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卫星装翅膀,舱段化蝶飞?国产太空清道夫来了!

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出品|网易新闻

导语:由中国航天科技集团八院805所自主研制、配置于火箭载荷舱上的离轨系统6月份在轨顺利展开离轨帆装置,这也标志着我国用于空间碎片减缓的离轨帆在轨应用进入新阶段,这是我国治理太空垃圾的重要一步!


一、警惕!地球已被太空垃圾包围

从1957年10月4日前苏联发射人类第1颗人造卫星至2019年下半年,世界航天共执行了4000多次航天发射任务,发射了8000多个航天器,到截止时间太空在轨运行的航天器约有1500多个。在航天任务中,失效航天器以及火箭末子级、火工品操作性碎片、航天器碎片等航天废弃物成为了不受控制的太空垃圾,其中大部分位于高度1000千米以下的近地轨道上,一旦这些太空垃圾之间或太空垃圾与有效航天器之间发生碰撞,又将制造更多、更细小的太空垃圾。


截至2019年,地球附近被记录在案的废弃航天器以及空间碎片已经超过5万个,由于跟踪能力和资源的限制,还有更多未被记录的细小太空垃圾自由漂浮在地球轨道空间。事实上,太空垃圾已经包围地球,且随着人类航天活动日盛,更多的太空垃圾正在产生,导致人类航天活动正面临前所未有的威胁,这对于载人航天尤其如此。时至今日,减少太空垃圾已经到了刻不容缓的地步!

二、人类拿太空垃圾有什么办法?

要减少太空垃圾,首要问题是从源头抓起。目前地球轨道的太空垃圾源头是运载火箭的末子级和失效卫星,主要集中在近地轨道,面对这一轨道区域的新增太空垃圾,最有效的应对方式就是让其离轨再入。


典型的航天器离轨方式可以分为主动和被动两种。主动离轨是指航天器在寿命末期,利用自身携带的动力装置进行轨道机动,降低飞行速度并离开运行轨道,从而逐渐坠入大气层烧毁。北京时间2022年7月27日11时31分,“天舟三号”货运飞船受控再入大气层,飞船绝大部分器件烧蚀销毁,少量残骸落入南太平洋预定安全海域。“天舟”飞船就是主动离轨航天器的典型代表。

被动离轨具体可以分两种情况,第一种是对于废弃航天器放任自流,由其经过稀薄大气产生的阻力自然降速降轨;第二种是让航天器借助电动力系绳、充气球等外部作用力降低飞行轨道,其中,薄膜帆装置即离轨帆是目前着重发展的方向。

三、给卫星装上离轨帆,薄如蝉翼的“天使之翼”!

北京时间2019年9月12日,“金牛座”纳星搭乘”长征四号乙” 遥三十九运载火箭成功发射,6天后的9月18日卫星顺利展开离轨帆开始被动离轨试验,这是我国离轨帆的第一次在轨试验。


离轨帆是一种配置在卫星等航天器上的、可在太空中实现自主展开的薄膜结构,基于空间超轻薄膜可展结构技术,离轨帆通过增加航天器的迎风面积,利用低轨环境下稀薄大气形成的气动阻力让航天器逐渐减缓运行速度、降低轨道高度,促使其加速离轨。在随航天器发射入轨时,离轨帆呈收拢状态,当航天器寿命结束时帆面解锁指令启动,离轨帆面展开,航天器转入再入过程。

“金牛座“纳星配备的是我国首例微纳卫星标配式离轨帆,由中国航天科技集团空间结构与机构技术实验室(依托航天科技集团八院805所)研制,其使用的超轻薄膜极为纤薄,厚度不足头发丝直径(0.06-0.09毫米)的1/10,比家用保鲜膜厚度(约0.01毫米)更薄,接近蝉翼0.005毫米的厚度,名副其实的薄如蝉翼!


基于超轻薄膜,“金牛座“离轨帆采用先进的微米级薄膜折叠收拢技术,展收比达到国际一流水平,展开时面积为2.25平方米,收拢时仅有高尔夫球大小,装置布置在星箭分离机构的内部空隙部位。此类离轨帆可加装至各类成熟的小卫星平台而不占用卫星自身包络。


“金牛座“此行旨在验证薄膜离轨帆高效收拢和在轨展开技术,并实测离轨效果,成效显著。此后的“齐鲁四号”、佛山一号”、“天枢一号”、“金紫荆二号”等先后发射的多颗商业卫星也配套了离轨帆,实现了离轨帆的应用推广。

四、世界首创!“向太空垃圾”宣战

北京时间2022年6月23日,“长征二号丁”遥六十四运载火箭成功发射,3天后的6月26日07:00,配置于火箭载荷舱上的离轨系统在轨顺利展开离轨帆装置。这是目前国内面积最大的离轨帆产品,也是国际上首次将离轨帆应用于运载火箭的舱段。

“长征二号丁”遥六十任务使用的是超大面积离轨帆,结构更为复杂、技术更加先进。帆面材料极为纤薄,厚度不足头发丝直径(0.06-0.09毫米)的1/10,通过精确地折叠设计和高密度压紧,帆面能够收纳成极小的体积,配备先进的弹性展开机构,完全展开状态下帆面面积达25平方米,是此前微纳卫星标配式离轨帆面积的11倍以上。


“长征二号丁”遥六十四载荷舱质量约300千克,如果放任自流只会成为漂浮在近地轨道的大件太空垃圾,而配上离轨帆之后,该载荷舱将大大加快离轨进程,实现2年内再入大气层。

离轨帆的应用从卫星跨越到火箭舱段,其意义是不言而喻的。以我国为例,2021年我国共进行了55次航天发射,除去1级入轨的“长征五号B”遥二和3次未成功的火箭发射,总计向太空运送了51个火箭末子级,在没有干预的情况下,这些舱段无疑就成为了新增的大件太空垃圾,将长期滞留太空。而如果在未来的航天发射中给执行近地轨道任务的火箭末子级配上超大面积离轨帆,就能在短期内将新增留轨的末子级减少一大半。

五、四大优势!最有希望的“垃圾治理”方式!

相比于其它离轨方式,离轨帆有其独特优势。质量轻。离轨帆采用了微米级薄膜,厚度只有头发丝直径(0.06-0.09毫米)的1/10,且具有轻量化的特点,微纳卫星也能搭载。以“金牛座”纳星为例,该星总质量约10千克,依然可以配备匹配其规格的离轨帆。随着航天技术的发展进步,世界卫星小型化已经取得长足进步,小型卫星如雨后春笋般冒出,特别是在“星链”等大规模星座计划的带动下,小卫星的发射数量呈现几何级数增长,正在成为太空垃圾的主要源头之一,而轻巧的“离轨帆”则为解决这一问题提供了绝佳方案。


体积小。离轨帆具有高展收比的特点,该装置采用先进的微米级薄膜折叠收拢技术,展收比达到国际一流水平,可加装至各类成熟的平台而不占用平台自身包络。同样以“金牛座“纳星为例,其离轨帆装置展开面积为2.25平方米,收拢时极为小巧,仅有标准直径为42.67毫米的高尔夫球大小,可布置在星箭分离机构的内部空隙部位。


成本低。离轨帆作为一种轻质大面积薄膜结构,在相同的离轨效率下,其成本优势明显。相比于配置推力器的主动离轨装置,薄膜帆以不到航天器研制成本5%的代价,提供了有效的离轨手段。再以“金牛座”纳星为例,其卫星平台由上海埃依斯航天科技公司研制,该公司标准化卫星平台精简版 SL-A质量5-20千克,价格人民币500万元起,依此可以推测“金牛座”纳星离轨帆的成本接近25万元。对于各类产业而言,成本在任何时候都是制约产业规模的关键因素之一,而低成本也将成为离轨帆推广应用的关键优势之一。


成熟度高。离轨帆采用的空间超轻薄膜可展结构技术,是当今国际航天领域的前沿技术之一,中国航天科技集团空间结构与机构技术实验室深耕10余年,实现了由预研成果向工程应用转化。“金牛座”纳星被动离轨试验开启了离轨帆的在轨应用,“齐鲁四号”“佛山一号”“天枢一号”“金紫荆二号”等多颗商业卫星实现了离轨帆的应用推广。到了“长征二号丁”遥六十四任务,型号研制团队在“金牛座”离轨帆的基础上,进一步突破了多项关键技术,实现了离轨帆展开面积增大10余倍的技术跨越,填补了国内中大型航天器及运载火箭入轨舱段增阻离轨能力空白。


在各类离轨方式中,离轨帆除了拥有质量轻、体积小、成本低、成熟度高的优点,同时还有相对难度低的优点,适用于不同轨道和规格的各类航天器。离轨帆的实际效果显著,可以将废弃卫星离轨速度提升一个数量级。以轨道高度700千米、质量15千克的小卫星为例,如果放任自流,卫星寿命结束后还将在轨运行120年甚至更久,而通过采用2.25平方米的离轨帆,可将再入的时间降至10年以下。

面对日益严峻的太空垃圾问题,人类提出了大量解决方案,而拥有众多优势加持,且行之有效的离轨帆最有希望实现产业化应用!

结语:

2021年,我国航天发射总数达到创纪录的55次,稳居当年世界第一,2022年我国航天发射总数将继续保持增长姿势,达到60余次。随着我国航天发射活动日益增长,对于太空垃圾的治理需求也日益迫切,随着离轨帆应用实践的逐渐深入,一个航天细分产业正在形成,减缓太空垃圾的中国方案将逐渐崭露头角!

参考文献:

[1]李懿德,恽卫东,郑 琦.《国内最大离轨帆成功在轨展开》[J].上海航天, 2022

[2]赵聪.《一箭三星,中秋圆满》[J].中国航天报,2019

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