空间碎片环境现状与主动移除技术

概述了空间碎片环境现状和对航天活动的影响,讨论了空间碎片主动移除对保持空间碎片环境稳定的必要性。空间碎片研究重心先从防护转向减缓,再转到主动移除,最终是清洁空间。评述了空间碎片主动移除技术现状,指出天基激光主动移除空间碎片技术具有很好的工程应用潜力。

空间碎片减缓“5年规则”的来龙去脉

1995年美国提出的空间碎片减缓“25年规则”在全球范围内被广泛采纳,但小卫星、大星座的迅速兴起对该规则的实际效果带来很大挑战。2022年9月,独立于白宫、向国会汇报的联邦通信委员会率先发布空间碎片减缓“5年规则”。联邦通信委员会此举维护了其在美国国内空间碎片减缓领域的领先地位。下一步,美国政府行政分支很可能会在新版《美国政府轨道碎片减缓标准做法》中采纳“5年规则”,并利用“5年规则”来引领和塑造空间碎片减缓国际规则。“5年规则”的推出预示着空间碎片减缓规则体系整体上趋于严格,可能将带动主动碎片移除技术、政策、产业的发展。

激光驱动接力移除空间碎片的小卫星星座及可行性研究

在众多空间碎片移除技术中,天基激光烧蚀驱动是一种高效的、有广阔应用前景的移除技术,特别是针对移除海量的、尺寸在1～10 cm的危险碎片而言,更是具有独特优势。然而,这一技术对高能激光器单脉冲能量、光束质量、发射镜口径等要求很高,目前的硬件水平还达不到实用指标要求,制约了其天基应用。为了克服这些硬件技术障碍,本文另辟蹊径,利用小卫星概念,提出了由不同轨道高度小卫星平台组成小卫星星座,通过在每个小卫星平台上的激光驱动接力来逐步降低碎片轨道高度,最终达到移除空间碎片的小卫星接力移除星座的构想。基于现有的激光器性能参数,根据激光烧蚀驱动碎片动力学模型计算了单个卫星平台的移除能力,结果显示,10 J单脉冲能量激光器和0.5 m直径发射镜,能够对20 km范围内、尺寸小于10 cm碎片进行有效驱动。进而,针对空间碎片密集度高而应用最广的800 km轨道高度区域,设计了由分布在不同轨道高度的30颗小卫星组成接力驱动移除星座系统方案,通过仿真模拟计算验证了星座系统的移除碎片的可行性。该研究利用目前热门的小卫星星座,降低了天基激光移除空间碎片技术对硬件的性能要求,为该技术的应用提供了新的思路和途径,所提出的小卫星接力驱动星座系统方案也有工程参考价值。

空间碎片移除能力发展,中国航天当前要务之一——空间环境治理刍议

各航天大国竞相部署大规模小卫星星座,将导致近地轨道空间碎片危机加速到来。低轨空间碎片的"雾霾式大爆发"前景,将迫使各航天大国大力发展空间碎片移除能力,同时加强在空间碎片治理方面的国际合作,但合作并不容易。空间碎片移除能力将牵引和推动航天能力发展,成为未来航天事业的一个制高点。中国在空间碎片治理方面有重要的利益,权利和责任,应制定政策和计划,培养力量,加大研发力度,加速发展空间碎片移除能力。

天基激光移除空间碎片仿真平台研究与开发

为了从空间碎片和天基移除系统两方面分析激光驱动碎片变轨过程,优化移除任务规划和策略,基于真实的可观测空间碎片数据,设计并开发了一套天基激光移除空间碎片三维数值仿真平台。首先从总体设计出发,对三维数值仿真平台的需求分析、总体框架、模块功能进行了明确的描述。其次通过对激光驱动空间碎片变轨过程数学模型的分析,确定了各模块的具体实现方法。最后采用C++/Qt开发了三维数值仿真平台,通过仿真验证了设计平台的有效性。该仿真平台可用于不同天基平台和目标碎片的任务规划、碎片分布热点区域和航天器防护区域的方案设计及空间环境治理体系的优化设计。

空间碎片监测移除前沿技术与系统发展

空间碎片是人类航天活动产生的太空垃圾.随着航天活动的日益频繁,空间碎片数量快速增加,已经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.开展空间碎片主动移除是国际社会的共识,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、塑立航天大国责任和形象、引领高新科技创新发展、促进生成新兴太空经济和产业模式等具有十分重大的意义.本文深入分析了空间碎片环境现状及演化趋势,系统评述了空间碎片监测与移除研究国内外现状与发展趋势,梳理了涉及的关键技术和科学问题.围绕我国太空安全、空间事业可持续发展等重大需求,分析了我国空间碎片监测与移除存在的问题与差距.提出了空间碎片环境治理概念、技术体系构成和以空间碎片"精准监测、高效移除、有效防护"为技术核心,形成功能齐备、性能先进、高效率、低成本、常态化、商业化、国际化的空间碎片环境治理业务能力为目标的系统工程发展建议.

不规则目标旋转状态对激光烧蚀驱动冲量的影响

激光烧蚀驱动技术是最有前途的空间碎片主动移除技术之一,但是在其移除过程中碎片的旋转状态会对激光驱动效果产生很大的影响,是该技术研究中需要解决的一个问题。通过理论计算分析了激光脉冲连续驱动旋转平板目标的冲量规律,及脉冲频率和目标旋转角速度对其的影响。并通过目标表面三角化三维重构计算的方法分析了不同脉冲频率和目标旋转角速度下,圆柱体、长方体、圆锥等典型外形目标和不规则目标自身旋转对激光脉冲连续辐照驱动产生冲量的影响规律。结果表明,目标自身旋转会使得脉冲激光连续作用的驱动效果随脉冲次数增多产生周期性变化,其大小和周期性变化规律受自转速度、脉冲频率及自身外形特点的影响;通过激光辐照策略的合理选择,可最小化甚至消除旋转对激光脉冲连续作用产生冲量方向的影响。

论“ADR-OOS-RPO”系统技术异化应用对外空安全的潜在威胁

"空间碎片主动移除-在轨卫星维护"(ADR-OOS)从概念的提出到技术方案设想均是在美国主导下推向国际航天界和国际空间法学界直至外空委成员国在国际层面进行讨论的。在许多国际场合,美国政府的军事航天机构和航天主管部门及其航天专家都在宣扬"ADR-OOS"对整治近地轨空间碎片环境的积极作用,避而不谈开展"ADR-OOS"活动所需的"交会和靠近操作"(RPO)系统技术潜在的自主天基武器系统功能对正常运行的目标卫星的破坏作用和产生更多空间碎片的负面作用。在既没有专门规范"ADR-OOS"行为,也缺失专门规制"RPO"技术应用的国际规则的国际空间法制与政策环境下,在谋求单边安全优势的外空安全观支配下的美国力图把自己制定的"ADR-OOS-RPO"技术应用的国内标准和规范推向国际航天社会,把有利于自己的商业利益和军事能力增强的国内规范变为国际规范。开展"ADROOS"活动所需的"ADR-OOS-RPO"系统技术的在轨使用是美国实现外空军事化和武器化战略规划的重要组成部分,我国航天科技和法律界对"ADR-OOS-RPO"系统技术的军事、政治敏感性及其异化应用对外空安全的潜在威胁应该保持清醒的认识。

空间翻滚非合作目标消旋技术发展综述

大量残存太空的空间垃圾对在轨运行航天器的安全构成严重威胁,对其进行主动移除已迫在眉睫。火箭末级、失效卫星等非合作目标已失去姿态调整能力,且长期在失控状态下运行,受太阳光压、重力梯度等摄动力矩及失效前自身残余角动量等因素的影响往往会出现翻滚运动。对翻滚非合作目标直接捕获存在碰撞风险,为降低风险系数采取消旋后再捕获是较为合适的方式。在对火箭末级、失效卫星等典型非合作目标运动形式及消旋过程进行分析的基础上,综述了目前国内外所提出的接触式及非接触式消旋方法,并对非合作目标翻滚运动测量及动力学参数辨识和消旋控制这两项消旋共性关键技术进行了归纳总结。本综述将为中国空间碎片主动清除技术的发展提供有益参考。