[论文解读] Ion Beam Shepherd for Contactless Space Debris Removal

Claudio Bombardelli, J. Peláez|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2011

Space Satellite Systems and Control参考文献 8被引用 15

一句话总结

本文提出了离子束牵引器（Ion Beam Shepherd, IBS）概念——一种利用航天器将聚焦的高速离子束定向照射空间碎片、通过动量传递实现无接触脱轨的主动碎片清除方法。借助先进的离子推进器，IBS可在总质量小于300公斤的情况下，于约7个月内将5吨重的碎片物体脱轨，证明了其在近地轨道大规模碎片清除中的可行性。

ABSTRACT

A novel concept for contactless active removal of large space debris is proposed exploiting the use of a high-speed targeted ion beam. The ion beam shepherd spacecraft (IBS) is equipped with an electric propulsion system generating a quasi-neutral plasma pointed against the space debris to remotely modify its orbit without physical contact with the latter. The beam shepherd must be equipped with a secondary propulsion system which counteracts the reaction force exerted by the ion beam hence keeping the distance between the space debris constant throughout the deorbit (or reorbit) process. A preliminary analysis of the concept is provided highlighting the expected performance and the main technologicals challenges. The concept has the potential of making large debris removal operations possible in the near future.

研究动机与目标

• 为应对日益增长的轨道碎片威胁，特别是拥挤的近地轨道（LEO）中大型非功能物体可能引发级联碰撞效应的风险。
• 开发一种无需对接或物理捕获的无接触、安全且高效的大型碎片物体（例如 >1 吨）脱轨方法。
• 评估基于现有电推进技术的离子束牵引器（IBS）航天器在性能与系统级可行性方面的表现。
• 在现实约束条件下，通过最小化总质量并最大化脱轨效率，对IBS系统进行优化。

提出的方法

• IBS利用主离子推进系统产生高度准直、高速的离子束，定向照射目标碎片，通过动量转移改变其轨道。
• 作用于碎片的力基于束流的动量通量计算，假设完全拦截且溅射效应可忽略不计。
• 建模采用双推进器配置：两台效率为70%的离子推进器，其排气速度优化至 Irving-Stuhlinger 特征速度，以实现最优比冲。
• 通过优化电源系统比质量（5 kg/kW）、结构质量（150 kg）和推力剖面（恒定切向推力），实现系统质量最小化。
• 采用解析模型计算从1000公里至300公里高度圆形轨道上碎片的脱轨时间与所需质量。
• 研究假设束流发散角较小（<15°），该参数在当前离子推进器中可实现，从而支持在安全距离外安全运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 离子束牵引器航天器能否在无物理接触的情况下有效脱轨大型空间碎片（>1 吨）？
• RQ2 在恒定切向推力条件下，为最小化IBS系统总质量，最优比冲与喷射排气速度应为何值？
• RQ3 对于给定的IBS系统配置，所需脱轨时间如何随碎片质量变化？
• RQ4 在保持光束-目标对准及管理反向散射离子方面，存在哪些关键技术与物理挑战？
• RQ5 当光束的中心压力点与碎片质心不重合时，对姿态动力学与操作安全性有何影响？

主要发现

• 使用总质量小于300公斤的IBS，可在约7个月内将5吨重的碎片从1000公里高度脱轨至300公里高度。
• 最优比冲对应于排气速度等于Irving-Stuhlinger特征速度，该条件下可使给定脱轨任务的系统总质量最小化。
• 在结构质量为150公斤、电源系统比质量为5 kg/kW的假设下，对于质量高达5吨的碎片，IBS系统总质量仍可保持在300公斤以下。
• 该概念可借助现有电推进硬件实现，特别是低束流发散角（<15°）的离子推进器，支持安全、无接触运行。
• 非正常工况如光束偏移与反向散射离子会带来姿态控制挑战与污染风险，需进一步研究。
• IBS概念为轨道碎片主动清除提供了一种有前景且可扩展的解决方案，尤其适用于高交通密度轨道区域中的大型非合作目标。