厘米級(jí)空間碎片建模研究

王曉偉， 劉靜

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京100012；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.國(guó)家航天局空間碎片監(jiān)測(cè)與應(yīng)用中心，北京100012）

1 引言

空間碎片根據(jù)尺寸大小可分為三類：一類是尺寸在10cm以上的，稱為大碎片，易被地面觀測(cè)、跟蹤，從而通過預(yù)警避免碰撞；一類是尺寸在1cm以下的，稱為微小碎片，可通過航天器表面加固防護(hù)材料進(jìn)行防護(hù)；還有一類是尺寸介于前兩者之間的，稱為危險(xiǎn)碎片，亦即本文討論的厘米級(jí)碎片，航天器一旦遭遇這類碎片，難免會(huì)造成部分甚至全部功能損毀失效。

據(jù)估計(jì)[1]，尺寸在1～10cm之間的在軌碎片數(shù)量已達(dá)到74萬(wàn)個(gè)，總質(zhì)量超過50t。厘米級(jí)碎片最主要的來源就是爆炸或碰撞導(dǎo)致的在軌解體事件，一次在軌解體事件就可以產(chǎn)生數(shù)十萬(wàn)個(gè)厘米級(jí)的解體碎片。除解體碎片之外，厘米級(jí)碎片的來源還包括固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火產(chǎn)生的Al2O3熔渣、NaK冷卻劑液滴等非解體碎片。厘米級(jí)碎片可以使航天器在任務(wù)壽命期間累積遭受約5%的功能損失或者任務(wù)損失[9]。

鑒于空間碎片對(duì)航天器造成的嚴(yán)重威脅，世界上多個(gè)國(guó)家都研究并建立了空間碎片環(huán)境模型，以預(yù)測(cè)空間碎片的密度分布以及未來的演化趨勢(shì)?？臻g碎片環(huán)境模型通常又分為演化模型和工程模型。演化模型主要基于過去編目碎片的演化歷史，考慮空間碎片受到的各級(jí)攝動(dòng)，以及在演化過程中碎片增加或減少的主要機(jī)制，從空間碎片密度分布、數(shù)量增長(zhǎng)、碰撞解體發(fā)生的概率等方面對(duì)未來一兩百年空間環(huán)境的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)?？臻g環(huán)境演化模型可以對(duì)碎片清除與減緩的效能進(jìn)行評(píng)估，對(duì)主動(dòng)碎片清除策略的制定和實(shí)施提供模型支撐和建議。工程模型主要基于當(dāng)前空間環(huán)境的觀測(cè)數(shù)據(jù)，考慮編目碎片以及未編目的小尺寸碎片的來源、密度、通量等，對(duì)當(dāng)前以及未來短期內(nèi)的空間碎片環(huán)境進(jìn)行描述，從而可以對(duì)航天器所處的空間碎片環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，為航天器軌道設(shè)計(jì)和防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

厘米級(jí)空間碎片具有難防護(hù)、難規(guī)避且數(shù)量眾多的特點(diǎn)，使得航天器在執(zhí)行任務(wù)期間遭到撞擊以致?lián)p毀的概率很大。因此，關(guān)于厘米級(jí)碎片的模型研究主要是建立短期的工程模型，關(guān)注較小尺寸的空間碎片對(duì)執(zhí)行任務(wù)的航天器撞擊的概率，為航天器的軌道設(shè)計(jì)和防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考及建議。由于厘米級(jí)碎片與衛(wèi)星相撞也可能導(dǎo)致某些解體事件發(fā)生，從而對(duì)空間環(huán)境帶來一定的長(zhǎng)期影響，故一些較為長(zhǎng)期的演化模型中對(duì)厘米級(jí)的碎片也有考慮。

2 空間碎片環(huán)境建模

無論是演化模型還是工程模型，其建模的根基都是碎片的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)于大尺寸碎片，美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)目前的監(jiān)測(cè)能力已經(jīng)能夠完全覆蓋，但其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并不完全對(duì)外公開發(fā)布。對(duì)于厘米級(jí)及以下的小尺寸碎片，目前的監(jiān)測(cè)能力非常有限，只能根據(jù)已有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不完全的粗略的分布統(tǒng)計(jì)。

2.1 空間碎片監(jiān)測(cè)

目前對(duì)空間碎片的監(jiān)測(cè)手段根據(jù)監(jiān)測(cè)方式可分為地基監(jiān)測(cè)和天基監(jiān)測(cè)。

地基監(jiān)測(cè)是空間碎片監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)手段，常用的監(jiān)測(cè)設(shè)備主要是雷達(dá)和望遠(yuǎn)鏡兩類。地基雷達(dá)可以進(jìn)行全天候的觀測(cè)，不受日光限制，但由于雷達(dá)探測(cè)的距離與功率的4次方成反比，因此雷達(dá)通常只能監(jiān)測(cè)較低軌道的空間物體。對(duì)于較高軌道的空間物體，可以用地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡來觀測(cè)，但是地基望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)容易受到日光和大氣等條件的影響，只能在天空晴朗的夜晚進(jìn)行觀測(cè)。

相比于地基監(jiān)測(cè)，天基監(jiān)測(cè)有著更好的觀測(cè)條件，其中最主要的一項(xiàng)就是全天候連續(xù)24h觀測(cè)，而且大大減少了觀測(cè)距離；另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是沒有了大氣層的擾動(dòng)可以達(dá)到更高的監(jiān)測(cè)精度，獲得更高的探測(cè)率。但天基監(jiān)測(cè)的發(fā)展受到諸多限制，如設(shè)備耗費(fèi)成本高且不便維護(hù)更新、能源消耗大、搭載平臺(tái)尺寸和質(zhì)量有限等。

2.1.1 地基監(jiān)測(cè)

美國(guó)上世紀(jì)90年代先后建成Haystack[10，11]、HAx和Goldstone雷達(dá)[12]作為美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)（SSN）的輔助設(shè)備對(duì)厘米級(jí)碎片進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中Haystack與HAx雷達(dá)每年工作500～700h，觀測(cè)范圍300～1900km，是1～30cm的空間碎片數(shù)據(jù)的主要來源，而Goldstone雷達(dá)作為前兩者對(duì)空間碎片監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充，每年工作100h，觀測(cè)范圍350～3300km，可提供0.2～1cm的空間碎片環(huán)境數(shù)據(jù)。目前，美國(guó)正在建設(shè)新一代的地基雷達(dá)系統(tǒng)Space Fence[13]，該系統(tǒng)計(jì)劃使用兩部S波段雷達(dá)對(duì)近地軌道 （LEO）的小至5cm的目標(biāo)，尤其是未知目標(biāo)，進(jìn)行全天候的發(fā)現(xiàn)和探測(cè)，部分2cm大小的目標(biāo)也能被觀測(cè)到。

在歐洲，歐空局主要與德國(guó)的TIRA雷達(dá)系統(tǒng)合作。TIRA雷達(dá)可以對(duì)空間碎片進(jìn)行探測(cè)和跟蹤，此外還進(jìn)行常規(guī)的 “Beam park”實(shí)驗(yàn)，即雷達(dá)波束指向一個(gè)固定方向保持24h不變，這樣可以在地球一個(gè)自轉(zhuǎn)周期內(nèi)在一個(gè)窄帶內(nèi)360°環(huán)掃天球，監(jiān)測(cè)所有通過該波束的空間目標(biāo)。在這種實(shí)驗(yàn)中，TIRA雷達(dá)能夠?qū)?000km處2cm的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和定初軌。如果與附近 Effelsberg的100m孔徑接收天線進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，其觀測(cè)精度能提高至1cm。此外，歐空局的EISCAT雷達(dá)系統(tǒng)最初任務(wù)是進(jìn)行電離層的觀測(cè)，然而隨著空間碎片專用計(jì)算機(jī)在處理單元后端上的運(yùn)行，這些雷達(dá)能夠?qū)EO軌道2cm的空間碎片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)觀測(cè)。[14，15]

表1 國(guó)外一些空間碎片監(jiān)測(cè)地基雷達(dá)設(shè)備Tab.1 Some foreign space debris monitoring ground-based radar equipment

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨能力與所觀測(cè)目標(biāo)的距離平方成反比，因此地基光學(xué)探測(cè)可以對(duì)較高軌道的空間碎片進(jìn)行觀測(cè)，從而彌補(bǔ)雷達(dá)探測(cè)受距離限制的不足。美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)對(duì)高軌目標(biāo)監(jiān)測(cè)的主要設(shè)備是地基光電深空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)GEODSS及毛伊島光學(xué)跟蹤和識(shí)別系統(tǒng)MOTIF，監(jiān)測(cè)的地球同步軌道 （GEO）目標(biāo)尺寸大多在1m以上。在空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)的光學(xué)設(shè)備之外，美國(guó)目前在用的光學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備有密歇根軌道碎片望遠(yuǎn)鏡MODEST[18]和米級(jí)自主望遠(yuǎn)鏡 MCAT[19，20]。MODEST是一個(gè)0.6/0.9m的施密特望遠(yuǎn)鏡，主要用于觀測(cè)GEO軌道目標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)曝光時(shí)間為5s，探測(cè)的極限星等為18等，相當(dāng)于25cm大小的空間碎片。MCAT望遠(yuǎn)鏡是由美國(guó)國(guó)家航空航天局 （NASA）和空軍研究實(shí)驗(yàn)室合作的項(xiàng)目，孔徑為1.3m，主要用于對(duì)GEO和LEO進(jìn)行統(tǒng)計(jì)觀測(cè)，能探測(cè)到GEO軌道上約13cm大小的目標(biāo)，以及LEO軌道上1cm大小的目標(biāo)。此外，美國(guó)還在進(jìn)行由NASA和AMOS合作的NASS項(xiàng)目，來采集LEO和GEO軌道目標(biāo)的物理特性，為空間環(huán)境模型以及航天器的防護(hù)提供數(shù)據(jù)[21]。

歐洲用于監(jiān)測(cè)空間碎片的光學(xué)設(shè)備有歐空局空間碎片望遠(yuǎn)鏡SDT，法國(guó)TAROT望遠(yuǎn)鏡，英國(guó)PIMS光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)，Starbrook望遠(yuǎn)鏡，以及ZIMLAT/ZimSMART望遠(yuǎn)鏡等[15]。歐空局的SDT望遠(yuǎn)鏡位于西班牙Teide天文臺(tái)，孔徑1.3m，用來觀測(cè)GEO軌道目標(biāo)，探測(cè)極限在19～21等之間，相當(dāng)于GEO軌道上15cm大小的空間碎片。法國(guó)TAROT望遠(yuǎn)鏡最初是用來發(fā)現(xiàn)伽瑪暴現(xiàn)象的，后被用于高軌和GEO軌道目標(biāo)的跟蹤觀測(cè)，其孔徑大小為0.25m，探測(cè)極限為17等。英國(guó)的PIMS光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)包含3個(gè)望遠(yuǎn)鏡，被用于觀測(cè)GEO和MEO軌道范圍，孔徑大小為0.4m，能探測(cè)到GEO軌道50cm大小的空間目標(biāo)[5]。

2.1.2 天基監(jiān)測(cè)

目前，美國(guó)、加拿大等航天大國(guó)都在建設(shè)監(jiān)測(cè)空間碎片的天基設(shè)備。1996年美國(guó)發(fā)射了一顆中段空間試驗(yàn)衛(wèi)星MSx，其搭載的可見光設(shè)備SBV[22，23]對(duì)LEO到GEO軌道的空間目標(biāo)均可以獲得高分辨率的測(cè)量結(jié)果，探測(cè)極限比地基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)低許多，對(duì)空間碎片探測(cè)和特性描述具有很高價(jià)值，后成為美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)的一部分。美國(guó)正在建設(shè)的天基空間監(jiān)視SBSS系統(tǒng)[24-26]，是一個(gè)搭載光電傳感器的衛(wèi)星星座，將極大地提升對(duì)空間目標(biāo)的監(jiān)視、跟蹤和識(shí)別能力。SBSS系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星 “探路者”作為MSx/SBV探測(cè)器的繼任者已于2010年發(fā)射，其探測(cè)能力比MSx/SBV系統(tǒng)有很大的提升。SBSS系統(tǒng)后續(xù)要部署一個(gè)尺寸更小的3星星座，來接替 “探路者”衛(wèi)星，以增大覆蓋面積，縮短目標(biāo)重訪周期，預(yù)計(jì)SBSS系統(tǒng)第一顆后續(xù)星將于2021年發(fā)射。此外，美國(guó)的天基監(jiān)測(cè)項(xiàng)目還有國(guó)際空間站上搭載的專門監(jiān)視厘米級(jí)空間碎片的Ku波段雷達(dá)，軌道深空成像儀ODSI系統(tǒng)，以及其他多項(xiàng)空間目標(biāo)監(jiān)視衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目。預(yù)計(jì)到2020年左右，美國(guó)在全球的覆蓋盲區(qū)將顯著縮小，并在地基系統(tǒng)升級(jí)改造和部署新系統(tǒng)的基礎(chǔ)上大力發(fā)展天基系統(tǒng)，大幅提升對(duì)深空微小目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤與識(shí)別能力，屆時(shí)美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)對(duì)LEO軌道目標(biāo)的探測(cè)極限將提升到1cm，對(duì)GEO軌道目標(biāo)的探測(cè)極限將提升到10cm。

此外，還有加拿大的空間監(jiān)視系統(tǒng)CSSS。該系統(tǒng)利用天基衛(wèi)星Sapphire搭載光學(xué)探測(cè)設(shè)備對(duì)深空目標(biāo)進(jìn)行跟蹤探測(cè)，為美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)提供相關(guān)目標(biāo)的軌道測(cè)量數(shù)據(jù)[27]。

2.2 空間碎片模型

ORDEM模型是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）約翰遜航天中心研制的一種半經(jīng)驗(yàn)性工程模型，用以支持美國(guó)航天飛機(jī)和國(guó)際空間站的設(shè)計(jì)和操作。該模型歷經(jīng)多次更新升級(jí)，目前最新版本是ORDEM3.0。其研制的另一模型LEGEND是一種能夠?qū)EO到GEO軌道環(huán)境的碎片分布進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的三維模型，是NASA最新的長(zhǎng)期演化模型 （替代了之前的一維EVOLVE模型）。

表2 當(dāng)前國(guó)際上一些空間碎片環(huán)境模型Tab.2 Some present international space debris environment models

MASTER是歐空局 （ESA）根據(jù)空間密度和瞬變速度三維離散化研制的一種半確定性環(huán)境模型，可以提供短期環(huán)境預(yù)測(cè)如碎片密度分布等情況。DELTA模型是英國(guó)國(guó)防科技公司為歐空局研制的碎片環(huán)境長(zhǎng)期演化模型，是一種三維半確定性模型，能對(duì)1mm以上的所有來源的空間碎片進(jìn)行預(yù)報(bào)，目前最新版本是DELTA3.1。

DAMAGE是英國(guó)南安普頓大學(xué)研制的三維半確定性模型，最初是為模擬GEO軌道碎片環(huán)境研發(fā)的，后經(jīng)過更新升級(jí)能對(duì)LEO到GEO的軌道環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期演化。

MEDEE是法國(guó)國(guó)家太空研究中心研制的用于研究未來空間環(huán)境穩(wěn)定性的長(zhǎng)期演化模型。

LUCA是德國(guó)布倫瑞克大學(xué)研制的碰撞分析長(zhǎng)期效用模型，目前正在進(jìn)行全面升級(jí)。

SDM模型是意大利最初在與歐空局的合同下研制的，用來描述地球周圍空間環(huán)境與未來演化情況，最近經(jīng)過全面升級(jí)，最新版本為SDM4.1。該模型可以對(duì)LEO到GEO軌道環(huán)境進(jìn)行三維仿真，對(duì)尺寸大于1mm的所有碎片主要增加和減少機(jī)制都進(jìn)行了模擬。

SDPA-E[31，32]是俄羅斯航天局在SDPA的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個(gè)工程模型。SDPA-E模型旨在對(duì)當(dāng)前和未來的空間碎片環(huán)境模型的基本特征做出快速、便捷、可視化的評(píng)估。該模型可評(píng)估的空間碎片是LEO和GEO兩個(gè)空間區(qū)域內(nèi)的特征尺寸大于1mm的空間目標(biāo)，并能計(jì)算自定義目標(biāo)軌道的碰撞通量和通量的角分布，以及平均碰撞速度和碰撞方位角度的依賴關(guān)系等特征。該模型曾在2003年和ORDEM2000模型與MASTER2001模型一起用于機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì) （IADC）空間碎片工程模型探討，但之后一直未進(jìn)行更新。

SDEEM2015[33]是我國(guó)自主研制的工程模型，可對(duì)1959～2050年LEO軌道上10μm～10m的空間碎片環(huán)境進(jìn)行評(píng)估。SDEEM2015模型利用地基或天基的探測(cè)數(shù)據(jù)，以及相關(guān)航天活動(dòng)任務(wù)所采集的歷史數(shù)據(jù)等，對(duì)碎片的源頭進(jìn)行區(qū)分和建模。這些源頭包括解體碎片、NaK液滴、固體火箭熔渣和粉塵、濺射物、航天器表面剝落物以及微流星體等。后續(xù)研究中，SDEEM2015模型的適用范圍將由LEO軌道擴(kuò)展到GEO軌道，研究加強(qiáng)中高軌道及GEO空間碎片環(huán)境的描述。

SOLEM是我國(guó)自主研制的空間碎片演化模型，該模型考慮空間碎片主要的增加和減少機(jī)制，模擬未來航天器的發(fā)射、任務(wù)后軌道棄置和主動(dòng)碎片清除措施，以及在軌道演化過程中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)交會(huì)和碰撞解體事件，給出未來200年內(nèi)任意時(shí)刻空間碎片的數(shù)量增長(zhǎng)及密度分布等信息，從而判斷分析未來空間環(huán)境的穩(wěn)定性。

上述這些模型中，LEGEND、DELTA、DAMAGE、MEDEE、SDM、LUCA和SOLEM都是長(zhǎng)期演化模型，主要關(guān)注目標(biāo)是尺寸大于10cm的大碎片。其他短期的工程模型則主要關(guān)注厘米級(jí)及以下的小碎片，其中處于領(lǐng)先地位的是歐空局的MASTER模型和美國(guó)NASA的ORDEM模型，這兩種模型的最新版本是MASTER2009和ORDEM3.0。下面著重介紹這兩種模型。

2.3 工程模型

2.3.1 MASTER

MASTER模型是布倫瑞克大學(xué)根據(jù)與歐空局的合同研制開發(fā)的一種半確定性環(huán)境模型。該模型可以仿真模擬地球周圍包括流星體在內(nèi)的空間碎片環(huán)境，計(jì)算空間密度和速度三維分布，評(píng)估自定義目標(biāo)軌道的碰撞通量及碰撞風(fēng)險(xiǎn)，考慮的目標(biāo)尺寸最小為1μm，適用于從LEO到GEO的軌道高度。MASTER作為歐空局的參考模型得到了國(guó)際上的廣泛認(rèn)可。

MASTER模型歷經(jīng)多次更新升級(jí)，最新的版本是MASTER2009模型。MASTER2009通過TLE及歐空局的碎片特征信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)等渠道獲取碎片信息，對(duì)尺寸在1μm以上的全部碎片來源[28]進(jìn)行了建模仿真，并通過與真實(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行模型檢查，因此相比于其他模型，MASTER2009具有較高的可信度。

表3 MASTER模型各歷史版本的對(duì)比Tab.3 Comparison of historical versions of MASTER models

2.3.2 ORDEM

1996年NASA建立了ORDEM96模型，該模型是基于計(jì)算機(jī)的半經(jīng)驗(yàn)性工程模型，將對(duì)空間環(huán)境的直接探測(cè)與復(fù)雜的軌道碎片模型理論和輸出結(jié)合在一起。該模型最初的目的是為軌道碎片研究人員和空間系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供簡(jiǎn)單易用的工具來評(píng)估軌道碎片環(huán)境的特征，但很快就成為美國(guó)航天飛機(jī)、國(guó)際空間站等一系列重要空間任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)。ORDEM96利用 “干草堆”雷達(dá)數(shù)據(jù)第一次準(zhǔn)確地描述了1～10cm之間碎片的環(huán)境特征。ORDEM2000更新了LEO環(huán)境的數(shù)據(jù)，包括由衛(wèi)星發(fā)射帶來的大物體的增長(zhǎng)，航天飛機(jī)碰撞產(chǎn)生的小顆粒的增長(zhǎng)估計(jì)，以及 Haystack、Haystack Auxiliary、Goldstone雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示的10μm及以上空間碎片的增長(zhǎng)，能夠更為準(zhǔn)確地描述2000km以下的三維近地空間環(huán)境。

ORDEM2010[29]是ORDEM2000的升級(jí)版，能夠更真實(shí)地描述空間碎片環(huán)境。ORDEM2010在融合真實(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)與源模型仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立模型，可按軌道高度、緯度、碎片尺寸等對(duì)空間環(huán)境模型進(jìn)行評(píng)估。該版本在前一版本的基礎(chǔ)上更新了近10年的真實(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)、使用了新的統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)碎片的類型和密度進(jìn)行分類，將使用范圍從LEO區(qū)域擴(kuò)大到GEO區(qū)域。ORDEM2010代表了NASA的經(jīng)驗(yàn)性碎片評(píng)估模型的巨大進(jìn)步，后命名為ORDEM3.0。但ORDEM3.0軟件不再對(duì)外公開。

2.3.3 MASTER與ORDEM的對(duì)比

ORDEM與MASTER都是基于理論和經(jīng)驗(yàn)建模，但建模方法不同，MASTER系列模型是對(duì)空間碎片的來源進(jìn)行建模，而ORDEM系列模型則是根據(jù)空間碎片的材料密度進(jìn)行建模。另外，建模所依據(jù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來源不同，由此造成在MASTER模型中作為一個(gè)重要來源的SRM熔渣，在ORDEM模型中并未予以考慮。

表4 ORDEM系列模型的對(duì)比[30]Tab.4 Comparison of ORDEM series models

表5 ORDEM 3.0與MASTER2009的對(duì)比Tab.5 Comparison of ORDEM 3.0 and MASTER2009

為比較兩種模型對(duì)空間碎片環(huán)境描述和預(yù)測(cè)的異同，P.H.Krisko等人選擇了國(guó)際空間站軌道、太陽(yáng)同步軌道、地球同步轉(zhuǎn)移軌道和地球同步軌道這4種特殊軌道，對(duì)比其在1m、10cm、1cm到1mm之間輸出的空間碎片碰撞流量。結(jié)果顯示，尺寸在1m的累積碎片碰撞流量?jī)煞N模型吻合的非常好，在10cm碰撞流量MASTER2009要比ORDEM3.0稍微高一點(diǎn)，而在1cm到1mm之間的碰撞流量?jī)煞N模型的結(jié)果差異較大[34]。

3 模型存在的問題

空間碎片環(huán)境建模是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，尤其是空間碎片工程模型對(duì)在軌航天器的碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在航天器的安全與防護(hù)中至關(guān)重要。MASTER2009和ORDEM3.0代表了當(dāng)前空間碎片工程模型的最高水平，但其結(jié)果仍然不能十分真實(shí)地反應(yīng)空間碎片環(huán)境，更不能精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)航天器的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。其原因有：一是用來建模的厘米級(jí)及以下的小尺寸碎片的觀測(cè)數(shù)據(jù)不夠全面，通過有限的原位探測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以及來自分辨率有限且不能持續(xù)觀測(cè)的地基雷達(dá)和望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，無法全面真實(shí)地描述并預(yù)測(cè)小尺寸碎片環(huán)境，而且地面解體、SRM燃燒實(shí)驗(yàn)并不能真實(shí)地反映在太空中的情況；二是航天器的爆炸、碰撞產(chǎn)生解體都屬偶然事件，無法準(zhǔn)確提前預(yù)測(cè)，而且解體程度與航天器的結(jié)構(gòu)、材料、所載燃料多少、碰撞角度、運(yùn)行速度等多個(gè)因素有關(guān)，遠(yuǎn)不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解體模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的。此外，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法及建模方法也都會(huì)影響模型仿真的準(zhǔn)確度。

4 總結(jié)與展望

厘米級(jí)空間碎片足以對(duì)在軌航天器構(gòu)成嚴(yán)重的撞擊威脅，難以依靠航天器自身的防護(hù)措施抵擋撞擊；同時(shí)由于較小且數(shù)目可達(dá)幾十萬(wàn)量級(jí)，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)和編目能力仍然不足以實(shí)現(xiàn)對(duì)大部分厘米級(jí)空間碎片的監(jiān)測(cè)與編目，因此亦無法通過預(yù)警和軌道機(jī)動(dòng)來規(guī)避其對(duì)在軌航天器的撞擊風(fēng)險(xiǎn)。此外，大量存在的空間碎片若相互碰撞亦會(huì)導(dǎo)致整體空間環(huán)境惡化，使得空間環(huán)境難以長(zhǎng)期可持續(xù)利用。因此，加強(qiáng)對(duì)厘米級(jí)空間碎片的監(jiān)測(cè)、編目和預(yù)警能力，提高對(duì)其長(zhǎng)期演化情況的建模分析水平，對(duì)保證航天器在軌安全運(yùn)行和空間環(huán)境長(zhǎng)期可持續(xù)利用至關(guān)重要。

基于對(duì)厘米級(jí)空間碎片國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，文章認(rèn)為未來發(fā)展的重點(diǎn)方向在于以下兩點(diǎn)：

（1）加強(qiáng)監(jiān)測(cè)能力。既要提高傳統(tǒng)地基設(shè)備的監(jiān)測(cè)能力，使其可探測(cè)到厘米級(jí)空間碎片，同時(shí)也有拓展監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)天地基聯(lián)合探測(cè)和多波段 （光學(xué)、微波、紅外等）多技術(shù)手段的協(xié)同監(jiān)測(cè)能力，綜合利用現(xiàn)有和新建的各類監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行厘米級(jí)空間碎片監(jiān)測(cè)。

（2）提高建模分析水平。通過結(jié)合厘米級(jí)空間碎片監(jiān)測(cè)成果，開展專項(xiàng)課題研究、國(guó)內(nèi)外交流與合作、多學(xué)科跨領(lǐng)域協(xié)作等多種方式，促進(jìn)對(duì)空間環(huán)境長(zhǎng)期演化模型 （包括工程模型）的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間環(huán)境長(zhǎng)期演化趨勢(shì)更準(zhǔn)確的分析與評(píng)估，并可據(jù)此制定相關(guān)規(guī)則或政策，以維護(hù)空間環(huán)境的長(zhǎng)期可持續(xù)利用。