劉朋,薛野

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京100094)

1 前言

空間碎片絕大多數(shù)分布在人類使用最頻繁的低地球軌道,它們?nèi)襞c航天器發(fā)生碰撞,相對撞擊速度一般在0～15km/s,平均撞擊速度為10km/s。超高速撞擊會產(chǎn)生極高壓力,超過航天器材料強(qiáng)度的數(shù)十到數(shù)百倍,足以穿透航天器表面,破壞航天器內(nèi)部器件和系統(tǒng),造成航天器功能嚴(yán)重?fù)p傷,甚至導(dǎo)致航天器徹底失效。

航天器體積越大、飛行時間越長,遭遇空間碎片撞擊的風(fēng)險也越大。載人航天器不僅體積大,空間站在軌運行時間也比較長,而且還需要長期駐留航天員?？臻g碎片對載人航天器安全和航天員生命造成巨大潛在威脅。

首先從空間碎片的定義、產(chǎn)生等入手,扼要總結(jié)和分析空間碎片環(huán)境的現(xiàn)狀、空間碎片可能對載人航天活動可能造成的危害,包括典型的空間碎片對航天飛機(jī)和國際空間站危害的事故案例。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步歸納和分析了空間碎片的應(yīng)對措施,以及國際空間站采用的空間碎片防護(hù)、服務(wù)于國際空間站的空間碎片探測與清除措施。最后總結(jié)了低軌道空間碎片的清除技術(shù)。

2 空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀

2.1 空間碎片的來源及分類

空間碎片,又稱空間垃圾,主要是指人類在航天活動過程中遺留在空間的廢棄的航天器殘骸和它們因爆炸或碰撞而產(chǎn)生的碎片。根據(jù)聯(lián)合國 《空間碎片技術(shù)報告》, “空間碎片是指位于地球軌道或重返大氣稠密層不能發(fā)揮功能而且沒有理由指望其能夠發(fā)揮或繼續(xù)發(fā)揮其原定功能或經(jīng)核準(zhǔn)或可能核準(zhǔn)的任何其他功能的所有人造物體,包括其碎片及部件,不論是否能夠查明其擁有者”?？臻g碎片主要來源于以下幾個方面:

(1)失效的有效載荷:失效的有效載荷是曾經(jīng)使用、但后來失去控制的有效載荷。目前在地球軌道上運行的這類碎片約有1000多個,其中大部分是已失效的衛(wèi)星和空間探測器。各類航天器除了返回式衛(wèi)星、飛船一類可回收以外,其他類型的航天器當(dāng)它們喪失了功能后,都將成為空間碎片。人類第一個空間站——和平號空間站,在完成任務(wù)后也成為最大的空間碎片。

(2)運營碎片:運營碎片是指在發(fā)射和飛行過程中使用過的,但目前仍滯留在外層空間的物體,即運載火箭和航天器在發(fā)射過程中產(chǎn)生的碎片。運營碎片大部分是發(fā)射設(shè)備和載人飛行中人為地拋入外層空間的物品,如廢棄了的火箭殼體、火箭頭錐體、遠(yuǎn)地點發(fā)動機(jī)、有效載荷分離設(shè)備、航天器整流罩、推進(jìn)劑儲箱等。

(3)解體碎片:衛(wèi)星解體是空間碎片最主要的來源。解體碎片是火箭和航天器爆炸、碰撞過程中產(chǎn)生的碎片,如被拋棄的火箭上面級的剩余推進(jìn)劑引發(fā)爆炸產(chǎn)生的大量空間碎片。

(4)微粒物質(zhì):微粒物質(zhì)的大小不同,由許多微粒和氣體等物質(zhì)組成。估計目前在外層空間有100億到數(shù)千億微粒,這類空間碎片產(chǎn)生于固體燃料火箭發(fā)動機(jī)、軌道物體的外殼及載人航天器表面層。航天飛機(jī)的軌道器在載人飛行過程中排放的微粒物質(zhì)包括各種泄漏物、重分子氣體、廢水、加熱液化器系統(tǒng)和反作用控制系統(tǒng)發(fā)動機(jī)工作過程中的排放物。航天器表面材料的脫落,如表面涂層老化掉下來的油漆斑塊。

空間碎片按照尺寸大小,可以分為三類:

(1)大碎片:尺寸大于10cm,主要包括:廢棄的衛(wèi)星和運載火箭末級;執(zhí)行任務(wù)中的拋棄物品;因碰撞、爆炸和解體產(chǎn)生的大碎片;脫落的活動部件等。

(2)危險碎片:尺寸在1cm～10cm之間,包括:任務(wù)相關(guān)物體,如爆炸螺栓等;高強(qiáng)度爆炸、碰撞產(chǎn)生的小碎片;溫控涂層表面退化脫落的大片漆片;核反應(yīng)堆泄漏的冷卻劑;其他脫落的活動部件,如天線等。

(3)小碎片:尺寸在1cm以下,包括:任務(wù)相關(guān)物體,如爆炸螺栓產(chǎn)生的碎屑;高強(qiáng)度爆炸、碰撞產(chǎn)生的碎屑;固體火箭燃燒產(chǎn)物,如Al2O3顆粒;溫控涂層表面退化脫落的微小漆片;碎片碰撞產(chǎn)生的二次碎片云;核反應(yīng)堆冷卻劑泄漏的產(chǎn)物。

2.2 空間碎片的分布與演化

目前發(fā)射入軌的航天器約有6000個,絕大多數(shù)分布在2000公里以下的低地球軌道和3.6萬公里的地球同步軌道。一些人造物體已經(jīng)返回大氣層隕落銷毀,但絕大部分依然滯留在地球軌道上。從空間分布上看,絕大部分都分布在低地球軌道,尤以800公里高度區(qū)域最多,如圖1所示。圖中可以看出,低地球軌道上空間物體主要集中分布在800～1000km和1400～1500km兩個區(qū)域。圖2是低地球軌道上空間物體的質(zhì)量分布,質(zhì)量分布規(guī)律與碎片數(shù)目分布規(guī)律基本一致。

圖1 LEO上空間物體數(shù)目與高度的關(guān)系Fig.1 LEO space object numbers with altitude

圖2 不同低地軌道高度上的空間物體質(zhì)量分布Fig.2 Mass distribution of LEO space objects with different altitude

據(jù)美國空間監(jiān)視網(wǎng)估計,目前在軌的空間碎片中尺寸大于10cm的約有20000～22000個,尺寸大于1cm的約有500000個,尺寸大于1mm的大于100,000,000個?？臻g碎片的重量約6300噸,其中約2700噸分布在低地球軌道上。由于空間碎片軌道的自然衰減過程相當(dāng)緩慢,若不采取措施,未來50年間,碎片數(shù)量將以每年10%的速度增加。截至2014年4月,近地軌道中已經(jīng)編目的直徑大于10cm的物體超過16000個,其中現(xiàn)役航天器約1000個,90%以上為失效或失控的空間碎片,其中質(zhì)量大于2kg的編目碎片約2500個,它們集中分布在距地球600～1000km的軌道上。圖3和圖4分別為美國空間監(jiān)測網(wǎng)給出的地球軌道上可編目的空間物體數(shù)量-時間曲線和質(zhì)量-時間曲線?？梢钥闯?直徑大于10cm的物體從1981年的5000個增長到了2014年的16000多個,30多年內(nèi)增長了3倍多。

圖3 美國空間監(jiān)測網(wǎng)編目的在軌空間物體的數(shù)量變化Fig.3 Number change of orbit objects

圖4 美國空間監(jiān)測網(wǎng)編目的在軌空間物體的質(zhì)量變化Fig.4 Mass change of orbit objects

3 空間碎片對載人航天活動的危害

3.1 空間碎片的危害類型

根據(jù)空間碎片對航天器飛行任務(wù)的最終影響程度,一般將撞擊的危害分為三類:一是災(zāi)難性撞擊,航天器解體或關(guān)鍵設(shè)備損壞,造成飛行不可逆轉(zhuǎn)的失敗;二是可恢復(fù)撞擊,飛行任務(wù)短暫中斷或部分任務(wù)功能喪失;三是撞擊累積效應(yīng),隨著時間增加,撞擊次數(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。具體包括以下方面:

(1)改變表面性能

直徑為微米量級或質(zhì)量為微克量級的微小空間碎片,由于數(shù)量眾多,空間密度大,與航天器撞擊的頻率非常高,能嚴(yán)重改變航天器的性能,稱為 “沙蝕”。光學(xué)鏡頭表面會被微小空間碎片磨損,造成成像模糊;溫控表面會被破壞,造成航天器表面熱輻射、吸收性能發(fā)生變化,導(dǎo)致航天器熱控失衡,造成航天器溫度的變化。

(2)等離子體云效應(yīng)

在空間環(huán)境下,超高速撞擊的空間碎片本身與被撞航天器表面材料會發(fā)生氣化,形成等離子體云,在失重條件下,等離子體云將依附在航天器表面四周,并可能進(jìn)入航天器的內(nèi)部,造成供電失常,引起航天器故障。

(3)動量傳遞

較大的空間碎片與航天器高速撞擊,將巨大的動量傳遞給航天器,使得航天器軌道和姿態(tài)發(fā)生改變。

(4)撞擊成坑

稍大一些的空間碎片會破壞航天器表面材料,對表面器件造成損傷,太陽電池供電線路斷路,引起航天器故障。

(5)表面穿孔

空間碎片的能量足夠大時,能穿透航天器的表面,打壞航天器內(nèi)部的控制系統(tǒng)或有效載荷,擊穿裝有氣體或液體的容器艙壁,導(dǎo)致氣體或液體泄漏。

(6)容器爆炸、破裂

空間碎片撞擊可以使航天器表面強(qiáng)度降低,甚至出現(xiàn)裂紋,若艙壁有應(yīng)力集中的現(xiàn)象,或高壓容器艙壁受損,可能會引發(fā)爆炸。

(7)結(jié)構(gòu)解體

空間碎片撞擊航天器桁架結(jié)構(gòu)時,可能會將整個結(jié)構(gòu)打散。

3.3 空間碎片對航天飛機(jī)和國際空間站的危害

美國航天飛機(jī)作為天地往返飛行器,盡管已退出歷史舞臺,但在任務(wù)期間,提供了非常多的關(guān)于空間碎片環(huán)境的實際數(shù)據(jù)。航天飛機(jī)在每次執(zhí)行飛行任務(wù)后,平均需要更換舷窗3.82塊,NASA曾估計航天飛機(jī)遭遇空間碎片破壞的風(fēng)險概率在1/113～7/54之間,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計的風(fēng)險概率1/200。圖5是航天飛機(jī)66次飛行任務(wù)后,發(fā)生在表面的撞擊損傷數(shù)量統(tǒng)計,可以看出,航天飛機(jī)每次任務(wù)后產(chǎn)生的撞擊坑數(shù)量并不均衡,最多高達(dá)600多個,最少僅幾十個。圖6是STS-91任務(wù)過后航天飛機(jī)表面的撞擊坑分布,大于1英寸 (約2.54cm)的撞擊坑達(dá)45個。

圖5 航天飛機(jī)表面撞擊損傷數(shù)量統(tǒng)計Fig.5 Damnification numbers of space shuttle caused by bump

圖6 STS-91任務(wù)后航天飛機(jī)表面的撞擊坑分布Fig.6 Damnification distribution of STS-91

截至2001年,由于空間碎片撞擊出現(xiàn)破損,航天飛機(jī)共更換了80次舷窗。迄今航天飛機(jī)上發(fā)現(xiàn)的最大損傷是亞特蘭蒂斯號在執(zhí)行STS-45飛行任務(wù)后其右翼迎風(fēng)邊的上緣的兩處損傷,尺寸分別為4.8cm×4.1cm和1.0cm×2.54cm。航天飛機(jī)在執(zhí)行STS-86飛行任務(wù)后,曾遭受了兩次嚴(yán)重的空間碎片撞擊,被撞擊的部位是輻射器前端輻射板附近的外部管路,發(fā)生在輻射板管路上的撞擊穿透了管路外部的隔熱層,劃出一條6.4mm的縫隙,在管壁上留下一個半徑 0.8mm、深0.47mm的撞擊坑,撞擊部位管壁厚度0.9mm,如果這次撞擊再嚴(yán)重一點,輻射器管路將被擊穿,后果不堪設(shè)想。

國際空間站是目前建造的最大航天器,因此受空間碎片威脅也最大。2007年6月7日,俄羅斯宇航員在執(zhí)行第19次艙外活動時,發(fā)現(xiàn)FGB艙段前端熱毯上有一處撕裂損傷痕跡,熱毯表面的損傷面積達(dá)30mm×60mm,熱毯下面的損傷面積為5mm×9mm。據(jù)NASA估計,造成這一后果可能是一個2～3cm的空間碎片或微流星體。除了受到碎片撞擊以外,國際空間站為了躲避大型空間碎片,進(jìn)行了多次主動規(guī)避。1999年10月26日,國際空間站為了避免與25422號碎片相撞,啟動Zarya艙推進(jìn)系統(tǒng),耗費30kg燃料,把與該碎片的距離增加到140km,以避免與之相撞。這是國際空間站的第一次主動規(guī)避。截止2013年年底,國際空間站共進(jìn)行了16次針對空間碎片的規(guī)避機(jī)動。

4 載人航天活動中對空間碎片的應(yīng)對與防護(hù)

4.1 空間碎片的應(yīng)對措施

應(yīng)對空間碎片對在軌航天器的威脅,已經(jīng)成為擺在人類航天活動面前無法回避的現(xiàn)實問題。目前,多國正在積極探索可行的解決方案,并為推動研究工作取得實質(zhì)性進(jìn)展而提供適當(dāng)?shù)恼咧С趾唾Y金保障。如,美國在2010年6月公布的新版 《國家航天政策》中,特別增加了三項與空間碎片相關(guān)的條款:一是強(qiáng)調(diào)空間態(tài)勢感知在碎片監(jiān)測上的應(yīng)用;二是提出必須同時開展碎片減緩與清除;三是促進(jìn)空間碰撞告警措施的制定。其他航天國家也在積極組織開展關(guān)于空間碎片的責(zé)任、政策、立法、清除策略與技術(shù)的研究,并舉辦以空間碎片為主題的國際研討會,加強(qiáng)溝通和交流,以推動建立統(tǒng)一的空間碎片約束、管理和操作規(guī)范。

應(yīng)對空間碎片對在軌航天器的威脅,目前各國更多的是采用被動的措施防護(hù)或規(guī)避空間碎片,或者通過減緩措施預(yù)防新空間碎片的產(chǎn)生。其中對于微小空間碎片主要采用適當(dāng)防護(hù)措施來增強(qiáng)航天器的防御能力;對于較大的編目碎片主要采用碰撞預(yù)警、進(jìn)而對航天器實施機(jī)動規(guī)避;對于目前尚無法編目的小碎片,目前沒有有效的應(yīng)對措施。

(1)通過在軌機(jī)動,規(guī)避編目的大型空間碎片

針對尺寸大于10cm的編目空間碎片碰撞,采取軌道機(jī)動措施。大型空間碎片危害最大,任何航天器與其相撞都會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果,目前的防護(hù)措施對其無能為力。因此,對付該類碎片最好的方式是對其進(jìn)行探測,精確地預(yù)報其軌道,然后分析這些碎片與在軌航天器的碰撞風(fēng)險,對高風(fēng)險的碎片,航天器進(jìn)行在軌機(jī)動,避開該碎片。軌道規(guī)避會增加航天器的燃料消耗,影響正常在軌運行業(yè)務(wù)。

以國際空間站為例,在入軌后最初的十幾年中,平均每年進(jìn)行1次碎片規(guī)避機(jī)動。在2011年4月至2012年10月,被迫進(jìn)行了5次碎片碰撞規(guī)避機(jī)動,另外還有2次由于預(yù)警不及時沒有來得及實施機(jī)動。

截止2015年,美國發(fā)布了100萬次交會信息,協(xié)助完成了約100次的規(guī)避機(jī)動。

(2)增強(qiáng)航天器防御微小碎片的能力

尺寸大于1mm的空間碎片的數(shù)量大于1億個,如此眾多的空間碎片,無法逐個對其進(jìn)行編目,而且也無法實施規(guī)避,只能采用對航天器進(jìn)行防護(hù)設(shè)計的方法。防護(hù)設(shè)計途徑有三種:一是優(yōu)選表面材料,改變結(jié)構(gòu)和增加結(jié)構(gòu)厚度來抵御空間碎片的撞擊;二是在航天器外面增加屏障,降低空間碎片對航天器的撞擊損傷;三是將易損傷的關(guān)鍵部件安裝在不易受到撞擊的位置。

以國際空間站為例,每個艙段在滿足各自可靠性指標(biāo)要求的前提下,均采取了不同程度的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。國際空間站共設(shè)置了數(shù)百塊空間碎片防護(hù)屏障,質(zhì)量大約為15噸,占總質(zhì)量的3.2%。通過空間碎片防護(hù)設(shè)計,整個空間站在軌運行10年期間,非擊穿概率為0.81。

圖7 規(guī)避機(jī)動任務(wù)及年均次數(shù)Fig.7 Number of maneuvers and missions per year

(3)減緩新的空間碎片產(chǎn)生

空間碎片的減緩主要是通過減緩指南最大程度地減少和限制航天飛行活動中空間碎片的產(chǎn)生,抑制空間碎片的增長,從而達(dá)到保護(hù)空間環(huán)境和外空軌道資源的目的。2002年,經(jīng)各成員國一致同意,編制了第一個國際性的指南 《IADC空間碎片減緩指南》,2007年9月又編制了該指南的修訂版。指南是一種志愿行為,不是法律規(guī)定。

現(xiàn)有的空間碎片減緩主要措施是預(yù)防新的空間碎片產(chǎn)生,具體包括限制飛行任務(wù)過程中操作性碎片和隕落碎片產(chǎn)生、在航天器壽命末期采用鈍化措施以及盡可能地避免發(fā)生爆炸、在軌航天器壽命末期通過離軌減少廢棄航天器滯空時間、將即將失效的衛(wèi)星送入墳?zāi)管壍赖取?/p>

(4)清除在軌的空間碎片

空間碎片主動清除是指采用技術(shù)手段,清除軌道上已經(jīng)存在的空間碎片,徹底治理和保護(hù)空間環(huán)境。

4.2 國際空間站空間碎片防護(hù)

美國建有由29部地基探測器、1顆天基空間監(jiān)視衛(wèi)星組成的空間監(jiān)視網(wǎng),編目管理的空間目標(biāo)數(shù)量達(dá)22000多個,每天可進(jìn)行1000多次碰撞分析評估,可對所有在軌運行的衛(wèi)星進(jìn)行碰撞預(yù)警。

對10cm量級以上的空間碎片主要采用地基探測預(yù)警、主動規(guī)避的辦法。對于1cm量級以下的微流星/空間碎片,采取被動防護(hù)措施。對于1～10cm量級的空間碎片則缺乏有效的探測手段與防護(hù)措施。圖8為空間碎片撞擊地面驗證,圖9為分析的低軌道空間碎片環(huán)境。

圖8 空間碎片撞擊特性的地面驗證試驗Fig.8 Ground experimentation of space debris impacting

圖9 高度400km軌道的空間碎片環(huán)境Fig.9 Space debris environment at 400km orbit

4.3 服務(wù)于空間站的空間碎片探測與清除措施

國際空間站主要采用雷達(dá)對近距離范圍空間碎片進(jìn)行監(jiān)視 (毫米波、Ku頻段)。毫米波雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)H空間站附近25km范圍內(nèi)0.4～8cm的空間碎片進(jìn)行跟蹤測量,觀測范圍俯仰角為±15°,方位角為360°;Ku頻段雷達(dá)最大探測距離為400km,能夠探測在國際空間站軌道面上出現(xiàn)的2～10cm的空間碎片,提前1～2個軌道周期得到準(zhǔn)確的預(yù)報?？臻g站攜帶的天基雷達(dá)已經(jīng)具備較強(qiáng)偵測能力。

近年來,由于可以近距離、高精度探測小尺寸空間碎片,天基探測成為空間碎片探測的重要發(fā)展趨勢?？臻g站承包商BDM國際公司提出了一種叫 “保衛(wèi)者”小衛(wèi)星方案,設(shè)想把小衛(wèi)星置于空間站前面的軌道上來識別和攔截垃圾。美國進(jìn)行了 “激光掃帚”試驗,主要目標(biāo)是清除 “國際空間站”軌道上對其構(gòu)成威脅的尺寸為1～10cm的空間碎片。

歐空局針對空間碎片威脅,制定了空間態(tài)勢感知計劃、目標(biāo)框架 (見圖10),2012年項目正式開始。主要目的是整合ESA定軌資源,包括地面雷達(dá)和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡資源,為后續(xù)歐空局空間態(tài)勢感知能力設(shè)計提供相關(guān)數(shù)據(jù),目標(biāo)是確定空間碎片的監(jiān)測范圍包括LEO、MEO、GEO等,在監(jiān)測范圍內(nèi)維護(hù)滿足精度要求的空間碎片目錄。

4.4 低軌道空間碎片清除技術(shù)

目前常用的低軌道空間碎片清除技術(shù)包括:

(1)推移離軌清除技術(shù):利用激光、離子束、太陽輻射等能量束作用于空間碎片,在碎片運動過程中施加特定力的作用,使其離開原來的運行軌道,達(dá)到清除的目的,主要包括激光推移和離子束推移。

(2)增阻離軌清除技術(shù):通過增加空間碎片的飛行阻力,降低碎片軌道速度,進(jìn)而縮短碎片的軌道壽命,使其在規(guī)定的時間內(nèi)離軌再入大氣,主要包括膨脹泡沫增阻離軌、靜電力增阻離軌和粉塵攔阻離軌。

(3)捕獲離軌清除技術(shù):通過任務(wù)衛(wèi)星與空間碎片物理接觸的方式來清除碎片,分為空間拖船捕獲離軌、空間繩系捕獲離軌、容器收集捕獲離軌和天基磁場發(fā)生器離軌。

(4)自主離軌清除技術(shù):增加一套無需消耗推進(jìn)劑的離軌裝置,在其壽命末期啟動該裝置進(jìn)行自主離軌,達(dá)到清除空間碎片的目的,目前提出的包括太陽帆自主離軌、充氣裝置自主離軌和制動帆自主離軌。

主要項目如美國電動碎片清除裝置、 “激光掃帚”試驗;瑞士 “太空清理一號”;英國 “立方帆”納米級衛(wèi)星;日本 “機(jī)器人清潔工”等。

5 結(jié)束語

圖10 歐空局空間態(tài)勢感知計劃Fig.10 Space situational awareness plan by ESA

空間碎片對正常航天活動的影響愈來愈受到重視,認(rèn)識并應(yīng)對空間碎片對航天活動的威脅已是擺在我們面前緊迫的現(xiàn)實問題。目前,多國正在積極探索可行的解決方案,并為推動研究工作取得實質(zhì)性進(jìn)展而提供適當(dāng)?shù)恼咧С趾唾Y金保障。

空間碎片對載人航天器安全和航天員生命可能造成的巨大潛在威脅,針對空間碎片對載人航天活動 (包括載人航天器和航天員)可能造成的巨大潛在威脅,本文從空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀、空間碎片對載人航天活動的危害、載人航天活動中空間碎片的應(yīng)對與防護(hù)三個方面進(jìn)行了調(diào)研和分析,詳細(xì)闡述了空間碎片的來源和分類以及空間碎片的分布和演化。以航天飛機(jī)和空間站的飛行過程為重點,歸納了典型的空間碎片對航天飛機(jī)和國際空間站危害的事故案例。為進(jìn)一步應(yīng)對空間碎片對載人航天活動的危害,分析了空間碎片的一般應(yīng)對措施和國際空間站上采用的探測與清除措施,并總結(jié)了低軌道空間碎片的清除技術(shù)。在我國正在建設(shè)空間站的進(jìn)程中,以期為空間碎片研究與防護(hù)等提供參考。