劉 林， 楊 健， 王建華

（1.裝備學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，北京101416； 2.裝備學(xué)院 航天裝備系，北京101416）

自從1957年蘇聯(lián)開始太空活動(dòng)以來，越來越多的國(guó)家和組織加入了探索和利用太空環(huán)境的行列，人類的航天事業(yè)取得了巨大的成就。與此同時(shí)，由于自然和人為因素，人類也給太空環(huán)境留下了巨大的隱患——空間碎片?？臻g碎片是地球軌道上或再入到大氣層中的無效的所有人造物體［1］。地球上空的空間碎片數(shù)量與日俱增，對(duì)航天活動(dòng)構(gòu)成了很大威脅，空間碎片的清除技術(shù)研究成為了當(dāng)前各航天大國(guó)研究的重要領(lǐng)域。

1 空間碎片的分布與危害

空間碎片主要分布在2 000km以下的近地軌道（LEO）和地球同步軌道區(qū)域。各航天大國(guó)都在加強(qiáng)對(duì)空間碎片的跟蹤監(jiān)測(cè)和防護(hù)研究。截至2012年1月，美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)（Space Surveillance Network，SSN）編目的在軌空間物體數(shù)量已近22 000顆，其中90%以上屬于空間碎片。

空間碎片的來源包括火箭箭體、任務(wù)相關(guān)碎片、非功能性航天器及解體碎片，其中解體碎片是空間碎片的重要來源，解體原因可分為撞擊和爆炸2種，而碰撞已成為當(dāng)前空間碎片最主要的來源。2009年，俄羅斯廢棄的Cosmos 2251衛(wèi)星和美國(guó)正在使用的Iridium 33衛(wèi)星以11.64km／s的相對(duì)速度發(fā)生碰撞產(chǎn)生了大量空間碎片，已有2 000余顆被SSN跟蹤并編目［2］。這次事件強(qiáng)烈預(yù)示了空間碎片碰撞的惡性循環(huán)過程，也稱為Kessler效應(yīng)［3］，即當(dāng)碎片的數(shù)量達(dá)到一定程度后，空間碎片的碰撞會(huì)發(fā)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)，使空間碎片的數(shù)量急劇增加，甚至可能使近地空間無法再利用。

空間碎片環(huán)境日益惡化，嚴(yán)重威脅著在軌航天器的安全運(yùn)行。由于空間碎片與航天器的平均撞擊速度為10km／s，對(duì)航天器具有很大的破壞力。較大的碎片會(huì)導(dǎo)致航天器徹底損毀，較小的碎片則會(huì)對(duì)航天器表面產(chǎn)生累積撞擊損傷，減短航天器壽命。自然或人為因素使空間碎片再入大氣層時(shí)還會(huì)對(duì)地面人類生存環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅［4］。

2 LEO空間碎片問題亟待解決

當(dāng)前地球軌道上的物體總質(zhì)量已達(dá)6 300t，其中43%（2 700t）的物體分布在2 000km以下的LEO。NASA空間碎片研究人員Liou J C等［5－6］利用近地軌道—地球靜止軌道（geostationary earth orbit，GEO）環(huán) 境 碎 片 模 型（LEO－to－GEO environment debris，LEGEND）對(duì) 大 于10cm的空間目標(biāo)未來200a的變化趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。每種仿真條件均采用蒙特卡羅方法進(jìn)行100次計(jì)算。

基于LEGEND進(jìn)行仿真，考慮最理想的條件，即未來200a內(nèi)不再進(jìn)行發(fā)射活動(dòng)，針對(duì)LEO大于10cm的空間碎片仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 理想條件下，LEO空間碎片的增長(zhǎng)

由圖1可以看出，在不進(jìn)行發(fā)射活動(dòng)的情況下，由于大氣阻力等原因任務(wù)相關(guān)碎片和爆炸碎片逐漸減少，但碰撞產(chǎn)生的碎片數(shù)量卻不斷增多，2050年之前碎片總量基本保持不變，之后由于碰撞產(chǎn)生的碎片數(shù)量急劇增加，碎片總量會(huì)出現(xiàn)凈增長(zhǎng)，說明碰撞將成為空間碎片的主要來源。

預(yù)測(cè)地球軌道空間碎片的變化趨勢(shì)，包括LEO（200～2 000 km），中地球軌道（medium earth orbit，MEO）（2 000～35 586km）和GEO（35 586～35 986km）。仿真條件為：考慮最壞的情況，即衛(wèi)星發(fā)射頻率不變，但不采取任何碎片減緩措施。針對(duì)大于10cm的空間碎片仿真結(jié)果［7］如圖2所示。

圖2 在不采取減緩措施的情況下，LEO、MEO和GEO空間碎片數(shù)量的變化

由圖2可以看出，在不采取任何減緩措施的情況下，未來200a內(nèi)LEO區(qū)域空間碎片的數(shù)量會(huì)呈非線性快速增長(zhǎng)，這主要是由空間碎片碰撞引發(fā)的Kessler效應(yīng)導(dǎo)致的后果［8］；相反，MEO和GEO區(qū)域的空間碎片數(shù)量則呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這表明，LEO區(qū)域空間碎片的清除工作是目前需要考慮的最主要問題。

3 現(xiàn)有減緩措施的不足

為有效遏制空間碎片環(huán)境不斷惡化的現(xiàn)狀，國(guó)際空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)（Inter－agency Space Debris Coordination Committee，IADC）于2002年發(fā)布了《空間碎片減緩指南》。根據(jù)該指南，空間碎片的減緩主要有鈍化、系留、垃圾軌道和重復(fù)利用等4種 任 務(wù) 后 處 理（post－mission disposal，PMD）預(yù)防措施［9］。

設(shè)計(jì)3種仿真條件［10］：①航天器發(fā)射頻率正常，采取PMD減緩措施，成功率為90%，不進(jìn)行主動(dòng) 碎 片 清 除（active debris removal，ADR）；②選擇大質(zhì)量和高碰撞概率的物體為目標(biāo)，每年主動(dòng)清除2個(gè)空間碎片，其他條件不變；③選擇標(biāo)準(zhǔn)同條件②，每年主動(dòng)清除5個(gè)空間碎片，其他條件不變?？紤]到技術(shù)和成本等方面的問題，ADR從2020年開始。最終的仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以得到以下結(jié)論：①與圖2的結(jié)果比較，在保持發(fā)射頻率不變的情況下，采取PMD措施會(huì)大大減緩空間碎片的增長(zhǎng)速度；②如果從2020年開始，同時(shí)進(jìn)行PMD和ADR，每年清除2個(gè)空間碎片，碎片增長(zhǎng)速度會(huì)降低50%左右；③如果每年清除5個(gè)空間碎片，則空間碎片總數(shù)基本保持不變，保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；④可以推測(cè)，如果每年能夠清除更多的空間碎片，則空間碎片環(huán)境能夠得到改善。

圖3 采取不同空間碎片清除措施，碎片環(huán)境變化趨勢(shì)

通過仿真分析可知，現(xiàn)有碎片減緩措施在一定程度上能夠減緩空間碎片的增長(zhǎng)趨勢(shì)，但不能改變空間碎片總量繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)?？臻g碎片之間的相互碰撞成為未來碎片數(shù)量增長(zhǎng)的主要因素，只有采取ADR措施，清除影響比較大的碎片，才能從根本上阻止空間碎片的增長(zhǎng)趨勢(shì)，進(jìn)而改善空間碎片環(huán)境。

4 ADR策略

空間碎片的清除涉及目標(biāo)的選擇、技術(shù)可行性、成本收益比等多方面的內(nèi)容，必須進(jìn)行合理的規(guī)劃，明確以下幾個(gè)方面的問題：實(shí)施ADR關(guān)鍵區(qū)域；短期和長(zhǎng)期的任務(wù)目標(biāo)；優(yōu)先清除哪類碎片；怎樣實(shí)施操作，等等。弄清這些問題的答案能夠促進(jìn)有關(guān)技術(shù)的發(fā)展，并引導(dǎo)ADR措施的貫徹實(shí)施。

4.1 任務(wù)目標(biāo)選擇

由前文分析可知，LEO是當(dāng)前空間碎片清除工作的重點(diǎn)區(qū)域。不同的任務(wù)目標(biāo)會(huì)導(dǎo)致不同的研究路線?？臻g碎片清除的目標(biāo)有多種，包括控制LEO碎片數(shù)量的增長(zhǎng)，限制碰撞事件的發(fā)生，減緩近期和長(zhǎng)期的有效載荷失效風(fēng)險(xiǎn)，降低人類太空活動(dòng)的危險(xiǎn)等。下面選擇2種目標(biāo)分別進(jìn)行分析。

1）以對(duì)運(yùn)行航天器威脅較大的空間碎片為清除目標(biāo)。當(dāng)前，尺寸為1 mm以上的空間碎片數(shù)量超過了1億個(gè)，與航天器發(fā)生碰撞的概率相當(dāng)大。對(duì)于大多數(shù)航天器而言，尺寸僅為0.5～1.5cm的碎片就可能導(dǎo)致部件功能失效［11］，該尺寸范圍正是當(dāng)前大多數(shù)航天器防護(hù)裝置所能抵御的最大碎片尺寸，由于碰撞概率較高，對(duì)航天器具有較大的威脅。如果要減小航天器功能失效的風(fēng)險(xiǎn)，則應(yīng)選擇該尺寸的碎片作為清除目標(biāo)。

LEO區(qū)域0.5～1.5cm的碎片數(shù)量巨大，且呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)特性。這主要是由于這類小空間碎片很容易受到大氣阻力、太陽引力、地球扁率、輻射壓力等攝動(dòng)因素的影響。在1 000km高度的小空間碎片，受到大氣阻力的影響，會(huì)逐漸下降到較低的軌道，直至進(jìn)入大氣層燒毀，同時(shí)，較高軌道的空間碎片會(huì)螺旋下降到該高度的軌道，這種動(dòng)態(tài)特性給碎片清除工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。

2）以空間碎片產(chǎn)生根源的大空間碎片為清除目標(biāo)。如前所述，碰撞已成為當(dāng)前空間碎片數(shù)量不斷增加的主要因素。大空間碎片之間的相互碰撞會(huì)產(chǎn)生大量的小空間碎片（如Cosmos 2251和Iridium 33的碰撞），引發(fā)Kessler效應(yīng)，這是空間碎片環(huán)境不斷惡化的根本原因。如果要從根本上限制空間碎片的增長(zhǎng)，則應(yīng)以大質(zhì)量大尺寸的空間碎片為清除目標(biāo)，主要包括火箭殘骸和非功能性航天器，前者約占空間碎片總質(zhì)量的46%，后者約占空間碎片總質(zhì)量的51%。

因?yàn)榕鲎哺怕矢叩奈矬w容易與其他物體發(fā)生碰撞，而大質(zhì)量物體碰撞后易產(chǎn)生更多的小碎片，所以選擇目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)Ri（t）＝Pi（t）·mi，i＝1，2，…，其中，mi是目標(biāo)i的質(zhì)量，Pi（t）是目標(biāo)i在t時(shí)刻的碰撞概率。針對(duì)需要清除的碎片，通過計(jì)算得到R值，把R值較大的碎片作為優(yōu)先清楚目標(biāo)。碎片環(huán)境模型LEGEND正是基于這樣的選擇標(biāo)準(zhǔn)模擬碎片清除，進(jìn)而預(yù)測(cè)未來碎片數(shù)量的變化趨勢(shì)［12－13］。由圖3可以看出，采用這種標(biāo)準(zhǔn)，可以大幅緩解空間碎片數(shù)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)，使碎片數(shù)量趨于穩(wěn)定?？紤]到物體形狀等因素，應(yīng)優(yōu)先清除形狀比較簡(jiǎn)單的火箭箭體殘骸。

4.2 清除技術(shù)選擇

國(guó)外航天機(jī)構(gòu)如NASA、ESA等早在20世紀(jì)80年代就開始了空間碎片清除技術(shù)的研究，提出了很多清除技術(shù)概念，包括激光、磁場(chǎng)發(fā)生器、增加阻力裝置、磁力帆、電動(dòng)力纜繩、可附著離軌裝置等。對(duì)于小空間碎片主要有收集和灼燒熔化2種方式。對(duì)大空間碎片主要是進(jìn)行離軌或降軌進(jìn)入大氣層燒毀。下面主要對(duì)理論上比較成熟的幾種清除技術(shù)進(jìn)行分析［14－15］。

1）激光清除技術(shù)。激光可使碎片灼燒熔化或?qū)λ槠a(chǎn)生推力作用，利用激光照射可使碎片溫度升高直至升華，也可將激光束照射到碎片表面，產(chǎn)生一定推力，使碎片降軌進(jìn)入大氣層或垃圾軌道，適用于該技術(shù)的碎片尺寸小于0.1 m。其優(yōu)點(diǎn)是多次利用、效率高；其面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)是大功率的激光發(fā)射裝置和瞄準(zhǔn)跟蹤精度。

2）碎片收集裝置。大面積的碎片收集器可以捕獲LEO上的大量小碎片，清除效果明顯，適用于該技術(shù)的碎片尺寸小于0.1m。其優(yōu)點(diǎn)是效率高；但這種裝置必須有巨大的面積且能在軌展開，并耗費(fèi)大量時(shí)間來進(jìn)行碎片清除。如在國(guó)際空間站軌道高度，面積為1 000km2的收集器要運(yùn)行1a才能清除400個(gè)尺寸為1.5～3cm的碎片。

3）電動(dòng)力纜繩。將一根很長(zhǎng)的電動(dòng)力纜繩連接到廢棄衛(wèi)星上，利用纜繩切割地磁場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)拉力使之脫離運(yùn)行軌道，最終進(jìn)入大氣層燒毀，適用于該技術(shù)的碎片尺寸大于0.1 m。其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約能源；該技術(shù)面臨的難題是長(zhǎng)纜繩與其他物體發(fā)生碰撞的可能性以及再入大氣層對(duì)地面可能造成的風(fēng)險(xiǎn)。

4）增加阻力裝置。將增加阻力的裝置如充氣氣球或薄膜帆等附著在碎片上，可以增大碎片受到的大氣阻力，使碎片軌道迅速降低，減少軌道壽命，適用于該技術(shù)的碎片尺寸大于1 m。其優(yōu)點(diǎn)是效率高、成本低；該技術(shù)面臨的難題是增阻裝置的大面積特性使其在降軌過程中存在可能與其他航天器或碎片發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)。

一個(gè)完整的空間碎片清除過程包括發(fā)射、推進(jìn)、精確跟蹤導(dǎo)航控制、軌道交會(huì)、穩(wěn)定、捕獲以及降軌或拖入墳?zāi)管壍赖冗^程。上述清除技術(shù)目前還處于理論研究和試驗(yàn)階段，距離實(shí)用還有一定的距離，且需要考慮如何最大限度降低成本。選擇何種清除技術(shù)，必須對(duì)各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，評(píng)估可能帶來的次生災(zāi)害，以達(dá)到最大的成本收益率。

5 結(jié) 論

隨著航天活動(dòng)的發(fā)展，LEO空間碎片問題亟待解決?，F(xiàn)有的空間碎片減緩措施不足以控制LEO碎片數(shù)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)。為改善空間碎片環(huán)境，需要制定長(zhǎng)期的清除策略規(guī)劃，以體積較大的火箭殘骸和廢棄航天器或者以威脅較大的0.5～1.5cm的空間碎片為主要清除目標(biāo)，可有效限制碎片數(shù)量的增長(zhǎng)或減小對(duì)航天器的威脅程度。清除空間碎片涉及成本、技術(shù)、政治、所有權(quán)和責(zé)任等多方面的因素，各國(guó)應(yīng)該在達(dá)成一致的基礎(chǔ)上，共同協(xié)作進(jìn)行空間碎片清理，改善空間環(huán)境。

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