高效离轨捕获方法——空间系绳捕绳技术

自齐奥可夫斯基于1895年在其著作《关于地球和天空的梦想》中最早描述了绳系系统和其使用方法后，研究人员不断提出创新的应用设想，这些设想均以绳索特性为核心，充分利用了绳索的柔性大、尺度大的特点实现独特的任务目的。在此之后，衍生的空间绳系系统包含内容广泛，包括电动绳系、动量交换绳系、拖拽绳系等。绳系系统作为一种柔性捕获方式，相比于伸缩杆和机械臂等刚性捕获方式，具有压缩体积小、发射质量小、抓捕距离远、对载体影响小及安全灵活等突出优势，因此也被认为具有广阔的应用前景。

1.电动力绳系

电动力绳系（Electrodynamic Tether，EDT）包括两种类型（图8-12[86]）：一种是作为速度增量的电动系绳，它可以在发射之前安装在太空物体上，或者通过碎片收集器附着到物体上，但是通常只能使用一次，因此执行碎片清除任务的太空平台通常携带10种这样的EDT系统，有些学者将其称为“终结者系绳”^[14]；第二种类型的电动力绳系，通常一端固定在碎片收集器平台上，具有可重复使用性，并且任务执行步骤与空间拖船的类似。总的来说，电动力绳系是目标与卫星平台之间的连接设备，也是用于空间系绳以清除碎屑的动力设备。

图8-12　两种类型的EDT

（a）终结者系绳；（b）可重用系绳

图8-13展示了电动力绳系清除空间碎片的基本原理，当导电系绳在地磁场中以轨道速度运动时，对磁感线的快速切割使得系绳上产生较强的感应电动势，让电离层中的带电粒子收集在系绳的顶部，并在系绳的末端发射，形成稳定的电流。地磁场对带电绳系又会产生洛伦兹力，而洛伦兹力的方向与运动速度的方向相反，从而使卫星轨道的轨道能量减小，轨道高度也随之降低[87]。

相较于仅依靠大气阻力的清除方法，使用电动力绳系可以使空间碎片更快地脱离轨道。与使用化学推进剂产生推进力的捕获和脱轨方法相比，电动力绳系具有效率高、质量小且无须复杂控制系统的优点[88]。因此，从理论上讲，利用电动力绳系使近地轨道上废弃的卫星离轨是一种极具应用前景的离轨方式。

图8-13　电动力绳系工作原理图[89]

2.动量交换绳系(www.xing528.com)

在非电动力绳系卫星设计中，可重复使用的动量交换绳系（Momentum Exchange Tether，MET）卫星系统比消耗化学燃料的传统系统更为经济。其基本思想是通过周围空间物体之间的动量交换来改变空间物体的轨道速度。它的典型应用是通过降低一颗卫星的轨道来提升另一颗卫星的轨道。两颗卫星之间的动量交换通常是“互惠互利”的，例如空间站之间的动量交换吊舱，这既能增加空间站的轨道高度，又能使货舱脱轨再入。根据绳系卫星相对于轨道坐标系的运动，绳系卫星系统可分为悬垂型、摆动型和旋转型。一个最基本的悬垂型动量交换绳系如图8-14所示。悬垂型绳系卫星系统由两个轨道高度不同的卫星组成，它们以与系统重心相同的轨道角速度绕地飞行。若在某一时刻将系绳切断，这种平衡将被打破，两颗卫星也将进入各自的新轨道。在系绳被切断（物体分离）时，位于较高轨道的物体的运行速度大于维持圆轨道运行所需的速度，因此，其新轨道将是以此时所在位置为近地点的椭圆轨道；而另一个低轨道物体的情况则恰好与之相反，将进入以此时所在位置为远地点的另一个椭圆轨道。

图8-14　悬垂型动量交换绳系

动量交换绳系卫星系统通常并非简单的悬垂型，一般会通过适度的绳系摆动或是旋转来提高动械交换效率。比如，当绳系做（与轨道角速度）同向摆动或旋转时，位于较高轨道的卫星的速度大小将随之提高，而另一颗卫星的速度大小则相应减小甚至反向。因此，动量交换绳系卫星对于需要做轨道转移的空间碎片清除任务十分适用。

3.空间拖拽绳系

空间拖拽绳系是指将任务航天器与目标空间物体通过柔性系绳连接，清除任务通常由任务航天器提供动力，将低轨碎片进行降轨或者将高轨碎片拖曳升轨，以达到碎片清除的目的。其中，空间系绳只起到拖拽力传递的作用，可以看作是在空间拖船的基础上增加了柔性系绳的连接部分。由于系绳本身的柔性特性，在拖曳离轨的过程中，必须避免系绳的松弛、缠绕等现象，以防止碎片与拖船发生碰撞。