空间碎片光谱特性获取与分析方法研究

空间碎片的反射光谱是碎片表面材料与太阳光谱共同作用的结果,能够反映碎片的材料性质,为空间碎片的光学特性研究提供依据. 将观测获得的空间碎片反射光谱进行预处理后,与已知空间材料样本的光谱进行比对,比较两者间光学特性差异,包括连续反射光谱曲线中的峰值、斜率、形态、特征窄波段、吸收谱线和多波段反射光谱间的成像差异、色指数、特征温度等,分辨碎片表面可能的材料,最终实现对空间碎片光学特性的研究.      

地基雷达探测中的空间碎片微弱信号检测技术概况

空间碎片的日益增多。已对航天活动构成严峻威胁。空间碎片的精确监测是对航天员和飞行器实施安全防护的重要前提,也对空间微小碎片探测能力提出了更高要求。文章对国外地基雷达探测空间碎片现状,以及对在雷达微弱信号检测技术方面比较常用的以信号处理为基础的长时间积累检测技术和基于时频分析的雷达微弱信号检测技术研究现状进行了综述。     

基于驻留时间比的近地空间碎片环境建模

为分析近地空间碎片的分布规律,提出了一种以碎片在空间网格内驻留时间为基础的碎片环境统计建模方法.该方法利用多项式拟合和求根方法统计碎片在空间网格内的停留时间,获取模型基础数据,并据此采用多项式预测、插值和时间序列分析等技术,综合分析空间碎片的分布与演化规律.给出了一个基于双行根数(TLE,Two Line Elements)数据的建模实例,该实例通过了ORDEM2000模型的对比验证,并获得了一些更精细的近地空间碎片环境特征.所得建模方法和分析结论可为长期运行的近地航天器轨道设计、碰撞风险评估及防护等提供技术支撑.     

空间碎片偏振光谱成像探测技术研究

随着太空探索活动的逐年增多,人类对空间碎片的探测显得越发重要。文章首先介绍了探测空间碎片的意义及其常规的光电探测方法,并分析了探测空间碎片的主要难点;在此基础上,结合空间碎片的具体特征,提出一种对空间碎片进行探测与识别的新方法,即将成像、光谱、偏振三个光学基本量同时使用,通过多元特征融合等识别技术,实现对空间暗、弱、小碎片的高效探测,并对新方法中的关键技术进行了分解和可行性分析。     

航天器与空间碎片的混合编队重构控制与应用

针对空间碎片清理问题,提出了一种利用航天器与空间碎片混合编队队形重构控制技术捕获碎片的方法。首先,分析了地/月—日系L2拉格朗日平动点附近的限制性三体环境,并建立了编队卫星相对运动动力学模型;其次,提出了以太阳光压力作为航天器与空间碎片编队队形重构的控制力,实现各从星接近空间碎片的目的;最后,设计了基于线性二次型的最优控制器,并在Matlab/Simulink环境下进行仿真实验。仿真结果表明该方法可控制从星到达期望的位置(空间碎片的位置),且太阳帆板的姿态变化在可控范围内,进而证明了该方案可以应用于复杂空间环境下的碎片清理任务。     

空间碎片能量转化利用技术

针对目前空间碎片问题,提出空间碎片发动机概念,立足于使用捕获到的空间碎片,转化为发动机可用的推进剂。在完成碎片清理目标的同时,获得可持续的动力来源,延长清理器的工作寿命。针对空间碎片制粉的方法进行研究,提出使用球磨仪对金属样本进行研磨。使用转刀式粉碎机对非金属材料进行粉碎。通过实验发现,多数粉末粒径达到微米量级。针对空间碎片粉末推进方式进行研究,提出使用静电加速推进方式对粉末进行加速。空间碎片发动机虽然起源于空间碎片清理任务,但是可持续的推进剂供应,也将为小行星探测等任务提供更好的思路。     

LEO空间碎片甚短弧角度数据初轨确定方法对比

光学观测是空间目标观测中最常见的一种观测方式。采用扫描模式工作时光学观测得到的观测弧段弧长通常很短,有时甚至不到被观测空间目标运行周期的1%,这样的角度数据被称为甚短弧角度数据。基于近圆LEO空间碎片地基实测场景,研究比较仅利用角度数据进行初始轨道确定常用方法的性能差异,分析观测弧长对不同初轨确定算法的定轨成功率和误差的影响,为初轨确定工作提供参考。对比分析了常用的几种方法,包括Laplace方法、Gauss方法、Gooding方法和近几年提出的距离搜索算法等。大规模实测数据处理结果显示,距离搜索算法的成功率高于90%,初轨半长轴统计误差仅为25 km。初轨结果表明,距离搜索算法定轨成功率高于其他算法。研究成果可为解决空间碎片初轨确定问题提供参考。      

空间系绳碎片碰撞生存能力研究

空间系绳结构和几何尺寸对其在复杂空间环境中抵抗碎片碰撞的能力有显著影响.本文根据系绳-碎片碰撞模型和泊松分布,计算了双股系绳和带状系绳被碎片割断的概率,分析了太空碎片对系绳生存能力可能造成的影响.双股系绳是由两条平行系绳每隔一段距离打结连接构成,带状系绳可视为一种横截面为矩形的特殊单股系绳.首先对单股系绳被碎片割断的概率进行建模,然后构建双股系绳和带状系绳生存能力函数,最后根据空间碎片环境模型,对比分析具有不同结构、不同尺寸的系绳的生存能力.仿真结果表明,相较于单股系绳,双股系绳和带状系绳的生存能力有明显提高.      

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.