轨道碎片的日益严峻的挑战

自空间时代开始以来,地球轨道上积累了数千颗卫星、火箭体和碎片。 据欧洲航天局统计,目前追踪到超过36,500个大于10厘米的物体,数百万个较小的碎片对正在运行的航天器构成碰撞风险。 不加控制,这些碎片可能会引发称为凯斯勒综合症的碰撞级联,使整个轨道波段无法使用。 因此,主动清除碎片任务对于保持对空间的接触至关重要,而电推进正成为这些努力的关键推动因素。

碎片清除的电推进优势

电动推进系统比传统的化学推进器具有若干根本优势,用于碎片清除任务。 最显著的是特定冲动 —— 电动推进器通常能达到1,500-3,000s或更高,而化学发动机的Isp值为200-450s。 这样,碎片清除器可以携带较少的推进剂,用于相同的速度变化,使质量自由用于捕获机制、传感器或每次飞行任务的多个碎片目标。

另一个关键好处是精确推力控制. 电推器可以按下宽范围,在短脉冲中运行,使与倾覆的碎片相会和稳定所需的精细操作得以进行,其长时间的运行寿命——数万小时——也使单一航天器能够在数月或数年中进行多次脱轨燃烧,而不是依靠单一的高压燃烧.

贸易业务和系统层面的影响

虽然电力推进具有很高的效率,但其低推力(通常在毫纽顿至牛顿范围内)意味着比化学推进需要更长的时间。 这需要仔细的飞行任务规划,特别是针对时间敏感的碎片碰撞。 然而,推进剂质量的降低可以降低发射成本或允许更小的航天器总线。 电力推进还需要强力的电压和热管理系统,但是太阳能阵列技术和电池存储的进步使得这些要求越来越容易管理。

用于ADR的电力推进技术类型

霍尔效应推力器

霍尔效应推力器(HET)通过在磁场中夹电子并加速电离子跨越电潜力产生推力。 它们能很好地平衡推力密度和效率,通常在1500-2500秒左右用Isp产生10-500毫升推力。 商用的如PSC-100等高压电子技术在众多地球静止卫星上具有飞行遗产,并且正在调整规模的版本以用于碎片清除。 它们强性和中度的功率要求(1-5千瓦)使其对近期的ADR飞行任务具有吸引力。

离子推力器

离子推进器利用静电网加速离子,实现了任何成熟的电推进型的最高特定冲动——通常超过3,000秒. 虽然推力低于类似电位的霍尔推进器(如20–100 mN),但质量节省可以很大. NASA Evolutionary Xenon Thruster(NEXT)和欧洲T6推进器的寿命已经证明了5万h或更多,使得它们适合长期碎片清除运动. 离子推进器还产生非常狭窄,高度连结的束,降低了敏感捕捉传感器的羽污染风险.

电流推力器

电磁推进器或离子推进器使用发射装置阵列从离子液体或熔融金属推进剂中提取电荷或离子,它们可以建在小型碎片清除卫星或捕获操作时姿态控制的理想的紧凑、可伸缩模块(电显微推进)中,它们按下米利纽顿水平脉冲推力的能力,使在接触非合作物体时能够达到所需的精密定位精度。虽然在实验室和早期飞行演示(例如LISA开拓者飞行任务)中仍然出现,但电喷推进器在非常小的包裹中保证了高效(最高达3 000秒)。

碎片清除电推进方面新出现的趋势

混合推进系统

没有任何单一推进技术满足碎片清除任务的所有阶段。混合结构结合了电动和化学推进器,其牵引力正在增强:化学推进器为轨道提升和飞机快速变化提供了所需的高推力,而电动推进器则处理冗长、节能转移、汇合和脱轨燃烧。例如,ELSAd飞行任务(Astrogram)使用化学系统进行初始轨道插入,并使用电系统进行站台维护及近距离操作。这种双推力方法在不损害推进剂经济的情况下,最大限度地提高灵活性。

先进电力源和太阳能推进

电力推进只有电力供应的能力。 新出现的趋势包括超轻量级太阳能电池阵列(如推出软毯),在航天器上发射10至30千瓦,使高压大厅推进器或多离子推进器能够同时运行。 下一代太阳能电池的效率超过35%(多阻断III+V电池),进一步提高了质量的功率。 使用高能量密度锂+离子电池的机载能量存储,可以使动力捕捉作业与最佳的太阳照明、流畅的电流同步。 这些创新直接将电力推进的覆盖范围扩展到更严格的碎片清除轨迹。

自主导航和AI 德里文·马内弗规划

清除碎片需要与往往无法预测和缺乏合作信标的物体会合。 如果每次燃烧都要从地面预先计算,那么电推进的长时间燃烧时间是不切实际的。 相反,最近的任务正在嵌入 自动制导、导航和控制(GNC) 系统,这些系统使用摄像机、LiDAR和AI来实时估计碎片运动和计划低强度转移。 ASXJ航天器(JAXA/Astrogram)展示了自主的方法,并使用电推进来维持火箭废台的飞行成像。 未来的系统将结合模型预测控制与强化学习,优化碎片捕获序列,同时考虑推进器的制约和太阳辐射压力。

减少碎片相互作用

近距离推进中电源推进的一个持续关切是,推进器的高速度离子可能会冲击目标碎片,改变其姿态或将其推开,对<强>低能量离子束和<强>潜水-减少磁屏蔽的研究正在显示前景,例如,具有高渗透力设计的网状离子推进器可以产生一个光束,其间有小于5°的差,最小的动力转移至附近表面。此外,多速度推进器正在开发中,可以在高效率(大羽流)和低强度(收缩羽流)模式之间转换,确保推进不会破坏捕获目标。

o 轨道加油和寿命延长

给一个电动推进空间拖车加油的能力可以大大降低每个被拆除物体的成本。 设想是推出一个单一的维修平台,收集碎片,由油轮加油,并继续运行。 美国航天局的OSAM ⁇ 1(原Represent-L)和空间后勤任务扩展波德(MEP)是轨道加油的早期步骤。 对于电动推进来说,转移推进剂(通常是xenon或krypton)带来了防漏耦合和加压的挑战,但被动和低的Xleak阀门设计正在成熟。 如果实现,加油可以使持续几十年运行的碎片清除车队得以运行。

大型碎片清除的未来展望

监管和政策驱动因素

联合国空间碎片减缓准则等国际准则建议在卫星寿命结束后25年内予以处置,但遵守仍然是自愿的,遗留碎片的积累仍在继续。 新出现的国家法规 — — 例如美国联邦通信委员会离轨五年规则 — — 正在创造一个主动清除服务的市场。 欧空局等机构已经承诺执行ClearSpace1飞行任务,该飞行任务将使用霍尔效应推进器捕获和脱轨100千克有效载荷适配器。 随着监管压力的加大,对可靠的电动推进ADR系统的需求将增加。

通过分布式架构进行放大

使用分布的小卫星是一种令人信服的趋势,而不是派出一个大型航天器去清除许多大物体。小碎片清除卫星的集合,每个卫星都配备了紧凑的电喷射推进器,可以瞄准多个中型物体。iBOSS(On Orbit服务智能建筑区块)概念和DEOS(德国)飞行任务正在探索模块式方法,其中电推进提供了与标准化接口对接所需的精细控制。这种可扩展性可以降低任务成本,加快清理时间表。

与空间制造和组装的协同作用

长期电动推进不仅用于清除碎片,而且还使轨道组装了更大的结构,随着可再利用火箭的发射成本降低,将建筑构件与高效的太阳能电动推进一起移动的能力变得具有吸引力,以后可以重新将处理和脱轨碎片的推进器技术用于建造大型望远镜或加油站,这种双重用途的好处可以加速对大功率电动推进系统的投资,直接使碎片清除受益。

总之,电动推进正在从一种特殊技术过渡到主动清除碎片的基石。 随着霍尔、离子和电子喷射推进器、自主的全球电磁中心和动力系统的持续发展,未来十年有可能出现第一波积极清除危险碎片的作业飞行任务,这些系统不仅将保护现有空间资产,而且还将为可持续的轨道环境——一个电动推进为子孙后代保证空间安全提供了必要的精密和效率的环境——奠定基础。

外部链接:[
欧空局——关于空间碎片
] 航天局——OSAM-1飞行任务概览[]] 规模——ELSA-d飞行任务
] 空间新闻——ADRAS-J碎片检查]