由于发射的任务航天器有着各种不同的功能和类型,因此这些航天器所产生的空间碎片数量、类型、尺寸及材料特性等都不一样。清除空间碎片的第一步应该是确定碎片清除的目标。如果清除的目标、任务需求及目的不同,那么清除的序列也各不相同。
由于具有实用价值的轨道范围有限,因此空间碎片的分布都比较集中,特别是在一些特殊的轨道上。从文献中可以看出,在绕地球运行的空间物体中,一半以上都是在LEO轨道附近,同时,根据环境研究表明,在未来的几个世纪内,空间碎片群的不稳定性主要也集中在LEO[43]上。而在更高的轨道上,虽然大气阻力对清理空间碎片的帮助不太明显,但由于高轨的航天活动相对低轨而言并没有那么频繁,所以那里的碎片堆积速度往往都较为缓慢。但是,由于地球同步轨道、太阳同步轨道的轨道特性和资源稀缺性,其商业价值、科研价值往往也很大,因此这类轨道上的空间碎片清理价值依然很大[44],由此,这类轨道上的空间碎片清理任务应该更加紧急。
较为常见的空间碎片分类方式是根据碎片的尺寸大小进行分类[45],见表7-1。
表7-1 空间碎片分类及特点[46]
空间碎片对航天器的威胁往往取决于其碎片尺寸,一般而言,在相同轨道高度下,尺寸较大的碎片由于其质量大,碎片所带的动能也更大,发生碰撞时的破坏力也更大,此外,其中还可能包含电池、燃料等危险的部分,这是产生更小尺寸的碎片的潜在来源之一[47]。虽然这类碎片数量较少、碰撞概率也相对较低,但此类碎片的碰撞往往是致命的,所以应该首先避免与此类空间碎片发生碰撞,然后再考虑对其进行清除。像这类大尺寸的危险碎片由于其动量大而产生的破坏力以目前的防撞手段是无法抵御的,因此唯一有效的方法就是进行躲避。(www.xing528.com)
大质量的碎片虽然破坏力强,但是毕竟只占空间碎片数量中的少数,空间中存在最多的还是小尺寸碎片。虽然这类碎片的动量有限,但其数量十分庞大,并且追踪难度较大,清除的实际收益也较低,同时大部分集中在LEO轨道,因此,现阶段暂时不考虑对其进行碎片清除。而对于这类碎片,航天器一般采取自我防护措施,例如进行防撞加固来减小其碰撞影响[37]。
为了清除空间碎片,现阶段的研究人员提出了各种关于空间碎片清除的方案,通过将空间碎片按照不同特点进行分类,提出了适用于各种不同类型的空间碎片的清除措施。从图7-2中可以看出,对空间碎片的清除方式主要分为激光清除、推移离轨、增阻离轨、捕获离轨四种,这些方式所针对的碎片尺寸各不相同。从整体上来看,激光清除[48]由于受到空间环境和激光发射器自身功率的限制等问题,一般只适用于10 cm尺寸以下的碎片;推移离轨,如离子束和人工大气的方式适用的碎片尺寸范围一般在10 mm~20 cm,由于受限于其自身机制,对于过小或过大的碎片都比较难处理,而太阳帆推移离轨则需要将太阳帆安装在目标上,因此碎片必须足够大,并且需要在高轨工作;增阻离轨的四种方式(泡沫增阻、纤维增阻、粉尘增阻、膨胀增阻)由于其机制限制,作用对象必须在LEO轨道上,并且除了粉尘增阻以外,另外三种增阻方式的作用对象的尺寸不能太小,否则难以附着在目标上达到增阻离轨的目的[48-50];捕获离轨通过绳网或者机械臂等手段对碎片进行捕获后离轨,因此碎片尺寸不宜过小[51]。
图7-2 不同碎片清除手段适用范围(见彩插)
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