空間碎片的防護、監測和建模

文/ 龔自正

空間碎片的防護、監測和建模

文/ 龔自正

空間碎片與航天器的平均撞擊速度為10公里/秒，這么高的撞擊速度，現有材料難以“扛得住”。那么如何對這種撞擊進行防護呢？

空間碎片的防護

實驗證明，超高速彈丸(碎片)與薄靶撞擊過程中，會發生破碎、熔化、氣化甚至等離子體化等，形成高速運動的物質云團，稱為碎片云。彈丸和薄靶的破碎、熔化、氣化等過程消耗了碎片的部分動能，碎片云的擴散降低了對后面艙壁單位面積的破壞力。正是利用超高速彈丸(碎片)與薄靶撞擊過程中的能量耗散和分散原理，Whipple等人發明了用于航天器空間碎片防護的結構——Whipple防護結構。當然，加裝防護結構會增加航天器的質量和造價，這種辦法只能用于航天器的高撞擊風險部位和易損部組件。一般情況下首先要考慮通過合理布局，用耐撞擊部組件來遮擋撞擊易損部組件，其次是給撞擊易損部組件增加厚度或包覆抗撞擊表面材料，最后才考慮加裝防護結構進行防護。

國外空間碎片防護現狀與趨勢

從上世紀80年代開始，出于國際空間站防護的需要，美國宇航局、歐空局、日本宇宙航空研究機構等機構聯合一些大學及科研院所，對空間碎片防護問題進行了深入的研究，開發了以Nextel（一種Al2O3陶瓷纖維布）為主的多種高性能防護材料，發展了多種增強型空間碎片防護結構，開發了彈道極限方程和損傷方程等，為國際空間站和其他大型、長壽命、高價值航天器提供了有效的空間碎片防護手段，得到廣泛應用。國際空間站在軌安全運行超過20年證明了防護的有效性。

▲ Whipple防護結構及其增強型

歐空局的X射線望遠鏡倫琴衛星（ROSAT）、加拿大的遙感衛星RADARSAT-1、美國宇航局的彗星探測器彗核之旅（CONTOUR）等高價值、高撞擊風險衛星都作了空間碎片防護。

目前，國際上空間碎片防護研究的熱點問題，一是彈丸形狀效應對撞擊特性的影響。為地面實驗模擬方便，空間碎片撞擊特性的研究通常選用標準球形彈丸，而絕大多數空間碎片的實際形狀并非球形。這就需要研究非球形彈丸對防護性能的影響，這也是一個復雜問題。二是超過7公里/秒發射技術和撞擊特性研究。空間碎片與航天器撞擊的平均速度為10公里/秒，而目前常用的模擬發射裝置二級輕氣炮的發射能力一般在7公里/秒以下，這嚴重制約了對7公里/秒以上特性的實驗研究。為了解決這個問題，國外超過7公里/秒的發射手段主要有聚能加速技術、三級炮和磁驅動技術等。三級炮可以將球形彈丸發射到9～11公里/秒，而磁驅動技術可以將尺寸為25×15×0.2～0.3毫米的鋁飛片發射到21公里/秒。其中聚能加速技術在國際空間站的防護結構設計中得到廣泛應用。這些技術的穩定性有待研究，也期盼發明新的超過7公里/秒的發射技術。三是衛星遭遇空間碎片撞擊的易損性研究。包括空間碎片撞擊下航天器部件和分系統功能失效與降階、失效模式、失效概率、撞擊損傷閾值評估等。

▲ 國際空間站上歐空局的哥倫布艙空間碎片防護結構

▲ 超高速彈丸(碎片)與薄靶撞擊過程中產生的碎片云

我國空間碎片防護研究

隨著我國航天事業的迅猛發展，我國從2000年開始開展空間碎片防護研究。在國防科工局空間碎片專項研究計劃支持下，中國空間技術研究院北京衛星環境工程研究所、哈爾濱工業大學建立了用于模擬毫米級碎片超高速碰撞實驗的二級輕氣炮發射裝置，最高發射速度達到7公里/秒。北京衛星環境工程研究所還建立了用于模擬微米級碎片的激光驅動超高速撞擊實驗系統，最高發射速度達到10公里/秒。另外，出于各自主戰場的研究需求，自20世紀80年代以來，中國空氣動力研究與發展中心、中國工程物理研究院流體物理所、西北核技術所、北京理工大學等單位也先后建成二級輕氣炮實驗設備，承擔有關研究。中國空間技術研究院北京衛星環境工程研究所和總體部聯合國防科技大學、哈爾濱工業大學、中南大學等單位開發了具有自主知識產權的玄武巖纖維編織物、碳化硅纖維、波阻抗梯度材料等高性能防護材料，有些材料已經在天宮一號和空間實驗室防護中得到應用，解決了工程急需。

中國空間技術研究院總體部開發了空間碎片防護設計軟件包MODAOST，突破了空間碎片撞擊風險評估技術，達到國際先進水平。對天宮一號和空間實驗室進行防護工程設計，取得了良好的效果。

目前，我國正在加緊建造空間站，對空間碎片防護提出了更高要求。我國在軌衛星數量逐年猛增，2017年底已超180顆，遭遇碎片撞擊風險也急劇上升。但是，國內空間碎片防護研究總體而言主要還是跟蹤模仿國外，面臨著很多技術瓶頸，比如∶國外先進防護材料和技術對我封鎖禁運，缺乏輕質高性能防護材料；尚未建立通用的、具有工程實踐性的衛星空間碎片防護設計方法，因此目前我國所有衛星都是未設防的“裸星”。距離航天重大工程需求而言，我國防護研究基礎薄弱、防護能力嚴重不足。

▲ 美國空間監測網的MCAT望遠鏡

空間碎片的監測

空間碎片監測是指對空間碎片進行探測、跟蹤、識別和確認，包括測量空間碎片的位置、速度,確定空間碎片的軌道、目標特性等。一般分為地基監測和天基監測。

空間碎片地基監測

地基探測是利用部署在地面的無線電裝置和光電裝置來測量空間碎片。無線電裝置包括跟蹤雷達、相控陣雷達和電磁籬笆等，適合對近距離、低軌道碎片探測，具有搜索發現新碎片的能力。大氣層對無線電波的折射和散射會影響測量的精度。無線電手段雖然可以連續地全天候工作，但對于遠距離、高軌道的碎片就捉襟見肘，且運行成本高。光電手段適合對遠距離、高軌道的碎片探測，運行成本低，但搜索和發現能力低。由于碎片本身不發光，光電手段只能工作在晨昏時段，且由于大氣層的吸收作用，光電手段中的紫外、紅外等波段無法利用，可見光波段雖然可用，但仍然受到大氣層和天氣的限制。

美國空間監測網（SSN）從20世紀60年代初開始組建，是最早且最大的觀測系統。該監視網主要由地基雷達、地基光學等多手段組成。其設備遍布全球，在全世界分別組建了25個觀測站，可以連續跟蹤觀測LEO區域的空間碎片，具備低軌和高軌空間目標的搜索發現和編目能力。SSN可以觀測到LEO區域直徑大于5厘米和GEO區域直徑大于13厘米的空間碎片，目前跟蹤編目的在軌空間碎片超過23000個（其中約17000個識別到產生源），是目前國際上能力最強的空間碎片監測網。

目前，俄羅斯已建成了由30套共100多臺望遠鏡測站組成、遍及14個國家和地區的國際光學科學觀測網（ISON）。該系統提供中高軌空間碎片跟蹤觀測和搜索發現、碎片編目及碎片特征探測、中高軌衛星的碰撞預警、運動模型及軌道演化、小行星跟蹤觀測和搜索發現等服務。該系統的全球布站特性很好的彌補了美國空間目標編目系統的空缺。歐空局也正在加緊建其空間態勢感知系統。

▲ 美國空間監測網的Haystack 雷達

空間碎片天基監測

現有的空間碎片地基監測手段無法達到對空域、時域的無縫覆蓋，不能達到全天候、全天時監測。為了實時、準確跟蹤空間更小、更遠的碎片，發展天基監測手段是空間碎片監測的大勢所趨，最終會形成天地一體化、多手段、全尺度、全天域、全天候空間碎片監測網。

天基探測分為兩種。一種是利用天基雷達和望遠鏡探測厘米級以上尺寸碎片（又稱為主動探測），如美國在低軌部署的天基監視系統（SBSS)和同步軌道上部署的深空成像系統（ODSI)是主動探測的代表。一種是利用在軌感知裝置探測厘米級以下尺寸碎片（又稱為被動探測），如長期暴露裝置（LDEF）、歐洲可回收衛星（EURECA）和剛剛發射安裝在國際空間站的空間碎片探測器（SDS）等。利用在軌感知裝置探測厘米級以下尺寸碎片對建立精確的空間碎片環境模型必不可少。

空間碎片環境模型

空間碎片模型是指描述空間碎片環境現狀和未來變化趨勢的數學模型。用于預測短期內空間碎片環境現狀的模型稱為工程模型，可以給出5～20年內空間碎片在空間的密度、通量、尺寸、速度等分布，用于航天器空間碎片撞擊風險評估和防護設計工程應用，也可為探測提供校驗。用于預估空間碎片環境長期（如100年或200年內）變化情況的模型稱為演化模型。

目前，國際上已經發布了多個工程模型，如美國宇航局的ORDEM系列模型。ORDEM系列模型是基于探測數據的同時考慮空間碎片的來源所建立的半經驗模型。其中NASA91是ORDEM系列模型的最早版本，是利用美國空間監測網（SSN）在1976到1988年間的探測數據和長期暴露裝置（LDEF）回收后表面分析的撞擊數據開發的2000公里內空間碎片環境模型。ORDEM3.0模型是ORDEM系列模型的最新版本，描述的空間碎片尺度從1微米到10厘米以上，軌道高度從LEO到GEO區域，且給出了對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多次在軌爆炸解體事件和十多次在軌碰撞解體事件產生的碎片。

空間碎片演化模型是基于空間碎片的生成和衰減等機制所建立的數學模型，對空間碎片環境未來發展趨勢進行預測，演化模型的預測數據和真實的探測數據往往有一定出入。美國宇航局開發的空間碎片演化模型LEGEND，描述了軌道高度從200公里到50,000公里之間尺寸小到1毫米的空間碎片數量、類型、尺寸分布、空間密度分布、速度分布、通量等隨時間的變化規律。

目前，美國最新的ORDEM3.0版本不對我國開放，而我國迄今沒有自己可以工程應用的空間碎片環境模型。這成為我國空間碎片碰撞風險評估、防護設計、減緩效果分析等的巨大屏障，必須下大力氣建立自己的空間碎片環境模型。★

夏丹