逐步迈向应用的空间碎片主动移除技术

唐浩文，邓刚，宋博

（1.北京空间科技信息研究所，北京 100086；2.中国航天科技国际交流中心，北京 100048）

1 引言

1.1 空间碎片环境加速恶化，空间碎片治理成为主流共识

空间碎片是指所有绕地球轨道运行且不再有任何实用目的的人造空间物体。随着近年来人类太空活动快速增长，在轨物体数量持续快速上升。截至2022年底，全球共发射入轨航天器15113个。2022年全球发射航天器2516个，创历史新高，约为2012年发射数量的18倍。低轨巨型星座爆发式发展是卫星数量井喷式增长的重要原因，巨型星座普遍采用的微小卫星由于入轨失败率、运行中失效率、不受控离轨率较高等原因，使得外空中空间碎片加速增长。根据欧洲航天局（ESA）发布的信息，目前地球轨道上尺寸大于10 cm的空间碎片超过3.4万个，尺寸1～10 cm的空间碎片超过90 万个，尺寸0.1～1 cm 的空间碎片约1.3 亿个。据美国政府估计，地球轨道上的空间碎片不仅主要集中在高度低于2000 km的低地球轨道，而且从低地球轨道到地球上空36000 km 的地球同步轨道目前已存在超过8000 t轨道碎片。

包括空间碎片在内的在轨物体数量快速增加，使外空物体在轨碰撞与解体风险显著上升［1］。大量空间碎片分布在航天器常用的低轨太阳同步轨道和高轨地球同步轨道，与航天器平均碰撞速度约为10 km/s，经超高速撞击试验表明，直径1 mm 左右的铝球即可击穿卫星蜂窝板并对内部设备造成严重威胁。国际空间站在2021年5月12日的例行检查中，发现“空间站远程操纵系统”（SSRMS）机械臂被空间碎片损伤，臂架与热毯部分损坏，因碎片尺寸过小无法跟踪，具体碰撞时间未知。美军民气象卫星系列自2004年以来，发生过5 次在轨爆炸解体，最近一次为2021年3月10日，美国国家海洋与大气管理局（NOAA）的NOAA-17卫星曾按要求进行了减缓处理，包括星上蓄电池断接和推进剂贮箱泄压等，但依然发生了在轨解体。这一系列的在轨碰撞与解体事件表明，空间碎片环境恶化程度日益加深，航天发射和在轨卫星运行安全的现实威胁日益严重和突出，国际社会对空间碎片问题愈发关注，主要航天国家均认为碎片治理势在必行。

1.2 空间碎片主动移除成为应对空间碎片威胁的必然选择

为应对空间碎片威胁，国际上已建立了相关国际准则［2］，对任务末期离轨、钝化等提出了具体要求，对减少碎片产生、降低碎片数量增长速度起到了一定效果，但这些要求不具有法律效力，实际执行情况不佳，并且这些措施主要仅针对新发射的航天器，无法解决目前已经在轨存在的危险性、危害性最大的碎片（如大型失效卫星）。因此，主动移除成为从根本上遏制空间碎片增长的必然选择。

空间碎片主动移除按技术手段可分为捕获离轨移除、天基激光移除、增阻离轨移除等。当前美、欧、日等主要航天国家和地区研究的重点主要在于技术成熟度较高的接触式抓捕离轨移除技术［3］，以及发展前景较好的非接触式激光烧蚀驱动离轨技术［4］。本文将系统阐述这两种方案的典型项目。

2 抓捕移除方案

2.1 总体概述

接触式抓捕离轨技术是指任务航天器通过将捕获工具伸出、展开或插入空间碎片（或失效航天器）实施抓捕，然后离轨，以达到移除目的。抓捕移除空间碎片通常包括对非合作目标的交会与逼近、对接/抓捕、目标离轨几个阶段，涉及空间目标精确定位定姿、自主相对导航与逼近、对接/抓捕、组合体控制等难度较大的技术，存在较大安全风险，致使碎片主动移除长期停留在概念研究与地面试验阶段。

近年来，随着空间技术发展，基础技术逐步成熟，针对米级大型空间碎片的捕获离轨技术取得较快进展，美、欧、日等主要航天国家和地区已基本完成关键技术攻关和地面演示验证阶段，已经开展了一些天基演示验证试验，当前正处于全面开展天基演示验证和实际应用的准备与实施阶段。目前美国利用成熟的国际空间站交会对接技术推动在轨服务的工程应用，现已发射2个“任务拓展飞行器”（MEV）在轨延寿系统，已具备了对地球静止轨道和坟墓轨道目标进行交会抓捕、轨道转移的能力。

全球首个在真实空间环境下实施的空间碎片搜索-交会-对接-离轨全过程演示验证任务——“宇宙尺度寿命末期服务-演示验证”（End-of-Life Services by Astroscale-demonstration，ELSA-d）便是在此基础上开展的［8-10］。

2.2 日本ELSA-d项目

（1）项目概况

ELSA-d是日本宇宙尺度公司（Astroscale）开展的空间碎片主动移除技术演示验证项目，于2021年3月22日06：07（北京时间3月22日14：07）搭乘俄罗斯联盟-2-1a 火箭，从哈萨克斯坦拜科努尔航天发射中心发射入轨。

ELSA-d重点演示验证低轨空间碎片交会、对接、离轨等技术，为后续发展实用性空间碎片主动移除系统积累技术和经验。ELSA-d是全球首个在真实空间环境下实施的空间碎片搜索-交会-对接-离轨全过程演示验证任务，标志着空间碎片主动移除向实用化迈进了一大步。

（2）系统设计

ELSA-d 由两个航天器组成，即“清除航天器”和用于模拟空间碎片的“目标航天器”。二者连接在一起发射进入高度约550 km的低地球轨道，如图1所示。

图1 ELSA-d“清除航天器”和“目标航天器”缩比模型Fig. 1 Scaled model of “chaser spacecraft” and “target spacecraft” in ELSA-d project

根据Astroscale公司官网发布的视频，ELSA-d系统将按照从易到难、逐步接近真实条件下空间碎片移除场景的顺序，分三个阶段实施在轨演示验证任务。

阶段一：非翻转目标交会-对接演示验证。入轨后“清除航天器”将“目标航天器”释放，“目标航天器”模拟非翻转合作目标，“清除航天器”自主靠近目标，并利用磁吸机构与目标完成对接；

阶段二：翻转目标交会-对接演示验证。“清除航天器”释放“目标航天器”，由其模拟非合作翻转目标，“清除航天器”依次开展目标绕飞与检测、目标运动分析、调整至与目标同步翻转、靠近目标并完成对接；

阶段三：翻转目标搜索-交会-对接-离轨全过程演示验证。“清除航天器”与“目标航天器”再次分离并彼此远离，“目标航天器”模拟远距离非合作翻转目标，“清除航天器”依次开展目标搜索、目标交会、目标对接，最终二者一同再入大气层焚毁。

“清除航天器”由Astroscale 公司研制，质量175 kg，尺寸约0.6 m×0.6 m×1 m，装配有光学系统，用于搜索、识别并跟踪目标；可伸缩磁吸式对接捕获机构，可以与“目标航天器”上的对接板吸附对接，也可将其释放并推离；还装配多个化学推进器，用于轨道机动和离轨，如图2所示。

图2 正在进行测试的 “清除航天器”Fig. 2 “Chaser spacecraft” undergoing testing

“目标航天器”由英国萨里卫星技术有限公司（Surrey Satellite Technology Ltd， SSTL）研制，质量17 kg，装配有一块扁平盘状磁性对接板，对接板上具有反光标识，以供“清除航天器”识别目标、精确测定其距离、姿态以及吸附对接；还配备了用于记录捕获过程的相机和照明装置、三轴稳定控制系统和GPS定位系统，如图3所示。

图3 “目标航天器”示意图Fig. 3 Schematic diagram of “target spacecraft”

（3）项目进展

2021年8月26日，ELSA-d 系统完成了捕获技术的在轨测试，成功演示验证了该系统对目标航天器（模拟太空碎片）的磁吸捕获能力。2022年1月25日，系统出现异常，任务暂停。2022年4月7日，ELSA-d 系统成功完成了对目标航天器的远距离抵近，但截至2023年3月中旬，仍未实施捕获操作。

3 激光烧蚀驱动移除方案

3.1 总体概述

空间碎片激光移除技术从技术路径角度可分为三种，分别是光压驱动、烧蚀破碎和烧蚀离轨。其中光压驱动能量转换效率低，作用速度慢，且易受宇宙环境和太阳光的影响。烧蚀破碎能量消耗高，且破碎产生的小碎片依旧留存在太空中，不能从根本上解决空间碎片问题。激光烧蚀驱动技术是使用强激光束照射碎片表面，使辐照区材料产生熔融、汽化、电离，形成等离子体反喷羽流，反喷羽流的冲量耦合使碎片获得反向速度增量，从而驱动碎片运动，改变碎片初始轨道。空间碎片激光烧蚀驱动离轨方案的能量转换效率是光压方式的4～5倍，所需能量比烧蚀破碎模式小一个数量级，移除碎片效率高，作用距离远，且对米级以上大碎片和厘米级小碎片都有很好的移除效果，在所有主动移除空间碎片的方案中，单个碎片清理成本最低，成为目前空间碎片激光移除技术的主流技术路径［5］。

当前美、欧、日等主要航天国家和地区已围绕空间碎片激光烧蚀移除技术开展了一系列研究，下面列举两种具有代表性的技术方案。

3.2 日本星载激光烧蚀移除空间碎片项目［6］

日本天空完美日星公司（SKY Perfect JSAT）于2020年6月宣布，将设计研发世界首颗用激光移除空间碎片的卫星。此项目自2018年开始，已对激光技术的可行性进行了论证。天空完美日星公司计划2024年开始进行试验，在2026年发射卫星并开始提供相关服务。

（1）技术手段

该卫星主要通过高强度激光束照射使空间碎片表面材料气化或电离产生气体或等离子体，提供反作用力产生推力，如图4所示。

图4 激光烧蚀原理示意图Fig. 4 Schematic diagram of laser ablation principle

假设空间碎片为质量均匀分布的立方体，单轴旋转，卫星激光照射距离为200 m，此时对空间碎片产生的推力为0.8 mN，对空间碎片的离轨操作分为以下两个步骤：

① 使目标消旋

经计算得到，通过控制激光消融点与目标碎片重心之间的相对位置关系（激光入射角与目标表面法线夹角小于10°），使质量150 kg、旋转速度1 r/min 的碎片目标消旋仅需0.4 天；使质量8200 kg、旋转速度1 r/min 的大型碎片目标消旋需要3 个月，符合应用需求。消旋原理如图5所示。

图5 消旋原理示意图Fig. 5 Schematic diagram of spin elimination principle

② 使目标离轨

对质量150 kg 的空间碎片，经计算，利用激光将其轨道高度从1200 km降低到600 km大约需要652 天，表明2年内使失效小卫星离轨是可行的；将碎片从1200 km降低到1190 km大约需要10天，表明激光使碎片目标快速改变轨道避免与其他卫星碰撞是可行的。

（2）卫星任务系统构成

卫星任务系统主要由任务控制子系统（MCS）、激光烧蚀子系统（LAS）和目标检测子系统（ODS）组成，预计有效载荷（任务系统）质量约50 kg，功耗约200 W，卫星总质量约200 kg。

如图6 所示，任务系统主要包括任务控制子系统、激光烧蚀子系统和目标检测子系统，具体功能如下：

图6 任务卫星结构示意图Fig. 6 Schematic diagram of mission satellite structure

①任务控制子系统（MCS）

任务控制子系统主要提供任务控制和目标控制两个功能。

任务控制功能将负责：接近目标到激光照射范围内；使用ODS系统提供的目标信息判断目标轨道；从ODS系统接收目标物体的运动信息；向卫星平台发出必要指令调整姿态和轨道。

目标控制将用来控制目标物体的运动，规划并执行激光照射物体使其消旋或离轨的方案。

②激光烧蚀子系统（LAS）

激光烧蚀子系统内置传感器，可以检测或识别目标物体的相对距离、方向、旋转轴/速率，以及激光应照射物体的目标面。LAS 系统将以上信息和激光照射点的信息提供给MCS系统。

③ 目标检测子系统（ODS）

目标检测子系统将脉冲激光照射到目标物体上，并根据MCS系统的指令调整透镜的焦点控制目标物体表面的光斑大小。考虑的激光照射方向控制/调整方法有两种：一是在LAS系统上安装转向单元；二是通过MCS系统控制卫星姿态。

3.3 日、俄、意、法国际空间站空间碎片激光移除演示项目［7］

国际空间站激光项目（ISS laser project）计划在国际空间站上试验天基激光空间碎片移除技术。该项目由日本在2015年提出，2018年俄罗斯、意大利和法国的研究人员加入研究团队并和日本共同推进。该激光系统包含光学装置和激光装置两部分。光学部分采用空间站上日本实验舱的宇宙空间天文台（EUSO）。激光装置采用10000 光学纤维束的强大激光脉冲，激光射击距离100 km，可移除10 cm以下的空间碎片，如图7所示。

图7 国际空间站激光项目结构和原理示意图Fig. 7 Schematic diagram of structure and principle of international space station laser project

截至目前，已在国际空间站俄罗斯段部署了缩小的mini-EUSO原型系统，开展了前期的原理证明和技术演示验证。

（1）技术手段

该项目主要借助日本实验舱宇宙空间天文台的望远镜和激光探测器进行空间碎片的监测、跟踪，并采用激光烧蚀目标表面产生推力的方法使其离轨。

碎片离轨主要包含三个步骤：

① 宽视场相机被动监测

日本实验舱EUSO的望远镜具有±30°的宽视场、0.08°的角分辨率和2.5 μs的时间分辨率，可用来监测高速运动的小型空间碎片。

②窄视场主动跟踪

窄视场主动跟踪主要由EUSO和安装在EUSO上的激光探测器共同完成。

③激光烧蚀

项目采用的相干放大网络（Coherent Amplifying Network，CAN）是一种新型高效光纤激光器系统，由母航天器通过储存太阳能提供能量，通过对光束进行多级分割和放大，可提供约100 km的照射距离，结构原理如图8所示。

图8 CAN激光器结构示意图Fig. 8 Schematic diagram of CAN laser structure

（2）试验方案

国际空间站激光项目的演示验证共分为三个步骤：

① 发射缩小版原型mini-EUSO系统进行原理证明，尺寸对比如图9所示。

图9 EUSO和mini-EUSO尺寸对比图Fig. 9 Size comparison diagram of EUSO and mini-EUSO

② 在国际空间站上进行完整技术的演示验证；

③ 在800 km更高轨道进行技术演示验证。

4 方案对比分析

针对抓捕式离轨和激光烧蚀离轨两种主流方案开展进一步比较分析，见表1。

表1 抓捕式离轨和激光烧蚀离轨方案对比Table 1 Comparison of schemes for capture removal and laser ablation removal

抓捕移除方案当前已较为成熟，各主要航天国家和地区都已制定了发展计划，预计3～5年将逐步迈向工程应用，如欧洲“清洁太空”-1（Clear Space-1）任务、日本“空间尺度寿命末期服务-多任务”（ELSA-M），将在2025年移除真实空间碎片或寿命末期卫星。激光烧蚀驱动移除方案相比于抓捕移除方案，单个碎片移除成本更低，操作可重复性更好，且可广泛应用于卫星的小型碎片避碰防护，具有更好的发展前景，但当前受到各分系统硬件水平限制，特别是高能量激光器单脉冲能量、重频、功率等性能参数不足，短期内难以实现工程化、商业化，未来随着硬件技术突破或移除方案优化，或将迎来飞速发展。

5 后续工作建议

（1）高度重视，加紧布局

当前，空间碎片问题导致外空环境持续恶化，空间碎片移除关乎空间可持续发展。空间碎片移除面临的很多国际法律、规则等问题，必须在全球框架下解决，开展相关实践是主导和参与空间治理相关国际规则制定工作的基础和前提。日、欧、美等主要航天国家和地区已瞄准空间碎片移除开展了一系列研究，当前正处于技术验证和能力形成的关键期。我国应充分认识到空间碎片移除的重大战略意义，加强宏观战略规划和组织领导，推动能力形成，体现大国担当。

（2）借鉴模式，加快发展

日本采用公私合作、分步发展方式，先期利用技术难度较小的磁吸对接方式，先于美、欧开展了全球首次空间碎片对接捕获与离轨演示试验，其发展模式值得参考借鉴。建议充分调研我国航天企业技术优势，给予适当政策支持，加快推进碎片移除技术的在轨演示和商业应用。

（3）注重研发，尽快成熟

当前激光烧蚀移除技术尚未成熟，但因其成本和可用性优势明显，一旦迈向工程应用，实现商业化，或将成为主流碎片移除方案。建议我国对激光烧蚀移除等应用前景广阔的碎片移除技术制定发展规划，进行重点研发，以争取尽早形成相关工程能力。