长征四号乙/丙运载火箭末级空间碎片减缓技术研究与应用

为有效减少空间碎片的产生,避免空间碎片危及空间活动和航天器安全,保护空间环境,对长征四号乙/丙(CZ-4B/4C)运载火箭末级空间碎片减缓技术及应用进行了研究。基于国际上对运载火箭末级空间碎片减缓的钝化和离轨等基本要求,确定了CZ-4B/4C运载火箭末级的钝化和离轨技术。给出了改进后的剩余推进剂排放方案。介绍了其中推进剂管理、排放程序优化设计、推进剂排放污染分析、全系统地面冷流试验、排放程序兼顾离轨,以及高压气体释放等关键技术。对CZ-4B/4C运载火箭28次LEO轨道发射任务事后的末级离轨效果统计表明:末级留轨近地点高度平均下降约200km,留轨寿命降低约70%,采取的末级钝化措施在LEO任务中的离轨效果明显。讨论了CZ-4B/4C运载火箭末级留轨时间控制中后续三级发动机二次点火离轨、三级发动机三次点火离轨和姿控正推推力器离轨等主动离轨方法发展及其关键技术。研究对推动我国运载火箭空间碎片减缓的发展有重要参考价值。     

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。     

空间碎片观测技术研究

目前国际上很多国家都开展了空间碎片的研究工作,进行了深入的空间碎片观测活动。文章根据国内外空间碎片观测技术的研究现状,总结、归纳了进行空间碎片观测的有效方法,并分析了各种观测手段的优缺点,对空间碎片的进一步研究有借鉴意义。     

空间碎片环境现状与主动移除技术

概述了空间碎片环境现状和对航天活动的影响,讨论了空间碎片主动移除对保持空间碎片环境稳定的必要性。空间碎片研究重心先从防护转向减缓,再转到主动移除,最终是清洁空间。评述了空间碎片主动移除技术现状,指出天基激光主动移除空间碎片技术具有很好的工程应用潜力。     

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。     

中国空间碎片研究的进展

首先对"十五"期间中国在空间碎片研究领域取得的主要进展进行了综述,涉及空间碎片监测预警、航天器防护和空间碎片减缓三个方面;然后对"十一五"期间中国空间碎片研究的主要内容进行了介绍。     

SDEEM2015空间碎片环境工程模型

文章介绍了哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心"十二五"期间发布的空间碎片环境工程模型(SDEEM 2015)。该模型可实现LEO空间碎片环境描述,空间碎片撞击风险评估以及地基探测结果仿真,还可输出LEO航天器不同轨道位置处空间碎片撞击通量随撞击方位角、撞击速度及碎片尺寸的分布规律,地基探测设备探测区域内空间碎片空间密度及通量的分布情况等信息。SDEEM 2015适用轨道高度范围为200~2000 km,时间范围为1959年—2050年,所考虑的空间碎片来源包括解体碎片、Na K液滴、固体火箭发动机喷射物、溅射物和剥落物。     

第36届COSPAR会议空间碎片专题综述

第36届世界空间科学大会（COSPAR）下设空间碎片专题交流分会。为便于了解当前国际上空间碎片研究的动向,文章首先介绍了该专题会议的概况,然后将会议交流的26篇文章分为空间碎片观测与预警、空间碎片探测与数据库、空间碎片防护、空间碎片减缓4个部分进行了简要总结和综述。     

国外与空间碎片有关的国际空间法热点问题研究述评

与空间碎片有关的国际空间法研究主要包括对空间碎片的定义、空间环境保护制度、空间物体的登记制度及空间损害赔偿责任制度等问题的研究。联合国和平利用外层空间委员会法律小组经过多年的研究和讨论,对于“空间物体”与“空间碎片”的定义及其关系问题的研究基本上获得了国际社会的普遍认可,     

如何应对空间碎片的威胁？

作为发展中的航天大国,中国十分重视空间碎片问题,致力于空间碎片减缓和防护研究,积极推进国际交流与合作。1995年6月,中国以国家航天局的名义加入了“机构间空间碎片协调委员会”（IADC）,开始了空间碎片领域的研究。今年5月12—15日,中国国家航天局将在北京主办IADC第32次会议。本刊特邀请中国科学院国家天文台专家刘静介绍空间碎片问题的国际环境及应对的最新进展。     

空间碎片环境工程

文章提出了“空间碎片环境工程”的概念,并介绍了空间碎片防护技术所包含的内容及其国外发展现状。     

空间碎片环境的现状,未来及防护

在调研国外碎片研究活动基础上,分析了空间碎片的类型、增长及空间分布规律,根据气体动力学理论,估算了航天器与轨道碎片的碰撞几率和碰撞速度,介绍了NASA的“PIB”近地轨道空间碎片环境予示模型,关于空间碎片问题的对策,综述了国际上已采用的一些予防措施,清除空间碎片的各种技术方案正在深入研究之中,该文只作了一般概念性介绍。     

空间碎片环境的长期演化建模方法

针对空间碎片环境的长期演化问题,从宏观和微观两个方面,分别构建了碎片环境的整体演化模型和数值演化计算模型,并在此基础上研究了不同条件下碎片环境的长期演化分布特点,分析了碎片环境的稳定性和主要影响因素。低地球轨道碎片环境在未来200年内的演化结果表明,空间目标的相互碰撞解体,是空间碎片不断增加的主要因素;即使停止一切航天发射活动,空间碎片的数量仍在不断增加,表明低地球轨道空间碎片规模已经超越稳定临界点;进一步的发射活动会增强空间碎片环境演化的不稳定性,加剧“碰撞-目标解体-碰撞”反馈连锁碰撞效应。     

空间碎片减缓策略效果仿真

根据机构间空间碎片协调委员会(IADC)和欧空局(ESA)的空间碎片减缓要求,在建立航天发射、爆炸和碰撞模型,以及碎片演化机制的基础上,对常规发射(BAU)、禁止在轨爆炸(NO-EX)和全面减缓(MIT)三种空间碎片减缓策略条件下,对2000~2100年空间碎片环境进行了仿真计算。结果表明,禁止航天器在轨爆炸、对失效的卫星和火箭上面级实施离轨操作,以及在航天器的发射和运行中不产生或抛弃分离物等减缓措施是限制空间碎片数量增长的有效方法。     

空间碎片的缓减

随着空间资源开发的逐渐深化和空间应用的日益扩大,特别是小卫星和卫星星座的出现和发展,进入外层空间的航天器的数量势必有增无减。轨道上的航天器数量越多,生成的空间碎片也越多,这是必然的。要使空间碎片的积余总数下降,最终清除已积存的空间碎片,不仅近期内做不到,长远看也难以实现。所以,对空间碎片的治理主要应采取“保守疗法”,即使空间碎片总数的增加速度缓减,逐步达到不增加或下降。     

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。     

天基激光清除空间碎片方案与可行性研究

介绍了激光烧蚀驱动机理和空间碎片降轨清除原理,通过分析计算确立了空间碎片降轨清除判据和2 种降轨清除模式。理论计算给出了清除1200、800 和500 km 三个典型低地球轨道上空间碎片所必须的速度增量、激光器功率、单脉冲能量、激光发射镜直径等主要参数值。对比分析显示现有的硬件指标和条件能够满足清除低地球轨道上空间碎片的设计要求,因此,天基激光清除空间碎片方案从技术角度是可行的。     

空间碎片移除的关键技术分析与建议

面向空间碎片的严重威胁,分析了空间碎片移除技术发展的必要性和紧迫性,详细梳理了国内外空间碎片移除的主要技术手段,包括推移离轨、增阻离轨、抓捕离轨3类。推移离轨利用激光、离子束、太阳辐射等能量束作用于空间碎片,产生特定力的作用,使其离开原来的轨道,达到移除的目的。增阻离轨通过增加碎片的飞行阻力,降低碎片轨道高度,进而缩短碎片轨道寿命,使其在规定的时间内离轨再入大气。抓捕移除通过任务飞行器与空间碎片直接物理接触的方式来移除碎片。在此基础上,对比分析了各种移除手段的可行性,并针对几种近期可行的移除手段,分析了其涉及的关键技术问题,并提出了空间碎片移除技术的后续发展建议。     

中国三管齐下应对空间碎片

作为一个负责任的航天大国，中国高度重视“太空环保”，目前已逐渐形成监测预警、航天器防护和空间环境保护三大工程体系应对空间碎片问题，有效减缓了空间碎片的产生，得到国际社会好评。空间碎片是指人类在航天活动中产生的太空废弃物，也称“太空垃圾”。     

空间碎片研讨会在哈尔滨召开

全国空间碎片研讨会于2001年1月9～11日在哈尔滨工业大学召开。来自国防科工委、中国科学院、航天科技集团公司、航天机电集团、清华大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、国防科大、西北工业大学、华中科技大学、西南交通大学和华中理工大学等20多个单位的专家出席了研讨会。会议期间发表了20多篇论文。国防科工委系统一司司长郭宝柱出席了研讨会,并发表了重要讲话。他的讲话深刻地阐述了开展空间碎片研究的必要性和召开此次空间碎片研讨会的目的和意义。代表们自始至终热情饱满地参加了会议,对减少空间碎片的生成以及航天器对空间碎片…