空间碎片威胁航天安全，主动碎片清除技术成关键

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本文以2019年国家技术发明奖二等奖项目“主动碎片清除微纳GNC系统技术”为背景，介绍“空间碎片”的相关情况。

2021年3月10日，美国国家海洋和大气管理局的NOAA-17气象卫星突然在轨道上爆炸。爆炸后产生了16颗“轨道碎片”。这些碎片高速飞离卫星本体，但仍然残留下来。在轨道上，将对太空安全构成巨大威胁。事实上，这16块碎片是16块新产生的太空垃圾。

太空垃圾是近年来被越来越多提及的一个概念。它指的是绕地球运行但没有目的的各种人造物体。这些物体可以小到固体火箭的燃烧残渣，也大到发射后废弃的火箭的最后一级。自从20世纪50年代人类将人造物体发射到太空以来，太空中废弃的人造物体越来越多，开始影响人类后续对太空的利用。

太空碎片有什么影响？

全球数十亿人每天依靠卫星数据让生活更加便利，而留在太空中的废弃卫星则成为太空垃圾，污染太空环境。随着各国太空探索越走越远，空间碎片数量逐年增加，由此引发的问题也越来越突出。空间碎片和温室气体、核废料储存等问题一样，短期内对人类影响不大，但如果长期不处理，就会对人类社会产生巨大影响。

首先，它们冒着撞击其他航天器的风险。由于空间碎片以轨道速度运动，动能巨大，如果与之相撞，可能会损坏仍在运行的航天器：超过10厘米的大碎片，如果撞到航天器，会直接导致航天器解体； 1至10厘米的中型碎片是难以察觉的碎片，在撞击航天器时可能会导致部分功能丧失或故障。这些碎片也会威胁宇航员的生命。其次，每年约有400个空间碎片重新进入大气层。其中一些在穿过大气层时并未完全燃烧。坠落地面将会对安全造成严重威胁。第三，虽然有相当数量的太空垃圾最终落入地球大气层并被烧毁，但据估计仍有超过4500吨的太空垃圾留在轨道上。随着空间碎片迅速增加，航天器轨道资源供不应求。当密度达到一定程度时，太空碎片将填满近地轨道（LEO），使人类数百年无法进行太空探索。第四，太空垃圾数量日益增加，不同垃圾的轨道方向和高度不同。恢复或控制它们不仅困难且成本高昂。

事实上，早在1978年，美国宇航局科学家唐纳德·凯斯勒（ ）就提出了凯斯勒综合症理论，即低地球轨道上的碎片和其他人造物体造成的空间污染将持续增加，导致太空污染的风险增加。卫星碰撞；当某一轨道高度的空间碎片密度超过临界值时，就会发生碎片链式碰撞效应，导致一系列潜在的卫星碰撞多米诺骨牌效应；连锁碰撞过程将会对该高度的轨道资源造成永久性损坏，并使其完全无法使用。

目前正在采取哪些措施来处理太空碎片？

数以万计的太空碎片散布在不同的轨道上。即使发射航天器捕获，也只能按轨道接近碎片轨道，采用交会对接的方式进行清理。这是目前技术上可行的解决方案。然而，面对数十万颗不同轨道高度和轨道倾角的碎片，目前的技术和资金超出了任何国家的承受能力。

近地轨道是距地球表面2000公里以内的空间区域，大部分空间碎片位于近地轨道。

因此，目前空间碎片仅处于监测阶段。采取的主要方法是当发现空间碎片会对卫星造成碰撞风险时，采取被动避碰策略。对于尺寸大于10厘米的空间碎片，采取持续观测、编目、预警、及时避让等被动避让措施；但对于1厘米至10厘米之间的空间碎片，其编目和保护难度较大，造成的危害也更为严重。目前，尚未找到更好的解决方案；对于尺寸小于1厘米的空间碎片，主要实施卫星表面保护措施。

但随着卫星在民用和商业领域的不断拓展，卫星发射数量大幅增加。未来几年，卫星数量将增加一个数量级，将出现多个由数百或数千颗卫星组成的巨型星座。这些小卫星失效后将成为新的太空碎片；即使现在停止所有发射，碰撞仍然会产生新的碎片。新的发射窗口将被逐步压缩，科研卫星也将不得不被放置在更远的轨道上。因此，无源处理方式将导致航天器研制、发射和运行维护成本急剧上升。主动处理空间碎片将成为不得不考虑的一个选择。

主动清除空间碎片的方法

稳定轨道环境的唯一方法是主动清除，我们需要开发新技术来清除现有碎片，同时避免产生新的碎片。一般来说，距离地球越高，大气层就越稀薄。对于近地轨道卫星，无需特殊处理。它们迟早会落入大气层，并因大气阻力而燃烧。空间站的运行高度为三四百公里。在这个高度，仍然存在空气阻力，碎片可能会持续数月至数十块。年内它将逐渐减速并落入大气层。这也是卫星和空间站在一段时间后不得不提高运行高度的原因。

然而，对于1000公里以上的碎片来说，大气阻力几乎可以忽略不计，碎片在数百年或数千年内不太可能脱落。这需要找到一种方法使碎片脱离轨道并落入大气层。主动清理空间碎片有两种方式：一是接触式，如机械臂抓取、网捕等；二是接触式，如机械臂抓取、网捕等。第二种是非接触式的，如激光移动、离子束移动等。无论哪种方法，目标都是将碎片从其当前轨道上清除。

捕获和清除方法是由地面控制的航天器执行的，航天器通过直接接触对碎片施加力，并将其拖出轨道。目前可用的捕获方案有很多，如机械臂、飞网、飞矛、飞爪、鱼叉等。这种捕获方法简单易实现，成功率较高，也比较成熟。这是一种可以在不久的将来在工程应用中实现的方法。这种方法不仅可以用来清除空间碎片，还可以用来捕获在轨卫星，具有空间对抗应用的潜力。然而，这些技术要应用于工程应用还需要数年时间。

电动系留离轨清洁方法是以电动系留航天器为基础的。它通过其电动系绳释放捕获装置准确可靠地捕获非合作目标，然后利用电动系绳切割磁感应线产生电动力。 ，导致组件减速并下降进入轨道，然后重新进入大气层并燃烧。由于磁场限制，该方法目前仅适用于清除近地轨道碎片，且存在系绳易断裂或难以释放等问题。在轨技术验证尚不成熟。

对于稍大的空间碎片，激光脱轨或清除是利用高能脉冲照射碎片表面，产生“物质燃烧流推力”，从而改变碎片的轨道，实现脱轨后重返大气层；针对微小尺寸的空间碎片，利用激光束极高能量的特性，直接利用高能连续光波撞击碎片，使其汽化燃烧。该方法操作简单、响应速度快、可无限重复使用、可进行远距离、非接触式清洁、成本低廉、可清除各种尺寸的空间碎片。虽然这种方法目前的技术能力有限，但也得到了很大的发展，从长远来看，这种技术是最有前途的。

增阻脱轨采用粘合泡沫、充气气球、折叠阻力帆等来增加碎片的大气阻力，从而降低脱轨速度。增加阻力脱轨需要针对不同特征的碎片采取不同的解决方案。泡沫、气球等物体操作不当很容易导致新的空间碎片产生，降低清除效率。

空间碎片清除技术仍处于在轨演示验证阶段

为了应对日益严重的空间碎片问题，各国正在积极开展空间碎片清除技术的研究。美国、欧洲和日本的主动空间碎片清除研究起步较早，并提出了各自的碎片清除计划。一些关键技术已经在轨论证，但目前的发展水平距离实际应用还存在很大差距。

英国萨里航天中心的“空间碎片清除”计划 2013年，英国萨里航天中心联合多家欧洲研究机构启动了“空间碎片清除”计划，资金来自英国萨里航天中心。欧盟第七框架计划（FP7）。 2018年9月至2019年3月，先后完成飞网捕获、空间目标目视导航、鱼叉捕获、拖帆离轨等在轨验证试验。 “空间碎片清除”计划是迄今为止最受关注的碎片清除项目，它的实施加速了碎片清除技术的实际应用。

欧洲航天局“清洁空间”计划 2019年12月，欧洲航天局（ESA）委托瑞士初创公司“Clear Space”进行碎片清除研究。该计划于2020年3月启动，将于2025年发射。该航天器清理了欧空局轨道上的一块碎片——织女星火箭辅助有效载荷适配器（Vespa）。这些碎片重约100公斤，大小与小型卫星差不多。它的形状相对简单，结构坚固，非常适合首次清理任务。目标。此外，欧空局还将推出e. 2023年发射航天器，展示和验证大型废弃卫星的清除技术。目标是2012年退役的“欧洲环境卫星”。提出的清除方案包括机械臂、飞网、离子束等。

NASA的“猎户座”计划 1993年，NASA提出“猎户座”计划，利用地基脉冲激光器清除近地轨道上的碎片。 “猎户座”计划采用30kW地基激光器清除近地轨道上尺寸为1至10厘米的空间碎片。 2014年，猎户座计划将重点从地面激光器转向天基激光器。天基激光器可以使用更小的光学器件和激光器，并且可以在地球同步轨道（GEO）中使用。然而，天基激光器的研究仍然依赖于地面和机载的测试结果。

日本宇宙航空研究开发机构“商业碎片清除”示范项目 2017年9月，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）发布了空间碎片清除系统联合研究委员会公告，旨在征集空间碎片清除解决方案。清除在700~1000公里轨道高度的大型碎片，计划在十年内以低成本完成系统开发和商业化。 2020年初，日本 Sc​​ale赢得了JAXA商业碎片清除示范项目第一阶段（共两期）的合同。该阶段计划于2023年3月31日前发射一颗演示卫星，接近日本H-II A火箭的上级；第二阶段是在2026年3月31日前完成火箭上级对接，并加速离开。轨道重新进入大气层。

我国空间碎片清除发展驶入快车道

近年来，我国在主动清除空间碎片方面取得了巨大进展。 2016年6月，我国发射了自主研制的“傲龙一号”空间碎片主动清除飞行器。奥龙一号加长机械臂捕获空间碎片模拟器，开展非合作空间碎片目标探测、识别、跟踪和操作等在轨测试，为后续非合作在轨捕获奠定基础目标。基本条件。

由于空间碎片可能处于翻滚状态，且空间照明为平行光，目视观察碎片时，视野内碎片目标的明暗对比较强，翻滚运动使得相对测量目标面临巨大挑战；同时，较大的故障安装在卫星上的帆板、天线等部件会随之滚动，进场捕获时容易发生碰撞。自主和安全的方法面临着巨大的挑战。第三，难以稳定准确地捕捉滚动状态的目标。它还很容易导致捕获卫星本身的不稳定，这也面临着很大的挑战。因此，有必要研究新型空间碎片制导、导航和控制（GNC）系统，以更好地支持接近、绕轨、对接和捕获空间碎片等任务。

上海航天控制技术研究所刘福成团队在工作现场

2020年1月，上海航天控制技术研究所刘福成研究员带领的团队凭借“主动碎片清除微机”荣获2019年度国家技术发明奖二等奖（同时也是2018年度上海市技术发明奖一等奖） -纳米GNC系统技术”奖）。如前所述，现在存在大量的空间碎片，主动捕获和清除必须满足经济和效率的需求。微纳卫星具有研制成本低、周期短的优点。因此，基于微纳卫星的大型碎片捕获和清除被国际上公认为最紧迫、最高效的解决方案。然而，微纳卫星的重量、功耗和尺寸受到限制，可安装的传感器和捕获设备面临小型化要求。与大型卫星相比，它们的测量和捕获能力有限。

该团队经过十年的持续研究，针对资源约束下翻滚碎片的测量、规划、逼近和捕获控制等核心问题，形成了一套创新成果。例如，发明了碎片目标表面角、环、线等特征的组合动态跟踪方法，解决资源限制下翻滚目标的超近距离目视测量问题；发明了一种简化且快速的自主接近安全路径的方法。该规划方法解决了天线、帆板等多个障碍物滚滚时的避碰和安全进场问题；针对碎片目标同步旋转和平移的问题，发明了一种能够自适应估计和补偿外部干扰的跟踪控制方法。稳定跟踪和流畅捕捉问题；发明多视场融合立体视觉传感器、三轴集成微型飞轮等产品，满足碎片清除微纳卫星对测控产品的高集成度、高性能要求。

微纳卫星捕获大型碎片示意图

主动碎片清除微纳GNC系统的技术成果可以有效提高航天器在轨捕获碎片时测控的稳定性、准确性和自主性。该技术已在多个航天器模型中得到应用，极大提升了我国微纳航天器的精密测量、自主规划、耦合控制、集成水平，为我国后续相关模型任务奠定了坚实的技术基础。

总体而言，我国在空间碎片清除领域正处于技术验证阶段。许多大学和科研院所不断加强空间碎片捕获和清除相关技术的研究，产生了大量的研究成果。预计未来将出现大量关键技术。飞行演示计划。

我国将主动承担空间碎片处置责任

2020年9月18日，中国科学院院士、中国航天研发部主任王伟在2020中国航天大会上发布了2020年航天领域十大科学问题和技术难题科学技术公司。其中之一是《太空碎片清除核心技术》：“空间碎片清除是当前和未来太空任务必须面对的重要问题。该技术的发展不仅将保护太空资产、维护人类太空安全和资源需求，还将促进相关高科技创新发展。”

事实上，空间碎片清除可以产生巨大的价值：在经济方面，如果能够确定某种需要清除的碎片的所有者，则可以通过商业付费的方式清除该碎片，形成空间碎片清除的产业化运作；在军事方面，空间碎片清除提出了可怕的挑战。一旦发生战争，这项技术将能够清除敌方卫星，直接用于太空对抗活动。这也是世界各国高度重视并积极发展主动清除技术的重要原因。对于我国来说，一方面应该主动承担起空间碎片处置的责任，另一方面也应该研发多种清除技术，在未来的技术竞争中占据主动。

地球同步轨道区域（约36 000公里）的图像，约95%的物体是空间碎片，即不能运行的卫星

看看今天我们地球同步轨道区域的图像，空间碎片在地球周围形成了一个“行星环”。科幻电影中，荒凉的星球表面被各种太空垃圾包围，而拥有先进技术的星球表面则有宏伟的星际舰队保护。我相信没有人希望我们的地球被大量的太空垃圾包围，所以请帮我想一些方法来清除太空垃圾。例如，我可以发射一颗超粘性卫星将所有碎片粘在一起吗？或者用强力磁铁来吸引碎片？让我们一起发挥我们的想象力......

本文受上海市科技创新行动计划科普项目资助（ ）