基于空间站平台的空间碎片探测与清除技术

2015-07-07焦建超郑国宪苏云北京空间机电研究所

国际太空 2015年4期

焦建超郑国宪苏云（北京空间机电研究所）

基于空间站平台的空间碎片探测与清除技术

焦建超郑国宪苏云（北京空间机电研究所）

1　引言

近几十年来，人类航天活动日益频繁，航天器发射数量不断增加，由此产生了大量的空间碎片，包括运载工具、失效载荷以及由空间物体碰撞产生的碎片等。空间碎片的相对运动约10km/s，能够对航天器造成多种形式的危害，如严重改变航天器的表面性能、运行姿态和轨道，甚至可导致载人航天器的严重损毁，威胁航天员的生命安全。

目前太空中已编目的大于10cm的物体约2万个，主要为空间碎片；1～10cm的碎片超过50万个；小于1cm的碎片可能有几千万个。不同尺寸空间碎片对航天器有不同程度的威胁，通常，对于尺寸小于1cm的空间碎片，采用被动屏蔽防护结构为航天器提供保护；对于尺寸大于10cm的空间碎片，地基探测设备可以获得其轨道信息，航天器根据预警信息进行规避机动；对于尺寸1～10cm的空间碎片，数量庞大，并且目前地基探测设备不具备对其跟踪定轨的能力，是载人航天器的重要威胁。

目前我国地基设备还不具备探测10cm以下空间碎片的能力，而天基探测不存在地球大气的影响，可以近距离、高精度探测小尺寸空间碎片。天基探测是近年来空间碎片探测的发展趋势。根据公开报道的资料，美国、俄罗斯和加拿大等国已经开展了天基空间碎片探测的研究工作。随着我国载人航天的推进以及空间探测研究的迅速发展，对天基空间碎片探测系统的需求日益迫切。

高度400km轨道的空间碎片环境

2　服务于空间站平台的空间碎片探测与清除措施分析

天基空间碎片探测的主要技术手段包括光学探测和雷达探测两种方式，由于雷达探测系统能够对空间碎片进行精确定轨，“国际空间站”主要采用雷达对近距离范围空间碎片进行监视，以满足基本的空间碎片预报和规避需求，包括毫米波雷达和Ku频段雷达。毫米波雷达系统能够对“国际空间站”附近25km范围内0.4～8cm的空间碎片进行跟踪测量，观测范围俯仰方向为±15°，方位相为360°，为“国际空间站”提供冲撞警告，以及对空间碎片的数据库提供更新数据；Ku频段雷达最大探测距离为400km，能够探测在“国际空间站”轨道面上出现的2～10cm的空间碎片，提前1～2个轨道得到准确的预报，为机动规避做决策和准备。但是，进行机动规避需要与地面通信，由地面分析后才能给出规避策略，雷达（受限于口径、功率）仍无法满足对于远距离空间碎片探测的需求。

根据对空间碎片危害的分析，1～10cm空间碎片能够造成航天器的损毁，并且数量庞大，空间站不可能频繁地进行规避机动。据统计，“国际空间站”平均每年进行规避飞行14次，每次规避飞行需要付出巨大的代价：动员大量的人力、物力加强监测和预警工作，航天员必须暂停工作和试验项目躲进对接的载人飞船内，并且空间站机动需要消耗大量的燃料。针对这一问题，美国进行了“激光扫帚”试验，主要目标是清除“国际空间站”轨道上对其构成威胁的尺寸为1～10cm的空间碎片。激光主动清除方法可快速处理对空间站构成威胁的碎片，减少对空间站正常运行的干扰，降低碰撞概率。但是该方法能源消耗大，探测范围小，探测距离短，无法长时间开机对空间站周围进行实时监测。

综上所述，对于空间站轨道面上1～10cm尺寸空间碎片的探测与清除，总结如下：

1）采用雷达探测方式能够精确定轨，但是探测距离短，为空间站提供规避机动的时间有限；

2）采用激光主动清除方法清理空间碎片时效性高，但是探测范围小、探测距离短，导致探测效率低，并且长时间开机会消耗大量能源；

空间碎片的探测与清除都对全天时、远距离、大视场、低耗能的系统提出了需求，对比几种天基空间碎片探测手段，红外探测系统的特性满足上述应用需求。

红外探测系统具有以下优点：①探测距离远，红外探测系统的探测能力与目标距离的平方成反比，而雷达探测系统的探测能力与目标距离的4次方成反比；②全天时探测，红外探测系统可对地影区空间目标进行有效探测，可对空间站周围空间碎片进行实时监视；③低耗能，红外探测为被动探测方式，不需要空间平台提供大量的发射能量。因此，建立基于红外探测系统的空间碎片探测与清除体系，能满足我国空间站安全防护需求。

3　基于天基红外系统的空间碎片探测与清除体系的构建

空间碎片探测是一个复杂的体系，单个系统无法实现对空间站所处轨道面上所有空间碎片进行精确定轨、编目，尤其是要对危险目标及时进行激光主动清除，更是需要多个系统联合工作。依据我国空间站在轨运行安全以及对空间碎片安全防护的需求，在此提出基于天基红外系统的空间碎片探测与清除概念。

体系构成及功能

基于天基红外系统的空间碎片探测与清除体系利用空间站平台，联合红外探测系统、雷达定轨系统、激光清除系统、数据处理系统和通信系统，可实现对远距离空间碎片的探测与清除，为我国空间站提供空间碎片告警及安全防护服务。

（1）红外探测系统

该系统发挥其远距离探测的优势，可对大视场范围内远距离1～10cm尺寸空间碎片进行全天时的探测，实时为雷达定轨系统和激光清除系统提供空间碎片的初始轨道信息和开机触发信号，减小雷达系统和激光系统的准备时间，提高空间碎片探测与清除效率。

（2）雷达定轨系统

该系统具有精确定轨的优势，根据红外探测系统发出的引导信息，对给定方向的空间碎片进行探测，确定空间碎片的精确轨道，并进行高精度碰撞预报，为激光清除系统提供精确的空间碎片方向和位置信息，引导激光清除系统清除空间碎片。

（3）激光清除系统

该系统根据雷达定轨系统给出的空间碎片方向和位置信息，锁定空间碎片，发射激光清除空间碎片。

基于天基红外系统的空间碎片探测与清除体系

工作原理

红外探测系统连续对空间站周围空域进行扫描，探测到视场范围内空间碎片后，对其进行初定轨，并进行轨道预报。确定其可能飞入空间站的安全警戒区域时，向空间站发出警告信号，并由空间站下传至地面站。同时，通知雷达定轨系统、激光清除系统开机，根据红外探测系统提供的空间碎片粗略位置信息，雷达定轨系统指向该位置并对这一空域进行搜索，发现目标后对其进行精确定轨，并确定该目标对空间站的威胁程度。威胁程度超过某一阈值时，触发激光器发射激光清除碎片，或将碎片推至其他轨道。

该体系具有以下特点：

1）探测距离远。通过采用红外探测系统为雷达定轨系统和激光清除系统提供引导信息，探测距离可提高到1000多千米，能够在远距离范围进行空间碎片探测。

2）探测视场大。通过安装一维指向机构，红外探测系统可在水平方向实现360°全方位的探测，扩大探测视场。

3）安全防护性能高。红外探测系统可在远距离探测到空间碎片目标，为空间站提供警告信息，雷达定轨系统可实现空间碎片的精确定轨，并由激光清除系统清除空间碎片，实现对空间站的安全防护。

4）时效性高。该体系由在轨数据处理系统处理各分系统的结果，并由决策系统做出决策，减少了对地面人员的依赖，大大缩短从发现到清除的时间，具有很高的时效性。

5）能源消耗低。采用被动红外探测系统为主动雷达定轨系统、激光清除系统提供开机触发信号和引导信号，减少雷达、激光系统开机时间，能够大大降低空间站的能源消耗。

4　空间碎片探测与清除体系的关键技术

基于天基红外系统的空间碎片探测与清除体系包括红外探测分系统、雷达分系统、激光分系统和数据处理分系统，实现对远距离空间碎片的探测与清除，需要重点解决以下几项关键技术。

（1）红外探测系统的空间碎片初定轨技术

实现三大系统联合对空间碎片进行探测与清除。首先需要红外探测系统为雷达定轨系统和激光清除系统提供引导信息，是空间碎片探测与清除的前提。红外探测系统在远距离、大视场范围内搜索空间碎片，对发现的空间碎片目标进行初定轨，为定轨和清除系统提供空间碎片的轨道信息并进行轨道预报。因此，首要问题是解决红外探测系统的空间碎片初定轨技术。

初轨确定一般基于非线性二体动力学模型采用近似或回归算法，通过迭代计算完成。通常，初定轨方法分为Laplace型和Gauss型两类，而随着观测技术的提高，初轨确定已不局限于简单的三次测角数据进行初始轨道确定，充分利用大量的测量数据统计特性提高初定轨精度，如对测量进行中心平滑、利用多点测量的广义Laplace方法，以及采用M-估计的稳健迭代方法等。由于空间碎片的预警时间短，需要较高的初定轨精度。因此，需在现有初定轨技术基础上，研究新的初定轨方法，以提高红外系统的初定轨精度。

（2）空间站安全预警模型研究

为我国空间站提供安全预警服务，需对空间站开展安全预警模型研究。目前，国际上使用的判定碰撞交汇的方法有Box区域判定法和计算碰撞概率方法。其中Box区域判定法，通过在航天器周围定义警戒区域和规避区域，根据空间碎片的初始轨道信息和轨道预报信息，计算未来航天器与空间碎片之间的距离是否已经构成碰撞危险。但是Box区域判定法的引入考虑到了空间碎片定位和交汇预报的误差，因此会造成很多错误预警。

对于我国空间站的安全预警，应立足于我国空间站的具体情况，对我国空间站的安全特性及预警需求进行分析，研究基于空间碎片定位和交汇预报误差的碰撞概率，并结合传统Box区域判定法建立我国空间站安全预警模型。

（3）激光主动清除空间碎片技术研究

对于空间站，根据“国际空间站”的经验，采用被动屏蔽防护措施可以应对尺寸小于1cm空间碎片的撞击；预警-机动飞行可以躲避尺寸大于10cm空间碎片的撞击；而对于尺寸1～10cm的空间碎片，屏蔽措施难以进行防护，由于其数量庞大，频繁进行机动躲避将消耗大量资源。从世界各国研究进展来看，从密集运行的轨道中移除碎片的有效技术途径是激光推进（烧蚀）方法。

激光清除空间碎片根据清理效果可分为灼烧和推进，其中灼烧是利用强大的连续波激光照射碎片使其升华，实现碎片清理；推进时利用高能脉冲激光束照射碎片表面，为碎片提供一定的速度增量来降低近地点高度，达到缩短碎片轨道寿命的目的。美国进行了激光主动清除空间碎片的可行性研究工作，对于大多数低地球轨道空间碎片来说，改变其速度可以在一次过境时完成。该技术涉及到大功率激光器、激光与空间碎片作用机理研究以及激光烧蚀与推进等多项关键技术。目前我国大功率激光器技术得到了较大的发展，需在激光与空间碎片作用机理方面开展基础理论研究工作，为实现空间碎片激光清除系统奠定技术基础。

无线能量传输技术取得新进展

日前，中国空间技术研究院西安分院依托国家科技部“分布式可重构卫星系统”863课题的研制，首次完成了微波高效无线能量传输系统演示验证试验。研究团队突破了微波无线能量传输总体设计技术，掌握了匹配发射接收、高效固放等关键技术，达到了微波低副瓣高效能量传输效果。目前整个系统利用2.4m口径的固面发射天线、2.4m口径的微带阵列接收天线、以及高效固放等完成了相关指标测试，当微波发射功率为50W、传输距离11m时，系统整体DC-DC传输效率优于16.5%。本演示系统的研究成功，将促使微波无线能量传输技术的工程应用，为我国空间太阳能电站的研究提供了技术支持，同时也将为深空探测、永久月球基地等重大科学研究项目中能源供给问题提供初步的解决方案。