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。     

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。     

激光移除空间碎片过程的三维仿真与建模

基于轨道力学和激光与物质相互作用理论建立激光移除空间碎片的三维变轨模型。该模型利用激光站/卫星与碎片位置和速度矢量作为初始数据,通过设定激光参数,实时计算和更新速度增量矢量,能够真实地反映碎片的移除过程。该模型包括地基和天基两种类型,根据激光作用临界条件与降轨效果计算碎片的降轨过程,能够实时输出碎片轨道信息,图形化输出使结果更加直观。考虑到速度增量分量对轨道倾角的影响,该模型增加了碎片逃逸情况的判断。最后,利用该模型计算了地基/天基系统移除多种空间碎片材料的过程和效果,发现钢材料碎片移除难度最大,而移除多层绝缘材料的效率最高。     

同步带1-10cm级空间碎片可见光探测技术研究

针对目前天地基碎片探测装备无法对同步轨道带1 10cm级空间碎片进行探测的问题，文章在对同步轨道带碎片分布规律、碎片探测技术手段进行分析总结的基础上，分析探讨了高轨航天器搭载光电传感器实现同步轨道带1 10cm级碎片探测所具备的技术指标和功能特点，并对基于天基测角信息的空间碎片轨道确定算法及相关技术进行分析。基于本文所述的分析论证和技术方法，可以确定高轨航天器实现对同步轨道带1 10cm级碎片的探测识别和轨道确定的可行性及能力需求，为同步轨道带1 10cm级碎片的天基光学探测提供一定的技术支持，为同步轨道带碎片探测专用航天器的研制论证提供技术支撑。     

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。     

激光驱动典型几何形状碎片运动建模研究

在以往的激光烧蚀驱动移除空间碎片研究中,均假设激光光束覆盖整个所关注的空间碎片。文章提出了焦斑式激光辐照下球体、圆柱体和立方体碎片反喷冲量和运动姿态的计算模型,研究了激光辐照在3种形状碎片不同位置处所产生的反喷冲量和姿态变化规律。结果表明:碎片运动规律与碎片几何形状和激光作用位置有关,当反喷冲量过质心时,碎片获得平动冲量;不过质心时,则会改变碎片的角速度或姿态。研究结果可为激光移除空间碎片研究提供理论参考。     

激光驱动飞片速度和完整性的影响因素分析

激光驱动微小碎片装置是一种地面模拟微小碎片对航天器损伤破坏的研究设备,其模拟碎片的速度和整体性是两个最关键的性能参数。文章从驱动设备的原理出发,介绍了激光器性能参数、飞片靶约束层及烧蚀涂层对碎片速度和整体性的影响,给出了约束层和烧蚀涂层厚度设计方法及选材范围,并比较了不同的飞片靶制备工艺对飞片速度和整体性的影响。     

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。     

空间碎片移除的关键技术分析与建议

面向空间碎片的严重威胁,分析了空间碎片移除技术发展的必要性和紧迫性,详细梳理了国内外空间碎片移除的主要技术手段,包括推移离轨、增阻离轨、抓捕离轨3类。推移离轨利用激光、离子束、太阳辐射等能量束作用于空间碎片,产生特定力的作用,使其离开原来的轨道,达到移除的目的。增阻离轨通过增加碎片的飞行阻力,降低碎片轨道高度,进而缩短碎片轨道寿命,使其在规定的时间内离轨再入大气。抓捕移除通过任务飞行器与空间碎片直接物理接触的方式来移除碎片。在此基础上,对比分析了各种移除手段的可行性,并针对几种近期可行的移除手段,分析了其涉及的关键技术问题,并提出了空间碎片移除技术的后续发展建议。     

天基照相跟踪空间碎片批处理轨道确定研究

随着国内外天基观测空间碎片研究的展开,文章提出了利用跟踪卫星的CCD(Charge
Coupled Device)相机对空间碎片进行轨道探测的方法,首先建立了CCD照相观测模型和基于 照相观测 的空间碎片批处理轨道确定模型。通过对CCD相机底片归算方法的分析可知,利用
CCD相机所获得的观测数据与跟踪卫星的姿态无关,且其精度只与测量和坐标转换计算的精 度有关,在测量和计算中可获得较高的精度。分别对分布密度较高的低轨道和地球同步 轨道区域的空间碎片进行了定轨分析。仿真结果表明,定轨时采用两个跟踪弧段的照相数据 定轨精度大大高于一个弧段照相数据的定轨精度;跟踪卫星距离空间碎片越近,定轨精度越 高;低轨道空间碎片的定轨精度高于地球同步轨道上的空间碎片定轨精度。
     

利用等离子体加速器发射超高速 微小空间碎片的研究

文章介绍了国内外微小空间碎片超高速撞击地面模拟实验研究的现状,描述了国内等离子体微小空间碎片加速器的研制进展和初步实验结果,分析了该加速器在空间碎片防护研究工作中的应用。在初步调试阶段,在系统设计满负荷储能6%和35%的条件下,分别将100 ?m和200 ?m的玻璃微粒加速至5.5 km/s和9.3 km/s。利用该加速器可以模拟研究10～1 000 ?m的微小空间碎片对卫星功能材料的撞击损伤特性,可以加速模拟研究卫星关键部件或分系统在大量微小空间碎片撞击下的失效机理和失效模式,为卫星防护微小空间碎片的设计提供技术支持。该加速器还能为国内发展星载空间微小碎片探测仪器的设计和标定提供模拟实验条件。     

Research Progress in Laser Active Debris Removal of CAST

Based on the introduction to theresearch status and trend of international space-based laser debris re-moval technology, the existing problems of space-based laser debris removal technology are systematically analyzed.In view of the existing problems, the work and research progress of the Beijing Institute of Spacecraft EnvironmentEngineering in this field are introduced from several aspects, such as dynamic behavior of laser-driven debris, orbittransfer model, ground simulation system, space-based removal system scheme and target selection strategy. The mainresearch methods include laser-driven micro-impulse measurement experiment, surface triangulation three-dimension-al reconstruction calculation method based on laser-material interaction theory, simulation calculation based on orbitaldynamics, etc. It also looks forward to the future research direction in the field of this technology.     

L׳ADROIT – A spaceborne ultraviolet laser system for space debris clearing

Small (1–10 cm) debris in low Earth orbit (LEO) are extremely dangerous, because they spread the breakup cascade. Pulsed laser active debris removal using laser ablation jets on target is the most cost-effective way to re-enter the small debris. No other solutions address the whole problem of large (~100 cm, 1 t) as well as small debris. Physical removal of small debris (by nets, tethers and so on) is uneconomical because of the energy cost of matching orbits. In this paper, we present a completely new proposal relative to our earlier work. This new approach uses rapid, head-on interaction in 10–40 s rather than 4 minutes, using 20–40 kW bursts of 100 ps, 355 nm UV pulses from a 1.5 m diameter aperture on a space-based station in LEO. The station employs “heat-capacity” laser mode with low duty cycle to create an adaptable, robust, dual-mode system which can lower or raise large derelict objects into less dangerous orbits, as well as clear out the small debris in a 400-km thick LEO band. Time-average laser optical power is less than 15 kW. The combination of short pulses and UV wavelength gives lower required fluence on target as well as higher momentum coupling coefficient. An orbiting system can have short range because of high interaction rate deriving from its velocity through the debris field. This leads to much smaller mirrors and lower average power than the ground-based systems we have considered previously. Our system also permits strong defense of specific assets. Analysis gives an estimated cost less than $1 k each to re-enter most small debris in a few months, and about 280 k$ each to raise or lower 1-ton objects by 40 km. We believe it can do this for 2000 such large objects in about four years. Laser ablation is one of the few interactions in nature that propel a distant object without any significant reaction on the source.     

单次任务中主动清除多块碎片的仿真分析

针对国内外空间活动产生的碎片,文章采用多脉冲推力作用下的轨道机动仿真方法,在主要考虑总速度增量为2 km/s的约束条件下,计算碎片清除所需要的速度增量、任务时间以及清除个数。仿真结果表明,单次任务可以清除12块分布比较集中的碎片。研究结果可为我国今后空间碎片清扫任务的设计提供参考依据。     

地基激光测距系统观测空间碎片进展

卫星激光测距作为地基光电望远镜系统重要技术应用,可直接精确测量空间碎片距离,提升碎片目标轨道监测精度。基于上海天文台60 cm口径激光测距望远镜,应用百赫兹重复率高功率激光器、高效率激光信号探测系统等,建立了空间碎片激光测距系统,实现了对距离500~2600 km、截面积0.3~20 m2的碎片目标观测,测距精度优于1 m,具备了碎片目标常规测量与应用能力。此外,开展了空间目标白天监视技术研究,实现了亮于6星等恒星的白天观测,并进行了望远镜局部指向误差模型分析,分析结果可应用于空间碎片白天激光观测的目标监视与引导。