空间碎片监测及清除技术研究进展

冯 凯，李丹明，李居平，代 鹏，何成旦

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

空间碎片监测及清除技术研究进展

冯 凯，李丹明，李居平，代 鹏，何成旦

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

随着航天技术的发展，空间碎片数量逐年增加，将对航天器在轨安全运行构成极大的危险。从空间碎片的来源特征、国内外研究现状以及空间碎片的监测和清除技术进行了综述和分析，提出了在空间碎片的减缓防护等方面的发展建议，为未来新型空间碎片的监测和清除技术等方面提供参考。

空间碎片；监测技术；清除技术；研究现状

0 引言

空间碎片主要来源于航天员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、航天员遗弃的工具如扳手、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。另外，宇航试验或摧毁卫星过程中产生的碎片，多个国家曾用这种方法销毁废弃卫星，形成了大量的空间碎片。

研究表明，1 cm的空间碎片可导致航天器彻底损坏，而毫米级以下的空间碎片的撞击累计效应将导致航天器性能下降或功能失效[1]。航天飞机每次飞行都需要更换玻璃，美国LDEF运行5.7年，肉眼可见撞击坑的数量超过32 000个。迄今空间共发生了200多次在轨解体事件，近年来空间碰撞事件更加频繁发生。2013年，厄瓜多尔立方体卫星飞马座与苏联1985年发射的火箭残骸相撞，导致卫星寿命终结[2]。超高速微小碎片撞击太阳电池阵，可造成机械损伤，还诱发持久电弧放电，对其寿命和可靠性形成威胁[3]。因此，空间碎片对航天活动会造成极大的危险，引起广泛重视，需深入研究空间碎片环境现状、碎片的监测、清除及防护减缓等技术，为未来航天安全活动奠定基础。

1 空间碎片环境及特征

地球轨道上可编目的尺度在10 cm以上碎片从1981年的5 000个增长到2014年4月的16 655个，增长3倍多，尺度在1～10 cm之间的碎片数量大约为670 000个；大于0.1 mm的碎片超过200亿个[1-2，4]。空间碎片绝大多数分布在距地面2 000 km使用最频繁的低地球轨道（LEO），运行速度为7.8 km/s（第一宇宙速度），其与航天器发生超高速撞击，相对撞击速度范围在0～15 km/s，平均撞击速度为10 km/s，如直径1 cm的铝球以10 km/s的速度撞击所产生的能量，与地面上速度为120 km/s的小汽车的撞击相当，因此高速运动的空间碎片对航天器和航天员的生命安全造成巨大潜在威胁。

图1 空间碎片分布图

据统计，56%的碎片来源于在轨爆炸或碰撞解体，22%来自失效卫星或其他航天器，11%来自完成任务的火箭末级或上面级，10%来自航天器发射或在轨操作中的丢弃物[4]。并根据航天飞机舷窗玻璃撞击损伤分析结果[5]，轨道碎片主要的组成材料包含铝/铝合金、漆、钢、铜和钛等，其中前两者的质量分数之和达到约81%。轨道碎片呈现多种形状，根据地面卫星超高速撞击解体实验获得的碎片形状统计结果[1]，碎片形状主要包含片状、块状、板状、柱状、盒状、杆状和一些不规则的形状，其中片状、块状和不规则形状的碎片占绝大多数。

2 国内外研究现状

空间碎片领域的热点和重点先从被动防护转到减缓，再从减缓转到主动移除，因此空间碎片清除技术在未来几年是航天活动的热点，也是世界各国关注的热点问题。俄罗斯能源火箭航天公司总裁维塔利洛波预计[6]，每清理一颗废弃卫星可以赚2 000~5 000万美元。

瑞士洛桑联邦理工大学（EPFL）的瑞士航天中心计划将发射空间碎片清除系列的首颗卫星—太空清理-1（Clean Space One）纳卫星，以清除瑞士在轨的一颗“立方体卫星”或其姐妹星Tlsat卫星[7]。初步设计基于3U“立方体卫星”平台，造价1 100万美元，计划于2015～2016年发射，主要验证远距离和近距离目标探测系统、捕获系统、微推进系统及可控再入系统。该系统采用图像和视频系统对目标进行定位，并采用机械臂/机械手抓捕目标。

图2 Clean Space One卫星图

2012年，法国制定了自己的碎片清除系统计划，该系统长6 m，直径4.57 m，发射质量17 t，采用机械手对碎片进行抓捕。计划在2020年前采用小型原理样机进行非合作目标交会和离轨技术的首次在轨演示验证，2022～2024年进行全功能样机的在轨演示验证。此外，各国还提出了聚焦太阳光消融碎片，向碎片喷射高速气流使其改变运行方向并离轨，向碎片喷射泡沫增大气动阻力，使其提早坠入大气层烧毁等一些概念方案[8]。

国际上已将空间碎片减缓与主动清除技术列为主要发展方向。另外，为有效遏制空间碎片环境不断恶化的现状，国际空间碎片协调委员会（Interagency Space Debris Coordination Committee，IADC）于2002年发布了《空间碎片减缓指南》[9]。

近年，我国对空间碎片的研究给予了高度重视，由国防科工局牵头组织每两年召开一次全国空间碎片学术交流会，也逐渐在空间碎片的监测、预警、防护和减缓等方面做了大量的理论和工程化研究，其中航天院所、科学院及部分高校等单位在空间碎片的激光清除、电动力缆绳、飞网捕获等方面开展了大量的研究工作，通过原理计算及模型建立，取得了可喜的成绩。

3 空间碎片监测技术

空间碎片观测目前主要有地基观测和天基观测[11-12]。目前，大尺度碎片主要依靠地基雷达和地基光学望远镜等地基观测手段进行探测和跟踪，而中小尺度碎片可以依靠天基遥感观测、直接测量和表面采样等天基观测手段进行观测。近年来也发展了红外探测、电磁篱笆及激光监测等技术。

3.1 地基测量技术

空间碎片的地基测量一般分为雷达测量和光学测量。雷达测量是对低地球轨道上的空间碎片进行测量；而光学测量则是对高地球轨道上的空间碎片进行测量。在探测高地球轨道上的空间碎片时，光学望远镜优于雷达；而在探测低地球轨道上的空间碎片时，雷达则优于光学望远镜。地基雷达具有全天时全天候的功能，适合观测空间物体，但探测远距离的小型物体时，则会受到雷达功率和工作波长的限制。而光学测量可以对远距离（静止轨道）的空间碎片进行测量，弥补雷达受距离限制的缺陷；并且光学测量可提供高精度测量数据，是空间碎片定轨的主要手段。

3.2 天基测量技术

天基测量按观测形式可以分为遥感观测、直接测量和表面采样，遥感观测具有主动性，而直接测量和表面采样为被动的空间碎片探测方式。天基遥感观测的优势在于对碎片的观测距离近、无大气干扰、分辨率高。天基直接探测是在航天器上搭载由特定材料构成的探测仪器，即专用的碎片和尘埃探测器，用于记录空间碎片及流星体的撞击结果，从而直接收集空间碎片信息。表面采样测量则是通过对返回地面的长期暴露于空间环境中的航天器部件和设施的分析，来获取空间碎片信息。

3.3 红外探测技术

红外探测技术是利用目标与背景之间的红外辐射差异所形成的热点或图像来获取目标和背景信息[12]。由于高速运转的空间碎片会受到太阳、地球、月球等辐射，因此可利用红外系统分析空间碎片发射的红外辐射特征来对其进行探测。其中，红外探测器成像是空间光学系统获取空间碎片数据的重要手段，生成的红外图像是探测系统后续的碎片特性分析以及碎片跟踪编目的基础[13]。红外探测器对空间碎片的探测相比可见光探测，其可以在地球阴影区进行探测，而且外部空间背景干扰相对较小，有较高的信噪比，是一种较为有前景的空间碎片探测技术。

3.4 电磁篱笆雷达监测技术

电磁篱笆雷达系统是由1台大功率发射机产生1个大扇形能量波束，在轨空间目标在穿过篱笆系统时会反射雷达发射的信号，多个接收站使用大型天线接收反射信号并作为干涉仪来确定目标到达角和角速度[14]。通过几个站对同一空间目标的观测，来确定空间目标的位置。利用目标多次穿越篱笆，即可推出该目标的轨道。通过电磁篱笆可获取监测数据，提供较完善的空间碎片自主数据库，了解空间碎片的环境分布和变化规律，掌握其他环境因素对空间碎片环境的影响关系，建立碎片分布和演化模型。目前，美国和法国发展了电磁篱笆，美国计划在VHF频段的基础上将两边的屏升级改造为S波段，提高电磁篱笆探测较小空间碎片的能力，而欧空局已在前两者基础上也开展了相关工作。

3.5 激光监测技术

激光监测技术的核心是激光测距技术，原理是一个激光束从发射、传输、反射到接收的探测过程，通过测量激光从发射到接收的飞行时间获得被测目标的距离信息[15]。对于高速运动的空间碎片，可采用脉冲激光测距方式，具有峰值功率要大、发散角要小、单色性要好、脉冲宽度要窄等特点，尤其是对于非合作目标的空间碎片，具有极其好的隐蔽性。

4 空间碎片清除技术

通过多年的空间探索与试验验证，已发展了多种空间碎片清除技术，主要有主动移除和被动移除两大类[16]。被动清除技术主要利用地磁场、气动阻力等自然因素，在空间碎片上安装速度阻尼装置，使其缓慢降轨、离轨，并进入大气层销毁，这种清除技术主要适用于低轨空间碎片的清除；而主动清除技术是利用空间操控平台对空间碎片进行抓捕，并利用该平台的机动能力较快地改变轨道，达到清除的目的。另外，对于微小空间碎片则主要是通过收集和灼烧熔化两种方式，而对于较大的空间碎片则主要是进行离轨或降轨进人大气层烧毁。未来主要是通过对轨道空间的监视与维护，实现空间目标的编目、主动清除和回收利用，防止空间目标对在轨航天器威胁。

空间碎片主动移除则是指对LEO碎片使其进入大气层烧毁，对GEO碎片使其轨道抬高或降低235 km而进入坟墓轨道，从而达到保护在轨航天器不受碎片撞击。未来空间碎片清除及离轨技术主要有大功率激光器技术[17-18]、空间机器人技术、轨道转移技术、空间碎片抓捕清除技术以及电动力缆绳离轨等技术[19-20]，也可将其中相关技术结合达到空间碎片的清除目的。下面将分别详细的介绍几种常用的空间碎片主动清除技术。

4.1 飞爪/飞网抓捕及捕获技术

飞爪捕获技术是将抓捕机构发射出去，并通过绳索与其连接并对抓捕机构进行引导控制和接收测量信息。此类抓捕机构对目标的适应性强，飞行器捕获目标后通过绳索将其拖拽至“坟墓轨道”，再断开绳索返回静止轨道，携带多个抓捕机构能够实现对多个目标的清除。该模式对碎片清除飞行器的姿态和轨道控制影响相对较小，适合应用于非合作废弃卫星的清除任务。

空间飞网捕获机器入系统则是以大尺度柔性网为作业手段的在轨捕获系统。与机械臂相比，飞网具有安全性高、对航天器影响小、能量消耗少、捕获范围大等特点，而且还具有结构简单、可靠性高、易于实现等优点[19-21]。捕捉飞网主要包括四个部分：（1）牵引装置，当牵引装置获得初速度向目标飞行时，以折叠方式存储的网体就会随着重物运行的方向逐步展开；（2）网体，是捕捉飞网的主体，由柔性细绳按一定构型编织而成，负责包裹目标；（3）收口装置，在网体包裹住目标后，收口装置会通过向内的拉力将网口收紧、锁住，防止目标在拖拽过程中脱落；（4）连接绳，将飞网与平台连接在一起，负责捕获目标后的处理任务。

4.2 电动力绳索移除技术

电动力绳索移除技术（Electro dynamic Tether System，EDT）是移除系统接近要移除的碎片（或失效航天器），将其携带的金属绳索的一端安装在要移除的碎片上，并释放金属绳索的另一端，利用地球磁场产生的拖拽力改变碎片轨道，从而达到移除目的[19]。电动力缆绳清除空间碎片重点围绕电动力缆绳的运行模式、离轨拖船的系统方案、离轨拖船结构设计技术、缆绳展开方式及动力学控制方法、缆绳的电流收集及发射装置、空间碎片高精度测量技术和缆绳可靠性分析等方面开展研究。

4.3 电动碎片清除技术

电动碎片清除器主要运行在低地球轨道上，利用电动力学原理，通过太阳电池翼转化电能，在导线中形成电流，由其中一端的电子发射器发射电子，飞行器另一端的裸露铝导线收集电子，形成电流回路。由于电动碎片清除器处于地磁场中，所以通过磁场作用便会施加洛伦兹力在导线上，力的大小决定于导线的长度、电流以及磁场的局部场强和方向。整个电动碎片清除器系统在空间是缓慢旋转的，旋转周期约15 min，电动碎片清除器以此保持张力和稳定性。2010年8月，美国国防高级研究计划局（DARPA）公布了正在研制的空间碎片清除技术演示验证项目—电动碎片清除器（EDDE），主要由太阳电池翼、电子发射器和飞网管理器组成，各部分通过导线（强化铝带）连接，在轨展开长度超过10 km，质量小于100 kg，收纳体积为0.11 m3，每个“改进型一次性运载火箭”的次级有效载荷插槽可容纳2个这样的清除器[19]。

4.4 激光清除技术

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[22]。直接烧蚀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，使碎片熔化或气化，实现清理；而烧蚀反喷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。国外的激光移除空间碎片技术已经进入关键技术攻关阶段[23-25]，而国内还处于概念和理论模型研究阶段[23]。

4.5 液/气体、微粒云雾、离子束移除技术

在碎片（或失效航天器）运行轨道上喷射液体、气体、微粒云雾、离子束等来增加阻力或产生反向推力，降低碎片速度，从而降低其轨道，达到移除目的。NASA已研发了离子束移除技术，并且在实验室验证了钨粉尘的作用效果[26]。

5 发展建议

随着未来卫星数量将持续增长，尤其是近年来微小卫星和星座的迅速发展，使得卫星轨道资源紧张，卫星使命完成后，将使空间碎片持续增加，碰撞频率和几率将大大增加，则太空安全将面临巨大的挑战。因此，空间碎片监测的发展趋势应为天地一体化协同监测，光学系统应持续发展，天基监测设备趋向于轻小型化发展，并且加强小尺寸碎片的监测能力。另外，未来火箭和卫星采用任务后离轨钝化设计方法，提出具有创新性的空间碎片清除技术概念方法和方案，加强空间碎片清除技术的演示验证，提高技术成熟度。

同时，空间碎片的观测、建模、防护与减缓是一项多学科的综合性长期工作，需要国内各有关机构进行全局研究并参与国际合作。参考和借鉴国外空间碎片研究的先进技术和宝贵经验，加强新型空间碎片观测技术、防护技术、规避技术以及减缓清除技术的开发，建立可靠的空间碎片环境动态数据库，建立依据空间碎片观测数据的工程模型，并利用这些模型预测空间碎片的分布特征和空间环境特征等，为后期航天活动提供大量的基础研究工作。

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RESEARCH STATUS OF SPACE DEBRIS SURVEILLANCE AND REMOVAL TECHNIQUES

FENG Kai，LI Dan-ming，LI Ju-ping，DAI Peng，HE Cheng-dan
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Insitute of Physics，Lanzhou 730000，China）

With the development of space technology，space debris is growing quickly and becoming more and more，thus brings tremendous risks on spacecrafts on orbits.Characteristics，research status of both domestic and overseas，surveillance and removal techniques of space debris were reviewed and analyzed in this paper.Ultimately the development proposal of slow down and protection against space debris were made，and will provide reference for future studies on space debris surveillance and removal.

space debris；surveillance techniques；removal techniques；research status

V520.7

A

1006-7086（2016）06-0335-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.06.005

2016-08-23

军863项目（2015SQ704107）

冯凯（1985-），男，陕西榆林人，工程师，从事空间碎片清除技术研究。E-mail：fk_2009@126.com。