抓捕推移离轨清除技术探讨

抓捕推移离轨清除技术是在清除过程中，清除卫星与空间碎片直接接触从而对空间碎片产生力的作用，将空间碎片推离原轨。其主要包括对接式抓捕移除、机械臂抓捕移除、柔性网／爪抓捕移除、“弹弓”推移离轨和黏附推移离轨清除技术。

1.对接式抓捕移除

该方法利用远地点发动机喷管捕获机构+星箭对接环锁紧机构抓捕目标，由于捕获机构的专用特征，对接式抓捕的用途较为受限，无法适应形态各异的空间碎片的捕获需求。运用此法的典型项目如美国ViviSat 公司提出的任务扩展飞行器方案（MEV），如图11-12 所示，旨在对寿命末期的静止轨道卫星实施延寿或离轨操作。

图11-1　2 MEV 与目标星的对接示意图［27］

2.机械臂抓捕移除

机械臂抓捕通过末端执行机构，抓捕碎片的特定部位（如喷管、对接环、连接螺栓等），进而拖动碎片离轨。由于抓持机构的专用特征，导致其可抓捕的碎片类型受限。利用机械臂抓捕在轨目标的类型按机械臂数量可分为单机械臂抓捕和多机械臂抓捕两类。单机械臂抓捕的典型项目如德国在轨服务任务（DEOS）项目，如图11-13 所示；多机械臂抓捕的典型项目如美国的通用轨道修正航天器任务（SUMO&FREND），如图11-14 所示。

图11-1　3 DEOS 项目［27］

3.柔性网/爪抓捕移除(www.xing528.com)

通过绳网、口袋、鱼叉等装置实现对目标的柔性抓捕，不需要考虑特定的抓捕位置，可适用于不同形状、尺寸的碎片抓捕。在网捕方面，具有代表性的项目如欧洲航天局的机械人地球静止轨道复位器项目（ROGER），如图11-15所示。

图11-1　4 SUMO&FREND 项目［27］

图11-1　5 ROGER 项目网捕获器与绳爪机构概念图［39］

4.“弹弓”推移离轨

4S （Sling Sat Space Sweeper）是典型的“弹弓”推移离轨清除技术工具。它是由Texas 大学设计的一个可以在空间碎片清除过程中节省耗能的卫星。该卫星能够将抓取到的空间碎片朝向地球扔出，通过扔出动作获得的动量进行下一个碎片的抓取清除工作，因此可以一次性清除多个碎片［40］。4S 装置有两个相连的收集器，当卫星上的吊索向空间碎片伸出时，4S 接下来就会进行抓取、自旋加速、驱逐以及返回4 个动作来完成清除工作。Missel 针对4S 清除碎片方法，建立了一个基于角动量守恒定律的数学模型［41］。

5.黏附推移离轨

黏附推移离轨技术也是一次能够清理多个空间碎片的方法，由Astro Scale提出。在该方法中，一个装载着推进系统的离轨推移结构将被清除卫星释放并黏附到旋转的空间碎片上，将碎片推移出原轨道。清除卫星将配备6 个上述结构，当一个离轨推移结构被释放之后，清除卫星就会转向另一个碎片，重复上述动作，由此多个空间碎片就能一次性清除。推移离轨结构的前部是一个置有硅黏附混合物的金属盘，用于与空间碎片的平坦表面进行黏附。该过程适用于旋转角速度低于0.017～0.035 rad/s 的空间碎片。推移离轨结构接近旋转空间碎片的两种典型方法为：①沿着碎片的旋转轴；②垂直于碎片的旋转轴。但无论使用哪种方法，在黏附碎片前，结构与碎片的高度必须同步［42］。

空间碎片清除任务操作的对象大都是非合作性目标，包括火箭上面级、已失效的卫星以及由于卫星碰撞或解体而产生的残骸等。由于它们都是非合作性目标，因此清除卫星并不能获得碎片的详细信息，而不同的清除技术适用于大小、形状、轨道区域不同的碎片，所以空间碎片清除任务显得更加复杂和困难。因此为了有效、合理地清除空间碎片，针对不同碎片，制定不同清除任务，采用不同的清除技术是非常重要的。