膨胀泡沫增阻离轨的优化措施

膨胀泡沫（Expanding Foam）增阻清除法同样依赖于碎片泡沫球所受的大气阻力。空间碎片依靠自身受到的大气阻力进行自然陨落的时间极长，但是若利用任务航天器向碎片喷射泡沫，增大碎片的面质比，则可以显著增加碎片受到的大气阻力。相比于自然衰减，其能够显著降低碎片的轨道寿命。这种方法的优势在于避免了任务航天器与目标碎片的直接接触，能够降低捕获清除碎片法的碰撞风险。膨胀泡沫法的一项关键技术是真空环境下可靠的泡沫膨胀和碎片附着技术。

由于膨胀泡沫法本质上也是依赖大气阻力，因此，该方法同样更加适用于清理LEO轨道碎片，如图8-8所示。同时，任务航天器还需要具备追赶目标碎片的能力，使其能在碎片周围形成或附着一个泡沫球，以增加碎片的面质比，这样才能有效提升碎片的大气阻力，显著降低碎片飞行速度。按照此方法，轨道寿命达数百年的碎片能够大幅缩短轨道寿命，在约定的时间范围内再入大气。任务航天器利用泡沫法清除碎片的任务流程由3个主要的阶段组成：

图8-8　膨胀泡沫法清除碎片概念图

1.交会阶段

任务航天器发射后，按照预先设定的顺序逐个接近目标碎片。假设任务航天器的初始轨道为第一颗目标碎片的轨道，这样任务航天器入轨后进行的首次轨道机动就是为了和目标碎片进行交会。

2.发泡阶段

当任务航天器与碎片交会完成后，进入发泡阶段，其利用发泡装置向碎片喷射泡沫，使泡沫黏附在碎片表面，以增加碎片的面质比，达到增加阻力的效果。(www.xing528.com)

3.离轨阶段

空间碎片在附着任务航天器发射的泡沫球后，碎片面质比增大，所受到的大气阻力也相应增大，随后碎片螺旋下降，直至再入大气坠毁。当前清除任务完成后，任务航天器还可以执行下一个目标碎片的清除任务。任务后期，任务航天器还可以利用推力器或者剩余的泡沫自行离轨，防止自身成为空间碎片[83]。

膨胀泡沫法除了无须抓捕机构这一显著优势外，还具备无控再入能力、生产泡沫相对稳定、对地面系统没有潜在的危害等优点。此外，泡沫增阻离轨方法除了具有清除大尺寸碎片能力外，还能够拦截小碎片，并能将其吸入泡沫体内或嵌在表面，即所谓的多米诺效应^[9]。

2011年，ESA提出了膨胀泡沫增阻离轨的具体方案设想，如图8-9所示。当清除卫星与空间碎片交会并且绕碎片飞行时，泡沫增阻离轨方法为：清除卫星通过安装的喷射装置向空间碎片喷射泡沫，泡沫黏附在碎片上，接着泡沫包覆碎片的整个表面而逐渐形成泡沫球。通过喷射泡沫，碎片的面质比由于泡沫球的低密度、大体积特性而增大^[10]，进而提高气动阻力，使其离轨。为了将碎片有效地清除，泡沫增阻系统和电推进系统经常是联合工作的，当空间碎片成为泡沫球体后，清除卫星使用电推进系统使其脱离轨道并加快进入大气层速度。清除卫星在任务结束后，也会使用电推进系统脱离轨道^[11]。

图8-9　ESA膨胀泡沫增阻离轨任务星示意图