綦磊,孫立臣,龔自正,芮小博,張品亮,崔寓淏,曾捷

(1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094;2.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072;3.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210016)

1 引言

隨著人類空間活動的增加,越來越多的空間碎片遺留在地球軌道上。截至2020年5月底,近地軌道被跟蹤編目的10cm以上的空間碎片已經(jīng)超過2萬個,1～10cm的空間碎片約為75萬個,1～10mm的空間碎片約為1億個,1mm以下的微小空間碎片數(shù)以百億計[1,2]。

空間碎片數(shù)量的快速增長為人類航天活動帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn),空間碎片探測是航天活動安全保障的重要一環(huán)。大碎片 (直徑大于等于10cm)運(yùn)動軌跡可以通過碎片觀測進(jìn)行預(yù)測,航天器根據(jù)軌道碰撞預(yù)警對其進(jìn)行主動規(guī)避,因此大碎片與航天器發(fā)生碰撞的概率非常低。小碎片 (直徑在1～10cm之間)和微小碎片 (直徑不大于1cm)受制于觀測水平難以準(zhǔn)確確定空間分布,因此航天器也無法采取有效的主動規(guī)避措施。其中,微小碎片由于數(shù)量眾多,分布較廣,與航天器發(fā)生碰撞的概率非常高,對在軌航天器造成極大威脅。因此又被稱為 “危險碎片”。美國國家航空航天局 (NASA)在檢修中發(fā)現(xiàn)國際空間站多功能服務(wù)艙 (MLM)上直徑在0.1～1.5mm的撞擊坑有75個;燃料箱組件 (ATA)在軌7年間形成了49個直徑在0.1～1mm的撞擊坑[3]。天宮空間站作為中國航天事業(yè)的重要一環(huán),2022年將完成在軌建造,預(yù)計在軌運(yùn)行10年以上,將支持大量科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn),因此保證空間站在軌安全,避免空間碎片帶來的結(jié)構(gòu)破壞就顯得尤為重要[4,5]。

目前,空間碎片探測主要分為兩類,即地基探測和天基探測。地基探測主要利用地面望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)直接獲取空間碎片的軌道信息[6]。由于技術(shù)限制,對于大碎片及小碎片尚無法精確定軌,而對于微小空間碎片,地基設(shè)備甚至根本無法捕捉[7]。天基探測主要利用安裝在航天器上的雷達(dá)、望遠(yuǎn)鏡、傳感器等對空間碎片進(jìn)行探測。根據(jù)探測器是否與空間碎片接觸,天基探測又可分為兩類,一類是在航天器上安裝激光、雷達(dá)、相機(jī)等對空間碎片進(jìn)行直接探測;另一類就是在航天器上安裝傳感器,通過探測空間碎片與航天器撞擊時的相關(guān)參數(shù)反推空間碎片信息,微小空間碎片探測大多通過后一類方式進(jìn)行[8]。利用探測到的空間碎片信息,可以建立空間碎片軌道分布模型,為航天器結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計和碎片規(guī)避提供數(shù)據(jù)。

本文將對國外微小空間碎片探測技術(shù)及應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié),對不同技術(shù)原理及特點(diǎn)進(jìn)行討論,著重對壓電探測器、半導(dǎo)體探測器、電離探測器以及組合式探測器進(jìn)行介紹和分析,結(jié)合各種方案的優(yōu)勢與不足,對目前的研究熱點(diǎn)及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行闡述,為我國微小空間碎片探測技術(shù)的研究和發(fā)展提供參考。

2 壓電探測器

壓電探測器是通過壓電效應(yīng)進(jìn)行碎片探測的裝置,當(dāng)微小空間碎片高速撞擊到探測器表面,探測器電極兩端會產(chǎn)生電荷信號,通過對電荷信號進(jìn)行放大、濾波、采集和分析,可以實(shí)現(xiàn)對微小空間碎片速度、質(zhì)量、撞擊位置等信息的探測。常用的壓電探測器根據(jù)壓電材料不同分為聚偏二氟乙烯 (PVDF)探測器[9]和壓電陶瓷(PZT)探測器[10]。

2.1 PVDF探測器

基于PVDF探測技術(shù)的SPADUS探測器于1999年搭載于美國ARGOS衛(wèi)星,用于探測822～842km高度軌道微小碎片的速度、質(zhì)量、通量和運(yùn)行軌跡等參數(shù),如圖1所示。SPADUS探測器采用平行雙排陣列結(jié)構(gòu),每排陣列包括16個PVDF探測器,共32個PVDF探測器。在1999-2001年的飛行期間 (共739天),SPADUS共探測到368個微小碎片,其質(zhì)量分布在5×10-11～1×10-5g[11]。

圖1 SPADUS探測器Fig.1 SPADUS detector

另外,歐空局 (ESA)和NASA聯(lián)合研制的Cassini航天器上安裝了由兩個宇宙塵埃探測器組成的宇宙塵埃探測器系統(tǒng) (Cosmic Dust Analyzer,CDA),其中的高計數(shù)率探測器 (The High Rate Detector,HRD)主要由兩塊PVDF壓電傳感器構(gòu)成,用于探測土星周圍的塵埃的質(zhì)量與通量分布,另外可以用于探測土星光環(huán)之中的物質(zhì)成分、磁場與塵埃的分布關(guān)系等,如圖2所示。假定碎片撞擊速度為15km/s,HRD可探測的碎片質(zhì)量范圍為8×10-13～8×10-8g。雖然宇宙塵埃質(zhì)量很小,但速度很大,因此宇宙塵埃具有較大的能量。當(dāng)宇宙塵埃與HRD上的PVDF膜發(fā)生撞擊時不會像普通碎片一樣只產(chǎn)生彈坑,而是會直接擊穿薄膜,同時壓電膜上會產(chǎn)生數(shù)量較多的電荷。試驗(yàn)結(jié)果表明:空間碎片撞擊壓電薄膜產(chǎn)生的能量主要與碎片的速度與質(zhì)量的乘積相關(guān)。因此通過對撞擊能量進(jìn)行分析,就可以獲得太空碎片的動量參數(shù)[12]。

圖2 Cassini搭載的塵埃分析儀CDA探測器Fig.2 Cassini's dust analyzer CDA detector

2.2 PZT探測器

壓電陶瓷是一類具有壓電特性的電子陶瓷材料,以鋯鈦酸鉛壓電陶瓷 (PZT)為代表,壓電陶瓷探測器具有動態(tài)測量范圍大、結(jié)構(gòu)簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn)。ESA和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)聯(lián)合研制了BepiColombo水星探測器,該探測器搭載的針對水星塵埃探測的水星塵埃監(jiān)測器 (MDM)采用了PZT傳感器,如圖3所示,BepiColombo航天器于2018年10月20日由阿里安5號火箭成功發(fā)射[13]。MDM的傳感器由4塊壓電鋯鈦酸鉛(PZT)板組成,每塊尺寸為4cm×4cm×2mm,可將灰塵顆粒撞擊引起的機(jī)械應(yīng)力(或應(yīng)變)轉(zhuǎn)換為電信號。科學(xué)行動開始后,MDM將測量環(huán)繞太陽軌道上的塵埃粒子與傳感器碰撞時的撞擊動量并記錄到達(dá)方向,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,MDM對粉塵粒子碰撞的檢測極限值約為尺寸0.5μm(密度為2000 kg/m3),撞擊速度為10 km/s[14]。

圖3 MDM探測器Fig.3 MDM detector

壓電探測器所采用的高性能壓電材料生產(chǎn)工藝成熟,可以制作成大面積傳感器,同時不需要外加偏置電壓,輸出脈沖窄,響應(yīng)時間短,溫度性能穩(wěn)定,抗輻照能力強(qiáng),抗噪聲性能好,非常適用于微小空間碎片的探測[15]。

3 半導(dǎo)體探測器

半導(dǎo)體探測器的基本構(gòu)成是在高純度硅晶片(Si)上通過氧化得到一層很薄的二氧化硅,然后在其上面鍍上一層鋁膜。硅、二氧化硅和鋁膜就形成了一個平板電容器,這種電容器又稱之為MOS半導(dǎo)體傳感器。它工作的時候通過外部電路給平板電容器提供一個偏置電壓。當(dāng)高速移動的碎片與探測器發(fā)生碰撞時,碎片會擊穿鋁膜和二氧化硅膜,進(jìn)而電容放電產(chǎn)生電流,外部電路接收到這個電信號,通過對其分析可得到微小碎片的相關(guān)參數(shù)。

1994年,美國發(fā)射的Clementine航天器上搭載的軌道碎片與微流星體收集器 (ODMC),由54個MOS型傳感器組成,探測器的探測面積達(dá)1400cm2,如圖4所示,ODMC在軌運(yùn)行期間,共計探測到80次碎片撞擊事件,其中所探測到的空間碎片尺寸最小為0.5μm[16]。

圖4 MOS探測器探頭Fig.4 MOS detector probe

美國MightySat I衛(wèi)星上搭載的MPID也是一種半導(dǎo)體型探測器。MPID使用兩個MOS傳感器,總的探測面積為2387.1mm2。另外,ESA在國際空間站上開展的MEDET在軌飛行試驗(yàn),在EUTEF上搭載了4個MOS半導(dǎo)體探測器,如圖5所示。對于飛行速度為2.5km/s的微小空間碎片,探測最佳尺寸為0.5～100μm[17]。

圖5 MEDET上的MOS探測器Fig.5 MOS detector on MEDET

半導(dǎo)體型探測器結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定,并可以單獨(dú)安裝在航天器表面或者分布在航天器不同區(qū)域形成一個探測器網(wǎng)絡(luò),而無須預(yù)先安裝在裝配盒里再進(jìn)行機(jī)械固定,只需要簡單粘貼在航天器的所選區(qū)域即可。由于探測器上無任何活動部件,顯著降低了復(fù)雜性。同時,探測面積較大并且可以探測航天器各個方向上空間碎片的通量信息。但是,由于半導(dǎo)體傳感器抗輻照能力較低,其在軌壽命有限。

4 電離型探測器

電離型探測器常用的類型是等離子體型的探測器,它的基本工作原理是當(dāng)碎片與探測器上的純金靶面發(fā)生碰撞時,碎片巨大的能量會產(chǎn)生等離子體云。通過對等離子體云的參數(shù)進(jìn)行測量,就可以獲得空間碎片的重要參數(shù)信息,例如質(zhì)量、速度、成分等等。

ESA在1996年發(fā)射的Express衛(wèi)星搭載的GORID屬于等離子體型探測器,如圖6所示,該探測器可以探測分辨的微小空間碎片質(zhì)量達(dá)到10-14g,速度范圍在2～70km/s。在GORID探測器在軌工作的第一年,最多每天探測到12次空間碎片撞擊事件。另外,執(zhí)行深空探測任務(wù)的Galileo和Ulysses航天器也搭載了類似的電離型探測器。其中Galileo上的探測器的質(zhì)量探測范圍為10-19～10-9kg,速度介于1～70km/s范圍內(nèi)。該探測器質(zhì)量僅為4.2kg。在1989-1990年之間,共記錄了168次撞擊,并探測到了其中81次撞擊的粒子質(zhì)量和撞擊速度[18]。

圖6 GORID探測器Fig.6 GORID detector

日本的自旋穩(wěn)定火星探測器NOZOMI于1998年發(fā)射,其上搭載的火星塵埃計數(shù)器 (MDC)也是一種撞擊電離型探測器,探測粒子的質(zhì)量、速度以及運(yùn)動方向,其質(zhì)量僅為730g,孔徑124mm×115mm,如圖7所示。雖然NOZOMI在2002年發(fā)生故障,但其上的MDC在軌運(yùn)行4年間,共探測到近100個行星際粉塵粒子,質(zhì)量一般在5×10-15～10-10g之間,速度為2～70km/s[19]。

圖7 MDC探測器Fig.7 MDC detector

電離型探測器優(yōu)勢是測量精度高,而且可以對粒子的化學(xué)成分進(jìn)行分析。但其缺點(diǎn)是探測面積有限,探測角度較小,另外,探測器的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。

5 組合式探測器

組合式探測器是指應(yīng)用多種探測技術(shù)進(jìn)行組合的探測器,組合式探測器一般具有更高的探測性能,常見的有壓力和等離子體組合式探測器、電阻格柵和PVDF組合式探測器等。

1996年,ESA研制了DEBIE碎片探測器,該探測器由探測敏感單元和數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成。探測敏感單元的探頭采用兩種傳感器,分別是壓電陶瓷傳感器以及等離子體傳感器,每個單元有效探測面積為10cm×10cm,在低軌運(yùn)行時可以有效探測到10km/s的空間碎片和20km/s的微流星體[20]。

DEBIE探測器采用標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),其探頭數(shù)量可以根據(jù)需要進(jìn)行增減。DEBIE探測器已經(jīng)在不同的航天器上得到了應(yīng)用,如國際空間站和極軌衛(wèi)星等。探頭中的等離子體傳感器可以探測到10-15g的微小粒子,壓電陶瓷傳感器可以探測到10-14g的微小粒子。

圖8 DEBIE探測器Fig.8 DEBIE detector

NASA研制了新型的微小空間碎片探測器DRAGONS,基本原理如圖9所示。DRAGONS結(jié)合了兩種不同的撞擊探測技術(shù)——電阻格柵探測器 (RGs)和PVDF噪聲探測器,以從微小空間碎片撞擊中盡可能地獲取最大量的信息。一個RGs單元的大小是25cm×25cm,單元表面由75μm寬的電阻絲平行鋪設(shè)在25μm厚的Kapton(聚酰亞胺)膜上,間距75μm。四個PVDF探測器粘貼在薄膜背面。第二層Kapton膜安置在第一層膜的后面,間距10cm,其上粘貼四個PVDF探測器。當(dāng)尺寸為幾百微米或者更大些的粒子撞擊在上層的薄膜上,粒子將擊穿薄膜并割斷一些電阻絲。通過測量該層薄膜電阻的增加,即可以獲得被擊斷電阻絲的數(shù)量,從而估計出撞擊粒子的大小。薄膜上的PVDF探測器可以測量四個探測器上噪聲的到達(dá)時刻,從而獲取撞擊時刻和位置信息。在微小空間碎片撞擊最底層薄膜后,撞擊時間和撞擊位置的信息可以通過噪聲敏感器獲得。綜合兩層薄膜的噪聲數(shù)據(jù),就可以估計得到撞擊速度和撞擊角度[21]。

圖9 DRAGONS的原理圖Fig.9 Schematic diagram of DRAGONS

DRAGONS空間碎片探測器于2017年12月15日,搭乘SpaceX公司的龍飛船從卡納維拉爾角發(fā)射升空。2018年1月1日,探測器由機(jī)械臂從龍飛船貨艙中取出,安裝在國際空間站ESA哥倫布艙外部載荷裝置上被用于評估該探測器探測小于1mm的微小空間碎片的大小、速度、運(yùn)動方向及密度的有效性。到1月26日發(fā)生故障,共運(yùn)行20多天,在軌期間共記錄了1312次撞擊事件。

圖10 安裝在國際空間站哥倫布艙外的DRAGONS空間碎片探測器Fig.10 The DRAGONS space debris detector installed outside the Columbus module of the International Space Station

組合式探測器由于使用多種探測技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對微小空間碎片的速度、質(zhì)量、成分和通量等參數(shù)的探測,并且具有很高的探測精度。

6 結(jié)論

綜上所述,國外空間微小碎片探測技術(shù)充分利用光學(xué)技術(shù)、新材料技術(shù)以及微加工技術(shù)等的發(fā)展,研發(fā)出大量新型探測傳感器,使得微小碎片探測技術(shù)進(jìn)入一個高速發(fā)展階段。以組合式探測器為代表,空間碎片探測從單一的碎片通量探測向碎片速度、方向、大小、密度等多參量探測發(fā)展。作為傳統(tǒng)地基探測和天基雷達(dá)、光學(xué)探測的有效補(bǔ)充,基于空間碎片與航天器撞擊信息分析的碎片探測器在不斷提高探測能力的同時也大大降低了質(zhì)量、功耗和體積,在微小碎片探測方面優(yōu)勢越來越明顯。目前已有多種微小空間碎片探測器實(shí)現(xiàn)在軌驗(yàn)證,獲取了大量的探測數(shù)據(jù),為航天器軌道設(shè)計及結(jié)構(gòu)防護(hù)提供了技術(shù)支持。