面向GEO空间碎片清除任务的智能轨迹制导算法

针对复杂动力学环境下GEO空间碎片清除任务的高精度交会问题,提出了基于深度学习技术的GEO卫星轨迹制导算法。首先,以经典预测校正技术为基础,建立通用的GEO卫星转移轨迹制导算法架构,现有制导技术以及人工智能技术都适用于该架构。然后,基于深度学习技术对GEO卫星动力学模型参数进行拟合,利用一个深度神经网络同时输出高阶非球形引力加速度以及高精度日月星历,从而提高GEO卫星动力学模型参数的预测效率。最后,利用微分修正算法进行高精度轨迹修正,在此基础上提出结合深度神经网络以及高精度动力学模型的混合修正策略以同时保证转移轨迹修正精度和制导效率。仿真表明所提方法与传统基于高精度动力学模型的制导技术相比可有效提高转移轨迹制导效率。

空间碎片清除的法律与政策挑战

近年来，随着人类空间活动的频繁，导致人为产生的空间碎片越来越多，使得人们日益关注空间碎片的清除问题。当前的碎片减缓措施并不充分，未来即使不进行额外的发射，碎片与碎片、碎片与卫星的碰撞仍将继续产生新的碎片，因而需要考虑实施主动的碎片清除（ADR）举措。然而，所有的ADR技术都要面临法律与政策的挑战，这方面需要规范和解释明确，以使碎片清除操作切实可行。本文概述了清除LEO轨道碎片和GEO轨道碎片的大部分有前景的ADR技术，包括电动系绳、地或天基激光。主要讨论了ADR操作可能涉及的一系列法律及政策问题，认为这些问题的研究必须与ADR技术及方案的研发并行进行，空间碎片的清除需要在国际协调与合作的氛围中进行。

飞矛清除空间碎片过程中的侵彻分析

目前,地球外太空轨道上分布了巨大数量的空间碎片,而且这些碎片正在加速增长,若不实施清除任务,人类的空间活动将会受到限制,在轨运行的航天器也会受到威胁。基于此背景进行飞矛式空间碎片清除研究,对飞矛侵彻空间碎片进行模拟仿真分析,并针对飞矛发射装置的样机进行原理验证。仿真结果表明,在相同撞击速度的条件下,飞矛垂直侵彻靶板的深度大于倾斜侵彻的深度,且倾斜的角度越大,飞矛越难侵彻靶板,所以要使飞矛有效地侵彻靶板,应尽量减小侵彻时的入射角度。设计的飞矛发射装置能成功发射飞矛,为后续飞矛装置的设计奠定了基础。

应用地面电磁发射清除空间碎片方法

针对传统化学发射的空间碎片清除技术成本过高、难以实施的问题,提出应用地基电磁发射方式的空间碎片清除新方法。通过地面电磁发射的方式以低成本将射弹运送至空间,并通过释放空间微粒云团控制空间碎片离轨,进而实现对空间碎片的清除。由于取消使用占绝大部分成本的化学推进剂,所提出的应用地基电磁发射的空间碎片清除技术为空间碎片低成本清除提供了有效解决途径。

天基激光清除空间碎片方案与可行性研究

介绍了激光烧蚀驱动机理和空间碎片降轨清除原理,通过分析计算确立了空间碎片降轨清除判据和2种降轨清除模式。理论计算给出了清除1200、800和500 km三个典型低地球轨道上空间碎片所必须的速度增量、激光器功率、单脉冲能量、激光发射镜直径等主要参数值。对比分析显示现有的硬件指标和条件能够满足清除低地球轨道上空间碎片的设计要求,因此,天基激光清除空间碎片方案从技术角度是可行的。

天基激光清除空间碎片任务分析

从天基激光技术参数和空间碎片清除需求两方面对天基激光碎片清除任务展开研究。基于激光支持爆轰波的传播机理,分析激光烧蚀推力的变化规律,揭示了短脉宽激光适用于碎片清除任务的原理,推导建立了激光烧蚀碎片的推力模型。对影响推力的典型激光参数进行研究,比较归纳了激光功率密度和光斑直径的通用求解模型,构建了最佳耦合条件下碎片速度增量与冲量耦合系数、脉冲个数之间的数学模型。从碎片尺寸和轨道区域两方面分析了将太阳同步轨道1～10cm碎片作为清除对象的必要性,基于清除任务的合理性提出天基激光和碎片在"偶遇"条件下的作用模式,给出了清除距离和清除时间窗口。运用轨道动力学知识建立了基于近地点高度增量的天基激光碎片清除效果评估模型,案例分析表明了天基激光清除碎片的可行性。研究成果可为相关技术研究和任务设计提供参考。

采用电动力绳系清除空间碎片的优劣势分析

通过实施电动阻力,电动力绳系可以安全快速地实现近地轨道失效航天器(燃料耗尽或功能失效)的快速离轨。与传统的基于火箭的离轨系统相比,电动力绳系离轨系统因质量更小而颇具优势。然而,力绳系统比典型的航天器更易受到空间碎片的影响,因而需要在应用之前保证系统设计在一定置信水平下是安全的。在此背景下,本文对采用电动力绳系系统清除空间碎片的优劣势进行了分析,并基于一些假设评估电动力绳系执行离轨任务的生存概率,同时,对采用电动力绳系系统开展近地轨道航天器离轨的潜在风险进行了说明,最终给出若干结论和建议。

空间碎片管辖权及主动清除的法律依据

国际法上空间物体、空间碎片的概念不明确,关于空间碎片管辖权的确定尚存争议,国际社会关于空间碎片主动清除的法律依据尚不能达成共识。根据外空系列条约的规定,可以进行"主动清除本国空间碎片"的合法性论证,例如登记国的管辖权、所有权国的所有权、发射国的监管权等。同时,根据国际法上的原则、规定和判例,可以找到有利于"主动清除非本国空间碎片"的依据,例如"同意""危机情况""船舶残骸清除"等。中国应当在做好充分法律研究的基础上,进行空间碎片主动清除技术、国际谈判策略、国内法律政策等方面的研究和建设。

柔性航天器拖拽空间碎片动力学与控制仿真研究

针对地球静止轨道空间碎片清除需求,开展了服务星通过绳索拖拽空间碎片离轨多体动力学与控制仿真研究.分析了在轨拖拽期间系统拓扑构型,采用递推方法推导了考虑地球J2摄动的服务星和空间碎片柔性多体动力学方程组,建立了基于集中参数法的绳索动力学模型,通过约束方程将绳索与服务星和空间碎片相连接,建立了服务星姿态控制力矩方程,最后形成了服务星在轨拖拽空间碎片期间柔性多体系统多体动力学方程.通过悬链线模型与本文采用的集中参数模型的比较验证了本文采用的柔性绳索模型的正确性,然后通过数值仿真分析了与服务星质量接近的空间碎片被拖动期间动力学特性,为这类航天器总体设计及空间碎片清除策略制定提供了参考依据.

空间碎片国际机制发展趋势分析

文章通过对空间碎片国际机制(多边谈判机制)的分析,指出其发展趋势,从而为中国参加相关谈判工作提供参考。空间碎片国际机制的发展已呈现出明显的政策化、法律化和制度化的趋势。无论是从外空利益争夺、外空战略实现,还是从中国航天事业可持续发展、中国航天立法体系完善的角度来讲,积极参加空间碎片技术合作与规则制定的国际谈判都具有重要意义。从国内建设上来看,中国应尽快制定"技术—政策(战略)—法律"三位一体的解决思路和具体方案;从国际层面看,可以借鉴美国一直坚持和贯彻的"技术—政策—国内规则—国际软法—国际法"外空策略,来开展空间碎片减缓和清除等方面的技术与规则制定的合作。

天基轻气炮发射清除低轨碎片方案及关键技术分析

文章分析了现有的空间碎片清除方式,并以800~1200 km低地球轨道高度上1~10 cm量级的空间碎片为清除目标,提出了天基轻气炮清除碎片的新方法。首先分析了轻气炮有效载荷在典型参数下的弹丸加速能力;之后根据将碎片降轨使其坠入大气层烧毁的设想,提出天基轻气炮共面清除碎片的方式,并选择轨道高度800 km的圆轨道作为碎片运行轨道进行可行性分析。计算表明,对半径10 cm、厚度1 cm的铝合金圆板碎片(质量211.95 g),使用初速1 km/s、重10 g的黏性弹丸可按任务方案达到清除效果。此外,计算出该参数弹丸对轨道高度800~1200 km的圆轨道上可清除的最大碎片质量为500~825 g,证明轻气炮弹丸对1~10 cm的碎片具有较强的清除能力。最后,分析了以轻气炮为有效载荷的航天器在完成清除碎片任务时的关键技术。

欧空局签发首项碎片清除任务合同

欧空局已与瑞士初创企业清澈太空公司签署了8600万欧元(1.04亿美元)的一项合同。代号为"清澈太空"1的这项任务是全球首项非试验性质的空间碎片清除任务。作为主承包商清澈太空公司的驻在国,瑞士为该项任务出的钱最多。主要出资国还有英国、德国、葡萄牙、波兰和瑞典。

航天器增阻离轨技术发展概述及前景展望

在介绍增阻离轨技术的基础上,分析了国外开展的薄膜轨道衰降装置(GOLD)、阻力帆离轨装置(DSDD)、充气式离轨装置(IDOD)、任务后气动离轨系统(Aeoldos)、气动离轨减速系统(IDEAS)等典型项目的研制情况;总结了增阻离轨技术的方案特点,提出针对质量1000 kg以上的大卫星,研究充气式增阻离轨技术的必要性;介绍了外形设计及优化、结构材料、折叠包装与可控展开等关键技术,并对该技术在空间碎片主动清除、大型空间平台有控再入等方面的应用前景及设想进行了介绍,可为发展增阻离轨技术提供参考。

航天器在轨服务捕获装置技术研究综述与展望

空间捕获装置是航天器在轨服务与维护任务的重要末端执行器,承担着捕获包括航天器、舱段、空间碎片及实验样品等多种目标的任务。根据被捕获目标的性质可以将捕获装置分为合作目标捕获装置和非合作目标捕获装置2大类。在捕获装置设计过程中,捕获目标是否具有特定的抓持结构则是捕获装置机构形式设计的先导因素,根据捕获目标是否具有特定的抓持结构,可以将捕获装置分为基于抓持结构的捕获装置以及非基于抓持结构的捕获装置。以捕获装置工作原理与捕获目标类型为分类依据,对捕获装置进行分类,分别阐述了其技术原理与关键技术,并对各类捕获装置进行了对比分析,根据分析结果指出了捕获装置未来的发展方向。

日本KITE试验任务综述与启示

电动力绳系离轨技术是一种新颖的离轨方式,适用于失效飞行器、废弃卫星等空间碎片快速离轨,因而得到世界各航天大国的广泛关注与研究。其中,最为突出的是日本JAXA通过搭载HTV-6货运飞船开展的KITE在轨演示任务,用以验证基于电动力绳的空间碎片清除技术,然而该任务因绳系释放装置出现故障而中止。尽管并未达到试验目的,但该任务的系统方案与技术路线具有较强的借鉴意义。本文较为详细地介绍了KITE任务的总体方案、系统组成及任务关键技术仿真与地面试验验证情况,最后总结了该任务在电动力绳系离轨技术发展的启示,并对我国开展电动力绳系离轨技术发展思路提出了建议。

532 nm/1064 nm激光烧蚀铝靶冲量耦合特性实验研究

激光清除空间碎片技术在厘米级空间碎片清除中具有重要的应用前景。进行了激光烧蚀典型空间碎片材料的冲量耦合特性实验研究。实验中采用532 nm/1 064 nm波长,8 ns/15 ns脉宽的激光烧蚀金属铝靶材,运用扭摆测试系统测量了烧蚀冲量,并分析了不同激光参数对冲量耦合系数的影响。实验结果表明,铝靶冲量耦合系数随着激光功率密度的增加是先上升后下降的变化趋势,存在最优冲量耦合系数;激光烧蚀铝靶过程以气化机制为主时,减小激光波长或是增加脉宽都可有效提高冲量耦合系数;烧蚀过程以离化机制为主导时,实验结果表明532 nm波长激光的等离子体屏蔽较弱,在等离子体形成初期实现最优冲量耦合。

产业风向标

国内部分2020年中国航天大会召开,十大宇航领域科学技术难题发布9月18日,以"弘扬航天精神,拥抱星辰大海"为主题的2020年中国航天大会在福建省福州市召开。本次大会分为开幕式暨主论坛(以下简称主论坛)和分论坛。主论坛上发布的:外日球层与星际空间的环境特性及其相互作用、可重复使用空天飞行器热防护材料及寿命预测核动力航天器及工程应用、面向空间超大型天线结构的在轨增材制造技术、空间碎片清除中的核心技术、基于深度强化学习的空间操控技术、水平起降运载器与组合动力一体化设计技术、超大型空间光学装置在轨组装和维护技术、与5G/6G技术融合发展的卫星互联网络通信技术、航天器与甚大基线阵协同探测技术等2020年宇航领域的十大科学与技术难题,成为主论坛的热点话题之一。

空间绳系组合体的继电型控制离轨策略

为了使空间绳系组合体更好地完成空间碎片清理任务,提出一种更接近工程实际应用的继电型推力(Bang-Bang)离轨控制策略。利用带有差动间隙的Bang-Bang控制策略,实现绳系组合体切向的继电式推力加速;设计了一种全新的被动式卷扬机构,以避免在使用继电式推力离轨的过程中多次开关发动机对绳系组合体带来的负面影响;针对径向推力设计了输入受限的滑模控制器,且最终控制指令同样以继电式推力形式实现,抑制了离轨过程中绳系组合体的面内摆动。数值仿真结果显示,继电型推力能够实现与连续推力近似的效果,能够将绳系组合体的摆动角度抑制在一个较小的范围内;整个离轨控制策略能够使得空间绳系组合体在保持姿态稳定的前提下将空间碎片拖曳到坟墓轨道。

基于启发强化学习的大规模ADR任务优化方法

随着航天事业的蓬勃发展,空间碎片尤其是低轨碎片已成为航天任务不可忽视的威胁。考虑到碎片清除的紧迫性和成本,低轨多碎片主动清除(ADR)技术成为缓解现状的必要手段。针对大规模多碎片主动清除任务规划问题,首先,基于任务规划的最大收益模型,提出一种强化学习(RL)优化方法,并依照强化学习框架定义了该问题的状态、动作以及收益函数;其次,基于高效启发因子,提出一种专用的改进蒙特卡罗树搜索(MCTS)算法,该算法使用MCTS算法作为内核,加入高效启发算子以及强化学习迭代过程;最后,在铱星33碎片云的全数据集中检验了所提算法有效性。与相关MCTS变体方法以及贪婪启发算法对比,所提方法能在测试数据集上更高效地获得较优规划结果,较好地平衡了探索与利用。