离轨帆：太空垃圾的“清道夫”

未来，烟花除了从地面升起，也有可能从天而降。

荷兰艺术家达安·罗斯加德正在与欧空局合作建立一个太空垃圾实验室。按照设想，太空垃圾将变成人造流星，就像烟花一样照亮天空。该计划试图将碎片引导到地球大气层，并在预定时间使其燃烧。

完成这场“烟花秀”的前提是如何将碎片引导到大气层？这其实是国内外航天科学家、工程师早已开始研究的议题。其中，离轨帆作为一种相对便捷、经济的太空碎片处置方式，越来越多地进入大众视野。

前不久，中国航天科技集团八院自主研制的国内目前面积最大、国际首次运用于火箭舱段的离轨帆，首次成功在轨顺利展开，把完成任务的火箭末子级带回地球大气层烧毁。那么，离轨帆主要有哪些优势呢？

八院自主研制的离轨帆在太空展开实拍图

太空垃圾的“新杀手”

2021年，全球发射了100多枚入轨级火箭。使命完成后，火箭残骸或坠落地表，或坠入地球大气层焚毁，或成为流浪太空的常驻散客“太空垃圾”。

据统计，自人类开展航天活动以来，太空中已经留有大小上百亿个太空碎片，它们并非静止不动，而是在以极快的速度飞行，例如近地轨道空间碎片的飞行速度可达7~8公里/秒，若与航天器发生碰撞，轻则会造成航天器系统故障，重则会完全解体或爆炸。

一般认为，轨道高度在600公里以下的微小卫星采用“离轨帆”增阻装置来实现任务后的空间碎片自主清理，是种非常便捷、经济的方式。

离轨帆，即利用大面积展开薄膜帆面增加气动阻力，加速航天器的离轨过程，是一种适用于低轨航天器的简易、无源的离轨方式，具有使用便利、成本低等优势。

八院离轨帆地面试验

以运载火箭载荷舱为例，虽长期在轨，但没有推进系统，也没有电能和化学能供给，这时只需给予一点微弱的电流，离轨帆的帆面就可以展开，携带载荷舱脱离轨道，进入大气层烧毁。

在运载火箭发射阶段，离轨系统的离轨帆装置始终处于收拢压紧状态，待卫星入轨后，在地面遥控指令下，离轨帆自主解锁、展开。航天器通过展开的“帆面”增大受力面积，借助大气稀薄的阻力缓慢降速，最终被地球引力拖入大气层烧毁。简单来说，这就像给航天器带了一把“伞”，在完成使命后，伞面打开，阻力增加，航天器便减速实现离轨。

之所以说离轨帆便捷经济，还因为与推力器等主动离轨装置相比，离轨帆的研制成本不到航天器的5%，并且对于一些轨道更低、质量更小的卫星而言，该装置可以进一步小型化以降低成本。

太空垃圾的离轨之路

航天器离轨方式一般分为主动和被动两种。

2019年7月19日，遨游太空近3年的“天宫二号”受控离轨再入大气层，少量残骸落入南太平洋预定安全海域，就是主动离轨的成功案例，即航天器在寿命末期，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，逐渐坠入大气层。

被动离轨则是让无动力的航天器借助薄膜帆装置、电动力系绳、充气球等装备降低轨道高度。当低于正常运行的轨道速度时，航天器就会自动坠入大气层。

如何让完成卫星发射的火箭留轨舱段快速离轨，是目前空间碎片减缓领域的重点研究方向之一。

不久前，八院在“长二丁”上进行离轨系统试验，首次把离轨帆运用于运载火箭的留轨舱段，为后续运载火箭末子级、载荷舱、载荷适配器等完成任务后，快速离轨提供了一种有效手段，同时为大型航天器寿命末期碎片自主清除技术发展奠定技术基础。

八院自主研制的离轨帆在太空展开实拍图

八院805所运载火箭载荷舱离轨系统团队技术负责人郑琦介绍，离轨帆属于轻量级的加速离轨措施，对火箭运载余量开销低，对发射任务影响小，非常适合成为运载火箭标配的离轨装置。此外，从新技术验证角度考虑，相对于在轨任务周期较长的卫星，利用发射任务完成后的留轨末子级、载荷舱来实施此类空间新技术试验，任务组织、管理更加高效，能够更快地在轨实施技术验证，实现新技术的持续迭代改进，可快速提升产品的成熟度，是一种新的开展空间新技术试验的思路。

2019年9月，该团队曾在金牛座微纳卫星上进行了离轨帆技术验证。在轨数据显示，“金牛座”在离轨帆作用下的离轨速率增大了10倍，与仿真计算结果吻合。

与之相比，本次长二丁火箭使用的离轨帆进行了大幅度升级，不仅帆面面积从2.25平方米延展到25平方米，适用航天器的体量也从10公斤级上升为50~500公斤。此外，帆面展开方式从弹性应变展开升级为主动驱动式展开，以保证大面积薄膜帆面的平整度和完好性，展开时间也从0.5秒以内延长至20分钟。

八院自主研制的离轨帆在太空展开实拍图

为把25平方米的帆面折叠起来装入寸土寸金的火箭舱段中，研究团队在薄膜材料方面下足了功夫，不仅确保离轨帆能够满足韧性、耐用性等要求，还将轻薄度降到不足头发丝的1/10，最终通过高密度压紧技术将帆面储存在体积接近足球大小的盒子里。

八院805所离轨帆装置负责人恽卫东介绍，八院于本世纪初就开始着手各类型空间碎片清理技术研究和开发，除已完成在轨验证的2.25平方米和25平方米的离轨帆外，目前正在研制更大尺度的离轨帆装置，适用于500~3000公斤的低轨航天器，不远的将来也将完成搭载验证，可形成低轨航天器离轨帆装置型谱。

跨越国界的“空间保卫战”

近年来，虽然商业航天快速发展，进入太空的成本越来越低，近地空间的轨道资源进一步被挤占。

在中国航天领域，除了科研院所等单位，高校也对离轨帆技术进行了诸多尝试。2018年，南京理工大学研制的“淮安号”恩来星，就计划采用离轨帆进行主动离轨试验。

目前，美国、英国、德国等国家也都开展了一系列项目研究阻力帆装置，主要应用于实现卫星受控离轨，并在项目中验证了支撑臂设计、帆膜设计、帆膜折叠等关键技术。

英国DeOrbitSail离轨帆在轨部署概念图

在各国科学家的努力下，离轨帆的相关技术不断得以验证并成熟。2017年6月，英国萨里大学萨里太空中心研制的技术验证卫星 “InflateSail”在入轨后约1小时成功部署了离轨帆，实现72天内快速降轨，帆面展开面积约10平方米。2019年7月，美国行星协会的LightSail-2成功在轨展开，帆面展开面积约32平方米。

如今，离轨帆技术凭借成本低、技术成熟度高、可适用不同规格低轨道航天器等优点，正在成为最易推广应用于空间碎片减缓的技术之一。一系列成功的飞行试验表明，离轨帆对于低轨航天器实现离轨是可行的。

为让保护太空“有章可循”，世界航天大国也对减缓空间碎片事宜达成共识，并制定了一系列规则条约。

当下，对各国政府和商业空间部门来说，空间碎片增长仍是一个日益严峻的问题，需要采取包括离轨帆在内的综合手段来减缓太空碎片和清理太空垃圾。