激光推移技术：实现离轨操作

激光清除一般分为烧毁和推移两种方法。烧毁是利用激光的高能特性，通过强大的连续波激光照射碎片，使碎片温度升高乃至碎片升华；推移则是利用高能脉冲激光束照射碎片表面，为碎片提供一定的速度增量来降低近地点高度，使得碎片在经过近地点时受到更大的大气阻力，达到缩短碎片轨道寿命的目的，如图8-3所示。另外，由于利用激光清除方法时，需要事先准确探测、定位并跟踪目标，而这对于厘米级甚至更小的空间碎片来说存在较大的难度，所以目前该技术更适合清除较大尺寸的空间碎片。

烧灼升华要求高能激光照射到达空间碎片的能量密度足够大，使空间碎片的温度在短时间内急剧升高，达到空间碎片材料的熔点甚至沸点，进而使空间碎片被熔化和气化，以达到碎片清理的目的。根据常见的空间碎片构成材料判断，空间碎片的气化蒸发阈值一般在0.1～1 MW/cm2的强度范围内。受到发射功率限制，单套高能激光器辐照到空间碎片上的能量密度有限，需要多套高能激光器协同工作，才能在短时间内累积足够的能量密度，从而烧灼升华空间碎片[76]。由于直接烧毁碎片具有能量要求高、危险性大等问题，因此激光推移清除碎片的方式更受青睐。

图8-3　激光推移离轨清除空间碎片原理图

激光推移离轨清除系统按照激光器所在平台不同，又可分为地基、空基和天基3种类型。地基激光可提供较大的能量，技术成熟，更加经济可靠，维护改进系统更加容易。但其对测量、控制系统精度要求更高，并且由于大气层的吸收作用，导致其能量损耗较大；由于湍流等作用，使得激光产生折射、散射等现象；由于云层遮蔽，使得激光系统不能全天候工作；受到地理位置和距离影响，其可工作空间范围受限。天基激光在真空中传播，能忽略损耗，并且没有折射、散射等传播误差影响，随着平台部署的变化，可扩展其控制的空间范围。但是天基系统技术成熟度不足，激光系统入轨相对昂贵，天基系统对激光器要求也更高，并且设备的可靠性和维护改进能力较差[77]。表8-2从技术难度、清除效率等方面对天基和地基空间碎片清除方案进行了对比^[6]，空基激光清除方案则介于二者之间。

表8-2　天基清除方案与地基清除方案对比

地基激光空间碎片清除系统一般由五大分系统组成，如图8-4所示。

图8-4　地基激光空间碎片清除系统组成示意图[78]

（1）控制通信系统，负责收集和处理其他系统所提供的信息，协调各系统的运行，有计划地组织清除工作。

（2）高能激光器，是系统的核心，其主要部件是激光发生器，负责产生高能激光束。

（3）捕获/跟踪/瞄准系统，捕获系统负责把空间碎片从太空背景中区分出来，并探测碎片的大致方向、动力学参数等；跟踪系统负责使仪器视轴跟随碎片运动；瞄准系统负责使发射装置的光轴对准目标，使激光打到目标瞄准点上。为使激光束稳定照射到碎片上，要求激光束打到碎片上，并且光斑抖动要小。

（4）光学发射系统，负责把激光束发射到远场，汇聚到空间碎片上，形成功率密度足够高的光斑。捕获、跟踪、瞄准技术使发射望远镜始终跟踪/瞄准目标，使激光束锁定在碎片上。

（5）自适应光学系统，负责校正从发射望远镜到空间碎片这一传输通道中大气对激光束产生的畸变，使激光能量集中到空间碎片上。其包括波前误差传感器和波前校正器。

（6）信标，负责测量从发射系统到空间碎片之间的大气引起的激光波前畸变，必须有来自碎片方向的光作为波前畸变的信息载体，在非合作情况下，需借助人造信标光。

地基激光空间碎片清除系统的一般工作流程是，首先由雷达或光学探测设备发现碎片目标，并将碎片信息数据传送给控制通信系统。控制通信系统确认目标后，引导精密捕获/跟踪/瞄准系统捕获并锁定目标，精密捕获/跟踪/瞄准系统再引导光学发射系统对准碎片。当碎片处于适当位置时，控制通信系统发出清除指令，启动激光器，激光器发出光束，对碎片目标进行清除。

与地基方式相比较，天基激光清除空间碎片系统能够部署在不同的轨道，并且通过机动变轨和姿态调整，可清除同一轨道上的多个空间碎片，也可清除不同轨道上空间碎片，并且不受大气衰减影响，可清除的范围更大。

天基激光空间碎片清除系统一般由六大分系统组成，如图8-5所示[79]。

图8-5　天基激光空间碎片清除系统示意图[79]（见彩插）(www.xing528.com)

（1）动力系统：该分系统的主要功能是提供天基激光平台在空间飞行中轨道控制、姿态控制及轴向加速和制动所需要的控制力，实现对不同轨道上的空间碎片清除。

（2）控制系统：该分系统在对全系统进行供配电的基础上，经过控制算法输出控制指令给动力系统和高能激光器，协调各系统运行，有计划地控制空间碎片清除任务。

（3）电源系统：该分系统是给全系统供电的能量来源，保障全系统正常工作，并提供清除空间碎片所需的能源。

（4）遥测控系统：该分系统用于实现天基系统与地面的双向信息传输，将天基系统的状态信息下传到地面，同时，也可以接收地面发送的遥控指令。

（5）跟踪/瞄准系统：该分系统实现对空间碎片的捕获、识别、跟踪和瞄准，并保证将高能激光束汇聚到空间碎片上，实现对空间碎片的持续照射。

（6）高能激光器：该分系统是整个系统的核心，产生清除空间碎片所需的高能激光束。

基于上述各个分系统，天基激光空间碎片清除系统执行清除任务的具体流程设想^[7]包括以下几点：

（1）首先利用天基平台自身的探测设备发现清除范围内的空间碎片目标。

（2）将碎片信息传送给控制系统，引导跟踪/瞄准系统对空间碎片进行跟踪、瞄准。

（3）同时将探测到的空间碎片图像信息及其他信息通过遥测控系统传送到地面。

（4）当系统实现对空间碎片精确瞄准后，可以通过自主方式或者接收地面遥控指令方式启动高能激光器，对空间碎片进行照射，改变空间碎片的原始轨道，使其近地点高度降低。

（5）如果空间碎片比较大，可以对空间碎片进行多圈照射，直至进入大气层烧毁。

（6）随后通过调整姿态或轨道继续对其他空间碎片进行捕获跟踪，采取相同的方式清除。