抵抗形變能力，使球體展開后不依靠壓差保持形狀?，F階段常用的充氣結構增強技術主要有泡沫填充剛化、氣體反應剛化、熱固化剛化、紫外光固化、形狀記憶等方式?？臻g充氣展開結構增強技術優(yōu)劣勢各不相同，泡沫填充剛化操作簡單、剛化后強度較高，但其在剛化效果不均勻、可控性差且易污染；氣體反應剛化不需要能量，但其也存在反應過程不可控、剛化不均勻等問題；熱固化剛化反應過程可控，但其固化過程中所需的能量較高?？煽貏偦夹g的核心是紫外光固化復合材料，該技術可靠性高、不產生污染、反應過程可控、固化后復合材料的性能很好，為空間充氣結構增強提供了技術支撐[66-67]。

4.4 捕獲式離軌關鍵技術

(1)空間非合作目標消旋技術

剛性捕獲的非合作目標在空間運動時會產生自旋，對捕獲產生影響甚至破壞捕獲機構，造成不必要的損失。空間消旋是剛性捕獲急需克服的難題，現階段常用的消旋方式有機械消旋、電磁消旋、靜電力消旋等。加州理工大學噴氣推進實驗室開發(fā)了一種名叫“yo-yo”的消旋裝置，裝置兩端系有兩個砝碼。衛(wèi)星發(fā)射后在預定時間釋放砝碼，在離心力的作用下，將載荷的旋轉由繩索傳遞至砝碼上，以此消去目標的自旋?？臻g環(huán)境中存在大量離子，航天器通過電子槍不斷進行充放電形成電場，利用庫侖力對目標進行消旋，值得注意的是，充放電過程中的電勢變化可能會影響航天器的正常飛行，對于這種干擾仍需進行探討。渦流消旋通過渦流產生電磁力矩，對目標形成阻尼效應，進而實現消旋，此方法形成的力矩較小，可行性不高。但超導材料能產生高于常導材料幾十倍的電流，消旋的能力將大大提高，超導式渦流消旋對高速目標自旋的抑制效果最好，消旋能力提高約11倍[68-70]。

(2)新型捕獲技術

傳統(tǒng)的捕獲方式捕獲目標單一，無法適應形狀大小各異的目標，重復利用率低，捕獲后的控制效果差。在新型捕獲裝置研制中，將剛性捕獲與柔性捕獲的優(yōu)勢結合，利用軟體捕獲末端與目標摩擦產生的阻力，克服目標自旋；將剛性裝置作為軟體末端支撐，實現捕獲后的控制。形狀記憶聚合物在外界刺激下，可在臨時形狀與初始形狀間進行狀態(tài)切換，具有低密度、低成本、可恢復變形大、刺激方式可控等優(yōu)點，是捕獲末端材料的不二選擇。使用形狀記憶聚合物，制作柔性可折疊捕獲爪，將其作為機械臂捕獲末端，通過捕獲爪來消除碎片繞主軸的旋轉運動，實現軟捕獲、拖動和鎖定動作，最終實現對目標的控制[71-72]。

5 發(fā)展建議

隨著航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，空間碎片已成為亟待解決的重大問題，單一的空間碎片減緩措施雖可有效抑制碎片數量的增加，但對空間環(huán)境持續(xù)惡化作用甚微。電動力繩系離軌研究開始較早，進行過多次地面及在軌試驗。但繩系系統(tǒng)在空間環(huán)境中表現不穩(wěn)定，出現展開機構卡死、繩系斷裂等問題，系統(tǒng)空間生存是后續(xù)研究亟待解決的問題。離軌帆與增阻球是近幾年飛速發(fā)展的新裝置，通過將薄膜進行折疊收攏于儲存裝置中，可作為衛(wèi)星上的裝置隨衛(wèi)星共同發(fā)射，離軌帆與增阻球裝置主要應用于近地軌道的立方星離軌。現階段中國對此兩種裝置的研制較少，相關實驗裝置制備不完善，所涉及的稀薄大氣阻力計算也屬難點。因此，裝置的性能、穩(wěn)定性及可行性需進一步研究，但其應用前景十分廣闊。捕獲式離軌裝置通常要靠服務衛(wèi)星送至目標軌道，捕獲目標需具有特殊標記，捕獲前還需對目標進行識別、靠近、包絡、鎖緊等動作，捕獲過程繁瑣，裝置的重復利用率低。捕獲后的目標如何進行保存或處理，同樣是捕獲式離軌裝置的一項難題。

因此對航天器壽命末期離軌技術的研究迫在眉睫，通過對現有的離軌技術調研總結，提出以下幾點發(fā)展建議：

1)立方星通過氣動阻力可實現離軌，但現階段未對離軌帆及增阻球產品設計標準化。后期研究中可將產品通用化，根據需求設計離軌能力不同的產品，將其作為一個不影響衛(wèi)星正常工作的模塊，裝配到衛(wèi)星中。

2)高軌道及非合作目標可通過電動力繩系離軌。因繩體一般較長且薄，易被空間中其它物體損壞，在繩系后續(xù)研究中，需考慮繩體材料，尺寸優(yōu)化等問題。特別是空間電子收集效率的研究，這直接關系到繩系的離軌效率及姿態(tài)控制等關鍵問題。此外還需考慮繩系的生存性，要注意繩系本身是否會對空間環(huán)境造成影響。

3)在捕獲式離軌中，剛性捕獲因需考慮剛性碰撞以及姿態(tài)控制，研究難度大；柔性捕獲的容錯率雖高，但其對目標的控制效果不好。后續(xù)研究中可考慮將剛性捕獲與柔性捕獲相結合，取長補短。此外，需考慮裝置的可重復利用性。

4)根據離軌裝置的不同，建立完整的實驗平臺，包括：空間環(huán)境模擬、裝置整體穩(wěn)定性實驗及地面展開模擬實驗等，驗證離軌方式的可行性。

6 結論

航天器壽命末期離軌技術的研究應用，不僅對空間環(huán)境凈化具有重要意義，還蘊含著巨大的商業(yè)價值。空間中軌道資源有限，通過離軌技術控制衛(wèi)星移動，對其原有軌道進行再利用，亦可為需要離軌的國家提供商業(yè)服務。同時，還存在潛在的軍事意義，可利用離軌技術使失效衛(wèi)星或空間碎片，對敵方正常在軌服務的衛(wèi)星進行破壞。因此，推動航天器壽命末期離軌技術的快速發(fā)展具有重大意義。

本文調研了近年來電動力繩系離軌、離軌帆離軌、增阻球離軌及捕獲式離軌等航天器壽命末期離軌技術，總結了各種技術的特點，針對各技術分別提出了發(fā)展建議，對航天器壽命末期離軌技術的后續(xù)研究具有一定的指導作用，對今后其發(fā)展方向也具有一定的參考價值。通過對現有航天器壽命末期離軌技術發(fā)展的調研，發(fā)現現有離軌技術可通過利用地磁場及空間環(huán)境特性，輔以各種機械裝置，實現航天器壽命末期離軌及空間碎片捕獲，并在規(guī)定時間內離軌。但離軌裝置可靠性、離軌方式穩(wěn)定性、航天器離軌時間及離軌后處理等方面仍有較大提升空間，可作為后續(xù)研究的重點。