小碎片，大問題

文/ 龔自正

小碎片，大問題

文/ 龔自正

2017年11月13日，國際宇航科學(xué)院（IAA）首屆空間態(tài)勢感知會議在佛羅里達(dá)召開。

2017年12月15日，一枚 “二手”獵鷹9火箭，向國際空間站發(fā)射了一艘 “二手”龍飛船，其上攜帶了一臺空間碎片傳感器，這臺空間碎片傳感器將被安裝在國際空間站上，以便更好地監(jiān)控環(huán)繞地球軌道飛行、塵埃顆粒大小的微小碎片。

此外，薩里衛(wèi)星技術(shù)公司（SSTL）牽頭進(jìn)行的移除碎片（RemoveDebris）項(xiàng)目日前已經(jīng)組裝完畢，準(zhǔn)備在明年初擇機(jī)發(fā)射。該項(xiàng)目嘗試用網(wǎng)捕捉小衛(wèi)星，并測試魚叉對碎片清除是否有效。同時該公司還與宇宙尺度公司簽訂了為其“宇宙尺度送終服務(wù)驗(yàn)證”（ELSA-d）項(xiàng)目建造目標(biāo)星的合同。這一項(xiàng)目主要驗(yàn)證將出了故障又無法自行離軌的衛(wèi)星清離軌道的技術(shù)，預(yù)計(jì)將在2019年上半年發(fā)射。

這一系列與空間碎片相關(guān)的會議與發(fā)射任務(wù)，讓我們不由得把目光聚焦在空間碎片這一問題上。為此，本刊特別邀請中國航天科技集團(tuán)有限公司五院首席研究員、北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研究員、博士生導(dǎo)師，長期從事空間碎片防護(hù)與移除研究的龔自正博士為您講解空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀及其危害，并對空間碎片監(jiān)測、防護(hù)、移除研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

由于空間對經(jīng)濟(jì)社會、國家安全、高科技等的巨大利益和推動作用，越來越多的國家都在不斷發(fā)展航天事業(yè)。迄今，已有13個國家和機(jī)構(gòu)有能力進(jìn)行航天發(fā)射活動，超過60個國家和實(shí)體在從事航天器運(yùn)營活動。從1957年第一顆人造地球衛(wèi)星升空以來，截止到2017年底人類共進(jìn)行了近5000余次航天器發(fā)射活動，把6700余顆航天器送入軌道，在所有發(fā)射的航天器中只有近1400個航天器在有效服役，而其他的因喪失功能而變成了空間垃圾。同時，已發(fā)生過260余次在軌航天器或火箭解體/爆炸/撞擊（破碎）事件。他們產(chǎn)生了數(shù)量眾多的太空垃圾，形成了唯一一個人為的外層空間環(huán)境——空間碎片環(huán)境。

【小知識】空間碎片就是人類航天活動在外太空產(chǎn)生的垃圾。聯(lián)合國和平利用外層空間委員會（UNCOPOUS）和國際機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會（IADC）對空間碎片的定義是：地球軌道上在軌運(yùn)行或再入大氣層的無功能的人造物體及其殘塊和組件。

▲ 空間碎片分布示意圖 (左)LEO空間碎片分布， (右) GEO空間碎片分布（赤道面圖像）

▲ 各主要航天國產(chǎn)生的空間碎片的數(shù)量和質(zhì)量比例

▲ LEO軌道碎片的空間分布密度

數(shù)以百億計(jì)的空間碎片

到2017年底，美國空間監(jiān)測網(wǎng)在地球軌道已經(jīng)跟蹤到42000個空間物體，空間碎片總的質(zhì)量達(dá)到了7400噸，其中在低軌區(qū)域（LEO，軌道高度200公里～2000 公里）的質(zhì)量為2700 噸。地球軌道中尺度在10 厘米以上的空間碎片數(shù)量已達(dá)23000個；尺度在1厘米～10厘米的碎片數(shù)量大約為70萬個；尺度在1毫米～10毫米的碎片數(shù)量約為1億個，1毫米以下的碎片數(shù)量數(shù)以百億計(jì)。

空間碎片平均質(zhì)量密度為2.7 g/cm3，主要成分為鋁/鋁合金（占44%）、復(fù)合材料（占37%）、不銹鋼（占12%）及鈦合金和銅等?？臻g碎片主要幾何形狀為板狀、塊狀、桿狀、薄片狀，絕大部分為不規(guī)則形狀。

空間碎片在低軌區(qū)域（LEO）、中軌區(qū)域（MEO，軌道高度20000公里）和高軌區(qū)域（地球同步軌道區(qū)域，GEO，軌道高度36000公里）已編目的空間碎片數(shù)量比例分別為：75.2%、8.3%、9.4%。其中，LEO區(qū)域的空間碎片在軌道高度700公里～1100公里附近有最大的分布密度。

總體上看，空間碎片在空間高度分布是不均勻的，90%以上的目標(biāo)位于LEO、MEO、GEO三個軌道高度區(qū)域，這三處正是人造衛(wèi)星的主要分布區(qū)。

撞擊后果很可怕

由喬治·克魯尼和桑德拉·布洛克主演的奧斯卡獲獎影片《地心引力》，講述了一個在探索者號航天飛機(jī)上的兩名男航天員和一名女航天員出艙進(jìn)行哈勃望遠(yuǎn)鏡維修時，遭遇太空碎片襲擊，導(dǎo)致飛船發(fā)生嚴(yán)重事故的故事。影片逼真再現(xiàn)了太空垃圾的恐怖危險，其危害主要來自超高速碰撞。一個直徑1厘米的鋁球以10公里/秒速度運(yùn)動的動能與一輛2噸的小轎車以80公里/小時行駛的動能相當(dāng)。那么什么是超高速撞擊（碰撞）呢？爆炸力學(xué)和高壓物理中對超高速撞擊（碰撞）的定義是：撞擊所產(chǎn)生的沖擊壓強(qiáng)遠(yuǎn)大于彈丸或靶板材料強(qiáng)度的一類撞擊現(xiàn)象。對大多數(shù)金屬材料而言，碰撞速度大于3公里/秒時就是超高速撞擊。在距地面2000 公里內(nèi)的人類使用最頻繁的低地球軌道（LEO）上，碎片運(yùn)行速度為7.8 公里/秒（第一宇宙速度），它們與航天器發(fā)生超高速撞擊，其相對撞擊速度范圍在0-15 公里/秒，平均撞擊速度為10公里/秒。右上表給出了飛機(jī)、高鐵、子彈、超音速導(dǎo)彈、空間碎片的碰撞速度和效應(yīng)對比。相比空間碎片而言，我們熟知的飛機(jī)、高鐵、子彈就是很低速的撞擊了。

不同尺寸的空間碎片會產(chǎn)生不同的撞擊效應(yīng)。10厘米以上的空間碎片撞擊可導(dǎo)致航天器爆炸、解體、徹底失效；此類碎片無法防護(hù)，但可精準(zhǔn)監(jiān)測、編目管理，航天器可對其實(shí)施主動規(guī)避。1厘米～10厘米以上的空間碎片撞擊可引起航天器部組件、分系統(tǒng)、整器功能損失，乃至整器爆炸、解體、徹底失效；此類碎片目前尚不能精準(zhǔn)監(jiān)測，尚無有效防護(hù)措施。1厘米以下的空間碎片撞擊可引起航天器部組件、分系統(tǒng)甚至整器功能損失或失效；此類碎片無法監(jiān)測、編目管理，但可加裝防護(hù)結(jié)構(gòu)來被動防護(hù)。

空間碎片撞擊產(chǎn)生的極高壓強(qiáng)超過航天器材料屈服強(qiáng)度的數(shù)十到數(shù)百倍，會穿透航天器表面，并形成大面積的高速碎片云，破壞內(nèi)部的器件和系統(tǒng)，輕則導(dǎo)致航天器外露敏感表面性能衰退、功能喪失，重則對結(jié)構(gòu)和載荷造成嚴(yán)重的機(jī)械損傷甚至使整個航天器徹底爆炸解體，對航天器安全和航天員生命造成巨大潛在威脅。航天器的體積越大、在軌飛行時間越長，其遭遇空間碎片撞擊的風(fēng)險也就越大。

▲各種撞擊速度和效應(yīng)對比

▲不同尺寸空間碎片的危害及對策

碰撞事件頻發(fā)

衛(wèi)星、國際空間站、航天飛機(jī)、長期暴露裝置等均屢遭空間碎片撞擊。

到2016年底，國際上有公開報(bào)道的因碎片撞擊而失效或異常的衛(wèi)星超過15顆。國際上為躲避碎片撞擊而進(jìn)行的衛(wèi)星機(jī)動規(guī)避已達(dá)每年30余次，全球碎片撞擊衛(wèi)星概率大于10-4的事件超過1000次/年。1996年7月24日，法國CERISE電子偵察衛(wèi)星與阿里安5末級火箭殘骸相撞。撞擊導(dǎo)致該偵察衛(wèi)星的重力梯度穩(wěn)定桿損壞，最終衛(wèi)星失效。

北京時間2009年2月11日0時55分59秒，美國1997年9月14日發(fā)射的通信衛(wèi)星銥星33與俄羅斯1993年6月16日發(fā)射的已報(bào)廢多年的“宇宙2251“號軍用通信衛(wèi)星在西伯利亞上空發(fā)生激烈相撞，撞擊速度達(dá)每秒11.6公里。碰撞發(fā)生地點(diǎn)為東經(jīng)97.88度、北緯72.50度、高度788.57公里的空域。這是人類歷史上首次發(fā)生在太空的衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的大撞擊事故，震驚了世界。這一驚天大碰撞當(dāng)時產(chǎn)生10厘米以上可編目碎片4,400個；1厘米以上的碎片超過250,000個， 1毫米以上的碎片2,000,000個（數(shù)據(jù)基于NASA 衛(wèi)星解體模型計(jì)算）；至今仍有可跟蹤編目碎片2200個。

2002年3月16日，厘米級碎片與靠近Jason-1地球海洋衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)的左側(cè)太陽帆板發(fā)生撞擊，在衛(wèi)星姿態(tài)出現(xiàn)擾動的同時，伴隨暫時的電流擾動。2013年5月24日，厄瓜多爾“飛馬座”衛(wèi)星在印度洋上空與一枚由前蘇聯(lián)1985年發(fā)射升空的火箭燃料箱殘骸發(fā)生“側(cè)面撞擊”，導(dǎo)致衛(wèi)星壽命終結(jié)。2016年8月23日，歐空局的“哨兵-1A”衛(wèi)星太陽翼遭遇了尺度為1厘米、重量0.2克的碎片以相對速度11公里/秒的撞擊，衛(wèi)星軌道產(chǎn)生了0.7毫米/秒、姿態(tài)產(chǎn)生幾度的變化，一側(cè)的太陽翼供電受損5%，并產(chǎn)生了8個可跟蹤的碎片。

美國宇航局為了對空間碎片撞擊進(jìn)行就位探測，于1984年4月發(fā)射了長期暴露裝置（LDEF），軌道高度400公里～286公里，暴露面積約130平方米，在軌運(yùn)行5.75年，可見撞擊坑達(dá)3.4萬個，其中大于0.5毫米的撞擊坑達(dá)5000個。

阿特蘭蒂斯號航天飛機(jī)在執(zhí)行STS-86飛行任務(wù)中遭受了最嚴(yán)重的一次撞擊，一個毫米級碎片擊穿了熱控管路外面的beta布，在管路上留下一個0.8毫米大小、0.47毫米深的撞擊坑，經(jīng)檢測，管路內(nèi)壁產(chǎn)生了崩落，距離管路泄漏只有一步之遙。發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)2000年10月執(zhí)行和國際空間站的對接任務(wù)，在13天飛行期間，被撞擊38次，最大撞擊坑達(dá)1厘米。奮進(jìn)號航天飛機(jī)飛行11天被撞擊30次。

▲歐空局“哨兵-1A”在軌遭遇碎片撞擊導(dǎo)致功能下降

▲LDEF上的撞擊坑

▲碎片撞擊導(dǎo)致國外衛(wèi)星異?；蚴录?/p>

國際空間站迄今為止為了躲避10厘米以上空間碎片的撞擊進(jìn)行了24次機(jī)動規(guī)避，每次規(guī)避消耗推進(jìn)劑約30千克。另外，國際空間站外露材料如熱防護(hù)毯、舷窗玻璃等均留下了眾多的毫米級碎片撞擊坑。

2014年3月，美國宇航局發(fā)布了哈勃望遠(yuǎn)鏡在運(yùn)行15年中受到空間碎片撞擊的最新數(shù)據(jù)：大于0.7毫米的撞擊坑有63個，其太陽翼在運(yùn)行8年中直徑為3微米～7 毫米的撞擊坑/孔多達(dá)6000個，其中完全穿透的撞擊孔達(dá)150個。

頻繁發(fā)生的空間碰撞事件表明，空間碎片已對人類空間資產(chǎn)安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)威脅，嚴(yán)重影響人類航天活動的長期可持續(xù)發(fā)展?！?/p>

夏丹