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。     

激光驱动接力移除空间碎片的小卫星星座及可行性研究

在众多空间碎片移除技术中，天基激光烧蚀驱动是一种高效的、有广阔应用前景的移除技术，特别是针对移除海量的、尺寸在1~10 cm的危险碎片而言，更是具有独特优势。然而，这一技术对高能激光器单脉冲能量、光束质量、发射镜口径等要求很高，目前的硬件水平还达不到实用指标要求，制约了其天基应用。为了克服这些硬件技术障碍，本文另辟蹊径，利用小卫星概念，提出了由不同轨道高度小卫星平台组成小卫星星座，通过在每个小卫星平台上的激光驱动接力来逐步降低碎片轨道高度，最终达到移除空间碎片的小卫星接力移除星座的构想。基于现有的激光器性能参数，根据激光烧蚀驱动碎片动力学模型计算了单个卫星平台的移除能力，结果显示，10 J单脉冲能量激光器和0.5 m直径发射镜，能够对20 km范围内、尺寸小于10 cm碎片进行有效驱动。进而，针对空间碎片密集度高而应用最广的800 km轨道高度区域，设计了由分布在不同轨道高度的30颗小卫星组成接力驱动移除星座系统方案，通过仿真模拟计算验证了星座系统的移除碎片的可行性。该研究利用目前热门的小卫星星座，降低了天基激光移除空间碎片技术对硬件的性能要求，为该技术的应用提供了新的思路和途径，所提出的小卫星接力驱动星座系统方案也有工程参考价值。     

天基激光驱动空间碎片降轨效果仿真研究

在当前天基激光移除碎片方案设计中,通常采用k J级高能激光器、100 m/s大速度增量和简单降轨模型计算移除系统参数,然而k J级天基高能激光器尚未实现。文章基于目前实验室现有的J级激光器水平,参考现阶段碎片移除方案,针对特定区域的目标空间碎片,结合碎片轨道特性信息建立降轨模型,仿真研究目标碎片在低能量天基激光驱动下的运动过程和降轨效果,分析了影响目标碎片降轨效果的因素。对部署在500 km轨道高度的天基平台移除附近碎片的仿真结果表明,速度增量和降轨高度的变化具有累积效应,提高频率、增大有效作用距离等可延长激光烧蚀驱动时间,进而增强碎片降轨效果。分析表明,J级小能量激光器通过长时间的烧蚀,也可有效驱动和移除1~10 cm碎片。     

同步带1-10cm级空间碎片可见光探测技术研究

针对目前天地基碎片探测装备无法对同步轨道带1 10cm级空间碎片进行探测的问题，文章在对同步轨道带碎片分布规律、碎片探测技术手段进行分析总结的基础上，分析探讨了高轨航天器搭载光电传感器实现同步轨道带1 10cm级碎片探测所具备的技术指标和功能特点，并对基于天基测角信息的空间碎片轨道确定算法及相关技术进行分析。基于本文所述的分析论证和技术方法，可以确定高轨航天器实现对同步轨道带1 10cm级碎片的探测识别和轨道确定的可行性及能力需求，为同步轨道带1 10cm级碎片的天基光学探测提供一定的技术支持，为同步轨道带碎片探测专用航天器的研制论证提供技术支撑。     

二级轻气炮模拟空间碎片 超高速碰撞试验技术

二级轻气炮是用来模拟空间碎片超高速碰撞效应的重要设备。文章首先介绍了目前二级轻气炮国内外的发展的概况;阐述了其工作原理及所使用的工作气体和试验用品;然后讨论了影响二级轻气炮性能的初始注气压力、活塞速度、弹丸释放压力、活塞质量、弹丸质量等若干参量;最后对反映二级轻气炮性能的重要指标弹丸出口速度和动态碰撞角的测试技术和方法进行了分析。     

单次任务中主动清除多块碎片的仿真分析

针对国内外空间活动产生的碎片,文章采用多脉冲推力作用下的轨道机动仿真方法,在主要考虑总速度增量为2 km/s的约束条件下,计算碎片清除所需要的速度增量、任务时间以及清除个数。仿真结果表明,单次任务可以清除12块分布比较集中的碎片。研究结果可为我国今后空间碎片清扫任务的设计提供参考依据。     

球形弹丸超高速正撞击Whipple防护结构损伤分析

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的防护性能及其损伤破坏模式,采用二级轻气炮结合高速X光照相系统,对球形弹丸超高速正撞击5A06铝合金whipple防护结构进行了试验研究.根据试验结果分析了铝合金whipple防护结构的防护屏和舱壁在弹丸撞击速度为2.0-5.2km/s、弹丸直径为4mm和6.35mm及防护屏厚度为0.5film、1.5mm、2mm和3mm区间的损伤模式,总结了防护屏穿孔和舱壁损伤随弹丸撞击速度、弹丸直径以及防护屏厚度变化的规律.根据高速x光照片分析了碎片云速度和形态的变化趋势,进而从碎片云角度对舱壁损伤模式进行了分析.     

航天器舷窗玻璃超高速撞击损伤与M/OD撞击风险评估

用北京卫星环境工程研究所的18mm口径二级轻气炮(TLGG)和20 J激光驱动微小飞片装置(LDFF-20)对用作航天器舷窗玻璃的熔融石英玻璃的超高速撞击损伤特性进行了实验研究和分析.其中,TLGG发射的球形铝弹丸直径分别为1 mm和3 mm,速度2～6.5 km/s;LDFF-20发射的圆柱形飞片厚度7 μm,直径1 mm,速度1～8.3 km/s.撞击结果为:对12 mm厚的熔融石英玻璃,直径为3mm的弹丸甚至在2.8 km/s的低速下就将其穿透,而直径为1 mm的弹丸在6.5km/s的高速下没有穿透,这说明弹丸直径对撞击损伤特性有很强的影响;LDFF-20发射的微小飞片的撞击仅在玻璃表面产生很浅的凹坑,没有裂纹产生,但微小飞片的累积撞击损伤明显地降低了玻璃的透光性.实验初步获得了侵彻深度PC、侵彻直径D1与弹丸撞击速度Vp、弹丸质量Mp之间的经验关系.依据实验结果和目前的微流星体/空间碎片(M/OD)环境工程模型,建议对于高度为400 km、轨道倾角42°、寿命为3年的典型航天器,其舷窗玻璃的临界安全(非穿透)厚度至少为12mm.     

一种用于超高速撞击实验的新型弹丸弹托分离技术

文章自主研发了一种新型的气动力弹丸与弹托分离技术。在北京卫星环境工程研究所的φ18mm二级轻气炮上应用该技术在3~7km/s的速度内可以成功分离直径在3～10mm的弹丸,弹托分离非常干净,分离成功率达100%。对比分析显示,该技术分离效果优于目前公开报道的其它技术。     

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。     

对欧空局轨道碎片模型的评价

文章评价了颗粒大于1cm的碎片模型,它包含大于10cm的一组粒子和介于1～10cm之间的粒子,它们是由空间暴露模拟得到的。接着讨论了尺寸范围介于0.1～10mm之间的小粒子束流。假定这些粒子主要是由小粒子与卫星碰撞产生的。这种碰撞主要发生在450～500kin的高度范围内(空间站高度),碰撞与否还取决于轨道高度和离心率。     

不同密度弹丸对水冰的超高速撞击成坑实验

为了研究冰冻天体表面撞击坑的形成与演化，开展了水冰的超高速撞击成坑实验。使用二级轻气炮发射1.0 mm直径的球形弹丸，以3 km/s、5 km/s和7 km/s速度对圆柱状冰块进行撞击。弹丸材料包括聚碳酸酯和不锈钢两种，冰块温度为253 K。实验观察到了不同弹丸和不同速度条件下，冰块中撞击坑的形貌特征。对撞击坑直径、深度和剖面形状进行了测量，并与文献中铝弹丸对水冰的撞击坑进行了比较分析。获得了水冰撞击坑特征随撞击参数的变化规律，结果表明：撞击坑直径和深度的主导机制不同，坑深主要由弹丸侵彻作用形成，而坑径主要由冰块的剥落所致；坑深比坑径具有更强的对于弹丸密度的依赖性，高密度弹丸撞击坑直径具有比低密度弹丸更强的对于撞击速度的依赖性；撞击坑体积与撞击能量成正比，高密度弹丸形成的撞击坑直径表现出“能量缩比”行为，而低密度弹丸形成的撞击坑直径表现出“动量缩比”行为。     

基于PVDF敏感器的空间碎片撞击航天器感知定位技术

从理论和实验两个方面开展了基于PVDF(Polyvinylidene Fluoride)压电薄膜敏感器的空间碎片撞击航天器感知定位技术研究,分析了基于双曲线理论的定位方法,并在理论分析的基础上,利用气枪和超高速弹道靶分别开展了平面铝板、曲面铝板等单层结构和Whipple结构下的验证实验。弹丸速度范围100m/s-3km/s,实验靶材为2mm厚的单层铝板和铝板厚为1mm、前后间距为10cm的Whipple结构,靶材上安装了4个PVDF传感器。研究结果表明：基于PVDF传感器的感知定位技术可实现空间碎片撞击航天器的位置定位,是一种可应用于航天器在轨感知空间碎片撞击系统的可选技术。     

High velocity impact characterization of Al alloys for oblique impacts

This paper describes the experimental and computational analyses of a high velocity aluminum projectile impact on an Al6061-T6 spacecraft inner wall at different oblique angles. Al2017-T4 spherical projectiles of 5.56 mm in diameter and 0.25 g in weight were chosen within the velocity range of 1000±200 m/s due to the limitation of the light gas gun. The energy absorbed was calculated by measuring the velocities before and after impact on the inner wall. The energy absorbed by the wall and the remaining energy carried by the projectile helped to estimate the severity of further damage to inner components. Afterwards, validation was done by using the commercially available software LS-DYNA with a dedicated SPH. On average, a 10% energy absorption difference between experimentation and simulation was found. By using C-SCAN, the damage area proportion of the total inner wall to impact penetration hole area was found to be on average 6%, 26% and 53% greater than the projectile cross sectional area for the oblique angle impacts of 30°, 45°, and 60°, respectively. These findings helped to understand the relationship between the oblique impact event and the damage area on a spacecraft inner wall along with space debris cloud propagation and comparison with experimental results using LS-DYNA.