空间碎片能量转化利用技术*

任莹莹，李京阳，蓝 磊，宝音贺西，王贤宇

(1.内蒙古工业大学 航空学院·呼和浩特·010051;2.清华大学 航天航空学院·北京·100084)

0 引 言

国际机构间空间碎片协调委员会(Inter-Agency Space Debris Coordination Committee，IADC)和联合国和平利用外层空间委员会(United Nations Committee on The Peaceful Uses of Outer Space，UNCOPOUS)对空间碎片的定义是：“空间碎片是指在地球轨道运行或进入稠密大气、所有失效且无望再恢复其原有功能的人造物体，包括解体产生的碎片及其零部件等，即使不能确定这些物体的所有者”[1]。1957年，人类第一颗人造卫星Sputnik-1成功发射，拉开了航天时代的帷幕[2]。据估计，目前在轨的空间目标直径在1cm以上的人造卫星超过了75万个，直径在1cm以下的超过了1亿个。在轨航天器和各类空间物体的数量正以每年200～300个的速度增长。航天器与空间碎片碰撞的风险大大增加，空间碎片严重威胁着航天器的正常在轨运行，近地空间环境急剧恶化。空间碎片环境日益恶化，不但威胁着航天器的安全太空飞行，空间碎片还可能在重返大气层时撞击地球，危及人类生命，并用有毒物质破坏环境[3]。空间碎片对航天器造成了巨大威胁。通常，尺寸大于10cm的空间碎片与航天器碰撞，会造成毁灭性破坏。厘米级空间碎片与航天器碰撞，可能会导致航天器完全损坏。空间中还有大量的毫米级和微米级的空间碎片。毫米级空间碎片可能会导致航天器表面穿孔或形成凹坑、天线变形、压力容器或密封舱泄漏等，微米级空间碎片累积撞击效果可导致航天器表面砂蚀、光敏或热敏等器件功能下降，甚至失效[4]。2013年5月24日，厄瓜多尔“飞马座”立方体卫星与苏联1985年发射的火箭燃料箱残骸在印度洋上空发生激烈相撞，导致卫星寿命终结，震惊了世界[5]。

根据NASA的公开文件，以及精密的卫星轨道计算，为了确保重要卫星的稳定和安全运行，从现在起，每年都需要将大概5～10枚失去功能的卫星从现轨道中脱离[6]。1978年，凯斯勒在论文中提出，当某一轨道高度的空间碎片密度超过一个临界值时，将发生碎片链式撞击效应，碎片之间的链式碰撞过程会造成该高度轨道资源的永久破坏，该高度轨道资源将彻底不可用，这一现象又被称为“凯斯勒综合征”[7-8]。空间碎片是人类空间活动产生的空间废物。随着空间活动频率的增加，空间碎片数量迅速增加，对人类空间资产安全构成了严重威胁，是全世界面临的重大挑战。积极清除空间碎片是国际社会的共识，是构建人类命运共同体的重要内容之一，对保障国家空间资产安全、维护国家安全和利益、确保国际外空事务主导地位和太空话语权、塑造航天大国的责任与形象、引领高新技术的创新和发展、促进新兴太空经济和产业模式的产生等，均具有重要意义[9]。

目前针对空间碎片问题，国内外研究主要集中于主动规避和单纯清理范畴。空间碎片主动清除技术主要包括以下几类：

空间机器人捕捉移除技术：从传统的以刚性抓捕为代表的单臂空间机器人[10]、多臂空间机器人[11]、手爪机器人[12]，到当下十分热门的柔性连接抓捕装置空间绳系飞网[13-15]等，世界各国的大学和研究机构已经提供了很多的空间垃圾主动抓捕清除方案。

激光主动移除空间碎片技术：利用地基/天基激光清除空间碎片[16-17]。

其他主动清除技术：如电动力绳索移除技术[18-19]、充气阻尼移除技术[20]、两用末级火箭方案技术等。但是，这些想法往往受制于各种因素的影响，特别是难以解决轨道器变轨、追逐、交会目标碎片过程中带来的大量燃料消耗，这些因素严重制约了清理器的工作寿命和工作效率。本文提出了空间碎片发动机的新概念和空间碎片清理的新方法。空间碎片发动机以空间碎片清理工作为基础，在将捕获到的空间碎片通过机械方式进行初步分解后，通过球磨方式将碎片粉碎到一定细度。将粉末通过一定的方式充电之后，在单级或多级串列式静电加速器中将粉末加速后将其高速喷出，为空间碎片发动机进一步变轨提供足够动力。这些粉末离子化物将在太阳风及地球磁场的作用下飘离地球周围。一方面，碎片发动机可对地球周围的空间碎片进行清理，为人类可持续利用空间环境提供保障。另一方面，碎片发动机为航天器获得动力提供了足够工质，延长了航天器在轨使用寿命和飞行距离，提高了单次发射的工作效能。

1 空间碎片发动机

空间碎片本身来源于航天器，如果能够就地取材，利用空间碎片为航天器长时间在轨运行提供推进剂，将具有重要的应用价值。本文提出了空间碎片发动机的设想，将空间碎片转化为发动机可用的推进剂。空间能量可由太阳能电池板提供，着眼解决空间碎片清理器高能低效的不足，借助可持续性的碎片推进剂补给，延长清理航天器寿命，使其具备多次、大范围机动工作的能力。

本文提出的空间碎片发动机，致力于在空间中将捕获的空间碎片变废为宝，用碎片粉末替代惰性气体(氩气或氙气)作为发动机推进剂。其主要流程如下：清理航天器通过一定的机械装置抓捕目标碎片后，将碎片分解并粉末化。在将粉末通过一定的方式充电之后，在单级或多级串列式静电加速器中将粉末进行加速并高速喷出，从而产生推力，为空间碎片清理航天器进一步变轨提供足够动力。喷射出去的离子化物在太阳风的作用下，很快飞离地球周围轨道，一方面清理了空间环境，另一方面就地取材，将空间碎片转变为轨道器的推进剂，延长了清理航天器单次发射的工作寿命。

2 空间碎片粉末化

空间碎片的主要成分是铝合金及铝、锌、钛等金属及其氧化物，部分为航天员产生的含钠、钾成分的废物及电子产品产生的含铜、银等成分的碎片。其中，铝合金占所有空间碎片组成成分的70%以上。因此，本文将铝合金作为空间碎片的主要模拟材料[21]。

在目标碎片被捕获后，首先将较大尺寸的碎片用机械方法分解成小块。下一步，将空间碎片制成微米粉末。目前，有几种可供选择的粉末制备方法。激光能使碎片表面迅速蒸发并转化为蒸气。但是，如果碎片在空间碎片发动机内部的密闭空间中被分解，就很难确保设备本身不会被激光损坏[22]。超声雾化技术是制备球形金属粉末的另一种方法[23]，但在雾化过程中，首先要将磨屑转化为熔融聚变，能耗很大。在太空的黑暗面，碎片会在低温和真空环境中受到伤害。在这种情况下，铝、钛、铁等金属会变脆。因此，机械粉碎是一种直接而实用的方法。它对粉末的圆度或形状无任何要求，只对粉末细度有较高要求，要求研磨出的粉末粒度达到微米级。综合考虑，使用球磨机研磨空间碎片是一种可行的方法[24]。

2.1 实验材料

实验中所研究的空间碎片模拟材料主要可分为金属材料和非金属材料两个部分。金属材料包括工业纯铝1050、铝合金5052、铝合金6061、铝合金7075、钛合金TA1、钛合金TC4等。非金属材料包括工程塑料聚醚醚酮(PEEK)、聚砜(PSU)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚芳醚砜(PES)、聚醚酰亚胺(PEI)，以及太阳能帆板材料等。

2.2 实验设备

本文使用的是德国莱驰(Retsch)PM100 行星式球磨仪，其研磨罐与研磨球均为不锈钢材质，其实物如图1(a)所示。PM100 行星式球磨仪可应用于矿物质、金属矿石、合金、化学品、玻璃、陶瓷、植物组织、土壤、污泥、生活、工业垃圾、食品、医药等的研磨。其作用原理如下：行星式球磨仪的研磨罐位于其底部太阳轮的偏心位置。研磨罐绕轴自转，与公共的太阳轮转动方向正好相反，太阳轮与研磨罐的转速比为1∶-2。研磨罐中的球在与研磨罐一起运动时受到Coriolis力的叠加影响。研磨罐和研磨球的运动速度之差产生强摩擦力和撞击力，因而释放了大量动能。这种撞击和摩擦的组合使得行星式球磨仪在研磨时的粉碎程度极高。PM100行星式球磨仪的研磨罐如图1(b)所示。

鼓风干燥箱是一种常用的仪器设备，主要用来干燥样品，也可以提供实验所需的温度环境。鼓风干燥箱广泛用于试样的烘熔、干燥或其他加热应用，其最高工作温度为300℃，温度精度可达±0.1℃。电热恒温鼓风干燥箱适合测定煤中水分、烘干物品、干燥热处理及其他加热之用。鼓风干燥箱的实物如图1(c)所示。

本项目所用的激光粒度分析仪为BECKMAN公司LS l3 320型激光粒度分析仪。贝克曼库尔特LS 13 320系列微纳米激光粒度分析仪应用颗粒光散射原理，根据光学理论推算颗粒粒度分布，主要适用于粉体或各种材料颗粒粒度的分析，其最大特点是粒度分析动态范围宽，操作简便快捷，自动化程度高，可广泛应用于质量控制实验室、质量控制部门及其他粒度分析领域。激光粒度分析仪的实物如图1(d)所示。

(a)德国莱驰(Retsch)PM100行星式球磨仪

2.3 实验设计及结果

根据2.1节的介绍，本实验所研究的空间碎片模拟材料主要可分为金属材料和非金属材料两部分。

针对金属材料，在将其初步分解后使用德国莱驰公司的PM100行星式球磨仪对金属材料进行研磨。将研磨形成的粉末通过电热烘箱进行干燥后，用研钵进行简单分解。用溶剂分散后，将其放入激光粒度分析仪进行粒度分析；对于非金属材料，在将其初步分解后使用金属制旋转粉碎机进行粉碎研磨，其他步骤与金属粉末检验过程一致。

2.3.1 钛合金研磨实验

钛合金的质地较硬且韧性强，在对钛合金进行研磨时使用的参数如表1所示。

表1 两种钛合金研磨参数设置

其中8∶2 的研磨间歇比是为了防止研磨过程过热造成研磨罐中压力过大，以及合金融化等情况的发生。

两种钛合金研磨后的粒度分布如图2所示。

(a)钛合金TA1研磨4小时的粉末尺寸分布

经过4小时的研磨，大部分钛合金样品都被研磨到了很小的粒度，且大部分都集中于10μm以下，也就是微米量级。粉末的粒度大致呈现正态分布的状况。钛合金TA1出现了双峰的状况。有少部分的粉末尺寸还在10μm以上，将来需要通过一定的回环机制实现闭环的研磨过程。

2.3.2 铝合金研磨实验

由于铝合金的硬度相对于钛合金较低，所以适当降低了铝合金研磨时的转速，以确保研磨罐温度不过高，从而导致铝合金样本在罐中出现融化现象。在对铝合金进行研磨时使用的参数如表2所示。

表2 四种铝合金研磨参数设置

图3(a)是使用的铝合金初始样品的照片，其尺寸在30mm以内。图3(b)是研磨后的样品。图3(c)为激光粒度仪检验试剂。由于在放置的过程中，样品有可能吸水受潮，所以在检测之前，需要通过烘箱进行一定时间的烘干，使样本脱水，并在研钵中进行简单的分离。最后，加入溶剂，使样本在溶剂中分散，这有利于激光粒度分析仪对其做出准确的测定。

(a)实验用铝合金材料

工业纯铝1050和铝合金5052、6061、7075四种物料研磨后的粒度分布如图4所示。

(a)工业纯铝1050研磨3小时的粉末尺寸分布

经过3小时的研磨，大部分铝合金样品都已被研磨到了很小的细度。其中，工业纯铝1050和铝合金6061的粉末尺寸基本都在10μm以下，而铝合金7075和5052则仍有少部分粉末尺寸超过10μm。在今后的实际生产过程中，也需要一定的检测、筛分及回环机制来实现闭环的细度控制，以确保碎片粉末的均一性。

2.3.3 研磨时间对物料尺寸的影响实验

为研究研磨时间对物料尺寸的变化，设计了以下实验过程，并使用铝合金6061和铝合金7075作为研究材料进行实验，实验结果如表3所示。

表3 铝合金6061和7075研磨机器参数设置

图5所示为铝合金6061和7075粉末分别研磨了1小时、2小时和3小时后的粒度分布。

(a)铝合金6061研磨1小时的粉末尺寸分布

由实验结果可得，铝合金6061和铝合金7075两种样品在研磨1小时后，基本能够进入粉末状态，但此时的粉末细度没有办法达到微米级的要求。再经过进一步的研磨，粉末进一步被磨细。在研磨2小时时，铝合金的粉末基本能达到20μm～30μm的尺寸量级。再经过1个小时的持续研磨，大部分铝合金粉末能够达到微米级的要求。

2.3.4 非金属材料研磨实验

对于非金属材料，使用久品不锈钢粉碎机进行研磨，粉碎机的参数如表4所示。

表4 非金属材料粉碎参数设置

由表5可知，工程塑料聚醚醚酮(PEEK)、聚砜(PSU)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚芳醚砜(PES)、聚醚酰亚胺(PEI)经研磨后，基本可以将粉末粉碎到10μm量级。不过，塑料粉末存在细小纤维互相缠绕的状况。太阳能帆板材料经研磨后，通过激光粒度分析仪，分析了太阳能帆板粉碎后的粒径。其结果如图6所示，可见其也可以达到微米级的要求。

图6 太阳能帆板粉碎后的粒度统计分布

表5 工程塑料粉碎后的粒径大小

由于工程塑料的疏水性较强，难以找到有效的溶剂使其分散在其中。因此，使用显微镜对其进行测定。粉碎之后的工程塑料粉末尺寸多集中于20μm ～30μm量级。一个需要提出的问题是，粉碎之后的工程塑料呈现纤维状，且比金属粉末更容易聚合，将其有效分散和转运是一个需要考虑的问题。

2.4 实验结果分析

各种合金经研磨后，其粉末尺寸呈正态分布，大部分粉末的粒度可达微米级，但小部分粉末还达不到微米级要求。将来，需要通过一定的回环机制实现研磨效果的闭环控制。铝合金和钛合金都具有良好的延展性，其在研磨过程中可能出现被打成片状或长条状的情况，这是一个需要解决的问题。由于金属延展性的存在，研磨时的转速不应设置得过快。此外，需要着重注意的是研磨过程中的散热问题，以确保铝合金不因过热而熔化。

各种工程塑料及太阳能帆板材料经研磨后，基本可被粉碎至10μm量级。不过塑料粉末存在细小纤维互相缠绕的状况，这是将来在实际使用时需要重点考虑的一个问题。

3 粉末加速方式

上一节着重介绍了空间碎片粉末化的方法。利用球磨仪研磨方法，可以将空间碎片模拟材料粉碎至微米级。空间碎片粉末化之后，最关键的是如何将其利用，并产生推力。

本节中调研了三种可能的推进方式，分别为静电加速[25]、电磁加速和激光加速[26-27]。电磁推进的发动机结构较为复杂，对工质的要求较高，激光推进中的高能激光电光转化效率较低。静电加速发动机原理清晰，结构相对简单，易于实现，而且系统能量利用率较高。在下文中，详细研究了静电加速推进方式。

静电加速推进方式是将粉末通过一定的方式进行充电之后，在单级或多级串列式静电加速器中将粉末加速后将其高速喷出、从而产生推力的一种方法。使用电子束充电是一种有效的粉末充电方式。随着粉末半径的减小，以及电子束密度的增大，粉末的充电电荷可以提高，充电效果较为明显。这些带电粉末将在粉末静电加速器中完成加速并高速喷出。粉末静电加速器是一种使用高压静电加速带电粉末的设备。相比回旋加速器，高压静电粉末加速器结构简单，功耗更小，造价较低。国外研究表明，采用粉末静电加速器可以将直径为0.2μm的粒子加速到18(km/s)，而当微粒直径为0.02μm时，其末速则可高达100(km/s)。

图7是静电加速系统的整体示意图。静电加速系统主要由碎片初步分解系统、球磨研磨系统、放电腔和静电加速系统构成。空间碎片在初步分解系统中被初步分解为较小尺寸的碎块，碎块尺寸小于1cm。之后，进入球磨研磨系统进行研磨，研磨细度需小于1μm。紧接着，这些粉末在放电腔中带上正电荷，充电完毕进入静电加速系统中完成加速，最终从尾喷管高速喷出，产生发动机推力。静电发生器提供粉末带电的正电荷，并在喷口处将电子释放入空间，保持整个航天器的电平衡。

图7 静电加速系统示意图

空间碎片发动机的比冲及推力取决于碎片粉末相对于喷口的速度，即喷流速度为：

(1)

(2)

式中：Isp为比冲；g0为重力加速度。

碎片发动机的比冲大小取决于加速电场、充电电场的大小，以及带电粉末的荷质比。因此，提升碎片发动机比冲的关键在于：一是要提高充电电场的电压，提高充电电子束的密度，提高充电效率；二是要提高静电粉末加速电场的总电压；三是要提高空间碎片粉末的细度。这需要合理安排研磨机的球罐配比、旋转速率及研磨流程，提高研磨的质量和效率，从而提高带电粉末的荷质比。

发动机的推力可计算如下：

(3)

假设发动机在真空状态下工作，且发动机内外压力平衡，可得发动机推力为：

(4)

发动机的推力主要取决于喷口处的射流质量流量大小和粉末射流相对于喷口的速度。在输入功率一定的情况下，比冲与推力成反比。空间碎片发动机可以通过分配功率的方式调节比冲：将电源功率分成两部分，一部分进入球磨系统，另一部分进入静电加速系统和放电系统。如果需要获得大的推力，可将大部分功率输送给球磨系统，产生较多的粉末，而加速效能较低，可带来更多的低速带电粉末，因而发动机的比冲较小，推力较大；如果需要获得高比冲值，可将大部分功率送往静电加速系统和放电系统，产生数量较少但速度较大的带电粒子。此时，发动机推力较小，但比冲较高。低比冲/高推力模式可提供较大的加速度，使清理航天器在较短的时间内获得较大的速度增量；而高比冲/低推力模式可减少粉末的消耗量。对于给定的飞行任务，通过比冲和推力的设计，可以实现飞行器飞行轨迹的优化。

4 结 论

由于人类日益频繁的空间活动，空间碎片数量日益增多，给在轨航天器安全构成了严重威胁。如果放任其发展，空间中将有可能发生灾难性的“凯斯勒”效应，多数在轨航天器将在空间碎片的链式破坏中损毁，给各国经济、军事、民用等各领域造成极大灾难。目前，各国航天机构都建立起了地基监测网络，对可能的空间碎片碰撞事件进行预警。

本文所提出的空间碎片发动机，立足于使用捕获到的空间碎片，将空间碎片转化为发动机可用的推进剂。在完成碎片清理目标的同时，获得可持续的动力来源，延长了清理器的工作寿命。本文主要针对空间碎片制粉的方法进行了研究，提出使用球磨仪对金属样本进行研磨，使用转刀式粉碎机对非金属材料进行粉碎。实验发现，大部分金属样品在球磨机的研磨作用下，多数粉末粒径达到微米量级，少数大颗粒需经过筛分再研磨来实现粉末大小的均一性。

本文同时研究了粉末推进的三种方式，即静电推进、带电磁推进和激光推进，详细分析了三种推进方式的优缺点，并进行了比较。电磁推进的发动机结构较为复杂，对工质的要求较高；而激光推进中的高能激光电光转化效率较低；静电加速推进方式原理清晰，结构相对简单，易于实现，而且系统能量利用率较高，符合空间碎片发动机对工作环境的要求。

空间碎片发动机虽然起源于空间碎片清理任务，但是可持续、低标准的推进剂供应，也将为小行星探测、行星际航行等任务提供更好的思路。