近地轨道空间碎片清除策略分析

刘 林， 杨 健， 王建华

（1.装备学院 研究生管理大队，北京101416； 2.装备学院 航天装备系，北京101416）

自从1957年苏联开始太空活动以来，越来越多的国家和组织加入了探索和利用太空环境的行列，人类的航天事业取得了巨大的成就。与此同时，由于自然和人为因素，人类也给太空环境留下了巨大的隐患——空间碎片。空间碎片是地球轨道上或再入到大气层中的无效的所有人造物体［1］。地球上空的空间碎片数量与日俱增，对航天活动构成了很大威胁，空间碎片的清除技术研究成为了当前各航天大国研究的重要领域。

1 空间碎片的分布与危害

空间碎片主要分布在2 000km以下的近地轨道（LEO）和地球同步轨道区域。各航天大国都在加强对空间碎片的跟踪监测和防护研究。截至2012年1月，美国空间监测网（Space Surveillance Network，SSN）编目的在轨空间物体数量已近22 000颗，其中90%以上属于空间碎片。

空间碎片的来源包括火箭箭体、任务相关碎片、非功能性航天器及解体碎片，其中解体碎片是空间碎片的重要来源，解体原因可分为撞击和爆炸2种，而碰撞已成为当前空间碎片最主要的来源。2009年，俄罗斯废弃的Cosmos 2251卫星和美国正在使用的Iridium 33卫星以11.64km／s的相对速度发生碰撞产生了大量空间碎片，已有2 000余颗被SSN跟踪并编目［2］。这次事件强烈预示了空间碎片碰撞的恶性循环过程，也称为Kessler效应［3］，即当碎片的数量达到一定程度后，空间碎片的碰撞会发生级联效应，使空间碎片的数量急剧增加，甚至可能使近地空间无法再利用。

空间碎片环境日益恶化，严重威胁着在轨航天器的安全运行。由于空间碎片与航天器的平均撞击速度为10km／s，对航天器具有很大的破坏力。较大的碎片会导致航天器彻底损毁，较小的碎片则会对航天器表面产生累积撞击损伤，减短航天器寿命。自然或人为因素使空间碎片再入大气层时还会对地面人类生存环境和生态系统构成威胁［4］。

2 LEO空间碎片问题亟待解决

当前地球轨道上的物体总质量已达6 300t，其中43%（2 700t）的物体分布在2 000km以下的LEO。NASA空间碎片研究人员Liou J C等［5－6］利用近地轨道—地球静止轨道（geostationary earth orbit，GEO）环 境 碎 片 模 型（LEO－to－GEO environment debris，LEGEND）对 大 于10cm的空间目标未来200a的变化趋势进行了预测。每种仿真条件均采用蒙特卡罗方法进行100次计算。

基于LEGEND进行仿真，考虑最理想的条件，即未来200a内不再进行发射活动，针对LEO大于10cm的空间碎片仿真结果如图1所示。

图1 理想条件下，LEO空间碎片的增长

由图1可以看出，在不进行发射活动的情况下，由于大气阻力等原因任务相关碎片和爆炸碎片逐渐减少，但碰撞产生的碎片数量却不断增多，2050年之前碎片总量基本保持不变，之后由于碰撞产生的碎片数量急剧增加，碎片总量会出现净增长，说明碰撞将成为空间碎片的主要来源。

预测地球轨道空间碎片的变化趋势，包括LEO（200～2 000 km），中地球轨道（medium earth orbit，MEO）（2 000～35 586km）和GEO（35 586～35 986km）。仿真条件为：考虑最坏的情况，即卫星发射频率不变，但不采取任何碎片减缓措施。针对大于10cm的空间碎片仿真结果［7］如图2所示。

图2 在不采取减缓措施的情况下，LEO、MEO和GEO空间碎片数量的变化

由图2可以看出，在不采取任何减缓措施的情况下，未来200a内LEO区域空间碎片的数量会呈非线性快速增长，这主要是由空间碎片碰撞引发的Kessler效应导致的后果［8］；相反，MEO和GEO区域的空间碎片数量则呈现缓慢增长的趋势。这表明，LEO区域空间碎片的清除工作是目前需要考虑的最主要问题。

3 现有减缓措施的不足

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（Inter－agency Space Debris Coordination Committee，IADC）于2002年发布了《空间碎片减缓指南》。根据该指南，空间碎片的减缓主要有钝化、系留、垃圾轨道和重复利用等4种 任 务 后 处 理（post－mission disposal，PMD）预防措施［9］。

设计3种仿真条件［10］：①航天器发射频率正常，采取PMD减缓措施，成功率为90%，不进行主动 碎 片 清 除（active debris removal，ADR）；②选择大质量和高碰撞概率的物体为目标，每年主动清除2个空间碎片，其他条件不变；③选择标准同条件②，每年主动清除5个空间碎片，其他条件不变。考虑到技术和成本等方面的问题，ADR从2020年开始。最终的仿真结果如图3所示。

从图3可以得到以下结论：①与图2的结果比较，在保持发射频率不变的情况下，采取PMD措施会大大减缓空间碎片的增长速度；②如果从2020年开始，同时进行PMD和ADR，每年清除2个空间碎片，碎片增长速度会降低50%左右；③如果每年清除5个空间碎片，则空间碎片总数基本保持不变，保持相对稳定的状态；④可以推测，如果每年能够清除更多的空间碎片，则空间碎片环境能够得到改善。

图3 采取不同空间碎片清除措施，碎片环境变化趋势

通过仿真分析可知，现有碎片减缓措施在一定程度上能够减缓空间碎片的增长趋势，但不能改变空间碎片总量继续增长的趋势。空间碎片之间的相互碰撞成为未来碎片数量增长的主要因素，只有采取ADR措施，清除影响比较大的碎片，才能从根本上阻止空间碎片的增长趋势，进而改善空间碎片环境。

4 ADR策略

空间碎片的清除涉及目标的选择、技术可行性、成本收益比等多方面的内容，必须进行合理的规划，明确以下几个方面的问题：实施ADR关键区域；短期和长期的任务目标；优先清除哪类碎片；怎样实施操作，等等。弄清这些问题的答案能够促进有关技术的发展，并引导ADR措施的贯彻实施。

4.1 任务目标选择

由前文分析可知，LEO是当前空间碎片清除工作的重点区域。不同的任务目标会导致不同的研究路线。空间碎片清除的目标有多种，包括控制LEO碎片数量的增长，限制碰撞事件的发生，减缓近期和长期的有效载荷失效风险，降低人类太空活动的危险等。下面选择2种目标分别进行分析。

1）以对运行航天器威胁较大的空间碎片为清除目标。当前，尺寸为1 mm以上的空间碎片数量超过了1亿个，与航天器发生碰撞的概率相当大。对于大多数航天器而言，尺寸仅为0.5～1.5cm的碎片就可能导致部件功能失效［11］，该尺寸范围正是当前大多数航天器防护装置所能抵御的最大碎片尺寸，由于碰撞概率较高，对航天器具有较大的威胁。如果要减小航天器功能失效的风险，则应选择该尺寸的碎片作为清除目标。

LEO区域0.5～1.5cm的碎片数量巨大，且呈现动态特性。这主要是由于这类小空间碎片很容易受到大气阻力、太阳引力、地球扁率、辐射压力等摄动因素的影响。在1 000km高度的小空间碎片，受到大气阻力的影响，会逐渐下降到较低的轨道，直至进入大气层烧毁，同时，较高轨道的空间碎片会螺旋下降到该高度的轨道，这种动态特性给碎片清除工作带来了极大的挑战。

2）以空间碎片产生根源的大空间碎片为清除目标。如前所述，碰撞已成为当前空间碎片数量不断增加的主要因素。大空间碎片之间的相互碰撞会产生大量的小空间碎片（如Cosmos 2251和Iridium 33的碰撞），引发Kessler效应，这是空间碎片环境不断恶化的根本原因。如果要从根本上限制空间碎片的增长，则应以大质量大尺寸的空间碎片为清除目标，主要包括火箭残骸和非功能性航天器，前者约占空间碎片总质量的46%，后者约占空间碎片总质量的51%。

因为碰撞概率高的物体容易与其他物体发生碰撞，而大质量物体碰撞后易产生更多的小碎片，所以选择目标的标准Ri（t）＝Pi（t）·mi，i＝1，2，…，其中，mi是目标i的质量，Pi（t）是目标i在t时刻的碰撞概率。针对需要清除的碎片，通过计算得到R值，把R值较大的碎片作为优先清楚目标。碎片环境模型LEGEND正是基于这样的选择标准模拟碎片清除，进而预测未来碎片数量的变化趋势［12－13］。由图3可以看出，采用这种标准，可以大幅缓解空间碎片数量的增长趋势，使碎片数量趋于稳定。考虑到物体形状等因素，应优先清除形状比较简单的火箭箭体残骸。

4.2 清除技术选择

国外航天机构如NASA、ESA等早在20世纪80年代就开始了空间碎片清除技术的研究，提出了很多清除技术概念，包括激光、磁场发生器、增加阻力装置、磁力帆、电动力缆绳、可附着离轨装置等。对于小空间碎片主要有收集和灼烧熔化2种方式。对大空间碎片主要是进行离轨或降轨进入大气层烧毁。下面主要对理论上比较成熟的几种清除技术进行分析［14－15］。

1）激光清除技术。激光可使碎片灼烧熔化或对碎片产生推力作用，利用激光照射可使碎片温度升高直至升华，也可将激光束照射到碎片表面，产生一定推力，使碎片降轨进入大气层或垃圾轨道，适用于该技术的碎片尺寸小于0.1 m。其优点是多次利用、效率高；其面临的主要技术难点是大功率的激光发射装置和瞄准跟踪精度。

2）碎片收集装置。大面积的碎片收集器可以捕获LEO上的大量小碎片，清除效果明显，适用于该技术的碎片尺寸小于0.1m。其优点是效率高；但这种装置必须有巨大的面积且能在轨展开，并耗费大量时间来进行碎片清除。如在国际空间站轨道高度，面积为1 000km2的收集器要运行1a才能清除400个尺寸为1.5～3cm的碎片。

3）电动力缆绳。将一根很长的电动力缆绳连接到废弃卫星上，利用缆绳切割地磁场产生的电动拉力使之脱离运行轨道，最终进入大气层烧毁，适用于该技术的碎片尺寸大于0.1 m。其优点是节约能源；该技术面临的难题是长缆绳与其他物体发生碰撞的可能性以及再入大气层对地面可能造成的风险。

4）增加阻力装置。将增加阻力的装置如充气气球或薄膜帆等附着在碎片上，可以增大碎片受到的大气阻力，使碎片轨道迅速降低，减少轨道寿命，适用于该技术的碎片尺寸大于1 m。其优点是效率高、成本低；该技术面临的难题是增阻装置的大面积特性使其在降轨过程中存在可能与其他航天器或碎片发生碰撞的危险。

一个完整的空间碎片清除过程包括发射、推进、精确跟踪导航控制、轨道交会、稳定、捕获以及降轨或拖入坟墓轨道等过程。上述清除技术目前还处于理论研究和试验阶段，距离实用还有一定的距离，且需要考虑如何最大限度降低成本。选择何种清除技术，必须对各种技术的优缺点进行全面评价，评估可能带来的次生灾害，以达到最大的成本收益率。

5 结 论

随着航天活动的发展，LEO空间碎片问题亟待解决。现有的空间碎片减缓措施不足以控制LEO碎片数量的增长趋势。为改善空间碎片环境，需要制定长期的清除策略规划，以体积较大的火箭残骸和废弃航天器或者以威胁较大的0.5～1.5cm的空间碎片为主要清除目标，可有效限制碎片数量的增长或减小对航天器的威胁程度。清除空间碎片涉及成本、技术、政治、所有权和责任等多方面的因素，各国应该在达成一致的基础上，共同协作进行空间碎片清理，改善空间环境。

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［1］徐春凤，张文祥.航天行业标准：《空间碎片术语》标准报批稿［J］.空间碎片研究与应用，2010，10（2）：36－46.

［2］The NASA Orbital Debris Program Office.Monthly number of cataloged objects in earth orbit by object type［J］.Orbital Debris Quarterly News，2011，15（3）：1－8.

［3］KESSLER D J，COUR－PALAIS B G..Collision frequency of artificial satellites：the creation of a debris belt［J］.Journal of Geophysical Research，1978，83：2637－2646.

［4］王若璞，张超，朱凯.空间碎片环境及其探测方法［J］.军事测绘，2010（1）：23－25.

［5］LIOU J C，JOHNSON N L.Risks in space from orbiting debris［J］.Science，2006，311：340－341.

［6］LIOU J C，HALL D T，KRISKO P H.LEGEND－a three－dimensional LEO－to－GEO debris evolutionary model［J］.Advances in Space Research，2004，34（5）：981－986.

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［8］WIEGMANN B M.Best mitigation paths to effectively reduce earth's orbital debris［R］.Huntsville：Marshall Space Flight Center M10－0151，2009：2－6.

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［10］LIOU J C.Active debris removal－agrand engineering challenge for the twenty－first century［R］.Houston：Johnson Space Center JSC－CN－23896，2011：1－6

［11］LIOU J C.Engineering and technology challenges for active debris removal［R］.Houston：Johnson Space Center JSCCN－24113，2011：1－8.

［12］LIOU J C，JOHNSON N L，HILL N M.Controlling the growth of future LEO debris populations with active debris removal［J］.Acta Astronautica，2010，66：648－653.

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［14］JOHNSON N L，KLINKRAD H.Space debris environment remediation concepts［J］.Orbital Debris Quarterly News，2009，13（2）：5－6.

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