空间碎片防护研究最新进展

空间碎片对在轨航天器的安全运行构成了严重威胁,对航天器的撞击事件频繁发生。随着空间碎片环境的日趋恶化,航天器的防护变得越来越重要。文章从空间碎片环境模型、撞击风险评估、航天器部件损伤、防护材料与结构的超高速撞击试验、撞击试验数据库建设、超高速发射设备、在轨撞击感知、机构间超高速发射设备交叉校验等方面对国内外空间碎片防护研究的进展进行了总结,并在此基础上给出我国未来空间碎片防护研究的发展建议。     

空间碎片撞击在轨感知技术研究综述

随着航天发射活动的日益频繁,空间碎片环境随之恶化。为了应对空间碎片的撞击威胁,人们提出了用空间碎片撞击在轨感知系统实时监测航天器在轨遭受空间碎片撞击的情况。文章在对国内外相关研究机构研究成果的调研基础上,介绍了国内外在空间碎片撞击在轨感知技术领域的研究现状,对各国基于超高速撞击声发射技术的空间碎片撞击在轨感知技术的发展状况进行了全面评述,重点介绍了国内的研究进展。最后基于国内航天事业需要,探讨了未来发展方向。     

国外卫星在轨操作系统发展分析

卫星在轨操作任务主要包括：在轨燃料加注、在轨模块更换、在轨发射、在轨空间碎片清除等。值得指出的是,在轨操作可以针对己方航天器进行,也可以针对敌方航天器进行。     

航天器用氢镍蓄电池钝化技术研究

为了减缓蓄电池组爆炸产生的空间碎片,文章对常在航天器上应用的氢镍蓄电池的钝化技术进行了研究。首先分析了氢镍蓄电池的爆炸机理,然后针对氢镍蓄电池组提出了安全性设计方法;进行了过充电、过放电等蓄电池爆炸试验;研制了一台氢镍蓄电池钝化装置,进行了蓄电池钝化消能试验。     

他山之石 可以攻玉——国外卫星在轨操作系统发展分析

卫星在轨操作任务主要包括在轨燃料加注、在轨模块更换、在轨发射、在轨空间碎片清除等。值得指出的是,在轨操作可以针对己方航天器进行,也可以针对敌方航天器进行。能够通过在轨加注延长航天器寿命,也可以利用交会对接和空间机械手技术将敌方航天器拖离目标轨道,具有巨大的商业和军用潜力。     

履行航天大国的国际责任 实现空间活动的持续发展——中国开展空间碎片研究进展扫描

目前,人类已将6000多颗航天器送入太空,这些航天器在广泛服务社会的同时,在航天器发射和＂寿终正寝＂后将变成空间碎片（太空垃圾）,这些太空幽灵正在威胁着在轨运行航天器的安全。十多年来,如何清除太空垃圾,如何减缓太空垃圾的威胁,一直是国际社会广泛关注的问题。＂十五＂以来,中国政府在发展航天技术的同时,高度重视＂太空环保＂问题,许多中国航天工作者在为减缓和对付太空垃圾而孜孜不倦地工作,     

空间碎片的温度特性分析

对空间碎片温度特性的分析,是利用红外传感器探测空间碎片的基础,也是研究航天器在轨安全的重要内容。文章对空间碎片接收不同辐射进行全面分析,研究其在轨运行情况,建立热平衡方程,完成对不同时刻其温度变化的计算,并绘制出温度变化曲线。结果表明空间碎片在轨道上不同位置有不同的红外辐射特性。该研究对利用天基空间探测器进行空间碎片的检测、识别,以及航天器的规避有参考意义。     

航天器空间碎片超高速撞击防护的若干问题

空间碎片对航天器的超高速撞击损伤已受到国内外的普遍重视,如何使在轨航天器对空间碎片进行有效防护是航天器长寿命、高可靠安全运行的重要保障。文章概述了空间碎片环境现状、空间碎片超高速撞击危害以及国内外空间碎片防护的研究现状和趋势。重点介绍了航天器常用的Whipple防护结构及其各种衍生结构的防护性能和弹道极限方程（BLE）,评述了这些防护结构防护性能的优缺点。     

空间碎片减缓策略分析及相关政策和标准综述

文章在简述空间碎片环境现状及其危害的基础上,分析空间碎片减缓的主要策略,以及有关的法规、政策和标准。研究结果表明:当前的空间碎片减缓策略主要是"抑制增量",即尽可能减少新的空间碎片产生;国家层面、政府间组织、联合国等多个层级都出台了相应的法规和政策,为确保空间碎片减缓行动的具体落地实施提供了强制性保证;一系列的各层级标准为空间碎片减缓措施提供了可操作的、协调一致的、国际统一的经验做法,可直接用于指导工程实践。     

空间碎片观测综述

空间碎片又称轨道碎片,是指宇宙空间中除正常工作的飞行器外的所有人造物体,包括飞行着的各种残骸和碎片,大到废弃的卫星、运载火箭末级,小到固体火箭发动机燃烧后的氧化铝小颗粒或从航天器上剥落下来的漆片。这些人造物体长期运行在空间轨道上,并随着人类航天活动的扩展日益增多。据估计,目前地球空间轨道上空间碎片的数量在数十万至数百万之间,而地面能够观测到的在轨运行的人造物体却不到1万个。以2003年6月24日美国公布的资料为例,登录在案的在轨物体数目有9106个,其中真正有效的航天器为1003个,即89郾0%的在轨物体为空间碎片。空间碎片的存在严重地威胁着在轨运行航天器的安全,它们和航天器的碰撞能直接改变航天器的表面性能,造成表面器件损伤,导致航天器系统故障,对航天器的正常运行带来极大的危害。同时空间碎片的不断产生对有限的轨道资源也构成了严重威胁,尤其是当某一轨道高度的空间碎片密度达到一个临界值时,碎片之间的链式碰撞过程将会造成轨道资源的永久破坏。因此,为了安全、持续地开发和利用空间资源,就必须不断提高对空间碎片的跟踪监视技术,增强对空间碎片环境的分析预测能力,同时寻求控制空间碎片的有效措施。     

地球静止轨道空间碎片的处置

介绍了国际机构间碎片协调委员会提出的关于地球静止轨道（GEO）空间碎片问题的研究结果和碎片处置的建议，主要内容包括：GEO与GEO环的概念、EGO上物体现状，EGO空间碎片处置的基本原则和8条具体处置措施建议。该建议已于2000年2月提交联合国和平利用外层空间委员会科技小组委员会第37届会议。     

Visualizing Impact Probabilities of Space Debris

We present a new method to assess and visualize the collision risk due to space debris for an orbiting spacecraft. It is based on a parameter space derived from Öpik's studies of close approaches between small Solar System bodies and the planets. By means of this representation, many useful insights into the dynamics of the overall debris population with respect to a selected target can be obtained. The method can also be applied to estimate the increase in impact hazard (e.g., for the International Space Station) associated to fragmentation events occurring on a specific orbit.     

美国DMSP-F13卫星解体事件对空间碎片环境影响分析

2015 年2 月3 日,美国DMSP-F13 卫星发生爆炸解体,产生了百余块编目空间碎片。该卫星解体碎片主要分布在轨道高度600～1200 km 范围内,其中近50%的编目碎片在轨寿命将超过20 年,会对未来空间碎片环境构成长期影响。结合我国空间碎片环境工程模型SDEEM 对DMSP-F13 解体事件的分析结果显示,此次解体事件造成邻近轨道区域内空间碎片空间密度增加,对该区域航天器安全运行产生影响。     

空间碎片环境与航天器可靠性

文章介绍了空间碎片环境、空间碎片对航天器可靠性的影响、空间碎片地面模拟试验技术,以及空间碎片的防护技术。     

A model for the evolution of the on-orbit man-made debris environment

A model for the evolution of the low Earth orbit man-made debris population is presented and the results of several test cases discussed. Debris sources include normal operations in space, explosions occurring on spacecraft in orbit, and collisions between objects in orbit; the stochastic occurrence of these deposition events is modeled using Monte Carlo techniques. A technique for discriminating between objects populating long-life vs rapid-decay orbits is discussed and applied to the analysis of debris contributions from collisions of comparable sized objects. In varying degrees, each of the cases presented indicate there is cause for concern for spacecraft and space operations from the 1990s onward-man-made debris will play a role which may vary from presenting a considerable hazard to certain operations or certain spacecraft to effectively prohibiting the use of certain spaceccraft or space operations.     

Benefits and risks of using electrodynamic tethers to de-orbit spacecraft

By using electrodynamic drag to greatly increase the orbital decay rate, an electrodynamic space tether can remove spent or dysfunctional spacecraft from low Earth orbit (LEO) rapidly and safely. Moreover, the low mass requirements of such tether devices make them highly advantageous compared to conventional rocket-based de-orbit systems. However, a tether system is much more vulnerable to space debris impacts than a typical spacecraft and its design must be proved to be safe up to a certain confidence level before being adopted for potential applications. To assess space debris related concerns, in March 2001 a new task (Action Item 19.1) on the “Potential Benefits and Risks of Using Electrodynamic Tethers for End-of-life De-orbit of LEO Spacecraft” was defined by the Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC). Two tests were proposed to compute the fatal impact rate of meteoroids and orbital debris on space tethers in circular orbits, at different altitudes and inclinations, as a function of the tether diameter to assess the survival probability of an electrodynamic tether system during typical de-orbiting missions. IADC members from three agencies, the Italian Space Agency (ASI), the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) and the US National Aeronautics and Space Administration (NASA), participated in the study and different computational approaches were specifically developed within the framework of the IADC task. This paper summarizes the content of the IADC AI 19.1 Final Report. In particular, it introduces the potential benefits and risks of using tethers in space, it describes the assumptions made in the study plan, it compares and discusses the results obtained by ASI, JAXA and NASA for the two tests proposed. Some general conclusions and recommendations are finally extrapolated from this massive and intensive piece of research.     

远程自主接近轨道设计技术

对完成任务的运载火箭末级、失效卫星等空间非合作目标进行空间操作是复杂的,需要地面测控网与主动航天器的密切合作才能完成抵近及相应操作。以火箭末级残骸作为空间非合作目标,给出了远程自主接近的轨道设计方法。通过地面遥控上传的目标轨道参数,主动航天器进行自主异面机动、主动调相等多次点火,完成对非合作目标的远程接近,接近距离在50km之内,2016年6月底远征一号甲上面级的成功飞行验证了该方法和设计结果的有效性。     

空间碎片现状与清理

分析了空间碎片的严峻现状和空间碎片的10个来源,指出轨道碰撞是产生碎片最多的因素;介绍了空间碎片的观测方法、原理和观测系统的概况,包括正在兴建的观测系统——“空间篱笆”。最后,根据不同轨道高度和空间碎片的数量与大小,提出空间碎片清理原则、要求和9种清理方法。