空間碎片的防護(hù)、監(jiān)測(cè)和建模

文/ 龔自正

空間碎片的防護(hù)、監(jiān)測(cè)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(xiàn)有材料難以“扛得住”。那么如何對(duì)這種撞擊進(jìn)行防護(hù)呢？

空間碎片的防護(hù)

實(shí)驗(yàn)證明，超高速彈丸(碎片)與薄靶撞擊過程中，會(huì)發(fā)生破碎、熔化、氣化甚至等離子體化等，形成高速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)云團(tuán)，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(dòng)能，碎片云的擴(kuò)散降低了對(duì)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(fā)明了用于航天器空間碎片防護(hù)的結(jié)構(gòu)——Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，加裝防護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)增加航天器的質(zhì)量和造價(jià)，這種辦法只能用于航天器的高撞擊風(fēng)險(xiǎn)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(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)。

國(guó)外空間碎片防護(hù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)

從上世紀(jì)80年代開始，出于國(guó)際空間站防護(hù)的需要，美國(guó)宇航局、歐空局、日本宇宙航空研究機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)聯(lián)合一些大學(xué)及科研院所，對(duì)空間碎片防護(hù)問題進(jìn)行了深入的研究，開發(fā)了以Nextel（一種Al2O3陶瓷纖維布）為主的多種高性能防護(hù)材料，發(fā)展了多種增強(qiáng)型空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)，開發(fā)了彈道極限方程和損傷方程等，為國(guó)際空間站和其他大型、長(zhǎng)壽命、高價(jià)值航天器提供了有效的空間碎片防護(hù)手段，得到廣泛應(yīng)用。國(guó)際空間站在軌安全運(yùn)行超過20年證明了防護(hù)的有效性。

▲ Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)及其增強(qiáng)型

歐空局的X射線望遠(yuǎn)鏡倫琴衛(wèi)星（ROSAT）、加拿大的遙感衛(wèi)星RADARSAT-1、美國(guó)宇航局的彗星探測(cè)器彗核之旅（CONTOUR）等高價(jià)值、高撞擊風(fēng)險(xiǎn)衛(wèi)星都作了空間碎片防護(hù)。

目前，國(guó)際上空間碎片防護(hù)研究的熱點(diǎn)問題，一是彈丸形狀效應(yīng)對(duì)撞擊特性的影響。為地面實(shí)驗(yàn)?zāi)M方便，空間碎片撞擊特性的研究通常選用標(biāo)準(zhǔn)球形彈丸，而絕大多數(shù)空間碎片的實(shí)際形狀并非球形。這就需要研究非球形彈丸對(duì)防護(hù)性能的影響，這也是一個(gè)復(fù)雜問題。二是超過7公里/秒發(fā)射技術(shù)和撞擊特性研究?？臻g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(fā)射裝置二級(jí)輕氣炮的發(fā)射能力一般在7公里/秒以下，這嚴(yán)重制約了對(duì)7公里/秒以上特性的實(shí)驗(yàn)研究。為了解決這個(gè)問題，國(guó)外超過7公里/秒的發(fā)射手段主要有聚能加速技術(shù)、三級(jí)炮和磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)等。三級(jí)炮可以將球形彈丸發(fā)射到9～11公里/秒，而磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以將尺寸為25×15×0.2～0.3毫米的鋁飛片發(fā)射到21公里/秒。其中聚能加速技術(shù)在國(guó)際空間站的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。這些技術(shù)的穩(wěn)定性有待研究，也期盼發(fā)明新的超過7公里/秒的發(fā)射技術(shù)。三是衛(wèi)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(tǒng)功能失效與降階、失效模式、失效概率、撞擊損傷閾值評(píng)估等。

▲ 國(guó)際空間站上歐空局的哥倫布艙空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)

▲ 超高速彈丸(碎片)與薄靶撞擊過程中產(chǎn)生的碎片云

我國(guó)空間碎片防護(hù)研究

隨著我國(guó)航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，我國(guó)從2000年開始開展空間碎片防護(hù)研究。在國(guó)防科工局空間碎片專項(xiàng)研究計(jì)劃支持下，中國(guó)空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)建立了用于模擬毫米級(jí)碎片超高速碰撞實(shí)驗(yàn)的二級(jí)輕氣炮發(fā)射裝置，最高發(fā)射速度達(dá)到7公里/秒。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所還建立了用于模擬微米級(jí)碎片的激光驅(qū)動(dòng)超高速撞擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，最高發(fā)射速度達(dá)到10公里/秒。另外，出于各自主戰(zhàn)場(chǎng)的研究需求，自20世紀(jì)80年代以來，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心、中國(guó)工程物理研究院流體物理所、西北核技術(shù)所、北京理工大學(xué)等單位也先后建成二級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)設(shè)備，承擔(dān)有關(guān)研究。中國(guó)空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所和總體部聯(lián)合國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)等單位開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(hù)材料，有些材料已經(jīng)在天宮一號(hào)和空間實(shí)驗(yàn)室防護(hù)中得到應(yīng)用，解決了工程急需。

中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部開發(fā)了空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)軟件包MODAOST，突破了空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。對(duì)天宮一號(hào)和空間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行防護(hù)工程設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。

目前，我國(guó)正在加緊建造空間站，對(duì)空間碎片防護(hù)提出了更高要求。我國(guó)在軌衛(wèi)星數(shù)量逐年猛增，2017年底已超180顆，遭遇碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)也急劇上升。但是，國(guó)內(nèi)空間碎片防護(hù)研究總體而言主要還是跟蹤模仿國(guó)外，面臨著很多技術(shù)瓶頸，比如∶國(guó)外先進(jìn)防護(hù)材料和技術(shù)對(duì)我封鎖禁運(yùn)，缺乏輕質(zhì)高性能防護(hù)材料；尚未建立通用的、具有工程實(shí)踐性的衛(wèi)星空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)方法，因此目前我國(guó)所有衛(wèi)星都是未設(shè)防的“裸星”。距離航天重大工程需求而言，我國(guó)防護(hù)研究基礎(chǔ)薄弱、防護(hù)能力嚴(yán)重不足。

▲ 美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)的MCAT望遠(yuǎn)鏡

空間碎片的監(jiān)測(cè)

空間碎片監(jiān)測(cè)是指對(duì)空間碎片進(jìn)行探測(cè)、跟蹤、識(shí)別和確認(rèn)，包括測(cè)量空間碎片的位置、速度,確定空間碎片的軌道、目標(biāo)特性等。一般分為地基監(jiān)測(cè)和天基監(jiān)測(cè)。

空間碎片地基監(jiān)測(cè)

地基探測(cè)是利用部署在地面的無線電裝置和光電裝置來測(cè)量空間碎片。無線電裝置包括跟蹤雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)和電磁籬笆等，適合對(duì)近距離、低軌道碎片探測(cè)，具有搜索發(fā)現(xiàn)新碎片的能力。大氣層對(duì)無線電波的折射和散射會(huì)影響測(cè)量的精度。無線電手段雖然可以連續(xù)地全天候工作，但對(duì)于遠(yuǎn)距離、高軌道的碎片就捉襟見肘，且運(yùn)行成本高。光電手段適合對(duì)遠(yuǎn)距離、高軌道的碎片探測(cè)，運(yùn)行成本低，但搜索和發(fā)現(xiàn)能力低。由于碎片本身不發(fā)光，光電手段只能工作在晨昏時(shí)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(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)（SSN）從20世紀(jì)60年代初開始組建，是最早且最大的觀測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)視網(wǎng)主要由地基雷達(dá)、地基光學(xué)等多手段組成。其設(shè)備遍布全球，在全世界分別組建了25個(gè)觀測(cè)站，可以連續(xù)跟蹤觀測(cè)LEO區(qū)域的空間碎片，具備低軌和高軌空間目標(biāo)的搜索發(fā)現(xiàn)和編目能力。SSN可以觀測(cè)到LEO區(qū)域直徑大于5厘米和GEO區(qū)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(gè)（其中約17000個(gè)識(shí)別到產(chǎn)生源），是目前國(guó)際上能力最強(qiáng)的空間碎片監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

目前，俄羅斯已建成了由30套共100多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡測(cè)站組成、遍及14個(gè)國(guó)家和地區(qū)的國(guó)際光學(xué)科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)（ISON）。該系統(tǒng)提供中高軌空間碎片跟蹤觀測(cè)和搜索發(fā)現(xiàn)、碎片編目及碎片特征探測(cè)、中高軌衛(wèi)星的碰撞預(yù)警、運(yùn)動(dòng)模型及軌道演化、小行星跟蹤觀測(cè)和搜索發(fā)現(xiàn)等服務(wù)。該系統(tǒng)的全球布站特性很好的彌補(bǔ)了美國(guó)空間目標(biāo)編目系統(tǒng)的空缺。歐空局也正在加緊建其空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)。

▲ 美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)的Haystack 雷達(dá)

空間碎片天基監(jiān)測(cè)

現(xiàn)有的空間碎片地基監(jiān)測(cè)手段無法達(dá)到對(duì)空域、時(shí)域的無縫覆蓋，不能達(dá)到全天候、全天時(shí)監(jiān)測(cè)。為了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確跟蹤空間更小、更遠(yuǎn)的碎片，發(fā)展天基監(jiān)測(cè)手段是空間碎片監(jiān)測(cè)的大勢(shì)所趨，最終會(huì)形成天地一體化、多手段、全尺度、全天域、全天候空間碎片監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

天基探測(cè)分為兩種。一種是利用天基雷達(dá)和望遠(yuǎn)鏡探測(cè)厘米級(jí)以上尺寸碎片（又稱為主動(dòng)探測(cè)），如美國(guó)在低軌部署的天基監(jiān)視系統(tǒng)（SBSS)和同步軌道上部署的深空成像系統(tǒng)（ODSI)是主動(dòng)探測(cè)的代表。一種是利用在軌感知裝置探測(cè)厘米級(jí)以下尺寸碎片（又稱為被動(dòng)探測(cè)），如長(zhǎng)期暴露裝置（LDEF）、歐洲可回收衛(wèi)星（EURECA）和剛剛發(fā)射安裝在國(guó)際空間站的空間碎片探測(cè)器（SDS）等。利用在軌感知裝置探測(cè)厘米級(jí)以下尺寸碎片對(duì)建立精確的空間碎片環(huán)境模型必不可少。

空間碎片環(huán)境模型

空間碎片模型是指描述空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀和未來變化趨勢(shì)的數(shù)學(xué)模型。用于預(yù)測(cè)短期內(nèi)空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀的模型稱為工程模型，可以給出5～20年內(nèi)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)工程應(yīng)用，也可為探測(cè)提供校驗(yàn)。用于預(yù)估空間碎片環(huán)境長(zhǎng)期（如100年或200年內(nèi)）變化情況的模型稱為演化模型。

目前，國(guó)際上已經(jīng)發(fā)布了多個(gè)工程模型，如美國(guó)宇航局的ORDEM系列模型。ORDEM系列模型是基于探測(cè)數(shù)據(jù)的同時(shí)考慮空間碎片的來源所建立的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其中NASA91是ORDEM系列模型的最早版本，是利用美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)（SSN）在1976到1988年間的探測(cè)數(shù)據(jù)和長(zhǎng)期暴露裝置（LDEF）回收后表面分析的撞擊數(shù)據(jù)開發(fā)的2000公里內(nèi)空間碎片環(huán)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(qū)域，且給出了對(duì)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(chǎn)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(jī)制所建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)空間碎片環(huán)境未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，演化模型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和真實(shí)的探測(cè)數(shù)據(jù)往往有一定出入。美國(guó)宇航局開發(fā)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(shù)量、類型、尺寸分布、空間密度分布、速度分布、通量等隨時(shí)間的變化規(guī)律。

目前，美國(guó)最新的ORDEM3.0版本不對(duì)我國(guó)開放，而我國(guó)迄今沒有自己可以工程應(yīng)用的空間碎片環(huán)境模型。這成為我國(guó)空間碎片碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防護(hù)設(shè)計(jì)、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(huán)境模型?！?/p>

夏丹