空间微小碎片探测技术综述

綦磊,孙立臣,龚自正,芮小博,张品亮,崔寓淏,曾捷

(1.北京卫星环境工程研究所,北京 100094;2.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072;3.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室,南京 210016)

1 引言

随着人类空间活动的增加,越来越多的空间碎片遗留在地球轨道上。截至2020年5月底,近地轨道被跟踪编目的10cm以上的空间碎片已经超过2万个,1～10cm的空间碎片约为75万个,1～10mm的空间碎片约为1亿个,1mm以下的微小空间碎片数以百亿计[1,2]。

空间碎片数量的快速增长为人类航天活动带来严重挑战,空间碎片探测是航天活动安全保障的重要一环。大碎片 (直径大于等于10cm)运动轨迹可以通过碎片观测进行预测,航天器根据轨道碰撞预警对其进行主动规避,因此大碎片与航天器发生碰撞的概率非常低。小碎片 (直径在1～10cm之间)和微小碎片 (直径不大于1cm)受制于观测水平难以准确确定空间分布,因此航天器也无法采取有效的主动规避措施。其中,微小碎片由于数量众多,分布较广,与航天器发生碰撞的概率非常高,对在轨航天器造成极大威胁。因此又被称为 “危险碎片”。美国国家航空航天局 (NASA)在检修中发现国际空间站多功能服务舱 (MLM)上直径在0.1～1.5mm的撞击坑有75个;燃料箱组件 (ATA)在轨7年间形成了49个直径在0.1～1mm的撞击坑[3]。天宫空间站作为中国航天事业的重要一环,2022年将完成在轨建造,预计在轨运行10年以上,将支持大量科学研究和实验,因此保证空间站在轨安全,避免空间碎片带来的结构破坏就显得尤为重要[4,5]。

目前,空间碎片探测主要分为两类,即地基探测和天基探测。地基探测主要利用地面望远镜和雷达直接获取空间碎片的轨道信息[6]。由于技术限制,对于大碎片及小碎片尚无法精确定轨,而对于微小空间碎片,地基设备甚至根本无法捕捉[7]。天基探测主要利用安装在航天器上的雷达、望远镜、传感器等对空间碎片进行探测。根据探测器是否与空间碎片接触,天基探测又可分为两类,一类是在航天器上安装激光、雷达、相机等对空间碎片进行直接探测;另一类就是在航天器上安装传感器,通过探测空间碎片与航天器撞击时的相关参数反推空间碎片信息,微小空间碎片探测大多通过后一类方式进行[8]。利用探测到的空间碎片信息,可以建立空间碎片轨道分布模型,为航天器结构防护设计和碎片规避提供数据。

本文将对国外微小空间碎片探测技术及应用情况进行总结,对不同技术原理及特点进行讨论,着重对压电探测器、半导体探测器、电离探测器以及组合式探测器进行介绍和分析,结合各种方案的优势与不足,对目前的研究热点及未来发展趋势进行阐述,为我国微小空间碎片探测技术的研究和发展提供参考。

2 压电探测器

压电探测器是通过压电效应进行碎片探测的装置,当微小空间碎片高速撞击到探测器表面,探测器电极两端会产生电荷信号,通过对电荷信号进行放大、滤波、采集和分析,可以实现对微小空间碎片速度、质量、撞击位置等信息的探测。常用的压电探测器根据压电材料不同分为聚偏二氟乙烯 (PVDF)探测器[9]和压电陶瓷(PZT)探测器[10]。

2.1 PVDF探测器

基于PVDF探测技术的SPADUS探测器于1999年搭载于美国ARGOS卫星,用于探测822～842km高度轨道微小碎片的速度、质量、通量和运行轨迹等参数,如图1所示。SPADUS探测器采用平行双排阵列结构,每排阵列包括16个PVDF探测器,共32个PVDF探测器。在1999-2001年的飞行期间 (共739天),SPADUS共探测到368个微小碎片,其质量分布在5×10-11～1×10-5g[11]。

图1 SPADUS探测器Fig.1 SPADUS detector

另外,欧空局 (ESA)和NASA联合研制的Cassini航天器上安装了由两个宇宙尘埃探测器组成的宇宙尘埃探测器系统 (Cosmic Dust Analyzer,CDA),其中的高计数率探测器 (The High Rate Detector,HRD)主要由两块PVDF压电传感器构成,用于探测土星周围的尘埃的质量与通量分布,另外可以用于探测土星光环之中的物质成分、磁场与尘埃的分布关系等,如图2所示。假定碎片撞击速度为15km/s,HRD可探测的碎片质量范围为8×10-13～8×10-8g。虽然宇宙尘埃质量很小,但速度很大,因此宇宙尘埃具有较大的能量。当宇宙尘埃与HRD上的PVDF膜发生撞击时不会像普通碎片一样只产生弹坑,而是会直接击穿薄膜,同时压电膜上会产生数量较多的电荷。试验结果表明:空间碎片撞击压电薄膜产生的能量主要与碎片的速度与质量的乘积相关。因此通过对撞击能量进行分析,就可以获得太空碎片的动量参数[12]。

图2 Cassini搭载的尘埃分析仪CDA探测器Fig.2 Cassini's dust analyzer CDA detector

2.2 PZT探测器

压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料,以锆钛酸铅压电陶瓷 (PZT)为代表,压电陶瓷探测器具有动态测量范围大、结构简单和成本低的优点。ESA和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)联合研制了BepiColombo水星探测器,该探测器搭载的针对水星尘埃探测的水星尘埃监测器 (MDM)采用了PZT传感器,如图3所示,BepiColombo航天器于2018年10月20日由阿里安5号火箭成功发射[13]。MDM的传感器由4块压电锆钛酸铅(PZT)板组成,每块尺寸为4cm×4cm×2mm,可将灰尘颗粒撞击引起的机械应力(或应变)转换为电信号。科学行动开始后,MDM将测量环绕太阳轨道上的尘埃粒子与传感器碰撞时的撞击动量并记录到达方向,实验数据显示,MDM对粉尘粒子碰撞的检测极限值约为尺寸0.5μm(密度为2000 kg/m3),撞击速度为10 km/s[14]。

图3 MDM探测器Fig.3 MDM detector

压电探测器所采用的高性能压电材料生产工艺成熟,可以制作成大面积传感器,同时不需要外加偏置电压,输出脉冲窄,响应时间短,温度性能稳定,抗辐照能力强,抗噪声性能好,非常适用于微小空间碎片的探测[15]。

3 半导体探测器

半导体探测器的基本构成是在高纯度硅晶片(Si)上通过氧化得到一层很薄的二氧化硅,然后在其上面镀上一层铝膜。硅、二氧化硅和铝膜就形成了一个平板电容器,这种电容器又称之为MOS半导体传感器。它工作的时候通过外部电路给平板电容器提供一个偏置电压。当高速移动的碎片与探测器发生碰撞时,碎片会击穿铝膜和二氧化硅膜,进而电容放电产生电流,外部电路接收到这个电信号,通过对其分析可得到微小碎片的相关参数。

1994年,美国发射的Clementine航天器上搭载的轨道碎片与微流星体收集器 (ODMC),由54个MOS型传感器组成,探测器的探测面积达1400cm2,如图4所示,ODMC在轨运行期间,共计探测到80次碎片撞击事件,其中所探测到的空间碎片尺寸最小为0.5μm[16]。

图4 MOS探测器探头Fig.4 MOS detector probe

美国MightySat I卫星上搭载的MPID也是一种半导体型探测器。MPID使用两个MOS传感器,总的探测面积为2387.1mm2。另外,ESA在国际空间站上开展的MEDET在轨飞行试验,在EUTEF上搭载了4个MOS半导体探测器,如图5所示。对于飞行速度为2.5km/s的微小空间碎片,探测最佳尺寸为0.5～100μm[17]。

图5 MEDET上的MOS探测器Fig.5 MOS detector on MEDET

半导体型探测器结构简单、性能稳定,并可以单独安装在航天器表面或者分布在航天器不同区域形成一个探测器网络,而无须预先安装在装配盒里再进行机械固定,只需要简单粘贴在航天器的所选区域即可。由于探测器上无任何活动部件,显著降低了复杂性。同时,探测面积较大并且可以探测航天器各个方向上空间碎片的通量信息。但是,由于半导体传感器抗辐照能力较低,其在轨寿命有限。

4 电离型探测器

电离型探测器常用的类型是等离子体型的探测器,它的基本工作原理是当碎片与探测器上的纯金靶面发生碰撞时,碎片巨大的能量会产生等离子体云。通过对等离子体云的参数进行测量,就可以获得空间碎片的重要参数信息,例如质量、速度、成分等等。

ESA在1996年发射的Express卫星搭载的GORID属于等离子体型探测器,如图6所示,该探测器可以探测分辨的微小空间碎片质量达到10-14g,速度范围在2～70km/s。在GORID探测器在轨工作的第一年,最多每天探测到12次空间碎片撞击事件。另外,执行深空探测任务的Galileo和Ulysses航天器也搭载了类似的电离型探测器。其中Galileo上的探测器的质量探测范围为10-19～10-9kg,速度介于1～70km/s范围内。该探测器质量仅为4.2kg。在1989-1990年之间,共记录了168次撞击,并探测到了其中81次撞击的粒子质量和撞击速度[18]。

图6 GORID探测器Fig.6 GORID detector

日本的自旋稳定火星探测器NOZOMI于1998年发射,其上搭载的火星尘埃计数器 (MDC)也是一种撞击电离型探测器,探测粒子的质量、速度以及运动方向,其质量仅为730g,孔径124mm×115mm,如图7所示。虽然NOZOMI在2002年发生故障,但其上的MDC在轨运行4年间,共探测到近100个行星际粉尘粒子,质量一般在5×10-15～10-10g之间,速度为2～70km/s[19]。

图7 MDC探测器Fig.7 MDC detector

电离型探测器优势是测量精度高,而且可以对粒子的化学成分进行分析。但其缺点是探测面积有限,探测角度较小,另外,探测器的结构也比较复杂。

5 组合式探测器

组合式探测器是指应用多种探测技术进行组合的探测器,组合式探测器一般具有更高的探测性能,常见的有压力和等离子体组合式探测器、电阻格栅和PVDF组合式探测器等。

1996年,ESA研制了DEBIE碎片探测器,该探测器由探测敏感单元和数据处理单元构成。探测敏感单元的探头采用两种传感器,分别是压电陶瓷传感器以及等离子体传感器,每个单元有效探测面积为10cm×10cm,在低轨运行时可以有效探测到10km/s的空间碎片和20km/s的微流星体[20]。

DEBIE探测器采用标准化生产,其探头数量可以根据需要进行增减。DEBIE探测器已经在不同的航天器上得到了应用,如国际空间站和极轨卫星等。探头中的等离子体传感器可以探测到10-15g的微小粒子,压电陶瓷传感器可以探测到10-14g的微小粒子。

图8 DEBIE探测器Fig.8 DEBIE detector

NASA研制了新型的微小空间碎片探测器DRAGONS,基本原理如图9所示。DRAGONS结合了两种不同的撞击探测技术——电阻格栅探测器 (RGs)和PVDF噪声探测器,以从微小空间碎片撞击中尽可能地获取最大量的信息。一个RGs单元的大小是25cm×25cm,单元表面由75μm宽的电阻丝平行铺设在25μm厚的Kapton(聚酰亚胺)膜上,间距75μm。四个PVDF探测器粘贴在薄膜背面。第二层Kapton膜安置在第一层膜的后面,间距10cm,其上粘贴四个PVDF探测器。当尺寸为几百微米或者更大些的粒子撞击在上层的薄膜上,粒子将击穿薄膜并割断一些电阻丝。通过测量该层薄膜电阻的增加,即可以获得被击断电阻丝的数量,从而估计出撞击粒子的大小。薄膜上的PVDF探测器可以测量四个探测器上噪声的到达时刻,从而获取撞击时刻和位置信息。在微小空间碎片撞击最底层薄膜后,撞击时间和撞击位置的信息可以通过噪声敏感器获得。综合两层薄膜的噪声数据,就可以估计得到撞击速度和撞击角度[21]。

图9 DRAGONS的原理图Fig.9 Schematic diagram of DRAGONS

DRAGONS空间碎片探测器于2017年12月15日,搭乘SpaceX公司的龙飞船从卡纳维拉尔角发射升空。2018年1月1日,探测器由机械臂从龙飞船货舱中取出,安装在国际空间站ESA哥伦布舱外部载荷装置上被用于评估该探测器探测小于1mm的微小空间碎片的大小、速度、运动方向及密度的有效性。到1月26日发生故障,共运行20多天,在轨期间共记录了1312次撞击事件。

图10 安装在国际空间站哥伦布舱外的DRAGONS空间碎片探测器Fig.10 The DRAGONS space debris detector installed outside the Columbus module of the International Space Station

组合式探测器由于使用多种探测技术,可以实现对微小空间碎片的速度、质量、成分和通量等参数的探测,并且具有很高的探测精度。

6 结论

综上所述,国外空间微小碎片探测技术充分利用光学技术、新材料技术以及微加工技术等的发展,研发出大量新型探测传感器,使得微小碎片探测技术进入一个高速发展阶段。以组合式探测器为代表,空间碎片探测从单一的碎片通量探测向碎片速度、方向、大小、密度等多参量探测发展。作为传统地基探测和天基雷达、光学探测的有效补充,基于空间碎片与航天器撞击信息分析的碎片探测器在不断提高探测能力的同时也大大降低了质量、功耗和体积,在微小碎片探测方面优势越来越明显。目前已有多种微小空间碎片探测器实现在轨验证,获取了大量的探测数据,为航天器轨道设计及结构防护提供了技术支持。