基于计算机的低地球轨道航天器设计与观测的轨道碎片环境模型

文章介绍了一个半经验的基于计算机的轨道碎片模型。该模型将轨道环境简化为6个不同的倾角带,每个倾角带都有各自的半长轴和近地点分布及根据不同的碎片来源有其各自的尺寸分布。用碰撞概率方程将轨道碎片分布与航天器上的碎片通量或通过地面探测器视角的通量联系起来。经比较,碎片的半长轴、近地点和倾角分布与美国空间司令部大于10cm的碎片目录是一致的。对于较小的碎片,这些分布与地面望远镜、“干草堆”雷达的测量结果一致,同时也与LDEF卫星和航天飞机的测量结果一致。     

地球静止轨道卫星撞击解体的数值模拟

分析了地球静止轨道（GE0）环内的物体现状,引入美国家航空航天局（NASA）的标准解体模型,给出了卫星撞击解体算法,编写了数值仿真软件,仿真研究了GEO卫星撞击解体形成碎片的特征及其轨道分布。结果表明：撞击会产生大量碎片,对空间环境造成长期的严重危害。研究结果对分析卫星撞击解体特性、保护空间环境有一定的参考价值。     

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。     

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。     

地球同步轨道卫星结构爆炸解体碎片的轨道仿真

为快速确定与预报卫星在轨爆炸解体产生的大量空间碎片的轨道,提出了一种基于ANSYS/AUTODYN、MATLAB、STK等多软件平台联合仿真分析卫星结构爆炸解体碎片运行轨道的方法。利用ANSYS/AUTODYN对典型薄壁圆柱模拟地球同步轨道卫星结构进行爆炸数值分析,得到碎片的数量、质量分布和速度特性信息。再利用MATLAB软件对卫星爆炸仿真得到的碎片参数进行处理,将处理后的数据导入到STK软件的通用摄动SGP4模型中,得出卫星爆炸碎片的早期轨道数据。最后对爆炸碎片的轨道分布、速度增量、轨道演化等进行分析。结果表明:该方法能满足大量爆炸碎片的轨道仿真要求,能有效提高碎片轨道信息转换效率,对目前难以跟踪的cm级以下碎片,也能提供相应的初始轨道数据,使用方便,通用性好。研究结果可为快速捕获卫星爆炸碎片,及时规避航天器碰撞风险提供参考。     

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。
     

低地轨道空间碎片环境建模与分析

根据“箱中粒子”(PIB-Particles In a Box)的模型和气体分子运动学理论,建立了估算低地轨道上空间碎片总数的微分方程,参考国外文献有关空间碎片统计数据和初始条件,求解方程,并分析了空间碎片环境的短期和长期变化趋势.     

低地轨道空间碎片环境建模与分析

根据“箱中粒子”（PIB）的模型和气体分子运动学理论，建立了估算低地轨道（LEO）上空间碎片总数的微分方程，参考国外文献提供的有关空间碎片统计数据和初始条件，求解方程，并分析了空间碎片环境的短期和长期变化趋势。     

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。     

GEO卫星弃置轨道稳定性分析及离轨策略优化

运用解析和数值计算两种方法,分析了各种摄动源对地球静止轨道(GEO)卫星弃置轨道近地点高度变化的影响,得到了近地点高度的变化规律。利用二阶日月引力摄动可造成GEO卫星弃置轨道近地点升高的特点,提出新的卫星离轨策略,在不满足机构间空间碎片协调委员会(IADC)"空间碎片减缓指南"中,GEO卫星弃置轨道偏心率小于0.003要求的情况下,还可以保证卫星不再进入GEO保护区域。     

ESA和NASA空间碎片模型的比较

文章介绍了欧空局MASTER、美国NASA90和NASA96三种空间碎片模型的概念设计,并通过不同目标的轨道特征,对其定量预示进行比较。特别指出了:在直径大于1cm或者是在1mm以下的范围,不同模型之间存在一个量级以上的相当大的差异。     

Enhancement and Validation of the IDES Orbital Debris Environment Model

Orbital debris environment models are essential in predicting the characteristics of the entire debris environment, especially for altitude and size regimes where measurement data is sparse. Most models are also used to assess mission collision risk. The IDES (Integrated Debris Evolution Suite) simulation model has recently been upgraded by including a new sodium–potassium liquid coolant droplet source model and a new historical launch database. These and other features of IDES are described in detail. The accuracy of the IDES model is evaluated over a wide range of debris sizes by comparing model predictions to three major types of debris measurement data in low Earth orbit. For the large-size debris population, the model is compared with the spatial density distribution of the United States (US) Space Command Catalog. A radar simulation model is employed to predict the detection rates of mid-size debris in the field of view of the US Haystack radar. Finally, the small-size impact flux relative to a surface of the retrieved Long Duration Exposure Facility (LDEF) spacecraft is predicted. At sub-millimetre sizes, the model currently under-predicts the debris environment encountered at low altitudes by approximately an order of magnitude. This is because other small-size debris sources, such as paint flakes have not yet been characterised. Due to the model enhancements, IDES exhibits good accuracy when predicting the debris environment at decimetre and centimetre sizes. Therefore, the validated initial conditions and the high fidelity future traffic model enables IDES to make long-term debris environment projections with more confidence.     

基于不同模型的固体火箭发动机喷射物熔渣特性分析

固体火箭发动机喷射物中的熔渣是航天器防护和空间碎片风险评估关注的对象之一。文章首先介绍国外熔渣建模试验数据及理论模型,主要有NASA熔渣模型、MASTER2005熔渣子模型（以下简称MASTER模型）和麻省理工大学林肯实验室的MIT/LL熔渣模型;再利用NASA和MASTER模型分析熔渣尺寸-数量和质量特性。MASTER模型给出的熔渣数量和质量均低于NASA模型;且MASTER模型认为约91.8%的熔渣尺寸处于25～200 mm区间;尺寸大于250 mm的熔渣质量占熔渣总质量的88%,但其数量只占熔渣总数量的6.3%。以上研究结果为进一步分析熔渣对空间碎片环境的影响奠定了基础,对我国自主开展熔渣模型研究也有一定的参考价值。     

美俄卫星太空碰撞事件及对航天活动的影响

文章介绍了最近发生的美俄卫星太空碰撞重大事件;深入剖析了导致碰撞的可能原因;详细评述了卫星碰撞事件对空间碎片环境的严重恶化和对人类航天活动的影响;分析了碰撞事件对空间碎片研究带来的新困难和新挑战。文章指出,从航天器安全角度来讲,减缓、控制乃至清除空间碎片是全人类共同的责任和唯一选择。     

基于弹丸最大碎片理论的碎片云模型

文章基于弹丸最大碎片理论,建立了一种新的碎片云模型。假设碎片云分为缓冲板碎片云、弹丸碎片云及弹丸最大碎片3个部分,而缓冲板碎片云和弹丸碎片云分别为2个大小不等的膨胀球壳,而弹丸最大碎片与这2个球壳头部相切。该模型与Schonberg模型和Swift模型的对比分析结果表明,新模型形式简单、精度高、适用范围广,可以有效指导航天器空间碎片防护结构设计与防护性能分析。     

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。     

Passive optical detection of submillimeter and millimeter size space debris in low Earth orbit

Understanding of the space debris environment and accuracy of its observation-validated models are essential for optimal design and safe operation of satellite systems. Existing ground-based optical telescopes and radars are not capable of observing debris smaller than several millimeters in size. A new experimental and instrumental approach – the space-based Local Orbital Debris Environment (LODE) detector – aims at in situ measuring of debris with sizes from 0.2–10 mm near the satellite orbit. The LODE concept relies on a passive optical photon-counting time-tagging imaging system detecting solar photons (in the visible spectral range) reflected by debris crossing the sensor field of view. In contrast, prior feasibility studies of space-based optical sensors considered frame detectors in the focal plane. The article describes the new experimental concept, discusses top-level system parameters and design tradeoffs, outlines an approach to identifying and extracting rare debris detection events from the background, and presents an example of performance characteristics of a LODE sensor with a 6-cm diameter aperture. The article concludes with a discussion of possible sensor applications on satellites.     

Continuum Model for Space Debris Evolution with Account of Collisions and Orbital Breakups

The paper discusses the mathematical modeling of long-term orbital debris evolution taking into account mutual collisions of space debris particles of different sizes. Investigations and long-term forecasts of orbital debris environment evolution in low Earth orbits are essential for future space mission hazard evaluation and for adopting rational space policies and mitigation measures. The paper introduces a new approach to space debris evolution mathematical modeling based on continuum mechanics incorporating partial differential equations. This is an alternative to the traditional approaches of celestial mechanics incorporating ordinary differential equations to model fragments evolution. The continuum approach to orbital debris evolution modeling has essential advantages for describing the evolution of a large number of particles, because it replaces the traditional tracking of space objects by modeling the evolution of their density of distribution.