特定區(qū)域內(nèi)空間碎片仿真分析

蔣 虎，王小亞

(1.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 200050;2.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所，上海 200050;3.中國科學(xué)院上海天文臺，上海 200030)

隨著太空探索的日益頻繁，人類在太空留下了數(shù)量可觀的空間垃圾—空間碎片?？臻g碎片對飛行器，尤其是航天飛機(jī)、載人飛船等的安全造成了現(xiàn)實(shí)的威脅。在制定飛行器的飛行任務(wù)前，必須對擬定飛行的空間路徑中的空間碎片的分布信息作出足夠充分的模擬及分析。隨著中國載人航天事業(yè)的發(fā)展，近地空間的碎片探測及研究已經(jīng)引起國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)及空間應(yīng)用部門的關(guān)注［1－2］。2009年中國科學(xué)院專門組織了國內(nèi)相關(guān)單位在三亞舉行了空間碎片專題討論會(huì)。這為國內(nèi)開展空間碎片探測研究提供了交流平臺，將促進(jìn)國內(nèi)該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究向更深層次推進(jìn)。

目前，有眾多的載人航天器工作在300～500 km高度的空間區(qū)域內(nèi)，包括美國的空間站及中國的載人飛船等。這里以400 km高度、與赤道面夾角為40°～50°之間的空間區(qū)域?yàn)槔?，采用美國宇航局的ORDEM2000模型［3－4］(適用范圍:高度為200～2000 km的地球低軌軌道空間區(qū)域)，對該空間區(qū)域的空間碎片分布進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真結(jié)果可望為國內(nèi)在軌近地飛行器安全運(yùn)行及未來飛行器在空間布局提供一定的參靠作用。

1 ORDEM2000空間碎片模型

ORDEM2000空間碎片模型數(shù)據(jù)源包括:空間監(jiān)測網(wǎng)編目數(shù)據(jù)(SSN)，Haystack及其輔助雷達(dá)數(shù)據(jù)，Goldstone雷達(dá)數(shù)據(jù)，長時(shí)間曝光設(shè)備采集到的近距離交會(huì)測量數(shù)據(jù)(LDEF)，哈勃望遠(yuǎn)鏡太陽翼(HST-SA)遭受粒子撞擊數(shù)據(jù)，歐洲可回收運(yùn)載器(EuReCa)測得的粒子數(shù)據(jù)，太空飛船窗眩及輻射計(jì)測得的粒子數(shù)據(jù)，太空獨(dú)立飛行單元(SFU)獲取的粒子數(shù)據(jù)，Mir獲取的粒子數(shù)據(jù)等。具體數(shù)據(jù)見表1。

2 碎片仿真計(jì)算

考慮到400 km高度是一個(gè)典型的近地飛行器高度之一，運(yùn)用ORDEM2000空間碎片模型對40°～50°傾角區(qū)間內(nèi)的空間碎片進(jìn)行了仿真統(tǒng)計(jì)。40°～50°傾角、400 km高度處對應(yīng)不同碎片尺寸的碎片流量仿真結(jié)果見表2～表12，圖1～圖11給出了碎片流量與碎片尺寸對應(yīng)關(guān)系圖。

表1 ORDEM2000模型采用的數(shù)據(jù)源Table 1 Data sources for the model ORDEM2000

表2 40°傾角、400 km高度處對應(yīng)不同碎片尺寸的碎片流量Table 2 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 40°

圖1 40°傾角時(shí)碎片流量與碎片尺寸對應(yīng)關(guān)系Fig.1 Plot of fluxes in

表3 41°傾角、400 km高度處對應(yīng)不同碎片尺寸的碎片流量Table 3 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 41°

圖2 41°傾角時(shí)碎片流量與碎片尺寸對應(yīng)關(guān)系Fig.2 Plot of fluxes in

表4 42°傾角、400 km高度處對應(yīng)不同碎片尺寸的碎片流量Table 4 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 42°

表5 43°傾角、400 km高度處對應(yīng)不同碎片尺寸的碎片流量Table 5 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 43°

圖3 42°傾角時(shí)碎片流量與碎片尺寸對應(yīng)關(guān)系Fig.3 Plot of fluxes in

圖4 43°傾角時(shí)碎片流量與碎片尺寸對應(yīng)關(guān)系Fig.4 Plot of fluxes in

表6 44°傾角、400 km高度處對應(yīng)不同碎片尺寸的碎片流量Table 6 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 44°

圖5 44°傾角時(shí)碎片流量與碎片尺寸對應(yīng)關(guān)系Fig.5 Plot of fluxes in

表7 45°傾角、400 km高度處對應(yīng)不同碎片尺寸的碎片流量Table 7 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 45°

圖6 45°傾角時(shí)碎片流量與碎片尺寸對應(yīng)關(guān)系Fig.6 Plot of fluxes in

表8 46°傾角、400 km高度處對應(yīng)不同碎片尺寸的碎片流量Table 8 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 46°

表9 47°傾角、400 km高度處對應(yīng)不同碎片尺寸的碎片流量Table 9 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 47°

圖7 46°傾角時(shí)碎片流量與碎片尺寸對應(yīng)關(guān)系Fig.7 Plot of fluxes in

圖8 47°傾角時(shí)碎片流量與碎片尺寸對應(yīng)關(guān)系Fig.8 Plot of fluxes in Table 9

表10 48°傾角、400 km高度處對應(yīng)不同碎片尺寸的碎片流量Table 10 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 48°

圖9 48°傾角時(shí)碎片流量與碎片尺寸對應(yīng)關(guān)系Fig.9 Plot of fluxes in

表11 49°傾角、400 km高度處對應(yīng)不同碎片尺寸的碎片流量Table 11 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 49°

圖10 49°傾角時(shí)碎片流量與碎片尺寸對應(yīng)關(guān)系Fig.10 Plot of fluxes in Table 11

表12 50°傾角、400 km高度處對應(yīng)不同碎片尺寸的碎片流量Table 12 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 50°

圖11 50°傾角時(shí)碎片流量與碎片尺寸對應(yīng)關(guān)系Fig.11 Plot of fluxes in Table 12

從以上仿真結(jié)果，可以得到以下初步結(jié)論:

(1)400 km高度、傾角為40°～50°區(qū)域內(nèi)，飛行器每年遭遇分米至米級尺度的空間碎片的概率為千萬分之一量級;

(2)400 km高度、傾角為40°～50°區(qū)域內(nèi)，飛行器每年遭遇厘米級尺度的空間碎片的概率為百萬分之一量級;

(3)400 km高度、傾角為40°～50°區(qū)域內(nèi)，飛行器每年遭遇毫米級尺度的空間碎片的概率為百分之四左右;

(4)400 km高度、傾角為40°～50°區(qū)域內(nèi)，飛行器每年遭遇0.1毫米級尺度的空間碎片約2次;

(5)400 km高度、傾角為40°～50°區(qū)域內(nèi)，飛行器每年遭遇0.01毫米級尺度的空間碎片約550～600次。

3 結(jié)束

空間碎片總量是動(dòng)態(tài)變化的，每時(shí)每刻都有新的碎片形成，有些碎片進(jìn)入大氣層后消失。為了更好地利用空間資源，各國需要加強(qiáng)合作，尤其需要減少外空間的目標(biāo)碰撞試驗(yàn)，共同協(xié)商應(yīng)對碎片空間安全問題。

［1］王海福，馮順山，劉有英.空間碎片導(dǎo)論 ［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［2］蔣虎，王小亞.2009年若干典型低軌空間區(qū)域空間碎片分布仿真 ［J］.天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊，2009，7(4):298－304.Jiang Hu，Wang Xiaoya.Simulation of the Distributions of Typical Space Debris on Low Earth Orbits during Year 2009 ［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2009，7(4):298－304.

［3］Liu J C，Matney M J，Anz-Meador P D.The New NASA Orbital Debris Engineering Model ORDEM2000，NASA，TP－2002－210780 ［R］.NASA:2002.

［4］Mechelle Brown.ORDEM2000 Software［CP/OL］.［2009－08－24］.http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/model/engrmodel.html.