空间碎片再利用新型推进技术研究

2020-09-16林倩方忠坚王远陈芳浩罗莉

空间碎片研究 2020年2期

林倩，方忠坚，王远，陈芳浩，罗莉

(北京控制工程研究所，北京100190)

1 引言

空间碎片是空间环境的主要污染源。近年来，空间碎片数量在不断地持续上升，对航天器安全和航天员生命造成巨大威胁[1]，因此空间碎片的清理势在必行。一般会通过主动清除与机动规避等方法对空间碎片进行处理。国内外针对主动清除空间碎片的技术研究十分广泛，包括激光清除方法、通过空间机械臂及绳网等方法进行抓捕清除的方法，以及太阳帆变轨移除方法等。

目前大部分碎片是航天器解体后形成的，采用的都是航天器最常用的材料，如铝、镁、钛等轻合金，可以作为新型推进的工质来源。空间碎片若能实现再利用，将会推动空间推进领域的技术创新，实现空间飞行器的自给自足，对延长航天器的在轨寿命具有重要意义。同时，通过发展空间碎片的再利用技术，还能为空间基地、空间中转站的长期在轨研究打下基础。文献 [2]中提出了空间碎片发动机的新概念和一种空间碎片清理的新方式。

本文探索了空间碎片在被捕获之后，进行物质分解、破碎及加速的方法与技术，提出了以空间碎片粉末为工质的新型推进技术和空间碎片能量转化再利用系统方案，对空间碎片发动机进行原理性论证，设计了基于超声雾化技术的粉末化模块和基于微阴极电弧技术的空间碎片发动机模块，完成了空间碎片推进模块的方案设计，达到清除空间碎片和延长航天器使用寿命的目的。

图1 空间碎片再利用系统模块图Fig.1 Debris reutilization propulsion module system

2 空间碎片粉末化处理

空间碎片主要由报废的空间装置、失效的载荷、火箭残骸、绝热防护材料、分离装置及因碰撞、风化产生的碎屑物质组成，基本包含航天器上使用的所有材料。文献研究表明，空间碎片成分中，铝、镁、钛等轻合金占到了60% ～70%[3]。因此本研究主要以钛、铝等金属材料作为研究对象，来研究其粉末化技术。本文主要研究利用超声雾化技术来对熔炼后的金属类空间碎片进行粉末化处理。

超声雾化主要可以分为超声气雾化和超声振动雾化两大类。

超声气雾化的原理是利用超声振动能量和超声速气流冲击熔融金属液，撞击成金属液滴，经冷却形成细小的金属粉末颗粒。气雾化法主要靠动能使液流破碎，制粉效率较高，但需要消耗大量惰性气体，生产成本较高。

超声振动雾化在金属粉末制备领域属于新型雾化技术。其雾化机理为高频振动激发表面张力波，金属薄液层在张力波作用下雾散成细小液滴，液滴破碎能量来自于电能转化过来的声能，雾化过程基本以静态模式进行。液滴破碎能量仅来自于电能转化过来的声能，并且由于金属液体与超声聚能器振动表面直接接触，雾化所需要的超声能量很小，不像超声气雾化那样消耗大量的惰性气体，且其雾化基本以静态模式进行，无任何高速运动。该法工艺设备简单、可控性高，适于制备粒度分布窄、球形度好、氧含量低的微细金属粉体，目前已成为制备高品质金属粉体材料的首选方法[4]。

对于超声雾化的机理描述一直沿用Kelvin提出的表面张力波理论，Rayleigh通过计算和试验总结出雾滴直径 (D)与超声振动频率 (f)、液体的物化特性 (密度ρ，表面张力系数σ)之间的关系、表述为如下公式[5]。

这种工作方式一般用较低的超声频率，如20～40kHz。上式表明，采用超声雾化方法制得的金属粉末的颗粒直径与超声工作频率成反比，工作频率越高，所制得的粉末粒度越细。

综上所述，通过超声振动雾化技术制备粉末的方法工艺设备简单、可控性高，适于制备粒度分布窄、球形度好、氧含量低的微细金属粉体，十分有利于后续将碎片粉末作为发动机工质，因此选用超声振动雾化技术来对熔炼后的金属类空间碎片进行粉末化处理。

3 空间碎片加速技术研究

3.1 几种空间碎片加速技术研究对比

3.1.1 基于电磁轨道炮技术的粉末加速技术

电磁轨道炮的工作原理是根据电磁感应定律，两导轨相互平行，发射组件沿着导轨轴线方向滑动，产生洛伦兹力，推动弹丸向炮口做加速运动，将电磁能转换成动能。发射时，电流在导轨的末端通入，沿一根导轨流动，通过电枢，沿另一根导轨流回，构成闭合回路。大电流流经导轨回路感应出强大的磁场，电枢中的电流和这个磁场相互作用，产生了非常高的推动发射组件向前做加速运动的电磁力，当电枢到达炮口时，电枢和电枢前面的弹丸获得高速度，弹丸脱离电路或轨道，开始自由飞行。尽管加速速度不高，但加速的动能也超过单个空间碎片粉末粒子达到千米/秒级别的动能，因此可以初步认为，采用电磁炮加速技术来加速碎片粉末具备可行性。

3.1.2 基于等离子体加速器的碎片加速技术

等离子体加速器主要用于地面模拟超高速微小空间碎片撞击效应，其加速原理可以直接应用于碎片粉末加速。

等离子体加速器是将高压电能储存在电容器中，通过电容器储存能量，在金属丝或金属膜上放电，产生高温、高压等离子体，利用等离子体将微粒加速到超高速范围。研究表明，利用高温度、高密度、高压强的等离子体可以将直径为10～1000μm的微粒加速至l～20km/s[6]。等离子体加速器适合微粒子群的发射，其发射机理是靠超高速等离子体流对微粒子群的 “拖曳”作用。等离子体加速主要靠高温度、高密度、高压强的等离子 “带动”微粒来使其加速运动。若要将该类加速机制用于空间碎片发动机，需要额外提供气源来生产等离子体。

3.1.3 基于范德格拉夫静电加速器的微米级碎片加速技术

静电加速器用于驱动粉尘级微小碎片，尺寸一般是几十纳米到几微米大小的粉尘粒子。在微米级空间碎片超高速撞击地面模拟实验中有成功应用先例，也是空间碎片发动机加速机理备选方案之一。其基本工作过程是通过粉尘粒子源使粉尘带上电荷，并将带电微粒发射到静电加速区，通过静电加速器发射超高速粒子。国外研究表明，采用粉尘静电加速器可以将直径0.2μm的粒子加速到18km/s，微粒直径0.02μm时，速度高达100km/s[7]。

3.1.4 激光烧蚀推进加速技术

激光推进的实质就是激光与物质相互作用。激光是一种相干性、单色性、方向性和强度均极高的辐射能量源。当高功率密度激光与固体或液体材料相互作用时，若其功率密度高于一定的阈值，则能使材料表面迅速气化产生蒸汽，蒸汽会产生显著的原子激发和离化。这种已部分电离的蒸汽将通过逆韧致辐射机理强烈吸收后续激光辐射能量而进一步电离，形成高温等离子体，其温度可达几千至几万度。当高功率密度激光与气体相互作用时，强激光能量能使气体发生光学击穿，气体分子剥离出电子，形成等离子体。这个特点使得激光推进可以应用到很多领域内的空间任务中。将激光烧蚀推进技术应用于空间碎片，主要需要解决基于碎片粉末的靶材制备问题。而粉末化之后的粉末颗粒具备加工成任意形状靶材的可能性，可以作为空间碎片加速的有前景的备选方案。

3.1.5 基于微阴极电弧技术的空间碎片发动机技术

微阴极电弧推力器 (Micro-Cathode Arc Thruster，μCAT)属于电推力器，利用真空条件下放电电弧烧蚀阴极材料产生高速的等离子体以产生推力。微阴极电弧推力器主体由阴极、阳极、绝缘材料、电磁线圈及磁芯组成。当电感储能触发放电后，烧蚀阴极材料，产生等离子团；使用电磁线圈提供外加磁场，磁场以一定角度穿过放电通道，置于电磁线圈阴极一侧的磁芯用于约束磁感线方向；在电场力及洛伦兹力的作用下，等离子体从放电通道喷出产生推力。

对以上五种加速方式进行从结构尺寸、供电供气等方面进行比较分析，分析结果如表1所示。可以看出，等离子体加速技术由于需要高压及外部供气，同时需要高压且系统复杂，不太适合本研究。电磁轨道炮加速技术、范德格拉夫静电加速器加速技术、激光烧蚀推进加速技术、微阴极电弧技术相对来说技术更简单，需要的外部设备少，不需要辅助气体，系统更紧凑；但静电加速需要高压可能会限制其使用；从推力大小、功耗大小方面、系统负责程度来进行比较，微阴极电弧推力器有着较好的优势。由于空间碎片粉末化处理之后，可以方便地采用粘合剂制成各种形状的微阴极，因此微阴极电弧推力器是一种较适用于空间碎片发动机的系统方案。

3.2 基于微阴极电弧技术的空间碎片发动机技术

微阴极电弧推力器 (Micro-Cathode Arc Thruster，μCAT)，下面简称 μCAT。微阴极电弧推力器是由美国乔治华盛顿大学近年来研制的一种新型推力器[8]，其利用真空条件下放电电弧烧蚀阴极材料产生较高电离度的高速等离子体，并利用外加磁场聚焦等离子体以产生推力。μCAT具有总冲较高、元冲量较小、系统质量较低、系统体积较小、造价低廉等优点，且易于实现模块化，易于批量化生成，能够满足推进模块化的需求。

表1 不同加速方式特点对比Table 1 Comparison between different acceleration manners

微阴极电弧推力器主体由阴极、阳极、绝缘材料、电磁线圈及磁芯组成，具体如图2所示。当电感储能触发放电后，烧蚀阴极材料，产生等离子团；使用电磁线圈提供外加磁场，磁场以一定角度穿过放电通道，置于电磁线圈阴极一侧的磁芯用于约束磁感线方向；在电场力及洛伦兹力的作用下，等离子体从放电通道喷出产生推力。原理如图3所示。

微阴极电弧推力器主要具有以下优点:

(1)电压低、质量轻、体积小:微阴极电弧推力器的电极间距是毫米级，因此只需要10V级电压即可产生电弧。同时因为使用电感储能方式，采用IGBT控制电路，省却了升压模块，且采用固体推进剂省去了推进剂贮存系统及供给系统，所以质量轻 (100g量级)，体积小 (100cm3量级)。

(2)烧蚀均匀:在外加磁场作用下，可旋转微阴极电弧推力器电极上的炽点位置，实现均匀烧蚀。

图2 微阴极电弧推力器结构图Fig.2 μCAT structure

图3 微阴极电弧推力器原理图Fig.3 μCAT principle

(3)比冲高:由于在推力器上加上电磁加速模块，磁场加速了烧蚀产生的带电粒子，打破化学推进的约束，比冲在3000s量级，与普通的电推力器相比也具有很大的竞争力。

(4)控制灵活:脉冲工作方式，可通过调节放电频率实现较广范围的性能参数。另外推力器上附加的加速磁场可以通过励磁电流的大小，调节对带电粒子的加速作用产生不同的性能。通过三个不同心的外加磁场可以实现微阴极电弧推力器的矢量控制。

美国乔治华盛顿大学MPNL实验室研制的微阴极电弧推力器样机的性能参数如表2所示[9]。

表2 微阴极电弧推力器性能参数Table 2 μCAT performance parameters

由微阴极电弧推力器的主要特点及性能参数可知，微阴极电弧推力器非常适用于微纳卫星的轨道保持、姿态控制等低功耗、小推力、微冲量的航天任务。

北京控制工程研究所及其研究团队已攻克了阴极工质均匀烧蚀、低电压放电击穿、磁场设计等关键技术，完成原理样机点火验证工作，并采用实验手段研究磁场对推力器影响；采用PIC/MCC方法开展数值仿真，获得推力器内部及羽流区相关参数分布，对其工作过程及工作机理开展研究，为工程应用奠定了基础[10]。

4 空间碎片推进系统方案初步设计

根据本项目的研究思路，空间碎片推进系统由三部分组成:碎片预处理模块、超声雾化及存储模块、动力转换装置，如图4所示。

4.1 预处理模块及超声雾化模块

预处理模块和超声雾化模块系统方案如图5所示。

图4 空间碎片推进系统组成Fig.4 Debris thruster system

空间碎片粉末化处理模块由熔炼器、超声振动雾化器、电源处理单元 (PPU)、中央控制单元(CMU)四部分组成。

图5 空间碎片粉末化处理模块系统方案Fig.5 Debris pulverization module system project

熔炼器:熔炼器用于对空间碎片进行熔炼预处理，生成的熔融液作为阳极伞状雾化振动头的输入。阳极既与阴极之间生成电弧直接融化空间碎片，又充当超声雾化器的振动工作头。熔融液在惰性控制气体的约束下运动至振动头后，在超声聚能放大器的作用下，开始高频振动，当振动面的振幅达到一定值时，薄液层在超声振动的作用下被击碎，激起的液滴即从振动面上飞出形成雾滴。同时保护气还对雾滴进行冷却，生成金属粉末，通过收集槽进入贮存室。

超声振动雾化器:超声振动雾化器由振动信号生成器，压电晶体转换器和超声聚能放大器组成。震荡电压生成器生成震荡电压信号驱动压电晶体换能器，经过放大器放大之后，为伞状雾化头提供能量来源。

电源处理单元 (PPU):用于产生高电压脉冲至熔炼器电极以产生电弧放电，以及在稳态工作期间将卫星母线电源转换为适当的电压和电流以维持电弧；另外，PPU要具有与航天器的遥测遥控接口，用以传输电弧推进系统的状态至航天器以及从航天器接收遥控指令。PPU还应具有卫星电源母线保护功能和隔离噪声的功能。

PPU组件与本系统其他部分的关系为:提供一次电源供电的接口；为熔炼器提供启动脉冲供电；为超声雾化器提供工作电源。

中央控制单元 (CMU):CMU的主要功能是按照时序逻辑控制电源处理单元 (PPU)、熔炼器、超声振动雾化器的工作。按照指定时序逻辑控制电源处理单元中各模块电源的通断；控制熔炼器中阴极的运动，使阴阳极间的间距与放电电弧功率保持最佳匹配；控制PPU为熔炼器提供稳定的脉冲供电；控制超声振动雾化器的工作频率，使生成的粉末粒度满足需求；负责和卫星CMU的双向数据通信能力，提供模块的遥测/遥控接口；具有应对模块自身各种故障模式的识别和处理能力。

4.2 动力转换装置

通过第3节的研究对比，最终选择以微阴极电弧技术来设计动力转换装置。采用环形电极方案来开展微阴极电弧推力器系统结构设计，整个动力转换装置系统组成如图6所示。主要包括:微阴极电弧推力器、微阴极棒制备器、微阴极棒装填输送装置、装填器、电源及控制电路六大部分。

微阴极电弧推力器:微阴极电弧推力器通过真空条件下放电电弧烧蚀阴极材料产生高速等离子体产生推力，由阴极、阳极、磁芯、电磁线圈及弹簧组成。当电感储能触发放电后，烧蚀阴极材料，产生等离子团；使用电磁线圈提供外加磁场，磁场以一定角度穿过放电通道，置于电磁线圈阴极一侧的磁芯用于约束磁感线方向；在电场力及洛伦兹力的作用下，等离子体从放电通道喷出产生推力。通过弹簧控制微阴极的运动，使得微阴极始终保持端面烧蚀。

微阴极棒制备器:微阴极棒制备器主要起由碎片粉末制备微阴极棒的作用。通过使用特制胶水和模具，直接将粉末制备成微阴极的尺寸。

微阴极棒装填输送装置:输送装置主要起到将制备器生成的棒材移动到装填窗处，并压紧使其进入微推力器的功能。主要涉及的功能有夹持、运输、压紧等三大功能。

装填器:装填器由控制电机、弹簧压紧端、钢索、钢索盘等装置组成。主要用于在更换微阴极棒时，通过控制电机运动带动钢索盘，使钢索拉紧弹簧压紧端从而使弹簧收缩。当弹簧进一步收缩，微阴极装填窗打开，为状态输送装置装填做准备。

电源及控制电路:实现由整星母线电压到各组件工作电压的转换，为整个推进系统各个组件提供所需的电压、电流；控制电路负责控制指令的解析。