摘 要：随着空间中碎片数量的不断增长，必须采取主动清除措施。采用强激光辐照空间碎片表面，产生烧蚀反喷冲量，使碎片坠入大气层中，在气动阻力作用下烧毁，实现空间碎片的清除。
关键词：高能激光；空间碎片；碎片清除
中图分类号：V528 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）11-0073-02
0 引言
随着人类航天活动的不断增加，航天器使用中及使命完成后产生的空间垃圾也在迅速增加，其中，航天器碰撞、爆炸及丢弃时产生的空间碎片，会分布在与原来航天器轨道相近的位置附近，其运动速度高达10km/s-13km/s，即使很小的碎片也会对航天器产生极大的损伤。
1～10cm量级空间碎片数量较大，探测编目困难，不适合采用規避方法进行撞击预防，该尺寸量级的碎片撞击动能较大，采用结构防护方式预防撞击很困难，需要采用清除方式确保航天器安全运行。
1 国内外研究现状
美国、德国和日本等相继开展了地基激光清除空间碎片研究，其中美国NASA的ORION计划最具代表性。ORION计划采用地基激光清除近地轨道1～10cm量级空间碎片，减缓空间碎片对空间站、载人飞船和卫星的撞击威胁。ORION清除碎片原理是用地基强光远距离传输辐照空间碎片，在空间碎片表面形成烧蚀反喷，产生冲量，降低轨道速度，减小近地点半径，使其坠入大气层烧毁。
ORION计划采用平均功率30kW的激光器，重频2Hz，单脉冲能量15kJ，脉宽10ns，用6m直径自适应光学系统作为发射望远镜。ORION计划近期目标是清除800km以下轨道高度空间碎片，远期目标是清除1500km以下轨道高度空间碎片。
2 激光清除空间碎片原理
2.1 空间碎片与激光相互作用
如图1所示，高能激光束辐照物质表面，产生的能量注入到物质上，能量的增加导致物质表面的温度急速上升，表面物质被融化气化，在这一过程中，等离子体产生，等离子反喷羽流伴随蒸汽产生，被激光束照射的物质因此获得冲量，进而产生速度增量。
激光辐照空间碎片不规则表面，在碎片表面的微面积元dS上，都形成烧蚀反喷羽流，获得微冲量，因此，获得总冲量是这些微冲量的矢量之和，如图1及图2所示。
2.2 地基激光空间碎片清除
激光站分布在地面向空中发射激光来实现空间碎片清除，发射的激光束通过大气传输，到达空间碎片表面发生作用，碎片表面烧蚀反喷，从而获得速度增量，方向与原运行方向相反，原来轨道速度降低，碎片的轨道近地点高度从而下降，当轨道近地点高度低于150km时，在大气重力作用下，碎片很快坠入大气层中，在气动阻力作用下迅速烧毁。
地基激光清除空间碎片，具有能源保障方便，系统提供能量高，且易于维护和技术可行性强。地基激光清除空间碎片的主要确定就是需要客服大气传输效应影响。
2.3 天基激光空间碎片清除
将激光发射器作为载荷，带载于卫星或空间站中，在太空直接发射激光来进行碎片清除如图3所示，激光束直接发射至空间碎片表面，碎片表面烧蚀反喷，从而获得速度增量，方向与原运行方向相反，原来轨道速度降低，碎片的轨道近地点高度从而下降，当轨道近地点高度低于150km时，在大气重力作用下，碎片很快坠入大气层中，在气动阻力作用下迅速烧毁。
天基激光清除空间碎片，优势非常明显，其激光器能量远远小于地基，而且激光传输过程中不存在大气湍流干扰，还可以用于特定航天器轨道附近空间碎片清除和推离。缺点是需要带载上天，技术难度大，使命完成后也会作为空间垃圾污染轨道，能源保障困难。
3 关键技术分析
3.1 推进激光作用下反喷矢量计算
对于激光垂直辐照平板材料表面，单脉冲激光作用下，激光能量密度为F（J/m2），辐照横截面积为A，单脉冲激光能量为E=FA，冲量耦合系数为：
（1）
单脉冲作用下获得冲量为：mΔv=CmFA （2）
根据激光辐照下烧蚀反喷试验研究结果，烧蚀反喷原理为不论激光入射方向如何，烧蚀反喷方向始终沿着烧蚀平面法向方向，烧蚀反喷对激光入射角不敏感。
对于给定面积微元dA，激光入射角方向单位矢量为e，烧蚀反喷方向单位矢量为n（沿着dA发现方向），反喷冲量矢量为dI（方向为n的反方向），激光辐照下面积微元dA上产生的冲量大小为：|dI |=-CmFcos（e，n）dA （3）
面积微元dA上，烧蚀反喷冲量矢量为：
dI=-|dI |n=[CmF cos（e，n）dA]n （4）
逐片光滑曲面A：z=z（x，y）为单值连续可微函数，函数f（x，y，z）在曲面A的各点上有定义并连续，则曲面积分为：
（5）
式中σ为曲面A在oxy坐标面上的投影，此积分与曲线A法线方向无关。
3.2 空间碎片坠入大气层烧毁判据
大气层对于空间碎片的气动力，颗分解为阻力fτ（与速度方向相反）、升力fσ（在轨道平面内垂直速度方向）和侧向力fn（垂直轨道平面，构成右手坐标系），在它们的作用下，轨道半长轴、半正交弦和偏心率的变化方程为：
（6）
式中地球引力常数μ=3.98600436×105km3/s2。
气动力中阻力fτ影响最大，一般以单位质量的阻力表示为：
（7）
式中，m为碎片质量，A为垂直速度方向的横截面积，CD为阻力系数，对于100km以上高度，可取近似值CD≈2.2，ρv2/2为速度头（动压力）。
椭圆轨道方程为r=p/（1+ecosθ），半正交弦为p=a（1-e2），速度为v=，任意半径r处轨道高度为h=r-6378，从而可求得大气密度ρ（h）。
若已知椭圆轨道近地点高度hp和偏心率e，可解得初始半长轴a0和偏心率e0，轨道参数变化量为Δa、Δp和Δe，当前半径r处，沿着圆轨道旋转一周的时间为，轨道参数变化量计算方法如下：
（1）从初始半长轴a0和偏心率e0开始计算，解得轨道参数变化量为（Δa）0、（Δp）0和（Δe）0，轨道长半轴为a1=a0+（Δa）0、半正交弦为p1=p0+（Δp）0和偏心率e1=e0+（Δe）0，运行圈数为n=1，运行时间为。
（2）计算到ai、pi和ei时，解得轨道参数变化量为（Δa）i、（Δp）i和（Δe）i，轨道长半轴为ai+1=ai+（Δa）i、半正交弦为pi+1=pi+（Δp）i和偏心率ei+1=ei+（Δe）i，运行圈数为n=n+1，运行时间为。
（3）重复步骤（2），近地点半径为rp=ai（1-ei），远地点半径为ra=ai（1+ei），直到hi=ai（1-ei）-6378≤130km，一般认为轨道高度为h=130km时，由于气动加热作用，空间碎片坠入大气层迅速烧毁。
4 结语
高能激光可以基于天基或陆基实现空间碎片的清理，利用高能激光对物体表面烧蚀产生的反喷流，能够改变太空中小碎片的运行轨道，降低其轨道高度，最后坠入大气层中迅速烧毁。
参考文献
[1] 洪延姬，金星.激光清除空间碎片方法[M].北京：国防工业出版社，2013，8：70-71.
[2] 黄虎，张耀磊，易娟，范国臣.天基激光清除空间碎片方案设想[J].国际太空，2014（04）：45-47.
[3] 陈蓉，申麟，高朝辉，等.空间碎片减缓技术发展研究[J].国际太空，2014（03）：63-67.
[4] 陈煌飞，陈勇，李怡勇，王志.1.06μm激光的大气传输仿真研究[J].激光技术，2014，38（02）：266-269.