空间碎片的防护、监测和建模

文/ 龚自正

空间碎片的防护、监测和建模

文/ 龚自正

空间碎片与航天器的平均撞击速度为10公里/秒，这么高的撞击速度，现有材料难以“扛得住”。那么如何对这种撞击进行防护呢？

空间碎片的防护

实验证明，超高速弹丸(碎片)与薄靶撞击过程中，会发生破碎、熔化、气化甚至等离子体化等，形成高速运动的物质云团，称为碎片云。弹丸和薄靶的破碎、熔化、气化等过程消耗了碎片的部分动能，碎片云的扩散降低了对后面舱壁单位面积的破坏力。正是利用超高速弹丸(碎片)与薄靶撞击过程中的能量耗散和分散原理，Whipple等人发明了用于航天器空间碎片防护的结构——Whipple防护结构。当然，加装防护结构会增加航天器的质量和造价，这种办法只能用于航天器的高撞击风险部位和易损部组件。一般情况下首先要考虑通过合理布局，用耐撞击部组件来遮挡撞击易损部组件，其次是给撞击易损部组件增加厚度或包覆抗撞击表面材料，最后才考虑加装防护结构进行防护。

国外空间碎片防护现状与趋势

从上世纪80年代开始，出于国际空间站防护的需要，美国宇航局、欧空局、日本宇宙航空研究机构等机构联合一些大学及科研院所，对空间碎片防护问题进行了深入的研究，开发了以Nextel（一种Al2O3陶瓷纤维布）为主的多种高性能防护材料，发展了多种增强型空间碎片防护结构，开发了弹道极限方程和损伤方程等，为国际空间站和其他大型、长寿命、高价值航天器提供了有效的空间碎片防护手段，得到广泛应用。国际空间站在轨安全运行超过20年证明了防护的有效性。

▲ Whipple防护结构及其增强型

欧空局的X射线望远镜伦琴卫星（ROSAT）、加拿大的遥感卫星RADARSAT-1、美国宇航局的彗星探测器彗核之旅（CONTOUR）等高价值、高撞击风险卫星都作了空间碎片防护。

目前，国际上空间碎片防护研究的热点问题，一是弹丸形状效应对撞击特性的影响。为地面实验模拟方便，空间碎片撞击特性的研究通常选用标准球形弹丸，而绝大多数空间碎片的实际形状并非球形。这就需要研究非球形弹丸对防护性能的影响，这也是一个复杂问题。二是超过7公里/秒发射技术和撞击特性研究。空间碎片与航天器撞击的平均速度为10公里/秒，而目前常用的模拟发射装置二级轻气炮的发射能力一般在7公里/秒以下，这严重制约了对7公里/秒以上特性的实验研究。为了解决这个问题，国外超过7公里/秒的发射手段主要有聚能加速技术、三级炮和磁驱动技术等。三级炮可以将球形弹丸发射到9～11公里/秒，而磁驱动技术可以将尺寸为25×15×0.2～0.3毫米的铝飞片发射到21公里/秒。其中聚能加速技术在国际空间站的防护结构设计中得到广泛应用。这些技术的稳定性有待研究，也期盼发明新的超过7公里/秒的发射技术。三是卫星遭遇空间碎片撞击的易损性研究。包括空间碎片撞击下航天器部件和分系统功能失效与降阶、失效模式、失效概率、撞击损伤阈值评估等。

▲ 国际空间站上欧空局的哥伦布舱空间碎片防护结构

▲ 超高速弹丸(碎片)与薄靶撞击过程中产生的碎片云

我国空间碎片防护研究

随着我国航天事业的迅猛发展，我国从2000年开始开展空间碎片防护研究。在国防科工局空间碎片专项研究计划支持下，中国空间技术研究院北京卫星环境工程研究所、哈尔滨工业大学建立了用于模拟毫米级碎片超高速碰撞实验的二级轻气炮发射装置，最高发射速度达到7公里/秒。北京卫星环境工程研究所还建立了用于模拟微米级碎片的激光驱动超高速撞击实验系统，最高发射速度达到10公里/秒。另外，出于各自主战场的研究需求，自20世纪80年代以来，中国空气动力研究与发展中心、中国工程物理研究院流体物理所、西北核技术所、北京理工大学等单位也先后建成二级轻气炮实验设备，承担有关研究。中国空间技术研究院北京卫星环境工程研究所和总体部联合国防科技大学、哈尔滨工业大学、中南大学等单位开发了具有自主知识产权的玄武岩纤维编织物、碳化硅纤维、波阻抗梯度材料等高性能防护材料，有些材料已经在天宫一号和空间实验室防护中得到应用，解决了工程急需。

中国空间技术研究院总体部开发了空间碎片防护设计软件包MODAOST，突破了空间碎片撞击风险评估技术，达到国际先进水平。对天宫一号和空间实验室进行防护工程设计，取得了良好的效果。

目前，我国正在加紧建造空间站，对空间碎片防护提出了更高要求。我国在轨卫星数量逐年猛增，2017年底已超180颗，遭遇碎片撞击风险也急剧上升。但是，国内空间碎片防护研究总体而言主要还是跟踪模仿国外，面临着很多技术瓶颈，比如∶国外先进防护材料和技术对我封锁禁运，缺乏轻质高性能防护材料；尚未建立通用的、具有工程实践性的卫星空间碎片防护设计方法，因此目前我国所有卫星都是未设防的“裸星”。距离航天重大工程需求而言，我国防护研究基础薄弱、防护能力严重不足。

▲ 美国空间监测网的MCAT望远镜

空间碎片的监测

空间碎片监测是指对空间碎片进行探测、跟踪、识别和确认，包括测量空间碎片的位置、速度,确定空间碎片的轨道、目标特性等。一般分为地基监测和天基监测。

空间碎片地基监测

地基探测是利用部署在地面的无线电装置和光电装置来测量空间碎片。无线电装置包括跟踪雷达、相控阵雷达和电磁篱笆等，适合对近距离、低轨道碎片探测，具有搜索发现新碎片的能力。大气层对无线电波的折射和散射会影响测量的精度。无线电手段虽然可以连续地全天候工作，但对于远距离、高轨道的碎片就捉襟见肘，且运行成本高。光电手段适合对远距离、高轨道的碎片探测，运行成本低，但搜索和发现能力低。由于碎片本身不发光，光电手段只能工作在晨昏时段，且由于大气层的吸收作用，光电手段中的紫外、红外等波段无法利用，可见光波段虽然可用，但仍然受到大气层和天气的限制。

美国空间监测网（SSN）从20世纪60年代初开始组建，是最早且最大的观测系统。该监视网主要由地基雷达、地基光学等多手段组成。其设备遍布全球，在全世界分别组建了25个观测站，可以连续跟踪观测LEO区域的空间碎片，具备低轨和高轨空间目标的搜索发现和编目能力。SSN可以观测到LEO区域直径大于5厘米和GEO区域直径大于13厘米的空间碎片，目前跟踪编目的在轨空间碎片超过23000个（其中约17000个识别到产生源），是目前国际上能力最强的空间碎片监测网。

目前，俄罗斯已建成了由30套共100多台望远镜测站组成、遍及14个国家和地区的国际光学科学观测网（ISON）。该系统提供中高轨空间碎片跟踪观测和搜索发现、碎片编目及碎片特征探测、中高轨卫星的碰撞预警、运动模型及轨道演化、小行星跟踪观测和搜索发现等服务。该系统的全球布站特性很好的弥补了美国空间目标编目系统的空缺。欧空局也正在加紧建其空间态势感知系统。

▲ 美国空间监测网的Haystack 雷达

空间碎片天基监测

现有的空间碎片地基监测手段无法达到对空域、时域的无缝覆盖，不能达到全天候、全天时监测。为了实时、准确跟踪空间更小、更远的碎片，发展天基监测手段是空间碎片监测的大势所趋，最终会形成天地一体化、多手段、全尺度、全天域、全天候空间碎片监测网。

天基探测分为两种。一种是利用天基雷达和望远镜探测厘米级以上尺寸碎片（又称为主动探测），如美国在低轨部署的天基监视系统（SBSS)和同步轨道上部署的深空成像系统（ODSI)是主动探测的代表。一种是利用在轨感知装置探测厘米级以下尺寸碎片（又称为被动探测），如长期暴露装置（LDEF）、欧洲可回收卫星（EURECA）和刚刚发射安装在国际空间站的空间碎片探测器（SDS）等。利用在轨感知装置探测厘米级以下尺寸碎片对建立精确的空间碎片环境模型必不可少。

空间碎片环境模型

空间碎片模型是指描述空间碎片环境现状和未来变化趋势的数学模型。用于预测短期内空间碎片环境现状的模型称为工程模型，可以给出5～20年内空间碎片在空间的密度、通量、尺寸、速度等分布，用于航天器空间碎片撞击风险评估和防护设计工程应用，也可为探测提供校验。用于预估空间碎片环境长期（如100年或200年内）变化情况的模型称为演化模型。

目前，国际上已经发布了多个工程模型，如美国宇航局的ORDEM系列模型。ORDEM系列模型是基于探测数据的同时考虑空间碎片的来源所建立的半经验模型。其中NASA91是ORDEM系列模型的最早版本，是利用美国空间监测网（SSN）在1976到1988年间的探测数据和长期暴露装置（LDEF）回收后表面分析的撞击数据开发的2000公里内空间碎片环境模型。ORDEM3.0模型是ORDEM系列模型的最新版本，描述的空间碎片尺度从1微米到10厘米以上，轨道高度从LEO到GEO区域，且给出了对10厘米以下碎片材料密度的描述，也包含了16次NaK液滴泄露事件、250多次在轨爆炸解体事件和十多次在轨碰撞解体事件产生的碎片。

空间碎片演化模型是基于空间碎片的生成和衰减等机制所建立的数学模型，对空间碎片环境未来发展趋势进行预测，演化模型的预测数据和真实的探测数据往往有一定出入。美国宇航局开发的空间碎片演化模型LEGEND，描述了轨道高度从200公里到50,000公里之间尺寸小到1毫米的空间碎片数量、类型、尺寸分布、空间密度分布、速度分布、通量等随时间的变化规律。

目前，美国最新的ORDEM3.0版本不对我国开放，而我国迄今没有自己可以工程应用的空间碎片环境模型。这成为我国空间碎片碰撞风险评估、防护设计、减缓效果分析等的巨大屏障，必须下大力气建立自己的空间碎片环境模型。★

夏丹