美俄卫星碰撞事件验证及其对我国卫星的影响分析

北京时间2009年2月11日0时55分,美国铱星-33和俄罗斯宇宙-2251两颗卫星在太空相撞,在所在的高度产生了大量新增空间碎片,使得空间碎片环境更加严峻,低轨航天器运行遭受空间碎片撞击的风险大幅增加。文章通过碰撞前后轨道数据分析,确认并验证了此次碰撞事件;利用事前轨道数据进行碰撞预警分析,得出碰撞的相关的参数;通过分析此次事件产生的新增碎片的轨道数据,进一步验证确认碰撞事件;从空间碎片密度和通量角度分析其时当前空间碎片环境产生的影响;通过新增碎片寿命计算分析其对空间碎片环境的长期的影响;从碰撞概率出发分析对航天器运行安全的威胁。分析结果表明：我国低轨卫星在一定程度上增大了空间碎片碰撞风险,需要进行在轨空间碎片碰撞预警,以确保我国卫星的安全运行。     

空间碎片环境及模拟与防护技术

介绍空间碎片的来源、成份、流强、数量与质量,并分析空间碎片的危害、与卫星碰撞的几率、碎片的寿命与防护技术,还介绍了空间碎片的探测技术与模拟技术等。     

利用等离子体加速器发射超高速 微小空间碎片的研究

文章介绍了国内外微小空间碎片超高速撞击地面模拟实验研究的现状,描述了国内等离子体微小空间碎片加速器的研制进展和初步实验结果,分析了该加速器在空间碎片防护研究工作中的应用。在初步调试阶段,在系统设计满负荷储能6%和35%的条件下,分别将100 ?m和200 ?m的玻璃微粒加速至5.5 km/s和9.3 km/s。利用该加速器可以模拟研究10～1 000 ?m的微小空间碎片对卫星功能材料的撞击损伤特性,可以加速模拟研究卫星关键部件或分系统在大量微小空间碎片撞击下的失效机理和失效模式,为卫星防护微小空间碎片的设计提供技术支持。该加速器还能为国内发展星载空间微小碎片探测仪器的设计和标定提供模拟实验条件。     

对美国宇航公司使用的轨道碎片模型的评价

文章介绍了碰撞程序和碎片程序,并进行了评价。前一个程序说明了碎片撞击的破裂特性;后一个程序给出了当一个空间物体进入碎片云时的撞击概率。     

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。     

空间碎片撞击卫星影响分析及验证

近年来，空间碎片环境日益复杂严峻，对卫星在轨飞行构成严重威胁，发生碰撞风险大幅增加。针对低轨卫星遭受空间碎片撞击问题，分析了撞击产生的二次碎片云损伤机理，提出了利用遥测数据评估撞击产生的影响，分析撞击信息的流程，设计了相应地面验证实验。结果表明:碎片云引发二次损伤为空间碎片撞击卫星主要损伤形式。碎片云可导致多层隔热材料(MLI)发生破损甚至严重撕裂、外翻，同时引起供电线缆损伤、导线被击断。破损的供电电缆，通过大电流后发生断路的可能性急剧提升，对卫星危害巨大。     

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。     

空间目标轨道信息软件平台的建设

空间目标轨道信息是空间态势感知的重要要素,是空间碰撞预警、空间碎片环境模型和许多空间应用的基础。因而,空间目标轨道确定成为空间态势感知的主要任务之一。文章介绍武汉大学测绘学院正在开发建设的空间目标轨道信息服务软件平台,该平台拥有的主要功能有:利用多源数据的卫星/空间碎片轨道确定(包括初轨确定)与预报、大气质量密度模型精化、空间碰撞预警和半解析法快速精密轨道传播等。文章还针对软件平台功能的研究进展进行了综述,介绍了软件平台发展规划。     

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。     

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。     

The Investigation of Possible Approaches of Cataloged Space Objects to Manned Spacecraft

Initial orbital parameter errors are used to examine the miss distance between a spacecraft and an ensemble of tracked objects by a Monte Carlo-type analysis. The radial separation between orbits is evaluated and a keep-out zone is determined, which reduces the risk of collision to an acceptable level.An operational prediction methodology is suggested based on a catalog database, which identifies potentially hazardous approaches and computes the probability of collision for selected spacecraft. An example for the Mir Space Station is presented, which estimates the collision probability and the cross-sectional flux of cataloged objects for the time frame of interest. The results appear to be in good agreement with those of other space debris models.     

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。     

航天器碰撞解体碎片分析软件SFA2.0及其应用

为了实现对航天器在轨解体事件及其碎片分布特性的快速分析,中国空气动力研究与发展中心(CARDC)开发了SFA(Spacecraft Fragmentation Analysis)软件。该软件主要基于CSBM航天器解体模型开发形成,同时集成了NASA的标准解体模型。SFA软件具有解体程度分析、解体碎片生成、碎片分布统计等功能,并可以实时显示计算结果、绘制统计曲线。文章着重介绍了SFA软件2.0版的功能模块、主要算法、界面及使用方法等,并针对Iridium 33-Cosmos 2251碰撞、Solwind P78航天器解体等在轨事件进行了分析。     

微小碎片对航天器舷窗玻璃损伤状况的跟踪研究

空间微小碎片环境比较复杂,其来源包括人为产生的碎片及微流星体。空间微小碎片不仅速度较高,而且数量庞大。它们频繁撞击航天器外表面,包括舷窗部位,特别是对航天飞机舷窗已造成巨大危害,使长期服役的国际空间站舷窗玻璃存在安全隐患。文章简要介绍了空间微小碎片对航天飞机和空间站舷窗玻璃的损伤状况,以及NASA对此做出的改进措施,这些跟踪研究成果可为我国长寿命、高可靠航天器舷窗结构设计提供参考依据。     

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。     

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。     

航天器反应式碎片规避动作规划方法

提出一种航天器反应式碎片规避动作规划方法，首先以扰动流体动态系统(IFDS)算法作为动作规划的基础算法，通过其中的总和扰动矩阵对航天器的轨道速度矢量进行修正，实现轨道机动规避；然后，建立基于双延迟深度确定性策略梯度(TD3)深度强化学习算法的反应式动作规划方法，通过TD3在线优化IFDS规划参数，实现对碎片群的“状态-动作”最优、快速规避决策。在此基础上，将优先级经验回放和渐进式学习策略引入该方法中，提升训练效率。最后，仿真结果表明，所提方法可使航天器安全规避多发、突发、动态且形状各异的空间碎片群，且具有较好的实时性。