文/ 龔自正

空間碎片的防護(hù)、監(jiān)測和建模

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)。

國外空間碎片防護(hù)現(xiàn)狀與趨勢

從上世紀(jì)80年代開始，出于國際空間站防護(hù)的需要，美國宇航局、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，為國際空間站和其他大型、長壽命、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、美國宇航局的彗星探測器彗核之旅（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)、三級炮和磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)等。三級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、撞擊損傷閾值評估等。

▲ 國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

我國空間碎片防護(hù)研究

隨著我國航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，我國從2000年開始開展空間碎片防護(hù)研究。在國防科工局空間碎片專項(xiàng)研究計(jì)劃支持下，中國空間技術(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碎片超高速碰撞實(shí)驗(yàn)的二級輕氣炮發(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)場的研究需求，自20世紀(jì)80年代以來，中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心、中國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輕氣炮實(shí)驗(yàn)設(shè)備，承擔(dān)有關(guān)研究。中國空間技術(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)評估技術(shù)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。對天宮一號和空間實(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，我國正在加緊建造空間站，對空間碎片防護(hù)提出了更高要求。我國在軌衛(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，國內(nèi)空間碎片防護(hù)研究總體而言主要還是跟蹤模仿國外，面臨著很多技術(shù)瓶頸，比如∶國外先進(jìn)防護(hù)材料和技術(shù)對我封鎖禁運(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，我國防護(hù)研究基礎(chǔ)薄弱、防護(hù)能力嚴(yán)重不足。

▲ 美國空間監(jiān)測網(wǎng)的MCAT望遠(yuǎn)鏡

空間碎片的監(jiān)測

空間碎片監(jiān)測是指對空間碎片進(jìn)行探測、跟蹤、識別和確認(rèn)，包括測量空間碎片的位置、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)測和天基監(jiān)測。

空間碎片地基監(jiān)測

地基探測是利用部署在地面的無線電裝置和光電裝置來測量空間碎片。無線電裝置包括跟蹤雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)和電磁籬笆等，適合對近距離、低軌道碎片探測，具有搜索發(fā)現(xiàn)新碎片的能力。大氣層對無線電波的折射和散射會影響測量的精度。無線電手段雖然可以連續(xù)地全天候工作，但對于遠(yuǎn)距離、高軌道的碎片就捉襟見肘，且運(yùn)行成本高。光電手段適合對遠(yuǎn)距離、高軌道的碎片探測，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。

美國空間監(jiān)測網(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)觀測站，可以連續(xù)跟蹤觀測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)識別到產(chǎn)生源），是目前國際上能力最強(qiáng)的空間碎片監(jiān)測網(wǎng)。

目前，俄羅斯已建成了由30套共100多臺望遠(yuǎn)鏡測站組成、遍及14個(gè)國家和地區(qū)的國際光學(xué)科學(xué)觀測網(wǎng)（ISON）。該系統(tǒng)提供中高軌空間碎片跟蹤觀測和搜索發(fā)現(xiàn)、碎片編目及碎片特征探測、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)勢感知系統(tǒng)。

▲ 美國空間監(jiān)測網(wǎng)的Haystack 雷達(dá)

空間碎片天基監(jiān)測

現(xiàn)有的空間碎片地基監(jiān)測手段無法達(dá)到對空域、時(shí)域的無縫覆蓋，不能達(dá)到全天候、全天時(shí)監(jiān)測。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)測手段是空間碎片監(jiān)測的大勢所趨，最終會形成天地一體化、多手段、全尺度、全天域、全天候空間碎片監(jiān)測網(wǎng)。

天基探測分為兩種。一種是利用天基雷達(dá)和望遠(yuǎn)鏡探測厘米級以上尺寸碎片（又稱為主動(dòng)探測），如美國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)探測的代表。一種是利用在軌感知裝置探測厘米級以下尺寸碎片（又稱為被動(dòng)探測），如長期暴露裝置（LDEF）、歐洲可回收衛(wèi)星（EURECA）和剛剛發(fā)射安裝在國際空間站的空間碎片探測器（SDS）等。利用在軌感知裝置探測厘米級以下尺寸碎片對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)狀和未來變化趨勢的數(shù)學(xué)模型。用于預(yù)測短期內(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)評估和防護(hù)設(shè)計(jì)工程應(yīng)用，也可為探測提供校驗(yàn)。用于預(yù)估空間碎片環(huán)境長期（如100年或200年內(nèi)）變化情況的模型稱為演化模型。

目前，國際上已經(jīng)發(fā)布了多個(gè)工程模型，如美國宇航局的ORDEM系列模型。ORDEM系列模型是基于探測數(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，是利用美國空間監(jiān)測網(wǎng)（SSN）在1976到1988年間的探測數(shù)據(jù)和長期暴露裝置（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，對空間碎片環(huán)境未來發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，演化模型的預(yù)測數(shù)據(jù)和真實(shí)的探測數(shù)據(jù)往往有一定出入。美國宇航局開發(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，美國最新的ORDEM3.0版本不對我國開放，而我國迄今沒有自己可以工程應(yīng)用的空間碎片環(huán)境模型。這成為我國空間碎片碰撞風(fēng)險(xiǎn)評估、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