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文|三月十
编辑|北岭清泉
引言
地球轨道正处于由数百万空间碎片造成的严重困境。对人类基础设施至关重要的运载卫星正面临被空间碎片摧毁的威胁。凯斯勒综合症指出，即使立即停止所有向太空的发射，由于连续碰撞也可能产生越来越多的碎片。
因此，主动清除碎片具有重要意义。在此背景下，建议所有航天公司和组织遵循 25 年安全标准，这意味着卫星应在任务结束后 25 年内降低其轨道并重新进入，或将自身提升到墓地轨道。
由于该规则至今未强制执行，根据 NASA 的预测模型，每年仍需要清除 5‑10 个空间碎片物体以稳定空间环境。
空间碎片可以以不同的方式产生，例如与航天器比的超高速撞击、高强度爆炸或低强度爆炸、功能失调的卫星和火箭上级。
早在 1975 年，美国宇航局就已经对空间碎片的质量分布进行了调查，并进行了多次地面实验。应用幂和指数函数模型来估计空间碎片的质量分布。
主动空间碎片捕获和清除空间任务包括以下阶段：发射和早期轨道阶段（LEOP）、远距离交会阶段、近距离交会阶段、捕获阶段和清除阶段。这些阶段可以自主执行，也可以由地面任务操作远程控制。
捕获阶段在整个任务过程中起着至关重要的作用。从概念上讲，已经提出了许多空间碎片捕获方法。根据其特点，这些方法分为两大类：接触式和非接触式捕获方法。
1.刚性连接捕获
e.Deorbit 项目中，使用触手进行捕获可以在有或没有机械臂的情况下进行。使用机械臂，触手捕获通过机械臂在目标上固定一个点后，通过夹紧机构拥抱空间碎片。
最后，追赶者的速度增加将使组合物体脱离轨道。权衡表明，与没有机械臂的捕获相比，使用机械臂捕获触手会导致更高的成本、质量、体积、危险性和设计复杂性。已经成功模拟了无机械臂的目标抓取，但由于精度高，对GNC的要求更加严格。
2.灵活的连接捕获
对于触手捕捉和机械臂捕捉，追踪卫星和目标之间的连接是僵硬的。这使得复合材料可控且稳定。然而，质量和成本急剧增加。为了克服这个缺点，提出了末端执行器和跟踪器卫星通过系绳连接的灵活连接捕获方法。
GEO 轨道的情况，ESA 赞助了机器人地球静止轨道恢复器 (ROGER)，其目的是将目标运送到目的轨道。该项目中的末端执行器可以是网或夹持器机构。
捕网机构由位于网的每个角的四个飞行配*成。飞行的重量总是被称为子弹，它是由一个弹簧系统发射的，称为网枪。这四颗子弹有助于扩大大网，从而将目标包裹起来。使用该方法捕获时无需先验知道质量、惯性等物理量。
ESA 还发布了 e.Deorbit 项目，他们有信心宣布，这可能是主动空间碎片任务的首次飞行演示。净捕获方法是 e中提出的 ADR 的几个概念之一。
去除方法与捕获方法根本不同。在某些情况下，移除是在捕获之后执行的。然而，在大多数情况下，移除方法完全避免捕获。现有去除方法的概念图如图所示：
1.增阻系统
增加空间碎片物体的面积质量比是增加大气阻力影响的一种方式。增阻法允许跟踪卫星和目标之间有很大的距离。因此，这种方法不需要近距离交会对接。
它降低了对追踪卫星的要求，因为再入过程是由大气阻力影响而不是追踪卫星执行的。此外，它还兼容不同大小的空间碎片。
由于空间大气分布的原因，采用该方法去除的目标应该在LEO轨道上。
2.电动系绳
电动系绳移除方法最初用于轨道转移和轨道机动，是一种利用地磁场再入的方法，在这方面，推进系统在重返大气层期间不是强制性的。
相比之下，该概念的两个实际缺点是由于磁场强度不足，它无法处理 LEO 以外的目标；另一个是洛伦兹力在很大程度上取决于通过系绳的电流，因此在电流较小时推力不够大，无法实现轨道转移。
3.太阳辐射力
2010 年首次验证了太阳帆推进方法。 详细讨论了几个太阳帆推进任务。利用太阳辐射力清除空间碎片是针对推进系统失效或推进剂不足以重返大气层但太阳帆控制系统仍在工作的非运行卫星的一种方法。
由于卫星沿其轨道远离太阳运动时，其半长轴增大，反之又减小。当它向太阳移动时。在一个完整轨道中，半长轴的净变化为零。基于这种效应，可以通过在适当的时候旋转太阳帆来降低轨道以接收太阳辐射力。
即卫星在接近太阳时旋转太阳帆完全面向太阳，在接近太阳时使其与太阳光平行。根据分析，将地球同步卫星离轨到机构间碎片协调委员会建议的235公里推荐高度至少需要5.8年。
4.非接触式移除方法
追踪卫星在捕获和清除过程中与目标的接触会影响整个系统的稳定性，例如可能将目标推离追踪卫星或使系统失控。
非接触式方法，即在整个去除过程中不发生直接接触，可以克服这些缺陷。但是，删除目标总是需要很长时间。
最相关的非接触式去除方法是人工气氛影响法、激光系统和离子束引导器。所有这些方法的一般原理是降低空间碎片的速度，从而通过在它们的轨迹中喷射一些中等物体来降低它们的高度。
5.接触去除方法
接触去除方法是利用追踪卫星和目标之间的直接交互的概念去除过程。弹弓法和粘合剂法是此类下的两种典型去除方法。
发了一颗名为 Sling‑Sat Space Sweeper (4S) 的卫星，该卫星一次发射可清除多个目标，旨
在为 ADR 节省能源。卫星可以捕获空间碎片并将其抛向地球，然后利用弹射产生的动量滑向另一个空间碎片物体。
Adhesive方法是由新加坡的Astro Scale提出的，也是一种多目标去除方法。一个名为 boy 的离轨套件配备了推进系统，可以从名为 Mothership 的运载工具上释放。
空间碎片清除任务与在轨服务任务有一些相似之处。然而，在大多数在轨服务任务中，要服务的目标始终是合作的，即目标上的一些物理固定装置有助于交会和或对接过程。几何信息，例如质心 (CM) 或目标的惯性，也是事先已知的。
相反，空间碎片的特性可能差异很大，例如，火箭上级、非运载卫星或爆炸或碰撞的残余物。它们不会向追踪卫星提供任何信息，因为它们是非合作目标，这使得 ADR 更加复杂。迄今为止，已经提出并研究了各种空间碎片捕获和清除方法。
每种碎片的非合作级别根据其特性而不同。每种碎片最合适的捕获和清除方法应该是不同的。因此，需要开发非合作级别的碎片和量身定制的相关捕获和清除方法。
非合作目标可以代表一个没有任何反射器的物体，用于近距离交会。当执行捕获动作时，非合作目标可以表示没有对接机制或不知道其物理特性的物体。
在这方面，非合作目标在不同情况下有不同的定义，如果定义不当，很可能会误解目标的特性。非合作目标视为既没有用于合作措施的人工标记，也没有任何用于捕获的抓取固定装置的目标。
在他的分析中，选择了一个三角形的太阳能电池板支架作为捕获夹具。姿势测量和 3‑D执行重建以捕获目标。
在过去的二十年里，已经开发了许多ADR的使能技术。为了清楚地了解 ADR 的现有技术，本文开发了空间碎片捕获和清除方法的框架。
最相关的捕获和移除方法的优缺点也已得到解决。此外，还对现有的 ADR 技术进行了比较。详细讨论了与这些方法相关的最新技术。
为了促进空间碎片清除的发展，讨论了与每种捕获或清除方法相关的研究领域，例如最小化撞击影响、 姿态同步和网络建模。
此外，还展望了与每种捕获或去除方法相关的研究领域，如翻滚兼容性研究、调查中的 网络部署过程和 IBS 反翻滚。
本文还发现，针对非合作目标的 ADR 开发仍然具有挑战性。捕获并重新移动翻滚目标或物理特性未知的空间碎片物体仍然面临许多技术挑战。本文提供了非合作性分析。空间碎片物体根据它们的非合作性被分为四组。
已阐明并提供了每个类别的特征和示例。已经针对每个类别定制了相关的捕获和移除方法，以通过这些现有的捕获和移除方法来促进决策制定。
参考文献：
1.DJ Kessler，BG Cour‑Palais，人造卫星的碰撞频率：碎片带的形成，J. Geophys。研究：空间物理学。
2.TD Bess，轨道人造空间碎片的质量分布，载于：NASA 技术说明，技术说明，1975 年。
3.R. Biesbroek，并发设计设施中的 e.deorbit 研究，载于：Presentation Handouts，Active Space Debris Removal Workshop，vol. 17，达姆施塔特，德国，2012年。
4.A. Chiesa、F. Alberto，主动清除空间碎片的使能技术：学员项目，载于：第三届欧洲空间碎片建模和修复研讨会，法国巴黎，2014年。
5.K. Yoshida、H. Nakanishi，Tako（目标协作）传单：未来卫星服务的新概念，载于：i‑SAIRAS：国际人工智能、机器人技术和空间自动化研讨会，加拿大蒙特利尔，2001 年。
