离子束推移清除空间碎片技术浅析

陈蓉,申麟,唐庆博,肖肖,童科伟

(中国运载火箭技术研究院研究发展中心,北京100086)

1 前言

离子束推移离轨技术是一种新型的空间碎片清除方式,利用远距离发射的高能离子束与空间碎片产生作用力,降低碎片速度,从而降低其轨道,达到移除目的。由于离子束推移是非接触的离轨方法,因此在清除过程不会与碎片发生直接接触,不需要交会过程和复杂的控制系统。并且远离离子束中心线的大发散角的等离子体非常稀少 (动量可忽略不计),所以也不会对空间环境造成污染。这种方式适合于不同轨道、不同尺寸大小的空间碎片[1]。

俄罗斯航天国家集团正在研究一项名为 “扫除者”的太空清除器项目,计划使用发动机喷射的离子束将废弃航天器从轨道 “吹”除。

这一项目已被列入2016～2025年联邦航天规划,预计从2018年开始设计,2025年投入试运行。“扫除者”航天器重达4吨,可以在一个周期内 (最长6个月)清除约10件废弃航天器。每台 “扫除者”的使用期限预计达到10年,也就是说在工作不少于20个周期内可从轨道上清除近200个空间碎片。欧空局 (ESA)、日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA)也都提出过类似的概念。

图1 欧空局离子束推移清除碎片概念Fig.1 The conception of ESA's ion beam deorbit technology

2 技术可行性分析

2.1 离子束管控飞行器

这种离子束管控飞行器 (Ion Beam Shepherd,简称IBS)的相互对立面安装了一对离子发动机。当飞行器接近空间碎片时,以相同功率启动这些离子发动机。这样飞行器可以依然保持原位置。离子发动机产生的离子束作用于空间碎片,制动目标并改变其轨道参数,使其逐渐降低速度,最终从轨道上脱离。……