空間碎片對(duì)長(zhǎng)壽命低軌遙感衛(wèi)星的影響研究

廖明云 （上海衛(wèi)星工程研究所）

空間碎片對(duì)長(zhǎng)壽命低軌遙感衛(wèi)星的影響研究

廖明云 （上海衛(wèi)星工程研究所）

從當(dāng)前我國(guó)衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，低軌遙感衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命要求逐漸從2～3年提高到5～8年，遭受空間碎片撞擊的概率大幅提高，空間微小碎片對(duì)衛(wèi)星的累積撞擊效應(yīng)的危害性研究也日益受到重視。俄羅斯的和平號(hào)空間站在軌飛行15年，其70%的外體遭受到腐蝕，堅(jiān)固程度下降了約60%，美國(guó)的“長(zhǎng)期暴露裝置”（LDEF）在軌運(yùn)行了5.75年后回收，地面檢測(cè)到的撞擊坑達(dá)34000個(gè)，其中85%以上是微小碎片撞擊形成的?，F(xiàn)對(duì)衛(wèi)星遭受空間碎片的影響及其危害進(jìn)行分析，為長(zhǎng)壽命低軌遙感衛(wèi)星的空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)提供思路，提高衛(wèi)星在軌運(yùn)行的可靠性。

空間碎片質(zhì)量在近地軌道逐年分布

1　 近地軌道空間碎片情況

來(lái)源

在近地軌道，由衛(wèi)星產(chǎn)生的空間碎片主要有以下4種。

1) 衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程和入軌后的拋棄物，主要是有效載荷保護(hù)蓋、輻冷器的防污罩、光學(xué)相機(jī)的鏡頭蓋，星箭分離裝置的包帶、爆炸螺栓、分離彈簧等；

2) 星上儲(chǔ)能裝置或活動(dòng)部件失效導(dǎo)致衛(wèi)星解體產(chǎn)生的碎片，包括剩余推進(jìn)劑、蓄電池、高壓容器、飛輪、陀螺、紅外地平儀、太陽(yáng)電池陣定向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及各種有效載荷的活動(dòng)部件；衛(wèi)星與空間碎片或流星體撞擊導(dǎo)致衛(wèi)星解體產(chǎn)生新的碎片；

3) 微小空間碎片、微流星體、氧原子、太陽(yáng)輻射等造成衛(wèi)星表面涂層、隔熱多層材料以及太陽(yáng)電池片等的剝落；

4) 任務(wù)終止后的衛(wèi)星本身成為空間碎片。

分布情況

依據(jù)空間碎片的大小，通常將大于10cm的空間碎片稱為大碎片，1mm～10cm的稱為中等碎片，小于1mm的稱為小碎片。

地球軌道上的空間碎片分布從質(zhì)量上來(lái)看，直徑大于10cm的空間碎片質(zhì)量約占全部質(zhì)量的99%以上，約3000t，人類在半個(gè)多世紀(jì)內(nèi)發(fā)射入軌航天器有超過(guò)6000t，而目前留在軌道的上的碎片質(zhì)量將近50%；這3000t空間碎片中分布在近地軌道約為2500t。

空間碎片的危害

空間碎片對(duì)航天器造成的碰撞危害，可根據(jù)其對(duì)飛行任務(wù)的最終影響程度分為三類：一是災(zāi)害性碰撞，航天器解體或關(guān)鍵設(shè)備損壞，造成飛行不可逆轉(zhuǎn)的失??；二是可恢復(fù)碰撞，飛行任務(wù)短暫中斷或部分任務(wù)喪失；三是碰撞累計(jì)效應(yīng)，隨著時(shí)間的增加，碰撞次數(shù)增多，航天器表面溫控層破壞引發(fā)內(nèi)部設(shè)備的失效，從而導(dǎo)致飛行任務(wù)的永久失敗。

空間碎片與軌道上運(yùn)行的航天器發(fā)生碰撞造成的破壞取決于空間碎片的質(zhì)量和速度。大于0.01cm的空間碎片對(duì)衛(wèi)星的主要影響是使表面發(fā)生凹陷和磨損，大于0.1cm的空間碎片會(huì)影響航天器結(jié)構(gòu)，大于lcm的碎片會(huì)造成航天器嚴(yán)重?fù)p壞。由于空間碎片是活動(dòng)的，所以在碰撞事件中即使很小的碎片與航夭器碰撞也會(huì)造成衛(wèi)星的損壞。計(jì)算結(jié)果表明，在近地軌道發(fā)生碰撞的平均速度為9.1km/s，峰值達(dá)到16km/s，幾厘米大小金屬碎片的撞擊能量相當(dāng)于130km/h疾馳的小汽車(chē)的撞擊能量。因此，直徑僅幾厘米的空間碎片與航天器相撞就可能摧毀航天器。空間碎片以超高速（平均10km/s)的速度撞擊航天器表面，輕者會(huì)在航天器表面留下凹坑，重者會(huì)穿透航天器，造成部分功能失效，甚至?xí)a(chǎn)生災(zāi)難性的后果。

空間碎片增加速率

2　 空間碎片對(duì)長(zhǎng)壽命低軌遙感衛(wèi)星的影響分析

在軌壽命延長(zhǎng)造成總體碰撞概率增大

在低地球軌道上，長(zhǎng)壽命的航天器不可避免地要遭遇撞擊。美國(guó)對(duì)壽命為30年的“國(guó)際空間站”預(yù)測(cè)其遭受碰撞的可能性高達(dá)19%。即使對(duì)于飛行任務(wù)僅為1周的航天飛機(jī)，在8次飛行中也可能有一次遭到較輕的破壞。近地軌道的空間站將面臨中等尺寸空間碎片撞擊的危險(xiǎn)，這種尺寸的碎片多為直徑l～10cm的碎片。這種空間垃圾之所以最危險(xiǎn)，原因是：對(duì)航天器的金屬防護(hù)層來(lái)說(shuō)，這些尺寸的碎片太大，無(wú)法使它偏離空間站或失效：而地面雷達(dá)又因這些碎片的尺寸太小無(wú)法跟蹤，致使航天器不能采取主動(dòng)回避的防范措施。

空間碎片與衛(wèi)星碰撞的幾率與衛(wèi)星的大小有關(guān)。衛(wèi)星越大，碰撞的可能性越大；衛(wèi)星在軌道上停留的時(shí)間越長(zhǎng)，碰撞的機(jī)會(huì)越多。直徑3mm的空間碎片與截面為10m2的航天器在800km軌道上的碰撞幾率為0.01次/年。也就是說(shuō)，如果對(duì)于壽命為10年的航天器，碰撞幾率可高達(dá)10%。

熱控涂層的破壞

多次微小碎片碰撞會(huì)引起熱控涂層的表面退化，粗糙度增加，熱吸收系數(shù)變大，導(dǎo)致航天器熱控性能下降。多層絕熱材料受微小碎片多次碰撞，可能造成嚴(yán)重破損，減低隔熱性能，甚至形成“冷點(diǎn)”，導(dǎo)致“冷點(diǎn)”附近設(shè)備、儀器失效。

美國(guó)航天飛機(jī)從“太陽(yáng)峰年”（SMM）衛(wèi)星帶回的失靈電子線路板及其外表面，發(fā)現(xiàn)熱控涂層上有許多受打擊的痕跡，有的小坑直徑達(dá)到140μm，穿孔的直徑為80～500μm。分析表明，70%是空間碎片造成的，30%是微流星造成的?？臻g碎片碰撞可導(dǎo)致熱控涂層剝離。脫落的涂層又形成碎片，繼續(xù)造成危害。美國(guó)“太陽(yáng)峰年”衛(wèi)星上的防熱毯的一個(gè)側(cè)面飛濺出碎末，小尺寸碎片轟擊熱控涂層，使其表面砂毛，使熱控性能改變。

微小空間碎片對(duì)光學(xué)器件的積累效應(yīng)

光學(xué)器件對(duì)多次微小碰撞引起的表面退化非常敏感，光線散射程度會(huì)急劇增加。碰撞造成的污染粒子，會(huì)使儀器光學(xué)性能下降?？臻g微小碎片對(duì)太陽(yáng)電池蓋片多次碰撞的“砂蝕”效應(yīng)，會(huì)使蓋片透光性能下降，太陽(yáng)電池陣的供電能力逐漸衰減。黃建國(guó)等人通過(guò)計(jì)算和模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)10年累積撞擊導(dǎo)致的太陽(yáng)電池表面的面積損傷率平均約為0.61%，嚴(yán)重時(shí)達(dá)到2.3%；光學(xué)透射率衰減平均為0.5%，嚴(yán)重時(shí)可到1.5%。

太陽(yáng)電池蓋片和光學(xué)載荷鏡片都是脆性物體。超高速顆粒碰撞脆性體表面產(chǎn)生的斑痕比在金屬表面上產(chǎn)生的大很多。例如，玻璃上的損傷區(qū)域是碎片直徑的25～30倍，在鋁材上是5倍。具有足夠能量的碎片能擊穿太陽(yáng)電池蓋片和太陽(yáng)電池本體，造成太陽(yáng)電池陣與襯底短路。美國(guó)發(fā)射的地球觀測(cè)衛(wèi)星-2的超高頻遙測(cè)信號(hào)中斷，低能等離子體實(shí)驗(yàn)失效。分析認(rèn)為，這是由于一部分太陽(yáng)電池陣受到碎片撞擊，導(dǎo)致電池輸出線和結(jié)構(gòu)短路而造成故障。

微小空間碎片與原子氧協(xié)同效應(yīng)對(duì)材料的影響

微小碎片撞擊對(duì)空間功能性防護(hù)膜的損傷，會(huì)導(dǎo)致原子氧在損傷處“潛蝕”，導(dǎo)致材料防護(hù)性能降低。長(zhǎng)期暴露裝置鍍鋁多層絕熱毯的表面分析表明，0.6mm大損傷處的“潛蝕”長(zhǎng)度是其3倍。0.1mm小損傷處的“潛蝕”長(zhǎng)度是其8倍。

李宏偉等人利用等離子體驅(qū)動(dòng)微小碎片加速器和潘寧源的原子氧模擬裝置開(kāi)展了微小碎片撞擊與原子氧協(xié)同作用對(duì)Kapton膜和鍍鋁Kapton膜的侵蝕效應(yīng)研究。實(shí)驗(yàn)后，對(duì)微小碎片撞擊前后、原子氧輻照前后的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。

微小碎片撞擊使得Kapton膜質(zhì)量變小，且碎片速度越快，質(zhì)量損失越大。主要原因是碎片高速撞擊在靶材料中產(chǎn)生激波，并在撞擊區(qū)域?qū)е聵O高的壓力和溫度。在如此高的壓力和溫度下，碎片及靶會(huì)發(fā)生碎裂、熔化甚至汽化，使一定體積的靶物質(zhì)被拋射出來(lái)形成彈坑，并在彈坑周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)造成形變及結(jié)構(gòu)破壞。

同樣的原子氧通量下，碎片撞擊后的Kapton膜以及鍍鋁Kapton樣品質(zhì)量損失要明顯大于未受撞擊Kapton以及鍍鋁Kapton樣品的質(zhì)量損失，而且，鍍鋁Kapton樣品在未受到碎片撞擊的情況下，具有很好的抗原子氧侵蝕能力。在原子氧等效注入通量為1.1×1020cm-2時(shí)，其質(zhì)量損失很小，而受到碎片撞擊之后，其抗原子氧侵蝕能力顯著下降。

微小碎片和原子氧都是影響空間材料應(yīng)用及壽命最主要的空間環(huán)境要素之一，兩者的協(xié)同作用將大大加劇空間材料遭遇的侵蝕效應(yīng)，對(duì)航天器的壽命及可靠性構(gòu)成威脅，制約我國(guó)長(zhǎng)壽命高可靠航天器的發(fā)展。

微小碎片撞擊引起的Kapton膜質(zhì)量變化

3　 長(zhǎng)壽命低軌遙感衛(wèi)星空間碎片防護(hù)措施

系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計(jì)的基本原則是將碎片防護(hù)設(shè)計(jì)作為航天器總體設(shè)計(jì)的必不可少的部分，在航天器設(shè)計(jì)全過(guò)程中引入碎片防護(hù)設(shè)計(jì)的概念。以風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果為依據(jù)，在關(guān)鍵組件布局、防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇方面整體考慮碎片防護(hù)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，在盡可能少增加防護(hù)質(zhì)量及不影響系統(tǒng)功能的情況下，達(dá)到規(guī)定的防護(hù)目標(biāo)。在加拿大“雷達(dá)衛(wèi)星”研制過(guò)程中，由美國(guó)航空航天局（NASA）的約翰遜航天中心（JSC）進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)。評(píng)估結(jié)果表明，這顆5年壽命期內(nèi)的衛(wèi)星通過(guò)防護(hù)設(shè)計(jì)、調(diào)整布局并采用必要防護(hù)措施，在空間碎片環(huán)境中的生存率由50%提高到87%，而衛(wèi)星質(zhì)量?jī)H增加了17kg，其防護(hù)設(shè)計(jì)效果非常明顯。

局部防護(hù)設(shè)計(jì)

微小碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)通常采用防護(hù)屏技術(shù)。防護(hù)結(jié)構(gòu)種類通常有單層Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)、雙層Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)、填充式Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)、多層沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層板防護(hù)結(jié)構(gòu)等。其基本原理：彈丸超高速撞擊緩沖屏后，在靶板和彈丸間形成很強(qiáng)的沖擊波；在沖擊波作用下，彈丸和靶板發(fā)生破碎、熔化甚至氣化現(xiàn)象，在防護(hù)屏后面形成包含彈丸材料和靶板材料的碎片云；碎片云中粒子尺寸和速度與原彈丸相比明顯變小，并在緩沖屏與后墻之間進(jìn)一步擴(kuò)展，到達(dá)后墻時(shí)，會(huì)在后墻形成面積很大的損傷區(qū)域。這樣，通過(guò)緩沖屏使空間碎片撞擊能量密度很大的點(diǎn)能源變成擴(kuò)散面積很大的面能源，降低了對(duì)后墻的損傷。

我國(guó)研究人員提出在衛(wèi)星表面的多層隔熱氈（MLI）內(nèi)增加抗穿透防護(hù)層的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)思想，并完成了相關(guān)的理論分析和計(jì)算。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，在不影響熱控性能的前提下，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星表面的多層隔熱氈進(jìn)行空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)，在面密度僅增加990g/m2的情況下，衛(wèi)星的空間碎片防護(hù)能力提高近200%。以某衛(wèi)星為例，應(yīng)用該研究成果進(jìn)行改進(jìn)后，衛(wèi)星運(yùn)行9年與目前運(yùn)行3年的抗空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)相當(dāng)。這標(biāo)志著在軌衛(wèi)星的壽命、可靠性、安全性將得到空前的提高。

原子氧輻照引起的Kapton膜質(zhì)量變化

加拿大“雷達(dá)衛(wèi)星”

4　 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)近地軌道衛(wèi)星數(shù)量快速增多，空間碎片總量也日益增長(zhǎng)，對(duì)衛(wèi)星的安全運(yùn)行造成隱患。本文針對(duì)我國(guó)衛(wèi)星長(zhǎng)壽命高可靠的要求，分析了空間碎片對(duì)近地軌道長(zhǎng)壽命衛(wèi)星的影響，從系統(tǒng)防護(hù)和局部防護(hù)設(shè)計(jì)的角度提出了空間碎片防護(hù)措施，為低軌長(zhǎng)壽命衛(wèi)星的空間碎片研究提供了一些想法和思路。

2015年第一季度航天器發(fā)射統(tǒng)計(jì)

續(xù) 表

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Space Debris’ Effect On Long Service Life LEO Remote Sensing Satellites