采用电动力绳系清除空间碎片的优劣势分析

唐琼,张烽,张雨佳

(中国运载火箭技术研究院研究发展部,北京100076)

1 空间碎片环境现状

目前，空间碎片的数目急剧增长，在轨的编目空间物体已经突破1.8万个，其中大多数是空间碎片。如表1所示，截至2018年8月31日，美国空间监测网 (SSN)编目的在轨废弃物数量已达19201个，而无法编目的微小废弃物质量已达几千吨，数量超过200亿个。

由于空间碎片轨道的自然衰减过程相当缓慢，若不采取措施，未来50年间，碎片数量将以每年10%的速度增加[1]。近地轨道 (LEO)是有限资源，因此，有必要采取碎片减缓或清除措施来解决废弃航天器和火箭残骸的问题。

2 空间碎片清除技术现状

空间碎片的清除技术，包括推移离轨、增阻离轨、捕获离轨、服务后重用和自主离轨五个方面。表2针对每个方面，列举了典型的技术方法，从适用轨道高度范围、清除目标类型、以及应用前景三方面，将各种方法进行归纳总结[1]。

3 电动力绳系离轨原理

当导电系绳在地球磁场中运动时，由于切割地球磁力线而在系绳中产生电动势，当系绳和大气电离层中的自由电子和离子构成闭合回路时，便能在系绳中产生电流，电流和地球磁场相互作用会在系绳上产生洛仑兹力。洛仑兹力与航天器运动方向相反，与大气阻力的作用是一致的。

电动阻力的概念就是利用导电系绳中的电流与地磁场之间互相作用产生的洛伦兹力。用于减速的洛伦兹力F(电动阻力)以复杂的方式由系绳系统设计参数、轨道及当地电离层的特性确定。

式中，I(l)是系绳中流动的电流；dl是系绳长度的微分；B是当地地磁场。系绳中的电流由感应电压Φ自我维持，感应电压Φ由系绳切割磁场的相对运动产生:

其中，v是系绳相对于磁场的相对速度矢量。电动力产生的功率表示如下:

在电动力作用下，航天器从轨道半径a2的圆轨道降到轨道半径a1的圆轨道 (a1＜a2)所需时间可由下式估算:

式中，μ8是地球引力常数；m是航天器质量 (包括系绳系统)；a是轨道半径。

通过分析可知，对于赤道面轨道，能够获得最大效率的电动阻力。对于倾角较大的轨道，由于轨道运动与地磁场的相对几何关系，且电离层离子的密度相对较低，电动阻力的效率较低。

对于绳系系统设计，另一个要考虑的重要参数是系绳长度L，由式 (1)可知，其值决定感应电压，并与阻抗一起确定系绳中的电流。通常，较短的系绳具有较小的感应电压和电流，这意味着离轨的时间将更长。虽然增加系绳长度使其性能更优，但在质量、挠性、空间碎片风险方面要付出代价。

4 绳系离轨试验

到目前为止，在太空开展电动力绳系系统全尺寸的试验为数不多，但是关于电动力绳系离轨的可行性研究已经开展了近10年。国外已经研究了形式多样的电动力系绳配置，并对其离轨性能进行了评估。

美国TUI公司由 Robert P.Hoyt和 Robert L.Forward于1994年成立，致力于利用电动力清除近地轨道的废弃航天器。该公司基于电动力绳系技术开发了一种轻巧可靠的空间系绳产品，称为终结者 (Terminator Tether，TM)。TM系绳系统的设计取决于被清除航天器的质量及其所在的轨道。对于典型的LEO轨道航天器，TM系绳的长度为5～7.5km，系统质量为航天器的1% ～2%。表3给出了7.5km电动力系绳的离轨时间，对质量为1500kg的航天器实施离轨，系绳系统质量占航天器总质量的1%，离轨过程从初始轨道高度降低到距离地面250km处。

表1 编目在轨废弃物数量统计 (截至2018年8月31日)Tab.1 Statistics of the amount of cataloged orbital wastes(up to August 31，2018)

表2 主要空间碎片清除方法Tab.2 Main removal methods of space debris

表3 电动力绳系离轨时间研究数据[2]Tab.3 Research data on the deorbit time of electrodynamic tethered system

事实上，对于5～10km的典型电动力绳系长度，洛伦兹力随着有效载荷质量、轨道倾角和高度的增加而减小，以每天2～50km的速率降低系绳系统的轨道高度。

5 优劣势分析

5.1 优势

(1)减轻质量

与其它推进系统相比，电动力绳系离轨系统的主要优点是不需要任何推进剂。传统的化学推进器的推进剂质量占总质量很大一部分 (10%～20%)。而一个典型的电动力绳系系统，重约30～50kg，就完全可以实现航天器的离轨，发射时仅占运载工具质量的百分之几 (1% ～5%)。此外，化学推进器必须能够保证在比任务时长更长的时间内可靠地运行。而系绳系统在任务期间将处于非活动状态，在轨等待航天器离轨指令即可。电动力绳系系统通过消除大量推进剂发射和长期在轨存贮的需求，大大降低了成本，提高了空间推进和操作的可靠性。

(2)减少离轨时间

使用电动力绳系离轨的另一个好处是，LEO的离轨时间仅比大气阻力衰减离轨缩短若干个数量级。对于一颗500km高度以上的典型航天器，受自然轨道扰动影响，轨道寿命可能是几十年到几千年。而终结者TM系绳系统则可以将运行在LEO轨道上的航天器在几周到几个月时间内推离轨道。

(3)提高ATP有效性

离轨技术的主要目标是从轨道上移除废弃的和不需要的航天器，使它们不会对其他航天器构成碰撞威胁。使用系绳离轨会增加航天器系统的横截面积，从而增大了系统在任务期间遭受意外碰撞的可能性。然而，碰撞可能性不仅仅取决于横截面积，还取决于航天器离轨所花费的时间。对于仅通过气动阻力离轨的航天器，系统横截面积相对较小，离轨进入地球大气层所需的时间有可能是数百年或数千年。因此，即使系绳增加了航天器系统的横截面积，但是轨道衰减速率使离轨时间大幅缩减，足以补偿横截面积增加带来的不利影响，大大降低系绳离轨系统与其它航天器碰撞的概率。

评估离轨技术有效性的标准不仅仅是它是否与大气阻力衰减相比减少了离轨时间，而是其是否减小了离轨时间和航天器横截面积的乘积 (Area-time-Product，ATP)。根据 Forward和Hoyt16的研究结果 (表3)，证明了终结者TM系绳系统可以显著降低大多数LEO轨道的ATP值。

5.2 风险

电动力绳系系统的系绳通常非常长，而且薄，这导致其极易出现故障，如系绳断裂等。系绳的意外断裂可能是由许多原因造成的，包括制造缺陷、系统故障、材料退化、振动以及与其它航天器元件的接触。而通过设计、质量检查及任务期间对系绳动力学和稳定性的主动控制，可以防止以上大多数原因。

尽管如此，由于系绳的直径较小，容易被相对较小的流星体和轨道碎片撞击并切断，由此产生的系绳碎片给在轨航天器造成了额外的碰撞风险。未来，可以通过增加系绳直径或采用其它创造性的设计来提高系绳的生存能力。

因此，在电动力绳系系统应用于空间碎片减缓任务之前，必须解决下述问题:

(1)评估系绳对空间环境的影响。确定绳系系统与在轨航天器的碰撞风险，系绳切断后的残余物造成的碰撞风险，以及系绳之间发生碰撞的可能性。

(2)评估系绳的生存能力。评估任务期间系绳被空间碎片和流星体切断的风险。

6 结论和建议

目前，国内外已经提出了一些基于电动力绳的离轨装置以缓解空间碎片的解决方案，但是，从空间碎片的角度来看，电动力绳系系统会在太空中带来一些新的问题。因此，尽管电动力绳系系统很有可能成为缓解空间碎片的有效措施，但在实际采用这种技术之前，系绳对空间环境的影响以及系绳的生存能力这两个问题需要重点考虑。