離軌帆：太空垃圾的“清道夫”

未來(lái)，煙花除了從地面升起，也有可能從天而降。

荷蘭藝術(shù)家達(dá)安·羅斯加德正在與歐空局合作建立一個(gè)太空垃圾實(shí)驗(yàn)室。按照設(shè)想，太空垃圾將變成人造流星，就像煙花一樣照亮天空。該計(jì)劃試圖將碎片引導(dǎo)到地球大氣層，并在預(yù)定時(shí)間使其燃燒。

完成這場(chǎng)“煙花秀”的前提是如何將碎片引導(dǎo)到大氣層？這其實(shí)是國(guó)內(nèi)外航天科學(xué)家、工程師早已開始研究的議題。其中，離軌帆作為一種相對(duì)便捷、經(jīng)濟(jì)的太空碎片處置方式，越來(lái)越多地進(jìn)入大眾視野。

前不久，中國(guó)航天科技集團(tuán)八院自主研制的國(guó)內(nèi)目前面積最大、國(guó)際首次運(yùn)用于火箭艙段的離軌帆，首次成功在軌順利展開，把完成任務(wù)的火箭末子級(jí)帶回地球大氣層燒毀。那么，離軌帆主要有哪些優(yōu)勢(shì)呢？

八院自主研制的離軌帆在太空展開實(shí)拍圖

太空垃圾的“新殺手”

2021年，全球發(fā)射了100多枚入軌級(jí)火箭。使命完成后，火箭殘骸或墜落地表，或墜入地球大氣層焚毀，或成為流浪太空的常駐散客“太空垃圾”。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自人類開展航天活動(dòng)以來(lái)，太空中已經(jīng)留有大小上百億個(gè)太空碎片，它們并非靜止不動(dòng)，而是在以極快的速度飛行，例如近地軌道空間碎片的飛行速度可達(dá)7~8公里/秒，若與航天器發(fā)生碰撞，輕則會(huì)造成航天器系統(tǒng)故障，重則會(huì)完全解體或爆炸。

一般認(rèn)為，軌道高度在600公里以下的微小衛(wèi)星采用“離軌帆”增阻裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)后的空間碎片自主清理，是種非常便捷、經(jīng)濟(jì)的方式。

離軌帆，即利用大面積展開薄膜帆面增加氣動(dòng)阻力，加速航天器的離軌過程，是一種適用于低軌航天器的簡(jiǎn)易、無(wú)源的離軌方式，具有使用便利、成本低等優(yōu)勢(shì)。

八院離軌帆地面試驗(yàn)

以運(yùn)載火箭載荷艙為例，雖長(zhǎng)期在軌，但沒有推進(jìn)系統(tǒng)，也沒有電能和化學(xué)能供給，這時(shí)只需給予一點(diǎn)微弱的電流，離軌帆的帆面就可以展開，攜帶載荷艙脫離軌道，進(jìn)入大氣層燒毀。

在運(yùn)載火箭發(fā)射階段，離軌系統(tǒng)的離軌帆裝置始終處于收攏壓緊狀態(tài)，待衛(wèi)星入軌后，在地面遙控指令下，離軌帆自主解鎖、展開。航天器通過展開的“帆面”增大受力面積，借助大氣稀薄的阻力緩慢降速，最終被地球引力拖入大氣層燒毀。簡(jiǎn)單來(lái)說，這就像給航天器帶了一把“傘”，在完成使命后，傘面打開，阻力增加，航天器便減速實(shí)現(xiàn)離軌。

之所以說離軌帆便捷經(jīng)濟(jì)，還因?yàn)榕c推力器等主動(dòng)離軌裝置相比，離軌帆的研制成本不到航天器的5%，并且對(duì)于一些軌道更低、質(zhì)量更小的衛(wèi)星而言，該裝置可以進(jìn)一步小型化以降低成本。

太空垃圾的離軌之路

航天器離軌方式一般分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種。

2019年7月19日，遨游太空近3年的“天宮二號(hào)”受控離軌再入大氣層，少量殘骸落入南太平洋預(yù)定安全海域，就是主動(dòng)離軌的成功案例，即航天器在壽命末期，利用自身攜帶的動(dòng)力裝置進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，降低飛行速度并離開運(yùn)行軌道，逐漸墜入大氣層。

被動(dòng)離軌則是讓無(wú)動(dòng)力的航天器借助薄膜帆裝置、電動(dòng)力系繩、充氣球等裝備降低軌道高度。當(dāng)?shù)陀谡＿\(yùn)行的軌道速度時(shí)，航天器就會(huì)自動(dòng)墜入大氣層。

如何讓完成衛(wèi)星發(fā)射的火箭留軌艙段快速離軌，是目前空間碎片減緩領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。

不久前，八院在“長(zhǎng)二丁”上進(jìn)行離軌系統(tǒng)試驗(yàn)，首次把離軌帆運(yùn)用于運(yùn)載火箭的留軌艙段，為后續(xù)運(yùn)載火箭末子級(jí)、載荷艙、載荷適配器等完成任務(wù)后，快速離軌提供了一種有效手段，同時(shí)為大型航天器壽命末期碎片自主清除技術(shù)發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

八院自主研制的離軌帆在太空展開實(shí)拍圖

八院805所運(yùn)載火箭載荷艙離軌系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)技術(shù)負(fù)責(zé)人鄭琦介紹，離軌帆屬于輕量級(jí)的加速離軌措施，對(duì)火箭運(yùn)載余量開銷低，對(duì)發(fā)射任務(wù)影響小，非常適合成為運(yùn)載火箭標(biāo)配的離軌裝置。此外，從新技術(shù)驗(yàn)證角度考慮，相對(duì)于在軌任務(wù)周期較長(zhǎng)的衛(wèi)星，利用發(fā)射任務(wù)完成后的留軌末子級(jí)、載荷艙來(lái)實(shí)施此類空間新技術(shù)試驗(yàn)，任務(wù)組織、管理更加高效，能夠更快地在軌實(shí)施技術(shù)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)的持續(xù)迭代改進(jìn)，可快速提升產(chǎn)品的成熟度，是一種新的開展空間新技術(shù)試驗(yàn)的思路。

2019年9月，該團(tuán)隊(duì)曾在金牛座微納衛(wèi)星上進(jìn)行了離軌帆技術(shù)驗(yàn)證。在軌數(shù)據(jù)顯示，“金牛座”在離軌帆作用下的離軌速率增大了10倍，與仿真計(jì)算結(jié)果吻合。

與之相比，本次長(zhǎng)二丁火箭使用的離軌帆進(jìn)行了大幅度升級(jí)，不僅帆面面積從2.25平方米延展到25平方米，適用航天器的體量也從10公斤級(jí)上升為50~500公斤。此外，帆面展開方式從彈性應(yīng)變展開升級(jí)為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)式展開，以保證大面積薄膜帆面的平整度和完好性，展開時(shí)間也從0.5秒以內(nèi)延長(zhǎng)至20分鐘。

八院自主研制的離軌帆在太空展開實(shí)拍圖

為把25平方米的帆面折疊起來(lái)裝入寸土寸金的火箭艙段中，研究團(tuán)隊(duì)在薄膜材料方面下足了功夫，不僅確保離軌帆能夠滿足韌性、耐用性等要求，還將輕薄度降到不足頭發(fā)絲的1/10，最終通過高密度壓緊技術(shù)將帆面儲(chǔ)存在體積接近足球大小的盒子里。

八院805所離軌帆裝置負(fù)責(zé)人惲衛(wèi)東介紹，八院于本世紀(jì)初就開始著手各類型空間碎片清理技術(shù)研究和開發(fā)，除已完成在軌驗(yàn)證的2.25平方米和25平方米的離軌帆外，目前正在研制更大尺度的離軌帆裝置，適用于500~3000公斤的低軌航天器，不遠(yuǎn)的將來(lái)也將完成搭載驗(yàn)證，可形成低軌航天器離軌帆裝置型譜。

跨越國(guó)界的“空間保衛(wèi)戰(zhàn)”

近年來(lái)，雖然商業(yè)航天快速發(fā)展，進(jìn)入太空的成本越來(lái)越低，近地空間的軌道資源進(jìn)一步被擠占。

在中國(guó)航天領(lǐng)域，除了科研院所等單位，高校也對(duì)離軌帆技術(shù)進(jìn)行了諸多嘗試。2018年，南京理工大學(xué)研制的“淮安號(hào)”恩來(lái)星，就計(jì)劃采用離軌帆進(jìn)行主動(dòng)離軌試驗(yàn)。

目前，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家也都開展了一系列項(xiàng)目研究阻力帆裝置，主要應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星受控離軌，并在項(xiàng)目中驗(yàn)證了支撐臂設(shè)計(jì)、帆膜設(shè)計(jì)、帆膜折疊等關(guān)鍵技術(shù)。

英國(guó)DeOrbitSail離軌帆在軌部署概念圖

在各國(guó)科學(xué)家的努力下，離軌帆的相關(guān)技術(shù)不斷得以驗(yàn)證并成熟。2017年6月，英國(guó)薩里大學(xué)薩里太空中心研制的技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星 “InflateSail”在入軌后約1小時(shí)成功部署了離軌帆，實(shí)現(xiàn)72天內(nèi)快速降軌，帆面展開面積約10平方米。2019年7月，美國(guó)行星協(xié)會(huì)的LightSail-2成功在軌展開，帆面展開面積約32平方米。

如今，離軌帆技術(shù)憑借成本低、技術(shù)成熟度高、可適用不同規(guī)格低軌道航天器等優(yōu)點(diǎn)，正在成為最易推廣應(yīng)用于空間碎片減緩的技術(shù)之一。一系列成功的飛行試驗(yàn)表明，離軌帆對(duì)于低軌航天器實(shí)現(xiàn)離軌是可行的。

為讓保護(hù)太空“有章可循”，世界航天大國(guó)也對(duì)減緩空間碎片事宜達(dá)成共識(shí)，并制定了一系列規(guī)則條約。

當(dāng)下，對(duì)各國(guó)政府和商業(yè)空間部門來(lái)說，空間碎片增長(zhǎng)仍是一個(gè)日益嚴(yán)峻的問題，需要采取包括離軌帆在內(nèi)的綜合手段來(lái)減緩太空碎片和清理太空垃圾。