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。     

单层板超高速撞击声发射波的频谱特征分析

空间碎片撞击航天器的威胁对发展在轨感知系统提出需求，为研制基于声发射技术的感知系统，有必要研究超高速撞击产生的声发射信号波形特征。进行了铝弹丸超高速撞击单层板的实验，利用超声传感器采集到声发射波形，并使用小波变换对波形进行频谱分析。结果表明：在1～4km／s的撞击速度范围内，超高速撞击在单层板内引起的声发射波主要是AO模式、S0模式及S2模式的弹性板波；A0模式波形随撞击速度增大而减弱，其余2种模式则随之增强；成坑撞击波形具有较强的A0模式，击穿撞击波形具有较强的S0模式和S2模式。引入超高速撞击过程中的法向冲击作用和径向扩孔作用的概念，分析了上述规律。     

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。     

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。     

MOS电容型微小空间碎片探测器探头研究

MOS电容传感器具有结构简单、可靠、功耗小等优点,在国外已被成功用于微小空间碎片在轨探测,但国内开展的相关研究还较少。文章在对MOS电容传感器探测微小空间碎片原理及过程进行分析的基础上,基于ADS软件建立了传感器电路模型,确定了影响传感器探测性能的关键参数,完成了传感器的设计及研制,进而研制了阵列式探头。最后对阵列式探头成功开展了地面高速微粒撞击试验,探头在经过了数十次高速微粒撞击后,仍能对高速撞击事件进行测量,初步验证了使用该探头开展在轨微小空间碎片探测是可行的。     

基于声发射的单层铝板高速撞击损伤类型识别

针对基于声发射技术的在轨航天器遭受空间碎片撞击损伤的评估问题,采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击铝板所产生声发射波动信号的数值模拟,给出了二维模拟结果;对所得到的声发射信号进行小波重构,得到低频和高频部分的信号。通过研究低频和高频信号的峰值变化,发现第一和第二峰值幅度与撞击速度的变化具有一定的规律性,通过低频第二峰值幅度与第一峰值幅度比值将高速撞击损伤模式分为成坑、锥形穿孔和圆柱形穿孔三种类型。
     

中国空间碎片防护研究工作进展

回顾了2006年中国空间碎片防护研究工作的情况,简要介绍了MODAOST软件研究的相关活动,以及风险评估及防护结构优化技术、超高速撞击横向校验、部件/分系统和空间碎片撞击感知技术。     

基于LabVIEW的空间碎片高速撞击数据采集系统设计与实现

利用声发射传感器对空间碎片的撞击数据进行实时采集监测,用以对航天器在轨安全防护提供预警。该系统基于LabVIEW虚拟仪器技术,采用图形化编程语言实现了高速数据的采集。具有数据采集、实时波形显示、数据存储等功能,编程简捷、精度高、稳定性好,且人机界面友好。     

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。     

空间碎片撞击气瓶穿孔孔径预测公式研究

星上压力容器中储存有高压气体或液体,在受到空间碎片和微流星体超高速撞击时可能发生灾难性事故。文章采用均匀实验设计方法对星上常用高压气瓶的超高速撞击仿真方案进行了试验设计,并通过LS-DYNA仿真软件对其进行了超高速撞击数值仿真,获取了不同参数的弹丸撞击气瓶时气瓶器壁穿孔孔径。通过对器壁穿孔孔径的数据拟合,建立了无防护情况下气瓶器壁的穿孔孔径预测公式。与试验结果对比表明,建立的穿孔孔径预测公式具有一定的预测精度。     

用SGP4模型和卡尔曼滤波实现空间碎片轨道预报

文章将扩展卡尔曼滤波算法成功应用于求空间碎片的双行元初值及其轨道预报问题。首先推导出扩展的卡尔曼滤波求双行元的计算公式;然后针对地面观测站对空间碎片的监测进行了应用研究,编制了相应的计算程序并进行了数学仿真。结果表明该算法可以较准确地得到监测目标的双行元初值,从而可实现中长期轨道预报。     

粉尘静电加速设备原理及发展现状

微米级空间碎片数量巨大,与航天器的碰撞概率很高,其累积效应会影响航天器的性能.国外已发展了粉尘静电加速设备用于模拟微米级空间碎片的撞击效应.文章对粉尘静电模拟加速设备的原理和发展现状进行了介绍,并对该种设备的优缺点进行了分析讨论.     

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。     

地基激光测距系统观测空间碎片进展

卫星激光测距作为地基光电望远镜系统重要技术应用,可直接精确测量空间碎片距离,提升碎片目标轨道监测精度。基于上海天文台60 cm口径激光测距望远镜,应用百赫兹重复率高功率激光器、高效率激光信号探测系统等,建立了空间碎片激光测距系统,实现了对距离500~2600 km、截面积0.3~20 m2的碎片目标观测,测距精度优于1 m,具备了碎片目标常规测量与应用能力。此外,开展了空间目标白天监视技术研究,实现了亮于6星等恒星的白天观测,并进行了望远镜局部指向误差模型分析,分析结果可应用于空间碎片白天激光观测的目标监视与引导。     

基于稀疏信号表示的空间碎片成像

地基雷达一直是空间碎片监测的有力工具,研究如何利用它们对尺寸小于距离分辨率的目标进行成像具有重要意义。基于空间碎片通常会围绕它的主轴进行简单的自旋转运动这一事实,通过对目标回波模型的分析,本文提出了一种基于稀疏信号表示的空间碎片成像方法。该方法将成像问题转化为稀疏信号分解问题,首先以各个散射点的散射特性作为元素构建字典,然后通过采用现有的方法对单个距离单元横向回波数据的稀疏信号表示进行求解,最后对求解的结果重新排列以得到目标的二维高分辨图像。仿真实验结果表明了本方法的正确性。     

Visualizing Impact Probabilities of Space Debris

We present a new method to assess and visualize the collision risk due to space debris for an orbiting spacecraft. It is based on a parameter space derived from Öpik's studies of close approaches between small Solar System bodies and the planets. By means of this representation, many useful insights into the dynamics of the overall debris population with respect to a selected target can be obtained. The method can also be applied to estimate the increase in impact hazard (e.g., for the International Space Station) associated to fragmentation events occurring on a specific orbit.     

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.