空间碎片专题

Space Exploration - - CONTENTS - 文/ 龚自正

小碎片,大问题空间碎片的防护、监测和建模空间碎片移除势在必行中国对空间碎片环境保护的贡献中国为什么要开展空间碎片移除研究太空交通管理迫在眉睫

2017 年 11 月 13日,国际宇航科学院(IAA)首届空间态势感知会议在佛罗里达召开。

2017年12月15日,一枚“二手”猎鹰9火箭,向国际空间站发射了一艘 “二手”龙飞船,其上携带了一台空间碎片传感器,这台空间碎片传感器将被安装在国际空间站上,以便更好地监控环绕地球轨道飞行、尘埃颗粒大小的微小碎片。

此外,萨里卫星技术公司(SSTL)牵头进行的移除碎片(Removedebris)项目日前已经组装完毕,准备在明年初择机发射。该项目尝试用网捕捉小卫星,并测试鱼叉对碎片清除是否有效。同时该公司还与宇宙尺度公司签订了为其“宇宙尺 度送终服务验证”(ELSA-D)项目建造目标星的合同。这一项目主要验证将出了故障又无法自行离轨的卫星清离轨道的技术,预计将在2019 年上半年发射。

这一系列与空间碎片相关的会议与发射任务,让我们不由得把目光聚焦在空间碎片这一问题上。为此,本刊特别邀请中国航天科技集团有限公司五院首席研究员、北京卫星环境工程研究所研究员、博士生导师,长期从事空间碎片防护与移除研究的龚自正博士为您讲解空间碎片环境现状及其危害,并对空间碎片监测、防护、移除研究的国内外现状与发展趋势进行分析。

由于空间对经济社会、国家安全、高科技等的巨大利益和推动作用,越来越多的国家都在不断发展航天事业。迄今,已有13个国家和机构有能力进行航天发射活动,超过60个国家和实体在从事航天器运营活动。从1957 年第一颗人造地球卫星升空以来,截止到2017年底人类共进行了近5000 余次航天器发射活动,把6700余颗航天器送入轨道,在所有发射的航天器中只有近 1400个航天器在有效服役,而其他的因丧失功能而变成了空间垃圾。同时,已发生过260余次在轨航天器或火箭解体 / 爆炸 /撞击(破碎)事件。他们产生了数量众多的太空垃圾,形成了唯一一个人为的外层空间环境——空间碎片环境。

【小知识】空间碎片就是人类航天活动在外太空产生的垃圾。联合国和平利用外层空间委员会(UNCOPOUS)和国际机构间空间碎片协调委员会(IADC)对空间碎片的定义是:地球轨道上在轨运行或再入大气层的无功能的人造物体及其残块和组件。

数以百亿计的空间碎片

到 2017年底,美国空间监测网在地球轨道已经跟踪到42000 个空间物体,空间碎片总的质量达到了7400吨,其中在低轨区域(LEO,轨道高度200公里~ 2000公里)的质量为2700 吨。地球轨道中尺度在10 厘米以上的空间碎片数量已达 23000 个;尺度在1 厘米~10厘米的碎片数量大约为70万个;尺度在1毫米 ~10毫米的碎片数量约为 1亿个,1毫米以下的碎片数量数以百亿计。

空间碎片平均质量密度为2.7 g/ cm3,主要成分为铝/铝合金(占44%)、复合材料(占37%)、不锈钢(占12%)及钛合金和铜等。空间碎片主要几何形状为板状、块状、杆状、薄片状,绝大部分为不规则形状。

空间碎片在低轨区域(LEO)、中轨区域(MEO,轨道高度20000 公里)和高轨区域(地球同步轨道区域, GEO,轨道高度 36000 公里)已编目的空间碎片数量比例分别为:75.2%、8.3%、9.4%。其中,LEO 区域的空间碎片在轨道高度700 公里~ 1100 公里附近有最大的分布密度。

总体上看,空间碎片在空间高度分布是不均匀的,90%以上的目标位于LEO、MEO、GEO三个轨道高度区域,这三处正是人造卫星的主要分布区。

撞击后果很可怕

由乔治·克鲁尼和桑德拉·布洛克主演的奥斯卡获奖影片《地心引力》,讲述了一个在探索者号航天飞机上的两名男航天员和一名女航天员出舱进行哈勃望远镜维修时,遭遇太空碎片袭击,导致飞船发生严重事故的故事。影片逼真再现了太空垃圾的恐怖危险,其危害主要来自超高速碰撞。一个直径1 厘米的铝球以10 公里 /秒速度运动的动能与一辆2吨的小轿车以80 公里 / 小时行驶的动能相当。那么什么是超高速撞击(碰撞)呢?爆炸力学和高压物理中对超高速撞击(碰撞)的定义是:撞击所产生的冲击压强远大于弹丸或靶板材料强度的一类撞击现象。对大多数金

属材料而言,碰撞速度大于3公里 / 秒时就是超高速撞击。在距地面2000 公里内的人类使用最频繁的低地球轨道(LEO)上,碎片运行速度为7.8 公里/秒(第一宇宙速度),它们与航天器发生超高速撞击,其相对撞击速度范围在 0-15 公里 /秒,平均撞击速度为10公里 /秒。右上表给出了飞机、高铁、子弹、超音速导弹、空间碎片的碰撞速度和效应对比。相比空间碎片而言,我们熟知的飞机、高铁、子弹就是很低速的撞击了。

不同尺寸的空间碎片会产生不同的撞击效应。10厘米以上的空间碎片撞击可导致航天器爆炸、解体、彻底失效;此类碎片无法防护,但可精准监测、编目管理,航天器可对其实施主动规避。1厘米~10厘米以上的空间碎片撞击可引起航天器部组件、分系统、整器功能损失,乃至整器爆炸、解体、彻底失效;此类碎片目前尚不能精准监测,尚无有效防护措施。1厘米以下的空间碎片撞击可引起航天器部组件、分系统甚至整器功能损失或失效;此类碎片无法监测、编目管理,但可加装防护结构来被动防护。

空间碎片撞击产生的极高压强超过航天器材料屈服强度的数十到数百倍,会穿透航天器表面,并形成大面积的高速碎片云,破坏内部的器件和系统,轻则导致航天器外露敏感表面性能衰退、功能丧失,重则对结构和载荷造成严重的机械损伤甚至使整个航天器彻底爆炸解体,对航天器安全和航天员生命造成巨大潜在威胁。航天器的体积越大、在轨飞行时间越长,其遭遇空间碎片撞击的风险也就越大。

碰撞事件频发

卫星、国际空间站、航天飞机、长期暴露装置等均屡遭空间碎片撞击。

到 2016年底,国际上有公开报道的因碎片撞击而失效或异常的卫星超过15颗。国际上为躲避碎片撞击而进行的卫星机动规避已达每年30余次,全球碎片撞击卫星概率大于10-4 的事件超过 1000 次 / 年。1996 年7月 24日,法国 CERISE电子侦察卫星与阿里安5末级火箭残骸相撞。撞击导致该侦察卫星的重力梯度稳定杆损坏,最终卫星失效。

北京时间2009年2月11日0时55分59秒,美国1997年9月14日发射的通信卫星铱星33与俄罗斯1993年 6 月 16日发射的已报废多年的“宇宙2251“号军用通信卫星在西伯利亚上空发生激烈相撞,撞击速度达每秒 11.6公里。碰撞发生地点为东经97.88度、北纬 72.50 度、高度 788.57 公里的空域。这是人类历史上首次发生在太空的卫星与卫星之间的大撞击事故,震惊了世界。这一惊天大碰撞当时产生 10厘米以上可编目碎片4,400 个; 1厘米以上的碎片超过 250,000 个, 1毫米以上的碎片 2,000,000 个(数据基于 NASA 卫星解体模型计算);至今仍有可跟踪编目碎片2200 个。

2002 年 3 月 16日,厘米级碎片与靠近 Jason-1 地球海洋卫星主体结构的左侧太阳帆板发生撞击,在卫星姿态出现扰动的同时,伴随暂时的电流扰动。2013 年5月 24日,厄瓜多尔“飞马座”卫星在印度洋上空与一枚由前苏联 1985年发射升空的火箭燃料箱残骸发生“侧面撞击”,导致卫星寿命终结。2016年8月23日,欧空局的“哨兵-1A”卫星太阳翼遭遇了尺度为1厘米、重量

0.2克的碎片以相对速度11公里 / 秒的撞击,卫星轨道产生了0.7 毫米 / 秒、姿态产生几度的变化,一侧的太阳翼供电受损5%,并产生了8个可跟踪的碎片。

美国宇航局为了对空间碎片撞击进行就位探测,于 1984年4 月发射了长期暴露装置(LDEF),轨道高度400 公里 ~286公里,暴露面积约130平方米,在轨运行5.75 年,可见撞击坑达 3.4万个,其中大于0.5 毫米的撞击坑达 5000 个。

阿特兰蒂斯号航天飞机在执行STS-86飞行任务中遭受了最严重的一次撞击,一个毫米级碎片击穿了热控管路外面的 beta布,在管路上留下一个0.8 毫米大小、0.47毫米深的撞击坑,经检测,管路内壁产生了崩落,距离管路泄漏只有一步之遥。发现号航天飞机2000 年 10月执行和国际空间站的对接任务,在13天飞行期间,被撞击38次, 最大撞击坑达1厘米。奋进号航天飞机飞行11天被撞击30次。

国际空间站迄今为止为了躲避10厘米以上空间碎片的撞击进行了24 次机动规避,每次规避消耗推进剂约30千克。另外,国际空间站外露材料如热防护毯、舷窗玻璃等均留下了众多的毫米级碎片撞击坑。

2014 年 3月,美国宇航局发布了哈勃望远镜在运行15年中受到空间碎 片撞击的最新数据:大于0.7 毫米的撞击坑有63个,其太阳翼在运行8年中直径为3微米~7 毫米的撞击坑/ 孔多达 6000个,其中完全穿透的撞击孔达150 个。

频繁发生的空间碰撞事件表明,空间碎片已对人类空间资产安全运行构成严重的现实威胁,严重影响人类航天活动的长期可持续发展。★

空间碎片分布示意图 (左)LEO空间碎片分布,(右) GEO空间碎片分布(赤道面图像)

▲ LEO轨道碎片的空间分布密度

数量百分比 各主要航天国产生的空间碎片的数量和质量比例

质量百分比

▲不同尺寸空间碎片的危害及对策

▲各种撞击速度和效应对比

▲ LDEF 上的撞击坑

▲碎片撞击导致国外卫星异常或失效事件

▲欧空局“哨兵-1A”在轨遭遇碎片撞击导致功能下降

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