空间碎片减缓技术发展研究

陈蓉 申麟 高朝辉 唐庆博 童科伟（中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

正如电影《地心引力》（Gravity）呈现出的因为空间碎片而导致的巨大灾难，空间碎片对人类的空间资源开发活动构成了极大的威胁，必须想方设法地控制和减缓空间碎片。控制、减缓空间碎片的措施主要是预防和治理两种。在积极预防产生空间碎片的基础上，还有必要采用先进的清除技术对已经漂浮在轨道的空间碎片进行治理。

1 引言

自1957年苏联发射人造地球卫星-1后，人类便进入了空间时代，空间已经成为人类生存与发展的一个新领域，空间活动已成为世界经济、科学活动和安全的一个重要组成部分。空间碎片是人类探索和利用空间的废弃物，主要包括完成任务的火箭箭体/卫星本体、固体火箭发动机喷射物、在执行航天任务过程中的废弃物以及解体的在轨废弃物等。在轨废弃物解体的原因可分为碰撞和爆炸两种，其中碰撞是在轨废弃物解体的主要原因。

截至2013年12月31日，美国空间监测网（SSN）编目的在轨废弃物数量已达16906个。而无法编目的微小废弃物质量已达几千吨，数量超过200亿。

编目在轨废弃物数量统计（截至2013年12月31日）

空间碎片模拟示意

由于空间碎片对航天器的撞击速度可高达15km/s，一旦与航天器发生碰撞，将损伤甚至直接摧毁在轨航天器，具有过程短暂剧烈、后果无法挽回等特点。一块直径为1cm的铝质碎片的撞击能量相当于一颗手榴弹爆炸的能量，足以粉碎一颗中等大小的卫星。

同时，空间碎片之间又会不断发生碰撞级联效应，导致在轨废弃物数量急剧增加，甚至可能使得近地轨道资源无法再利用。这种恶性循环称为“凯斯勒效应”（Kessler Synd rome）。因此，空间碎片已成为航天器在轨安全运行的最大威胁。

2 国外空间碎片减缓现状及发展趋势

空间碎片对人类的空间资源开发活动构成了极大的威胁，国际社会已经达成共识—空间碎片环境的控制与治理必须由所有航天国家（机构）共同努力才能完成。1993年世界上主要航天发射国家共同发起成立了机构间空间碎片协调委员会（IADC）。机构间空间碎片协调委员会由各国航天局代表参加，是一个半官方的国际组织，宗旨是：在各国航天局之间交换有关空间碎片研究的资料，建立开展空间碎片研究国际合作的渠道，共同研究与评价控制空间碎片的措施。联合国外太空委员会（UNCOPUOS）的科学与技术分组委员会（STSC）已经于2004年将空间碎片问题列为专题，成立了空间碎片工作组（SDWG），以《机构间空间碎片协调委员会空间碎片减缓指南》为基础，讨论空间碎片减缓措施的落实问题。除此之外，国际标准化组织（ISO）也正式将空间碎片减缓系列标准纳入其工作计划之中。

空间碎片在哈勃望远镜太阳翼上留下的穿孔孔径2.5mm

清除空间碎片的方法

为了安全、持续地开发和利用空间资源，就必须想方设法寻求控制、减缓空间碎片的有效措施。控制、减缓空间碎片的措施归纳起来，主要是预防和治理两种。

经过多年的科学研究与探索，在空间碎片的预防领域，已经研究或应用了多种钝化或离轨的方案来预防空间碎片产生。钝化即消除或断绝能使运载火箭末级或卫星在轨道上发生爆炸的能源、系留住航天器在发射和在轨运行工作中产生的抛弃物。离轨是指在航天器寿命结束之前或出现故障时采取恰当的离轨策略使其脱轨或将其送入“废弃轨道”。此外，还可以通过重复使用航天器来减少进入外层空间的碎片或垃圾。

在积极预防空间碎片产生的基础上，还有必要对已经漂浮在轨道的空间碎片进行治理或清除。近年来由于空间碎片撞击卫星事件时有发生，关于空间环境不稳定性的研究也在深入展开，人们逐渐认识到当前实施的碎片减缓措施不足以限制未来碎片数量的增长，空间碎片主动清除技术应该作为用于空间资源保护的手段来加以认真考虑。

空间碎片主动清除方式概念图

空间碎片清理技术及其应用的轨道高度和碎片尺寸

空间碎片主动清除可分为以下几种方式：①电磁方法，如电动力绳索、磁帆；②捕获方法，如飞网、飞爪、机械臂；③动量交换方法，如太阳帆、增阻装置；④遥方法，如激光；⑤改变材料属性或材料状态的方法。

经过多年的发展，在空间碎片减缓技术方面，离轨钝化技术已经在世界各航天大国得到了广泛的工程应用，并且提出了许多创新的碎片清除概念。下面主要介绍美国、欧洲航天局（ESA）和日本的进展情况。

美国

当今世界，美国的空间碎片减缓技术最为成熟。就预防而言，“德尔他”（Delta）系列火箭末级利用发动机重新点火，耗尽剩余推进剂；采取沉底正推火箭连续工作的方式排空剩余氮气；通过设备继续供电的方式耗尽电池，进行了钝化。“半人马座”（Cen taur）上面级通过主发动机排放液氢和液氧，通过打开贮箱保险活门排放气氢和气氧，通过姿控发动机工作耗尽肼类推进剂，通过设备继续供电耗尽电池，从而达到钝化效果。美国还尝试通过在轨燃料加注延长卫星寿命来减少空间碎片的产生。

就清除而言，美国空军和航空航天局（NASA）曾联合提出名为“猎户座”（Orion）的计划，研究使用地基传感器和低功率激光器清除空间碎片的系统，它利用高能激光束在目标处产生热物质射流的方式将空间碎片移动到指定位置。

欧洲航天局

在预防方面，阿里安-4（A riane-4）火箭末级采取了排放剩余推进剂、排放高压气体的钝化措施。阿里安-5火箭末级采取了增加附加管路排放剩余推进剂的钝化措施。

在清除方面，德国航空航天中心（DLR）提出了一些治理空间碎片的设想，例如：利用太空飞爪抓住废弃航天器并将其拖入大气层烧毁；在太空释放一张大网来捕获废弃的航天器等。英国曾计划将太阳帆作为气动式制动器来进行为期1年的实验，可以围绕地球飞行收集危险的太空碎片。

日本

在预防方面，日本H-2系列火箭末级通过打开预冷活门排放剩余液氢、液氧，通过增加电爆活门排放常温氦气，通过使沉底发动机工作耗尽姿控推进剂，从而达到钝化效果；通过氢氧发动机低工况工作模式降轨，实现离轨目的。

在清除方面，日本曾提出一种利用主动捕捉方式的电动力绳索（EDT）系统，该系统用于捕获和清理空间非合作目标，使用机械臂进行捕获，并使用电动力绳索将其拖入大气层。

总体来说，空间碎片减缓技术的发展现状与趋势如下：

1）在近期，系留、重复使用航天器等碎片减缓措施难以投入实际应用，而在今后相当长的时期内，控制空间碎片环境应以钝化、脱轨和废弃轨道技术措施为主，并综合运用当前的这3种技术手段。纵观世界各航天大国，对运载火箭或卫星采用任务后离轨钝化设计是航天器发展的必然趋势和基本要求。

2）空间碎片清除技术手段更加注重创新性、实用性和灵活性。碎片清除措施主要采用机械臂、飞网、飞爪等捕获式方法，同时对可附着离轨装置、电动力绳索、太阳帆、增阻装置和激光等新概念碎片清理技术已逐步展开深入研究。空间碎片清除飞行器正由概念设想逐步走向工程应用。自由飞行空间机器人抓捕合作目标已完成在轨演示验证，基于飞网、飞爪抓捕失效卫星的空间碎片清理飞行器已开展了概念研究。

3 中国在空间碎片减缓方面的工作

中国已经签署了包括《外空条约》在内的4个国际空间条约，并于1995年成为机构间空间碎片协调委员会的正式成员。面对日益严重的空间碎片和空间环境问题，加强减缓技术研究的力度和投入，有效控制空间碎片的产生，保护空间环境，是中国履行国际义务的具体体现，也是展现一个新兴的航天大国和负责任大国形象的现实需要。从另一方面来说，中国的空间碎片减缓技术研究已经处于一个加速发展的历史机遇期。

中国在空间碎片减缓方面已取得一定的成果，主要体现在4个方面：

空间碎片减缓技术基础研究取得重要进展

中国针对运载火箭和卫星的钝化离轨技术进行了深入的论证分析，开展了近地轨道和星座离轨技术分析，提出了快速高效预估卫星轨道寿命的计算方案和程序，并初步应用于卫星离轨工程设计；开展剩余燃料排空技术研究，突破了末级火箭剩余推进剂与高压气体的排放技术，为消除末级火箭发生在轨爆炸解体提供了有效的技术措施；为全面实现运载火箭钝化排放和卫星离轨处置，开展了操作性碎片控制技术、消能钝化技术、任务后离轨处置技术等研究工作，为后续工程应用实施打下了良好技术基础。

低地球轨道上的空间碎片圾示意图

被空间碎片击中的法国“樱桃”（Cerise）卫星

空间碎片导致航天飞机舷窗上的凹坑

空间碎片减缓关键技术取得突破，具备了工程实施的能力

“十五”以来，通过航天器减缓总体技术研究、航天器钝化技术研究、卫星剩余推进剂精确测定及在轨排空技术研究、航天器再入安全技术研究、卫星全寿命空间碎片减缓设计与实践研究、长征火箭末级主动离轨技术研究、运载火箭设备钝化及操作性碎片控制技术研究、运载火箭操作性碎片减缓工程化实施研究等多项空间碎片专项课题的支持，系统研究了国内卫星和长征系列运载火箭钝化、离轨技术以及操作性碎片抑制措施，突破了相关关键技术。

空间碎片减缓工程化实施取得重要进展

空间碎片减缓工程化着力解决空间碎片减缓技术在现役型号上的应用。运载火箭任务后钝化操作纳入任务流程，长征-2、长征-3A系列、长征-4系列运载火箭均已实现任务后的排放钝化操作，并已经逐步开展了末级离轨处置操作。使用低温推进剂的运载火箭成功完成了排放钝化操作飞行试验。同时，中国也已成功实施部分地球静止轨道卫星任务后离轨处置。

“十二五”期间，中国开展了针对废弃卫星与末级火箭等大尺寸空间碎片的主动清除技术研究，在空间碎片清除技术研究方面取得了长足的进步，为空间碎片清除技术应用奠定了良好的技术基础。

空间碎片减缓技术发展的建议

对照世界航天大国在空间碎片减缓方面的研究工作，提出中国碎片减缓技术的发展建议：

1）开展空间碎片控制、减缓的顶层规划和战略研究，制定长期发展路线；

2）加强空间碎片减缓预研成果的工程应用；

3）关注空间碎片主动清除技术的发展，积极开展先进技术研究和关键技术攻关；

4）加强国内外相关研究单位的交流合作，实现技术共享，优势互补。