天基激光清除空间碎片方案设想

黄虎 张耀磊 易娟 范国臣（中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

随着空间碎片数量的不断增长，对人类航天事业的发展构成巨大威胁，清除空间碎片已经迫在眉睫。使用激光清除太空垃圾是一种低成本、高效、安全的清除技术。本文介绍了空间碎片的现状和现有清除方法，针对地基清除空间碎片技术存在的局限性，提出了一种天基激光清除空间碎片方案设想。

1 空间碎片现状

空间碎片是指人类在空间活动过程中遗留在空间的废弃物。根据美国战略司令部下属的空间监视网（SSN）的数据显示，近10年，特别是近5年来，空间碎片数量急剧增加，例如直径大于10cm以上的空间碎片，2006年共监测到9949个，到2010年监测到160914个，上升了1.6倍之多；直径在10cm以下的空间碎片上升速度更快。这说明空间碎片的数量对空间安全的危害已经发展到严峻的地步，特别是在近地轨道，若其数量达到饱和状态，则意味着碎片与卫星相撞的概率增大，甚至有可能由于碰撞而发生连锁反应，使得轨道资源成为废墟。为此，当今世界各国应同心协力采取有效措施来解决这一问题。

空间碎片有两个主要来源。第一个来源是人类在太空活动中产生的废弃物及其衍生物，包括丢弃的设备、运载火箭末级、废弃的卫星、卫星展开时释放的螺钉和其他硬件、卫星和分级火箭分离时的碎片、固体火箭燃料燃烧时向空间的喷射物、航天员遗弃的工具（扳手、手套、摄像机灯等），以及航天器与原来空间碎片撞击产生表面材料剥落等等。目前国际社会日益关注这类来源，采取的措施之一是发展旨在限制常规太空活动碎片产生的清污指南。第二个来源是人类试验或摧毁卫星过程中产生的碎片，多个国家都曾用这种方法销毁废弃卫星，这种碰撞产生了比通常理解的要大得多的空间碎片。

从欧洲航天局（ESA）公布的近地轨道区域空间碎片合成图上可以看到让人难以置信的情形：地球如同是被蜂群围得密不透风的蜂巢。虽然空间环境面临种种风险，但是目前的补救措施几乎为零。

空间碎片分布图

空间问题研究专家们普遍认为，目前地球轨道上漂浮的空间碎片直接威胁到卫星发射及载人航天任务，需要采取行动处理地球轨道上的空间碎片，在未来发射卫星时将应用更多的可回收技术，比如新型“蚱蜢”火箭就可以通过自身的动力装置安全返回，不仅减少了轨道碎片，同时也降低了发射成本。

天基激光清除空间碎片系统组成和信息流示意图

2 天基激光清除空间碎片方案设想

工作原理

激光清除空间碎片的模式主要有两种：直接烧蚀模式和烧蚀反喷模式。前一种主要针对微小空间碎片，利用强大的连续波激光照射碎片，使其温度升高至碎片的熔点甚至沸点，使碎片熔化或汽化，实现清理；后一种主要针对较大的空间碎片，利用高能脉冲激光束照射碎片表面，产生类似于火箭推进的“热物质射流”，为碎片提供一定的速度增量，使其近地点高度降低，进入大气层烧毁，从而达到空间碎片清除的目的。

地基与空基激光可提供较大的能量，技术成熟，但由于大气层的吸收作用导致其能量损耗较大，且受到地理位置和距离影响，使其可工作空间范围有限。天基激光在真空中传播，能忽略损耗，且没有折射、散射等传播误差影响，随着平台部署的变化，可扩展其控制的空间范围。因此，天基激光清除空间碎片能够克服地基清除方法的局限性，并且效率相对更高。随着激光器技术的发展，未来天基激光清除空间碎片将成为一种高效的方案。

方案详解

天基激光空间碎片清除系统一般由六大分系统组成。

1）动力系统 该分系统的主要功能是提供天基激光平台在空间飞行中轨道控制、姿态控制及轴向加速和制动所需要的控制力，实现对不同轨道上的空间碎片清除。

2）控制系统 该分系统在对全系统进行供配电的基础上，经过控制算法输出控制指令给动力系统和高能激光器，协调各系统运行，有计划地控制空间碎片清除任务。

3）电源系统 该分系统是给全系统供电的能量来源，保障全系统正常工作，并提供清除空间碎片所需的能源。

4）遥测控系统 该分系统用于实现天基系统与地面的双向信息传输，将天基系统的状态信息下传到地面，同时也可以接收地面发送的遥控指令。

5）跟踪瞄准系统 该分系统实现对空间碎片的捕获、识别、跟踪和瞄准，并保证将高能激光束汇聚到空间碎片上，实现对空间碎片的持续照射。

6）高能激光器 该分系统是整个系统的核心，产生清除空间碎片所需的高能激光束。

与地基方式相比较，天基激光清除空间碎片系统能够部署在不同的轨道，并且通过机动变轨和姿态调整，可清除同一轨道上的多个空间碎片，也可清除不同轨道上空间碎片，而且不受大气衰减影响，可清除的范围更大。天基激光清除空间碎片的具体流程设想包括：①首先利用天基平台自身的探测设备发现清除范围内空间碎片目标；②将碎片信息传送给控制系统，引导跟踪瞄准系统对空间碎片进行跟踪瞄准；③同时将探测到的空间碎片图像信息以及其他信息通过遥测控系统传送到地面；④当系统实现对空间碎片精确瞄准后，可以通过自主方式或者接收地面遥控指令方式启动高能激光器，对空间碎片进行照射，改变空间碎片的原始轨道，使其近地点高度降低；⑤如空间碎片比较大，可对空间碎片进行多圈照射，直至进入大气层烧毁；⑥随后通过调整姿态或轨道继续对其他空间碎片进行捕获跟踪，采取相同的方式清除。

关键技术

为了使该方案真正达到实际效用，必须克服以下几项关键技术。

（1）高功率激光器技术

作为空间碎片清除系统的核心部件，在某种程度上，激光光源的选择就成为决定该方案成败的关键。高能激光必须满足高光束质量、高功率、高重频的特性。在美国发展的各种高能激光器中，化学激光器是最成熟的激光器。但其发展已近晚期，将逐渐被固态激光器所取代。而推动固态激光器发展的一个重要因素是其具有更高的转换效率。高效率最重要的作用是对激光系统本身的影响，使更小的热流进出激光器，从而达到系统更加坚固耐用的作用。

（2）跟踪瞄准系统精度

高精度的跟踪瞄准系统是天基激光清除空间碎片系统的重要组成部分之一，其性能决定了碎片清除的效能。跟踪瞄准系统主要完成对空间目标实施捕获、跟踪和监视，通过目标识别，确定目标的类型和最佳攻击部位，并引导激光指向目标最佳照射部位，实施碎片清除。由于空间碎片具有目标直径小、探测距离远、运行速度快的特点，因此应保证在清除过程中使激光束准确聚焦在空间碎片上，产生足够的激光脉冲能量，从而改变空间碎片的轨道。

（3）激光与物质作用的效能

激光与物质作用的效能决定了激光清除空间碎片的效果，效能越高，清除碎片所需的能量和时间就会相应减少。而激光与物质作用效能的高低取决于激光与碎片作用的冲量耦合系数。物质接受入射激光，在不同条件下通过不同的吸收机制吸收激光能量，温度升高，同时发生复杂的相变。这一过程的时间很短，且在高速运动的流场中进行，所以激光能量的吸收伴随着相当复杂的动态过程；同时还受到波长、脉宽、能量及光束聚焦尺寸等参数的影响，因此需要如何选取最优的参数配置，获得最佳的效能在清除碎片过程中是一项非常复杂且重要的工作。

3 结束语

随着人类航天活动的不断增多，对消除空间碎片危害的需求日趋强烈，主动式空间碎片清除技术是解决这一问题的有效手段，对这类技术的研究必须不断深入和发展。然而，由于主动式清除技术，特别是天基激光清除空间碎片技术难度较高，许多关键技术至今仍未突破，而且实现这一技术的投入巨大，需要各主要航天国家间的国际合作。我国应根据自身情况，进行预先研究，突破其关键技术，能在该领域具备一定的话语权。