趙啟龍 康志宇 韓亮亮（上海宇航系統(tǒng)工程研究所）

靜止軌道碎片清除飛行器概念研究

趙啟龍 康志宇 韓亮亮（上海宇航系統(tǒng)工程研究所）

靜止軌道是人類寶貴的空間資源，其間運(yùn)行著眾多通信、中繼等高價(jià)值衛(wèi)星，然而靜止軌道上的空間碎片日益增多，占用了寶貴的靜止軌道資源，嚴(yán)重影響在軌航天器的運(yùn)行及未來靜止軌道任務(wù)的實(shí)施。于是，一種用于靜止軌道碎片清除的飛行器概念應(yīng)運(yùn)而生，這種碎片清除飛行器具有較強(qiáng)的自主、機(jī)動(dòng)、承載能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)靜止軌道空間碎片的清除。

1 引言

目前，靜止軌道上運(yùn)行著大約450顆衛(wèi)星，而隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，靜止軌道將變得越來越擁擠；另一方面，靜止軌道空間碎片有1200多個(gè)，主要包括運(yùn)載火箭末子級(jí)或上面級(jí)、廢棄衛(wèi)星、衛(wèi)星分離物及衛(wèi)星爆炸或碰撞后產(chǎn)生的碎片，這些空間碎片占據(jù)了寶貴的軌道資源，不僅造成了資源浪費(fèi)，而且嚴(yán)重影響在軌衛(wèi)星的生存，對(duì)空間碎片進(jìn)行在軌清除成為空間技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。

空間碎片清除技術(shù)包括被動(dòng)清除技術(shù)和主動(dòng)清除技術(shù)。被動(dòng)清除技術(shù)主要利用地磁場(chǎng)、氣動(dòng)阻力等自然因素,在空間碎片上安裝速度阻尼裝置，使其緩慢降軌、離軌，并進(jìn)入大氣層銷毀，這種清除技術(shù)主要適用于低軌空間碎片的清除；主動(dòng)清除技術(shù)則是利用空間操控平臺(tái)對(duì)空間碎片進(jìn)行抓捕，并利用該平臺(tái)的機(jī)動(dòng)能力使其較快地改變軌道，達(dá)到清除的目的。為減少空間碎片對(duì)運(yùn)行于靜止軌道航天器的影響，需利用主動(dòng)清除技術(shù)將其送入位于靜止軌道上方的“墳?zāi)管壍馈?，?zhí)行該任務(wù)的飛行器可以稱為靜止軌道碎片清除飛行器（以下簡(jiǎn)稱碎片清除飛行器），它將是靜止軌道空間碎片清除的一項(xiàng)重要技術(shù)手段，值得深入研究和發(fā)展。

2 國(guó)外相關(guān)飛行器發(fā)展概況

對(duì)碎片清除飛行器技術(shù)的研究，可以從在軌服務(wù)飛行器技術(shù)中汲取經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)開展了“軌道萬(wàn)能維修航天器”（SUMO）項(xiàng)目，目的是驗(yàn)證自主交會(huì)對(duì)接技術(shù)和不同衛(wèi)星接口抓捕服務(wù)技術(shù)，該飛行器由機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)的推進(jìn)模塊、自主交會(huì)對(duì)接模塊、抓捕載荷模塊和平臺(tái)模塊組成。日本于2004年提出了“軌道維護(hù)系統(tǒng)”（OMS），用于衛(wèi)星在軌監(jiān)視、維護(hù)、營(yíng)救及碎片的清理等任務(wù)。該系統(tǒng)主要用于研究空間機(jī)器人技術(shù)、觀測(cè)監(jiān)視系統(tǒng)的圖像處理技術(shù)和自主交會(huì)技術(shù)。以德國(guó)為主，聯(lián)合加拿大、俄羅斯等國(guó)共同開發(fā)的“用于驗(yàn)證空間系統(tǒng)的技術(shù)衛(wèi)星”（TECSAS）項(xiàng)目，主要目的在于驗(yàn)證自主空間交會(huì)技術(shù)和自主在軌捕獲技術(shù)，并希望將取得的技術(shù)成果應(yīng)用到未來空間碎片清理的任務(wù)當(dāng)中。

2001年，歐洲軌道復(fù)活公司發(fā)展的“軌道壽命延長(zhǎng)飛行器”（OLEV）是用于靜止軌道衛(wèi)星救援的空間平臺(tái)，帶有離子推進(jìn)系統(tǒng)。該飛行器發(fā)射質(zhì)量1400kg，攜帶260kg氙氣。其帶有霍爾效應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)（HET），用于地球同步軌道變軌及自身和目標(biāo)軌道保持，還可以將廢棄衛(wèi)星從靜止軌道轉(zhuǎn)移至“墳?zāi)管壍馈薄?/p>

歐洲航天局（ESA）于2002年開始進(jìn)行的“地球同步轉(zhuǎn)移軌道重置機(jī)器人”（ROGER）計(jì)劃，用于研究如何在靜止軌道捕獲非合作目標(biāo)以及將其拖拽到“墳?zāi)管壍馈?。該航天器在地球同步轉(zhuǎn)移軌道向靜止軌道轉(zhuǎn)移過程中采用電推進(jìn)的方式，預(yù)計(jì)速度增量約為2.25km/s，轉(zhuǎn)移時(shí)間為190天，發(fā)射質(zhì)量1450kg，入軌質(zhì)量1250kg（干質(zhì)量920kg）。

歐洲航天局、德國(guó)航空航天研究院（DLR）以及Kosmas Georing服務(wù)公司正在合作開展“赫爾墨斯”（Hermes）計(jì)劃，包括一個(gè)“實(shí)用代理”飛行器，可為靜止軌道通信衛(wèi)星補(bǔ)給燃料，或?yàn)槟繕?biāo)航天器安裝一個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)再次推進(jìn)入軌。

通過對(duì)國(guó)外在軌服務(wù)航天器技術(shù)發(fā)展的綜合分析，對(duì)碎片清除飛行器提出如下技術(shù)要求：作為一種具有空間運(yùn)輸能力的飛行器，它具有一定的自主性、機(jī)動(dòng)性和承載能力；為實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的操控，該飛行器需要安裝飛網(wǎng)、飛爪、機(jī)械臂及吸附機(jī)構(gòu)等抓捕裝置；為實(shí)現(xiàn)在高軌運(yùn)行并對(duì)多個(gè)碎片進(jìn)行清除，該飛行器需要提供較大的速度增量，攜帶較多推進(jìn)劑。此外，電推進(jìn)技術(shù)將會(huì)在碎片清除任務(wù)中得到采用，相對(duì)于傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，電推進(jìn)系統(tǒng)可以提供更大的比沖，系統(tǒng)質(zhì)量輕，但推力小，在干擾情況下的姿態(tài)控制能力弱，可以用于沒有時(shí)間約束的變軌任務(wù)或軌道保持，但不適用于對(duì)非合作目標(biāo)的捕獲清除。

“通用軌道修正航天器”外觀圖

3 任務(wù)分析

經(jīng)濟(jì)性分析

碎片清除飛行器的目標(biāo)為靜止軌道廢棄衛(wèi)星，這類衛(wèi)星多為大型空間平臺(tái)，采用三軸穩(wěn)定控制方式，失效后姿態(tài)和軌道變化很小，仍運(yùn)行于原定點(diǎn)位置。由于碎片清除任務(wù)時(shí)間約束不強(qiáng)，飛行器從地球同步轉(zhuǎn)移軌道轉(zhuǎn)移定點(diǎn)于靜止軌道后與目標(biāo)位于同一軌道面內(nèi)，采用自然調(diào)相共面交會(huì)捕獲清除的方式可以有效地節(jié)省燃料。假設(shè)廢棄衛(wèi)星和碎片清除飛行器質(zhì)量均為3000kg，則碎片清除飛行器平均每次任務(wù)的速度增量約80m/s，耗費(fèi)燃料約160kg?？紤]工程余量，攜帶1500kg常規(guī)化學(xué)推進(jìn)劑能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)6顆靜止軌道廢棄衛(wèi)星的清除。俄羅斯能源火箭航天公司總裁維塔利·洛波預(yù)計(jì)，每清理靜止軌道一顆廢棄衛(wèi)星可以賺2000萬(wàn)～5000萬(wàn)美元，清除6顆靜止軌道廢棄衛(wèi)星可以賺1億～3億美元。

清除模式分析

“軌道壽命延長(zhǎng)飛行器”外觀圖

“實(shí)用代理”飛行器外觀圖

主動(dòng)清除技術(shù)中，碎片清除飛行器捕獲目標(biāo)后，可與目標(biāo)形成兩種連接模式：剛性連接和柔性連接。剛性連接模式要求抓捕機(jī)構(gòu)牢固穩(wěn)定地與目標(biāo)連接，對(duì)抓捕方式、抓捕機(jī)構(gòu)和目標(biāo)的抓捕位置均提出了較高要求，適用于對(duì)合作目標(biāo)的操作，其主要抓捕機(jī)構(gòu)為機(jī)械臂。剛性連接后，碎片清除飛行器與非合作目標(biāo)形成組合體，由于抓捕位置隨機(jī)性較強(qiáng)，組合體進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)時(shí)其姿態(tài)和軌道很難控制。為能夠穩(wěn)定地控制目標(biāo)，抓捕前需對(duì)目標(biāo)進(jìn)行繞飛，選取抓捕位置；在近距離操控捕獲目標(biāo)后，碎片清除飛行器需對(duì)組合體進(jìn)行質(zhì)量特性測(cè)量，再選擇合適的姿態(tài)和軌道控制方式，發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣過程中還需避免目標(biāo)對(duì)羽流的遮擋問題。因此，對(duì)非合作目標(biāo)清除采用剛性連接模式，目標(biāo)適應(yīng)性不強(qiáng)，且難度巨大，不建議采用。

柔性連接模式是指碎片清除飛行器將抓捕機(jī)構(gòu)發(fā)射出去，并通過繩索與其連接。由于繩索具有信息傳輸功能，飛行器可以通過繩索對(duì)抓捕機(jī)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)引控制，并接收其測(cè)量信息，主要抓捕機(jī)構(gòu)為飛網(wǎng)、飛爪或吸附裝置等。此類抓捕機(jī)構(gòu)對(duì)目標(biāo)的適應(yīng)性強(qiáng)，飛行器捕獲目標(biāo)后通過繩索將其拖拽至“墳?zāi)管壍馈?，再斷開繩索返回靜止軌道，攜帶多個(gè)抓捕機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的清除。該模式對(duì)碎片清除飛行器的姿態(tài)和軌道控制影響相對(duì)較小，適合應(yīng)用于非合作廢棄衛(wèi)星的清除任務(wù)。

功能需求

除了傳統(tǒng)靜止軌道衛(wèi)星平臺(tái)必備的功能（溫控、抗輻射加固、測(cè)控及電源等）外，碎片清除飛行器還需具有以下功能：

1）軌道機(jī)動(dòng)能力。碎片清除飛行器需要在靜止軌道機(jī)動(dòng)飛行，需要具有高軌機(jī)動(dòng)能力，推力器布局復(fù)雜。

2）自主運(yùn)行管理能力。為使碎片清除飛行器能夠清除靜止軌道上全區(qū)域的廢棄衛(wèi)星，降低地面操作成本，提升碎片清除的經(jīng)濟(jì)效益，飛行器需要具有自主運(yùn)行管理能力，主要包括自主任務(wù)規(guī)劃與管理和自主導(dǎo)航與控制能力，能夠?qū)崿F(xiàn)地面對(duì)任務(wù)指令的一次注入，飛行器自主完成對(duì)指定區(qū)域多個(gè)目標(biāo)的清除工作。

3）攜帶組合式推進(jìn)系統(tǒng)。由于時(shí)間約束性不強(qiáng)，為減輕質(zhì)量，提升碎片清除能力，提高任務(wù)經(jīng)濟(jì)效益，碎片清除飛行器攜帶“電推進(jìn)+液體雙組元推進(jìn)”組合式推進(jìn)系統(tǒng)。在地球同步轉(zhuǎn)移軌道段由電推進(jìn)系統(tǒng)完成；靜止軌道碎片清除任務(wù)由液體雙組元推進(jìn)系統(tǒng)完成，以提升清除過程中的姿態(tài)和軌道控制能力，并縮短碎片清除時(shí)間，盡快為后續(xù)衛(wèi)星提供軌位。

4）承載能力。碎片清除飛行器需要完成地球同步軌道轉(zhuǎn)移、靜止軌道碎片清除等機(jī)動(dòng)，攜帶推進(jìn)劑量大，同時(shí)需要完成對(duì)大型衛(wèi)星的拖拽控制，并安裝多個(gè)抓捕裝置，需要具有較強(qiáng)的承載能力。

碎片清除飛行器構(gòu)型方案

5）防撞能力。在對(duì)廢棄衛(wèi)星交會(huì)、抓捕和拖拽過程中，碎片清除飛行器需要避免與目標(biāo)發(fā)生碰撞，始終監(jiān)測(cè)與目標(biāo)之間的距離，必要時(shí)采取規(guī)避措施。

4 飛行器總體方案

方案概述

碎片清除飛行器總質(zhì)量3000kg，發(fā)射時(shí)尺寸3350mm×3000mm，采用“中心承力筒+箱板”式六面體構(gòu)型，由結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)，熱控分系統(tǒng)，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)，電源分系統(tǒng)，推進(jìn)分系統(tǒng)，通信分系統(tǒng)，綜合電子分系統(tǒng)，捕獲分系統(tǒng)組成，飛行器將獨(dú)立完成地球同步轉(zhuǎn)移軌道變軌。

碎片清除飛行器布局方案

碎片清除飛行器在靜止軌道的自主絕對(duì)導(dǎo)航采用慣導(dǎo)/GPS/天文組合導(dǎo)航方式，以天文導(dǎo)航為主。對(duì)地定向姿態(tài)確定采用陀螺和星敏感器聯(lián)合定姿方式。對(duì)廢棄衛(wèi)星相對(duì)導(dǎo)航，采用相對(duì)導(dǎo)航設(shè)備的測(cè)量信息結(jié)合星敏感器、陀螺進(jìn)行組合定姿。

碎片清除飛行器推進(jìn)分系統(tǒng)采用“電推進(jìn)+液體雙組元推進(jìn)”組合式推進(jìn)系統(tǒng)，電推進(jìn)系統(tǒng)200kg，化學(xué)推進(jìn)劑1500kg，外部安裝32臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)和1臺(tái)大推力軌控發(fā)動(dòng)機(jī)。

碎片清除飛行器綜合電子分系統(tǒng)是其控制中心，對(duì)各系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和管控，協(xié)調(diào)分配任務(wù)。采用基于1553B總線的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有自主任務(wù)管理規(guī)劃能力，由綜合電子計(jì)算機(jī)，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)下位機(jī)，電源下位機(jī)，熱控下位機(jī)等部分組成。

飛爪抓捕裝置組成

機(jī)械手抓捕流程

碎片清除飛行器捕獲分系統(tǒng)由4個(gè)飛爪抓捕裝置和3個(gè)吸附抓捕裝置構(gòu)成，每個(gè)抓捕裝置內(nèi)部安裝有控制模塊和繩索系統(tǒng)，可以完成對(duì)多種目標(biāo)的抓捕。

構(gòu)型方案

碎片清除飛行器由抓捕載荷模塊、平臺(tái)模塊和推進(jìn)模塊三部分組成。抓捕載荷模塊位于飛行器前端，安裝有7個(gè)抓捕裝置發(fā)射器，每個(gè)發(fā)射器內(nèi)部安裝一個(gè)抓捕裝置，通過冷分離方式將抓捕機(jī)構(gòu)彈射出飛行器；平臺(tái)模塊集中安裝飛行器各系統(tǒng)單機(jī)設(shè)備，為各系統(tǒng)提供支撐；推進(jìn)模塊包括常規(guī)推進(jìn)模塊和電推進(jìn)模塊，常規(guī)推進(jìn)模塊包括2個(gè)氧化劑貯箱、2個(gè)燃燒劑貯箱和2個(gè)氣瓶，貯箱并聯(lián)布局于平臺(tái)四周，氣瓶和電推進(jìn)模塊位于中心承力內(nèi)部。

抓捕裝置方案

碎片清除飛行器采用飛爪或吸附的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)非合作廢棄衛(wèi)星的捕獲連接，以下分別介紹飛爪抓捕方案和吸附抓捕方案。

（1）飛爪抓捕裝置方案

吸附抓捕裝置組成

飛爪抓捕裝置由抓捕機(jī)構(gòu)、發(fā)射裝置和拖拽繩索組成。抓捕機(jī)構(gòu)總質(zhì)量5kg，執(zhí)行任務(wù)時(shí)從發(fā)射裝置內(nèi)彈出，內(nèi)部安裝冷氣推進(jìn)系統(tǒng)，裝載0.5kg氦氣，能夠提供150m/s的速度增量，可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)和軌道控制。前端安裝可見光相機(jī)，用于發(fā)射前捕獲目標(biāo)和近程逼近時(shí)搜索目標(biāo)上的抓捕位置。外部安裝靶標(biāo)，用于飛行器對(duì)其進(jìn)行精確跟蹤與測(cè)量。后端通過4個(gè)爆炸螺栓與發(fā)射裝置連接。拖拽繩索用于連接抓捕機(jī)構(gòu)和發(fā)射裝置，在拖拽目標(biāo)的同時(shí)，作為抓捕機(jī)構(gòu)和飛行器之間的供電線路和信息鏈路為抓捕機(jī)構(gòu)供電并傳遞遙測(cè)、遙控信息，其內(nèi)部安裝電纜，外層選用質(zhì)量輕、柔韌性好、強(qiáng)度大的材料，并確保收攏時(shí)不產(chǎn)生靜電，不容易纏繞。

飛爪抓捕機(jī)構(gòu)前端的機(jī)械手由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)和左右機(jī)械手等組成。抓捕開始時(shí)，機(jī)械手完全張開；當(dāng)與目標(biāo)小于一定距離、滿足抓捕初始條件時(shí)，發(fā)出開始抓捕指令；機(jī)械手接到指令后，快速合攏，完成初始捕獲；然后機(jī)械手緩慢回收，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的鉤掛。

（2）吸附抓捕裝置方案

飛爪抓捕裝置抓捕位置示意圖

吸附抓捕裝置由射入式抓捕機(jī)構(gòu)、發(fā)射裝置和拖拽繩索組成。射入式抓捕機(jī)構(gòu)由捕獲彈頭、彈簧鎖舌和殼體等組成，總質(zhì)量不大于0.6kg，無姿態(tài)和軌道控制能力。每個(gè)捕獲鎖的頭部采用高硬度和高強(qiáng)度的材料制成。整個(gè)抓捕過程如下：初始入射時(shí)彈簧鎖舌張開，抓捕機(jī)構(gòu)以一定速度飛向廢棄衛(wèi)星壁板并撞擊射入；射入壁板過程中，彈簧鎖舌被動(dòng)壓入殼體內(nèi)；穿透壁板后，彈簧鎖舌彈起到初始位置，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)拖拽操作。

抓捕目標(biāo)

（1）飛爪抓捕裝置抓捕目標(biāo)

對(duì)廢棄衛(wèi)星進(jìn)行拖拽清除操作，無需機(jī)械手與目標(biāo)剛性連接，只需確保在繩索拖拽方向上實(shí)現(xiàn)牢固地鉤掛目標(biāo)特定部位即可，根據(jù)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式，可以用于抓取廢棄衛(wèi)星上有減輕孔洞的支架、桁架結(jié)構(gòu)支架、太陽(yáng)電池支架或衛(wèi)星上與運(yùn)載火箭連接的對(duì)接框，這些部位一旦抓取即可拉動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)拖拽清除。

（2）吸附抓捕裝置抓捕目標(biāo)

箱板式構(gòu)型是大多數(shù)衛(wèi)星普遍采用的構(gòu)型方案，射入式吸附抓捕機(jī)構(gòu)的抓捕目標(biāo)為箱板式廢棄衛(wèi)星的壁板，這類結(jié)構(gòu)多為鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)。地面試驗(yàn)表明，射入式吸附抓捕機(jī)構(gòu)以10°入射角（入射方向與吸附面法向夾角）、2m/s相對(duì)速度碰撞鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，可以穿透壁板，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的拉動(dòng)清除。

5 結(jié)束語(yǔ)

靜止軌道空間碎片對(duì)在軌衛(wèi)星及未來空間任務(wù)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，因此對(duì)其進(jìn)行清除意義重大。通過對(duì)靜止軌道廢棄衛(wèi)星清除任務(wù)的分析表明，空間機(jī)動(dòng)操控平臺(tái)技術(shù)是解決此問題的重要手段。碎片清除飛行器有望實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)廢棄衛(wèi)星的拖拽清除，且具有較強(qiáng)的目標(biāo)適用性和一定的工程指導(dǎo)意義，為空間碎片主動(dòng)清除技術(shù)深入研究提供支撐。