廖明云 （上海衛(wèi)星工程研究所）

空間碎片對(duì)長(zhǎng)壽命低軌遙感衛(wèi)星的影響研究

廖明云 （上海衛(wèi)星工程研究所）

從當(dāng)前我國(guó)衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，低軌遙感衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命要求逐漸從2～3年提高到5～8年，遭受空間碎片撞擊的概率大幅提高，空間微小碎片對(duì)衛(wèi)星的累積撞擊效應(yīng)的危害性研究也日益受到重視。俄羅斯的和平號(hào)空間站在軌飛行15年，其70%的外體遭受到腐蝕，堅(jiān)固程度下降了約60%，美國(guó)的“長(zhǎng)期暴露裝置”（LDEF）在軌運(yùn)行了5.75年后回收，地面檢測(cè)到的撞擊坑達(dá)34000個(gè)，其中85%以上是微小碎片撞擊形成的?，F(xiàn)對(duì)衛(wèi)星遭受空間碎片的影響及其危害進(jìn)行分析，為長(zhǎng)壽命低軌遙感衛(wèi)星的空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)提供思路，提高衛(wèi)星在軌運(yùn)行的可靠性。

空間碎片質(zhì)量在近地軌道逐年分布

1　 近地軌道空間碎片情況

來(lái)源

在近地軌道，由衛(wèi)星產(chǎn)生的空間碎片主要有以下4種。

1) 衛(wèi)星發(fā)射過程和入軌后的拋棄物，主要是有效載荷保護(hù)蓋、輻冷器的防污罩、光學(xué)相機(jī)的鏡頭蓋，星箭分離裝置的包帶、爆炸螺栓、分離彈簧等；

2) 星上儲(chǔ)能裝置或活動(dòng)部件失效導(dǎo)致衛(wèi)星解體產(chǎn)生的碎片，包括剩余推進(jìn)劑、蓄電池、高壓容器、飛輪、陀螺、紅外地平儀、太陽(yáng)電池陣定向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及各種有效載荷的活動(dòng)部件；衛(wèi)星與空間碎片或流星體撞擊導(dǎo)致衛(wèi)星解體產(chǎn)生新的碎片；

3) 微小空間碎片、微流星體、氧原子、太陽(yáng)輻射等造成衛(wèi)星表面涂層、隔熱多層材料以及太陽(yáng)電池片等的剝落；

4) 任務(wù)終止后的衛(wèi)星本身成為空間碎片。

分布情況

依據(jù)空間碎片的大小，通常將大于10cm的空間碎片稱為大碎片，1mm～10cm的稱為中等碎片，小于1mm的稱為小碎片。

地球軌道上的空間碎片分布從質(zhì)量上來(lái)看，直徑大于10cm的空間碎片質(zhì)量約占全部質(zhì)量的99%以上，約3000t，人類在半個(gè)多世紀(jì)內(nèi)發(fā)射入軌航天器有超過6000t，而目前留在軌道的上的碎片質(zhì)量將近50%；這3000t空間碎片中分布在近地軌道約為2500t。

空間碎片的危害

空間碎片對(duì)航天器造成的碰撞危害，可根據(jù)其對(duì)飛行任務(wù)的最終影響程度分為三類：一是災(zāi)害性碰撞，航天器解體或關(guān)鍵設(shè)備損壞，造成飛行不可逆轉(zhuǎn)的失?。欢强苫謴?fù)碰撞，飛行任務(wù)短暫中斷或部分任務(wù)喪失；三是碰撞累計(jì)效應(yīng)，隨著時(shí)間的增加，碰撞次數(shù)增多，航天器表面溫控層破壞引發(fā)內(nèi)部設(shè)備的失效，從而導(dǎo)致飛行任務(wù)的永久失敗。

空間碎片與軌道上運(yùn)行的航天器發(fā)生碰撞造成的破壞取決于空間碎片的質(zhì)量和速度。大于0.01cm的空間碎片對(duì)衛(wèi)星的主要影響是使表面發(fā)生凹陷和磨損，大于0.1cm的空間碎片會(huì)影響航天器結(jié)構(gòu)，大于lcm的碎片會(huì)造成航天器嚴(yán)重?fù)p壞。由于空間碎片是活動(dòng)的，所以在碰撞事件中即使很小的碎片與航夭器碰撞也會(huì)造成衛(wèi)星的損壞。計(jì)算結(jié)果表明，在近地軌道發(fā)生碰撞的平均速度為9.1km/s，峰值達(dá)到16km/s，幾厘米大小金屬碎片的撞擊能量相當(dāng)于130km/h疾馳的小汽車的撞擊能量。因此，直徑僅幾厘米的空間碎片與航天器相撞就可能摧毀航天器。空間碎片以超高速（平均10km/s)的速度撞擊航天器表面，輕者會(huì)在航天器表面留下凹坑，重者會(huì)穿透航天器，造成部分功能失效，甚至?xí)a(chǎn)生災(zāi)難性的后果。

空間碎片增加速率

2　 空間碎片對(duì)長(zhǎng)壽命低軌遙感衛(wèi)星的影響分析

在軌壽命延長(zhǎng)造成總體碰撞概率增大

在低地球軌道上，長(zhǎng)壽命的航天器不可避免地要遭遇撞擊。美國(guó)對(duì)壽命為30年的“國(guó)際空間站”預(yù)測(cè)其遭受碰撞的可能性高達(dá)19%。即使對(duì)于飛行任務(wù)僅為1周的航天飛機(jī)，在8次飛行中也可能有一次遭到較輕的破壞。近地軌道的空間站將面臨中等尺寸空間碎片撞擊的危險(xiǎn)，這種尺寸的碎片多為直徑l～10cm的碎片。這種空間垃圾之所以最危險(xiǎn)，原因是：對(duì)航天器的金屬防護(hù)層來(lái)說(shuō)，這些尺寸的碎片太大，無(wú)法使它偏離空間站或失效：而地面雷達(dá)又因這些碎片的尺寸太小無(wú)法跟蹤，致使航天器不能采取主動(dòng)回避的防范措施。

空間碎片與衛(wèi)星碰撞的幾率與衛(wèi)星的大小有關(guān)。衛(wèi)星越大，碰撞的可能性越大；衛(wèi)星在軌道上停留的時(shí)間越長(zhǎng)，碰撞的機(jī)會(huì)越多。直徑3mm的空間碎片與截面為10m2的航天器在800km軌道上的碰撞幾率為0.01次/年。也就是說(shuō)，如果對(duì)于壽命為10年的航天器，碰撞幾率可高達(dá)10%。

熱控涂層的破壞

多次微小碎片碰撞會(huì)引起熱控涂層的表面退化，粗糙度增加，熱吸收系數(shù)變大，導(dǎo)致航天器熱控性能下降。多層絕熱材料受微小碎片多次碰撞，可能造成嚴(yán)重破損，減低隔熱性能，甚至形成“冷點(diǎn)”，導(dǎo)致“冷點(diǎn)”附近設(shè)備、儀器失效。

美國(guó)航天飛機(jī)從“太陽(yáng)峰年”（SMM）衛(wèi)星帶回的失靈電子線路板及其外表面，發(fā)現(xiàn)熱控涂層上有許多受打擊的痕跡，有的小坑直徑達(dá)到140μm，穿孔的直徑為80～500μm。分析表明，70%是空間碎片造成的，30%是微流星造成的?？臻g碎片碰撞可導(dǎo)致熱控涂層剝離。脫落的涂層又形成碎片，繼續(xù)造成危害。美國(guó)“太陽(yáng)峰年”衛(wèi)星上的防熱毯的一個(gè)側(cè)面飛濺出碎末，小尺寸碎片轟擊熱控涂層，使其表面砂毛，使熱控性能改變。

微小空間碎片對(duì)光學(xué)器件的積累效應(yīng)

光學(xué)器件對(duì)多次微小碰撞引起的表面退化非常敏感，光線散射程度會(huì)急劇增加。碰撞造成的污染粒子，會(huì)使儀器光學(xué)性能下降?？臻g微小碎片對(duì)太陽(yáng)電池蓋片多次碰撞的“砂蝕”效應(yīng)，會(huì)使蓋片透光性能下降，太陽(yáng)電池陣的供電能力逐漸衰減。黃建國(guó)等人通過計(jì)算和模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)10年累積撞擊導(dǎo)致的太陽(yáng)電池表面的面積損傷率平均約為0.61%，嚴(yán)重時(shí)達(dá)到2.3%；光學(xué)透射率衰減平均為0.5%，嚴(yán)重時(shí)可到1.5%。

太陽(yáng)電池蓋片和光學(xué)載荷鏡片都是脆性物體。超高速顆粒碰撞脆性體表面產(chǎn)生的斑痕比在金屬表面上產(chǎn)生的大很多。例如，玻璃上的損傷區(qū)域是碎片直徑的25～30倍，在鋁材上是5倍。具有足夠能量的碎片能擊穿太陽(yáng)電池蓋片和太陽(yáng)電池本體，造成太陽(yáng)電池陣與襯底短路。美國(guó)發(fā)射的地球觀測(cè)衛(wèi)星-2的超高頻遙測(cè)信號(hào)中斷，低能等離子體實(shí)驗(yàn)失效。分析認(rèn)為，這是由于一部分太陽(yáng)電池陣受到碎片撞擊，導(dǎo)致電池輸出線和結(jié)構(gòu)短路而造成故障。

微小空間碎片與原子氧協(xié)同效應(yīng)對(duì)材料的影響

微小碎片撞擊對(duì)空間功能性防護(hù)膜的損傷，會(huì)導(dǎo)致原子氧在損傷處“潛蝕”，導(dǎo)致材料防護(hù)性能降低。長(zhǎng)期暴露裝置鍍鋁多層絕熱毯的表面分析表明，0.6mm大損傷處的“潛蝕”長(zhǎng)度是其3倍。0.1mm小損傷處的“潛蝕”長(zhǎng)度是其8倍。

李宏偉等人利用等離子體驅(qū)動(dòng)微小碎片加速器和潘寧源的原子氧模擬裝置開展了微小碎片撞擊與原子氧協(xié)同作用對(duì)Kapton膜和鍍鋁Kapton膜的侵蝕效應(yīng)研究。實(shí)驗(yàn)后，對(duì)微小碎片撞擊前后、原子氧輻照前后的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。

微小碎片撞擊使得Kapton膜質(zhì)量變小，且碎片速度越快，質(zhì)量損失越大。主要原因是碎片高速撞擊在靶材料中產(chǎn)生激波，并在撞擊區(qū)域?qū)е聵O高的壓力和溫度。在如此高的壓力和溫度下，碎片及靶會(huì)發(fā)生碎裂、熔化甚至汽化，使一定體積的靶物質(zhì)被拋射出來(lái)形成彈坑，并在彈坑周圍一定范圍內(nèi)造成形變及結(jié)構(gòu)破壞。

同樣的原子氧通量下，碎片撞擊后的Kapton膜以及鍍鋁Kapton樣品質(zhì)量損失要明顯大于未受撞擊Kapton以及鍍鋁Kapton樣品的質(zhì)量損失，而且，鍍鋁Kapton樣品在未受到碎片撞擊的情況下，具有很好的抗原子氧侵蝕能力。在原子氧等效注入通量為1.1×1020cm-2時(shí)，其質(zhì)量損失很小，而受到碎片撞擊之后，其抗原子氧侵蝕能力顯著下降。

微小碎片和原子氧都是影響空間材料應(yīng)用及壽命最主要的空間環(huán)境要素之一，兩者的協(xié)同作用將大大加劇空間材料遭遇的侵蝕效應(yīng)，對(duì)航天器的壽命及可靠性構(gòu)成威脅，制約我國(guó)長(zhǎng)壽命高可靠航天器的發(fā)展。

微小碎片撞擊引起的Kapton膜質(zhì)量變化

3　 長(zhǎng)壽命低軌遙感衛(wèi)星空間碎片防護(hù)措施

系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計(jì)的基本原則是將碎片防護(hù)設(shè)計(jì)作為航天器總體設(shè)計(jì)的必不可少的部分，在航天器設(shè)計(jì)全過程中引入碎片防護(hù)設(shè)計(jì)的概念。以風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果為依據(jù)，在關(guān)鍵組件布局、防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇方面整體考慮碎片防護(hù)的設(shè)計(jì)問題，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，在盡可能少增加防護(hù)質(zhì)量及不影響系統(tǒng)功能的情況下，達(dá)到規(guī)定的防護(hù)目標(biāo)。在加拿大“雷達(dá)衛(wèi)星”研制過程中，由美國(guó)航空航天局（NASA）的約翰遜航天中心（JSC）進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)。評(píng)估結(jié)果表明，這顆5年壽命期內(nèi)的衛(wèi)星通過防護(hù)設(shè)計(jì)、調(diào)整布局并采用必要防護(hù)措施，在空間碎片環(huán)境中的生存率由50%提高到87%，而衛(wèi)星質(zhì)量?jī)H增加了17kg，其防護(hù)設(shè)計(jì)效果非常明顯。

局部防護(hù)設(shè)計(jì)

微小碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)通常采用防護(hù)屏技術(shù)。防護(hù)結(jié)構(gòu)種類通常有單層Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)、雙層Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)、填充式Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)、多層沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層板防護(hù)結(jié)構(gòu)等。其基本原理：彈丸超高速撞擊緩沖屏后，在靶板和彈丸間形成很強(qiáng)的沖擊波；在沖擊波作用下，彈丸和靶板發(fā)生破碎、熔化甚至氣化現(xiàn)象，在防護(hù)屏后面形成包含彈丸材料和靶板材料的碎片云；碎片云中粒子尺寸和速度與原彈丸相比明顯變小，并在緩沖屏與后墻之間進(jìn)一步擴(kuò)展，到達(dá)后墻時(shí)，會(huì)在后墻形成面積很大的損傷區(qū)域。這樣，通過緩沖屏使空間碎片撞擊能量密度很大的點(diǎn)能源變成擴(kuò)散面積很大的面能源，降低了對(duì)后墻的損傷。

我國(guó)研究人員提出在衛(wèi)星表面的多層隔熱氈（MLI）內(nèi)增加抗穿透防護(hù)層的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)思想，并完成了相關(guān)的理論分析和計(jì)算。通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，在不影響熱控性能的前提下，通過對(duì)衛(wèi)星表面的多層隔熱氈進(jìn)行空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)，在面密度僅增加990g/m2的情況下，衛(wèi)星的空間碎片防護(hù)能力提高近200%。以某衛(wèi)星為例，應(yīng)用該研究成果進(jìn)行改進(jìn)后，衛(wèi)星運(yùn)行9年與目前運(yùn)行3年的抗空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)相當(dāng)。這標(biāo)志著在軌衛(wèi)星的壽命、可靠性、安全性將得到空前的提高。

原子氧輻照引起的Kapton膜質(zhì)量變化

加拿大“雷達(dá)衛(wèi)星”

4　 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)近地軌道衛(wèi)星數(shù)量快速增多，空間碎片總量也日益增長(zhǎng)，對(duì)衛(wèi)星的安全運(yùn)行造成隱患。本文針對(duì)我國(guó)衛(wèi)星長(zhǎng)壽命高可靠的要求，分析了空間碎片對(duì)近地軌道長(zhǎng)壽命衛(wèi)星的影響，從系統(tǒng)防護(hù)和局部防護(hù)設(shè)計(jì)的角度提出了空間碎片防護(hù)措施，為低軌長(zhǎng)壽命衛(wèi)星的空間碎片研究提供了一些想法和思路。

2015年第一季度航天器發(fā)射統(tǒng)計(jì)

續(xù) 表

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Space Debris’ Effect On Long Service Life LEO Remote Sensing Satellites