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。     

航天器空间碎片被动防护技术

文章介绍了空间碎片被动防护技术的主要技术路线及其三个核心研究内容,即风险评估、防护技术及超高速撞击试验,并对我国空间碎片被动防护技术体系的建设提出了一些初步建议。     

CAST空间碎片超高速撞击试验研究进展

超高速撞击试验是开展载人航天器及大型应用卫星空间碎片超高速撞击风险评估和防护设计的基础,作为我国航天器环境效应和可靠性工程验证部门的北京卫星环境工程研究所在这个领域做了大量的工作。文章介绍了二级轻气炮超高速撞击地面模拟试验技术、典型防护结构防护性能的超高速撞击试验验证、载人航天器外露材料超高速撞击特性、毫米级弹丸7 km/s以上超高速稳定发射技术探索、高性能防护结构研究等方面的若干近期进展。展望了我国空间碎片防护需求和地面超高速撞击试验研究的发展方向。     

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。     

CAST激光驱动微小飞片及其超高速撞击效应研究进展

激光驱动飞片技术(LDFT)在模拟微米级空间碎片对航天器的超高速撞击效应方面具有独特的优势。文章全面介绍了北京卫星环境工程研究所在激光驱动飞片技术与微米级空间碎片超高速撞击效应地面模拟研究中取得的若干进展,包括激光驱动飞片的理论计算、超高速飞片的稳定发射技术、超高速飞片速度瞬态测量技术、航天器外露表面的超高速撞击特性、超高速撞击累积损伤评价方法,以及微米级空间碎片超高速撞击防护技术探索等研究。同时,展望了激光驱动飞片技术以及微米级空间碎片累积撞击实验研究的发展方向。     

空间碎片防护结构设计优化技术研究进展

空间碎片防护结构设计优化技术是航天器防护设计的关键技术之一,在空间碎片超高速撞击风险评估软件研制基础上,国际上已开始了空间碎片防护优化软件的研究开发,而且取得了阶段性的研究成果。丈章首先对防护结构构型方案及其防护材料选择评估技术作了简要介绍；然后重点对防护结构设计优化技术的研究进展从优化模型、优化算法、敏度分析等方面进行了分析综述；最后简要给出了防护结构设计优化流程和研究工作建议。     

空间柔性充气密封舱用新型填充防护结构碎片撞击计算分析与实验研究

为实现空间柔性充气密封舱在轨对空间碎片的防护需求,设计了一种以玄武岩纤维布和Kevlar纤维布填充的多层柔性防护结构。应用Christiansen撞击极限方程对Nextel/Kevlar填充防护结构在不同结构参数下的撞击极限进行计算分析,得出了防护层总间距、Nextel纤维布层数和Kevlar纤维布层数对防护结构撞击极限的影响特性,为柔性防护结构强重比的优化设计提供了依据。利用二级轻气炮对玄武岩/Kevlar纤维布填充防护结构进行超高速撞击实验研究,获取了防护结构在低速区、高速区和超高速区的撞击数据,并以Nextel/Kevlar填充防护结构撞击极限计算曲线为参照对实验结果进行分析,验证了玄武岩/Kevlar纤维布填充防护结构可对空间柔性充气密封舱起到防护空间碎片撞击的效果。     

航天器波纹防护屏高速撞击实验研究

微流量及空间碎片的高速撞击威胁着航天器的安全运行 ,导致其严重的损伤和灾难性的失效。本文给出和分析了柱状弹丸高速撞击铝合金波纹防护屏 Whipple防护实验研究的结果。结果表明 :波纹防护屏具有分散不同入射角弹丸高速撞击所产生碎片云损伤能量的特性 ,并能降低弹丸滑弹碎片对航天器外部结构和子系统的损伤 ,该防护结构的防护性能优于铝合金板防护屏 Whipple防护。     

载人航天器空间碎片防护与减缓设计

为降低空间碎片撞击所带来的威胁,文章针对某载人航天器进行了空间碎片撞击风险分析,并设计了空间碎片专用防护结构,制定了轨道规避策略;同时针对重点设备进行钝化设计,并采用寿命末期有控离轨制动方案。以上措施可有效实现空间碎片减缓。     

超高速撞击弹丸形状效应数值模拟研究

为保证在轨航天器的安全运行，微流星体和空间碎片的防护成为现有航天器，特别是长寿命、大尺寸航天器设计时必须考虑的问题。本文采用AUTODYN软件进行了不同形状弹丸超高速撞击whipple防护结构的数值模拟，对不同形状弹丸撞击Whipple防护结构的撞击极限曲线进行了比较，分析了各形状弹丸撞击防护屏后形成的碎片云状态，以及分析了各撞击极限曲线之间差异的原因。不同形状弹丸对Whiple防护结构的损伤能力有很大差异，弹丸破碎和碎片云分散程度随弹丸速度、长径比和撞击方向的改变而改变。     

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。     

Overview of the legal and policy challenges of orbital debris removal

Much attention has been paid recently to the issue of removing human-generated space debris from Earth orbit, especially following conclusions reached by both NASA and ESA that mitigating debris is not sufficient, that debris-on-debris and debris-on-active-satellite collisions will continue to generate new debris even without additional launches, and that some sort of active debris removal (ADR) is needed. Several techniques for ADR are technically plausible enough to merit further research and eventually operational testing. However, all ADR technologies present significant legal and policy challenges which will need to be addressed for debris removal to become viable. This paper summarizes the most promising techniques for removing space debris in both LEO and GEO, including electrodynamic tethers and ground- and space-based lasers. It then discusses several of the legal and policy challenges posed, including: lack of separate legal definitions for functional operational spacecraft and non-functional space debris; lack of international consensus on which types of space debris objects should be removed; sovereignty issues related to who is legally authorized to remove pieces of space debris; the need for transparency and confidence-building measures to reduce misperceptions of ADR as anti-satellite weapons; and intellectual property rights and liability with regard to ADR operations. Significant work on these issues must take place in parallel to the technical research and development of ADR techniques, and debris removal needs to be done in an environment of international collaboration and cooperation.     

天基照相跟踪空间碎片批处理轨道确定研究

随着国内外天基观测空间碎片研究的展开,文章提出了利用跟踪卫星的CCD(Charge
Coupled Device)相机对空间碎片进行轨道探测的方法,首先建立了CCD照相观测模型和基于 照相观测 的空间碎片批处理轨道确定模型。通过对CCD相机底片归算方法的分析可知,利用
CCD相机所获得的观测数据与跟踪卫星的姿态无关,且其精度只与测量和坐标转换计算的精 度有关,在测量和计算中可获得较高的精度。分别对分布密度较高的低轨道和地球同步 轨道区域的空间碎片进行了定轨分析。仿真结果表明,定轨时采用两个跟踪弧段的照相数据 定轨精度大大高于一个弧段照相数据的定轨精度;跟踪卫星距离空间碎片越近,定轨精度越 高;低轨道空间碎片的定轨精度高于地球同步轨道上的空间碎片定轨精度。
     

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。     

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。     

A Review of Hypervelocity Debris Testing at the Air Force Research Laboratory

In this paper, we describe a compact, low cost, fast turn-around-time technique used at the Air Force Research Laboratory to study hypervelocity debris impact effects on spacecraft structures and components. The technique described was used to study debris effects in the areas of: shock physics, debris-produced contamination, chemical analyses of the impact ejecta and debris initiated spacecraft discharge. Examples of research results obtained with the technique are presented and illustrate problems encountered in the field of space debris effects on spacecraft.     

空间碎片数据形式及轨道演化算法

根据建立空间碎片工程模型的需要,定义了一种描述单个空间碎片运行位置及其物理特性的数据形式。基于空间碎片运动规律给出了一种用于计算单个空间碎片运行时＂平均位置＂的演化算法。计算的演化结果与STK软件计算的标称轨道比较表明：该演化算法正确。     

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。     

Behavior of tethered debris with flexible appendages

Active exploration of the space leads to growth of a near-Earth space pollution. The frequency of the registered collisions of space debris with functional satellites highly increased during last 10 years. As a rule a large space debris can be observed from the Earth and catalogued, then it is possible to avoid collision with the active spacecraft. However every large debris is a potential source of a numerous small debris particles. To reduce debris population in the near Earth space the large debris should be removed from working orbits. The active debris removal technique is considered that intend to use a tethered orbital transfer vehicle, or a space tug attached by a tether to the space debris. This paper focuses on the dynamics of the space debris with flexible appendages. Mathematical model of the system is derived using the Lagrange formalism. Several numerical examples are presented to illustrate the mutual influence of the oscillations of flexible appendages and the oscillations of a tether. It is shown that flexible appendages can have a significant influence on the attitude motion of the space debris and the safety of the transportation process.