空間微小碎片探測技術綜述

綦磊,孫立臣,龔自正,芮小博,張品亮,崔寓淏,曾捷

(1.北京衛星環境工程研究所,北京 100094;2.天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,天津 300072;3.南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室,南京 210016)

1 引言

隨著人類空間活動的增加,越來越多的空間碎片遺留在地球軌道上。截至2020年5月底,近地軌道被跟蹤編目的10cm以上的空間碎片已經超過2萬個,1～10cm的空間碎片約為75萬個,1～10mm的空間碎片約為1億個,1mm以下的微小空間碎片數以百億計[1,2]。

空間碎片數量的快速增長為人類航天活動帶來嚴重挑戰,空間碎片探測是航天活動安全保障的重要一環。大碎片 (直徑大于等于10cm)運動軌跡可以通過碎片觀測進行預測,航天器根據軌道碰撞預警對其進行主動規避,因此大碎片與航天器發生碰撞的概率非常低。小碎片 (直徑在1～10cm之間)和微小碎片 (直徑不大于1cm)受制于觀測水平難以準確確定空間分布,因此航天器也無法采取有效的主動規避措施。其中,微小碎片由于數量眾多,分布較廣,與航天器發生碰撞的概率非常高,對在軌航天器造成極大威脅。因此又被稱為 “危險碎片”。美國國家航空航天局 (NASA)在檢修中發現國際空間站多功能服務艙 (MLM)上直徑在0.1～1.5mm的撞擊坑有75個;燃料箱組件 (ATA)在軌7年間形成了49個直徑在0.1～1mm的撞擊坑[3]。天宮空間站作為中國航天事業的重要一環,2022年將完成在軌建造,預計在軌運行10年以上,將支持大量科學研究和實驗,因此保證空間站在軌安全,避免空間碎片帶來的結構破壞就顯得尤為重要[4,5]。

目前,空間碎片探測主要分為兩類,即地基探測和天基探測。地基探測主要利用地面望遠鏡和雷達直接獲取空間碎片的軌道信息[6]。由于技術限制,對于大碎片及小碎片尚無法精確定軌,而對于微小空間碎片,地基設備甚至根本無法捕捉[7]。天基探測主要利用安裝在航天器上的雷達、望遠鏡、傳感器等對空間碎片進行探測。根據探測器是否與空間碎片接觸,天基探測又可分為兩類,一類是在航天器上安裝激光、雷達、相機等對空間碎片進行直接探測;另一類就是在航天器上安裝傳感器,通過探測空間碎片與航天器撞擊時的相關參數反推空間碎片信息,微小空間碎片探測大多通過后一類方式進行[8]。利用探測到的空間碎片信息,可以建立空間碎片軌道分布模型,為航天器結構防護設計和碎片規避提供數據。

本文將對國外微小空間碎片探測技術及應用情況進行總結,對不同技術原理及特點進行討論,著重對壓電探測器、半導體探測器、電離探測器以及組合式探測器進行介紹和分析,結合各種方案的優勢與不足,對目前的研究熱點及未來發展趨勢進行闡述,為我國微小空間碎片探測技術的研究和發展提供參考。

2 壓電探測器

壓電探測器是通過壓電效應進行碎片探測的裝置,當微小空間碎片高速撞擊到探測器表面,探測器電極兩端會產生電荷信號,通過對電荷信號進行放大、濾波、采集和分析,可以實現對微小空間碎片速度、質量、撞擊位置等信息的探測。常用的壓電探測器根據壓電材料不同分為聚偏二氟乙烯 (PVDF)探測器[9]和壓電陶瓷(PZT)探測器[10]。

2.1 PVDF探測器

基于PVDF探測技術的SPADUS探測器于1999年搭載于美國ARGOS衛星,用于探測822～842km高度軌道微小碎片的速度、質量、通量和運行軌跡等參數,如圖1所示。SPADUS探測器采用平行雙排陣列結構,每排陣列包括16個PVDF探測器,共32個PVDF探測器。在1999-2001年的飛行期間 (共739天),SPADUS共探測到368個微小碎片,其質量分布在5×10-11～1×10-5g[11]。

圖1 SPADUS探測器Fig.1 SPADUS detector

另外,歐空局 (ESA)和NASA聯合研制的Cassini航天器上安裝了由兩個宇宙塵埃探測器組成的宇宙塵埃探測器系統 (Cosmic Dust Analyzer,CDA),其中的高計數率探測器 (The High Rate Detector,HRD)主要由兩塊PVDF壓電傳感器構成,用于探測土星周圍的塵埃的質量與通量分布,另外可以用于探測土星光環之中的物質成分、磁場與塵埃的分布關系等,如圖2所示。假定碎片撞擊速度為15km/s,HRD可探測的碎片質量范圍為8×10-13～8×10-8g。雖然宇宙塵埃質量很小,但速度很大,因此宇宙塵埃具有較大的能量。當宇宙塵埃與HRD上的PVDF膜發生撞擊時不會像普通碎片一樣只產生彈坑,而是會直接擊穿薄膜,同時壓電膜上會產生數量較多的電荷。試驗結果表明:空間碎片撞擊壓電薄膜產生的能量主要與碎片的速度與質量的乘積相關。因此通過對撞擊能量進行分析,就可以獲得太空碎片的動量參數[12]。

圖2 Cassini搭載的塵埃分析儀CDA探測器Fig.2 Cassini's dust analyzer CDA detector

2.2 PZT探測器

壓電陶瓷是一類具有壓電特性的電子陶瓷材料,以鋯鈦酸鉛壓電陶瓷 (PZT)為代表,壓電陶瓷探測器具有動態測量范圍大、結構簡單和成本低的優點。ESA和日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)聯合研制了BepiColombo水星探測器,該探測器搭載的針對水星塵埃探測的水星塵埃監測器 (MDM)采用了PZT傳感器,如圖3所示,BepiColombo航天器于2018年10月20日由阿里安5號火箭成功發射[13]。MDM的傳感器由4塊壓電鋯鈦酸鉛(PZT)板組成,每塊尺寸為4cm×4cm×2mm,可將灰塵顆粒撞擊引起的機械應力(或應變)轉換為電信號。科學行動開始后,MDM將測量環繞太陽軌道上的塵埃粒子與傳感器碰撞時的撞擊動量并記錄到達方向,實驗數據顯示,MDM對粉塵粒子碰撞的檢測極限值約為尺寸0.5μm(密度為2000 kg/m3),撞擊速度為10 km/s[14]。

圖3 MDM探測器Fig.3 MDM detector

壓電探測器所采用的高性能壓電材料生產工藝成熟,可以制作成大面積傳感器,同時不需要外加偏置電壓,輸出脈沖窄,響應時間短,溫度性能穩定,抗輻照能力強,抗噪聲性能好,非常適用于微小空間碎片的探測[15]。

3 半導體探測器

半導體探測器的基本構成是在高純度硅晶片(Si)上通過氧化得到一層很薄的二氧化硅,然后在其上面鍍上一層鋁膜。硅、二氧化硅和鋁膜就形成了一個平板電容器,這種電容器又稱之為MOS半導體傳感器。它工作的時候通過外部電路給平板電容器提供一個偏置電壓。當高速移動的碎片與探測器發生碰撞時,碎片會擊穿鋁膜和二氧化硅膜,進而電容放電產生電流,外部電路接收到這個電信號,通過對其分析可得到微小碎片的相關參數。

1994年,美國發射的Clementine航天器上搭載的軌道碎片與微流星體收集器 (ODMC),由54個MOS型傳感器組成,探測器的探測面積達1400cm2,如圖4所示,ODMC在軌運行期間,共計探測到80次碎片撞擊事件,其中所探測到的空間碎片尺寸最小為0.5μm[16]。

圖4 MOS探測器探頭Fig.4 MOS detector probe

美國MightySat I衛星上搭載的MPID也是一種半導體型探測器。MPID使用兩個MOS傳感器,總的探測面積為2387.1mm2。另外,ESA在國際空間站上開展的MEDET在軌飛行試驗,在EUTEF上搭載了4個MOS半導體探測器,如圖5所示。對于飛行速度為2.5km/s的微小空間碎片,探測最佳尺寸為0.5～100μm[17]。

圖5 MEDET上的MOS探測器Fig.5 MOS detector on MEDET

半導體型探測器結構簡單、性能穩定,并可以單獨安裝在航天器表面或者分布在航天器不同區域形成一個探測器網絡,而無須預先安裝在裝配盒里再進行機械固定,只需要簡單粘貼在航天器的所選區域即可。由于探測器上無任何活動部件,顯著降低了復雜性。同時,探測面積較大并且可以探測航天器各個方向上空間碎片的通量信息。但是,由于半導體傳感器抗輻照能力較低,其在軌壽命有限。

4 電離型探測器

電離型探測器常用的類型是等離子體型的探測器,它的基本工作原理是當碎片與探測器上的純金靶面發生碰撞時,碎片巨大的能量會產生等離子體云。通過對等離子體云的參數進行測量,就可以獲得空間碎片的重要參數信息,例如質量、速度、成分等等。

ESA在1996年發射的Express衛星搭載的GORID屬于等離子體型探測器,如圖6所示,該探測器可以探測分辨的微小空間碎片質量達到10-14g,速度范圍在2～70km/s。在GORID探測器在軌工作的第一年,最多每天探測到12次空間碎片撞擊事件。另外,執行深空探測任務的Galileo和Ulysses航天器也搭載了類似的電離型探測器。其中Galileo上的探測器的質量探測范圍為10-19～10-9kg,速度介于1～70km/s范圍內。該探測器質量僅為4.2kg。在1989-1990年之間,共記錄了168次撞擊,并探測到了其中81次撞擊的粒子質量和撞擊速度[18]。

圖6 GORID探測器Fig.6 GORID detector

日本的自旋穩定火星探測器NOZOMI于1998年發射,其上搭載的火星塵埃計數器 (MDC)也是一種撞擊電離型探測器,探測粒子的質量、速度以及運動方向,其質量僅為730g,孔徑124mm×115mm,如圖7所示。雖然NOZOMI在2002年發生故障,但其上的MDC在軌運行4年間,共探測到近100個行星際粉塵粒子,質量一般在5×10-15～10-10g之間,速度為2～70km/s[19]。

圖7 MDC探測器Fig.7 MDC detector

電離型探測器優勢是測量精度高,而且可以對粒子的化學成分進行分析。但其缺點是探測面積有限,探測角度較小,另外,探測器的結構也比較復雜。

5 組合式探測器

組合式探測器是指應用多種探測技術進行組合的探測器,組合式探測器一般具有更高的探測性能,常見的有壓力和等離子體組合式探測器、電阻格柵和PVDF組合式探測器等。

1996年,ESA研制了DEBIE碎片探測器,該探測器由探測敏感單元和數據處理單元構成。探測敏感單元的探頭采用兩種傳感器,分別是壓電陶瓷傳感器以及等離子體傳感器,每個單元有效探測面積為10cm×10cm,在低軌運行時可以有效探測到10km/s的空間碎片和20km/s的微流星體[20]。

DEBIE探測器采用標準化生產,其探頭數量可以根據需要進行增減。DEBIE探測器已經在不同的航天器上得到了應用,如國際空間站和極軌衛星等。探頭中的等離子體傳感器可以探測到10-15g的微小粒子,壓電陶瓷傳感器可以探測到10-14g的微小粒子。

圖8 DEBIE探測器Fig.8 DEBIE detector

NASA研制了新型的微小空間碎片探測器DRAGONS,基本原理如圖9所示。DRAGONS結合了兩種不同的撞擊探測技術——電阻格柵探測器 (RGs)和PVDF噪聲探測器,以從微小空間碎片撞擊中盡可能地獲取最大量的信息。一個RGs單元的大小是25cm×25cm,單元表面由75μm寬的電阻絲平行鋪設在25μm厚的Kapton(聚酰亞胺)膜上,間距75μm。四個PVDF探測器粘貼在薄膜背面。第二層Kapton膜安置在第一層膜的后面,間距10cm,其上粘貼四個PVDF探測器。當尺寸為幾百微米或者更大些的粒子撞擊在上層的薄膜上,粒子將擊穿薄膜并割斷一些電阻絲。通過測量該層薄膜電阻的增加,即可以獲得被擊斷電阻絲的數量,從而估計出撞擊粒子的大小。薄膜上的PVDF探測器可以測量四個探測器上噪聲的到達時刻,從而獲取撞擊時刻和位置信息。在微小空間碎片撞擊最底層薄膜后,撞擊時間和撞擊位置的信息可以通過噪聲敏感器獲得。綜合兩層薄膜的噪聲數據,就可以估計得到撞擊速度和撞擊角度[21]。

圖9 DRAGONS的原理圖Fig.9 Schematic diagram of DRAGONS

DRAGONS空間碎片探測器于2017年12月15日,搭乘SpaceX公司的龍飛船從卡納維拉爾角發射升空。2018年1月1日,探測器由機械臂從龍飛船貨艙中取出,安裝在國際空間站ESA哥倫布艙外部載荷裝置上被用于評估該探測器探測小于1mm的微小空間碎片的大小、速度、運動方向及密度的有效性。到1月26日發生故障,共運行20多天,在軌期間共記錄了1312次撞擊事件。

圖10 安裝在國際空間站哥倫布艙外的DRAGONS空間碎片探測器Fig.10 The DRAGONS space debris detector installed outside the Columbus module of the International Space Station

組合式探測器由于使用多種探測技術,可以實現對微小空間碎片的速度、質量、成分和通量等參數的探測,并且具有很高的探測精度。

6 結論

綜上所述,國外空間微小碎片探測技術充分利用光學技術、新材料技術以及微加工技術等的發展,研發出大量新型探測傳感器,使得微小碎片探測技術進入一個高速發展階段。以組合式探測器為代表,空間碎片探測從單一的碎片通量探測向碎片速度、方向、大小、密度等多參量探測發展。作為傳統地基探測和天基雷達、光學探測的有效補充,基于空間碎片與航天器撞擊信息分析的碎片探測器在不斷提高探測能力的同時也大大降低了質量、功耗和體積,在微小碎片探測方面優勢越來越明顯。目前已有多種微小空間碎片探測器實現在軌驗證,獲取了大量的探測數據,為航天器軌道設計及結構防護提供了技術支持。