空間碎片防護(hù)研究前沿問題與展望

龔自正,趙秋艷,李明,宋光明,武強(qiáng),陳川,張品亮

(1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094;2.中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京 100094)

1 空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀與新興熱點(diǎn)問題

從1957年第一顆人造地球衛(wèi)星升空以來,人類共進(jìn)行了5400余次航天發(fā)射,把8950余顆航天器送入地球軌道,目前在軌航天器5000余個(gè),仍在服役航天器2062個(gè)。航天器在軌爆炸解體是空間碎片的主要來源,迄今共發(fā)生在軌爆炸、解體、撞擊事件500余次,如表1所示。最典型的在軌爆炸解體事件如美國(guó)DMSP系列軍事氣象衛(wèi)星,2015-2017年連續(xù)在軌發(fā)生蓄電池爆炸引起衛(wèi)星解體[1,2](見表2)。另外,任務(wù)后已在軌滯留10年,長(zhǎng)度12.5m,直徑3m,質(zhì)量超2t的美國(guó)阿特拉斯-5火箭上面級(jí)于2019年3月23-25日因未知原因解體,產(chǎn)生40～60個(gè)碎片,大部分尺寸超30cm。2019年3月27日印度代號(hào)“沙克提行動(dòng)”的反衛(wèi)星試驗(yàn),產(chǎn)生尺寸大于5mm的碎片6500個(gè),其中270個(gè)可被跟蹤,有12塊碎片達(dá)到1000km高度,使得國(guó)際空間站 (ISS)撞擊風(fēng)險(xiǎn)提高了44%。

截至2019年底,軌道物體總重量8400t,地球軌道中已被跟蹤編目尺度在10cm以上的空間碎片數(shù)量已達(dá)23000個(gè);尺度在1～10cm的碎片數(shù)量約為75萬個(gè);尺度在1～10mm的碎片數(shù)量約為1億個(gè),1mm以下的碎片數(shù)量數(shù)以百億計(jì),在未來50年間空間碎片數(shù)量每年將以10%的速度增長(zhǎng)[3,4]。圖1給出了已被跟蹤編目的10cm以上空間碎片數(shù)量增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。各主要航天國(guó)產(chǎn)生的空間碎片重量比例分別為：俄羅斯占62.4%,美國(guó)占23.4%,中國(guó)占4.2%,其他國(guó)家和機(jī)構(gòu)占10%[5]。在編目碎片中,分布在 LEO、MEO、GEO區(qū)域的碎片數(shù)量比例分別為75.2%、8.3%、9.4%[2]。在700～1100km軌道高度區(qū)域有最大分布,這一區(qū)域正是太陽同步衛(wèi)星 (遙感)和移動(dòng)通信衛(wèi)星的密集運(yùn)行軌道。

表1 歷年航天器在軌解體事件數(shù)量統(tǒng)計(jì)[4]Tab.1 Statistics of spacecraft break-up events since 1960[4]

在LEO區(qū)域空間碎片與航天器的撞擊速度范圍在0～15km/s,平均撞擊速度為10km/s。一個(gè)10g的鋁球以10km/s的速度撞擊所產(chǎn)生的能量500kJ,與地面上1.3t、時(shí)速100km/h小汽車的撞擊能量相當(dāng)?？臻g碎片超高速撞擊對(duì)航天器安全和航天員生命造成巨大潛在威脅。到2019年,國(guó)際空間站為躲避空間碎片撞擊進(jìn)行了25次機(jī)動(dòng)規(guī)避。國(guó)際上有公開報(bào)道的因碎片撞擊而失效或異常的衛(wèi)星超過16顆,我國(guó)航天器因空間碎片撞擊失效事件時(shí)有發(fā)生。近年來NASA衛(wèi)星每年規(guī)避空間碎片操作20余次,而2008年這一數(shù)字為5次[6]。2018年ESA衛(wèi)星規(guī)避空間碎片操作17次(其中15次在LEO,2次在GEO)[7]。

這些事件說明空間碎片數(shù)量急劇增長(zhǎng),碰撞風(fēng)險(xiǎn)不斷攀升,空間碰撞事件頻發(fā),空間碎片環(huán)境日益惡化。模型預(yù)測(cè)顯示,70年后在LEO區(qū)域?qū)l(fā)生空間碎片鏈?zhǔn)阶矒粜?yīng) (Kessler災(zāi)難),近地空間將徹底不可用;30年后軌位將飽和,無新的軌位資源可用。與此同時(shí),大規(guī)模低軌小衛(wèi)星星座的爆炸式發(fā)展使已經(jīng)十分脆弱的空間碎片環(huán)境“雪上加霜”。

(1)大規(guī)模低軌星座迅猛發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)[8]。

以SpcaeX、Oneweb等為代表的國(guó)外民營(yíng)航天企業(yè)已經(jīng)開始著手超過3萬顆的低軌小衛(wèi)星星座的組網(wǎng)建設(shè)。2019年6月28日,SpaceX發(fā)射的60顆微小衛(wèi)星已有3顆失聯(lián),2顆將主動(dòng)墜落,5%成為碎片。2019年9月2日,ESA地球觀測(cè)衛(wèi)星Aeolus采取了機(jī)動(dòng)規(guī)避,以避免與SpaceX發(fā)射的60顆微小衛(wèi)星發(fā)生碰撞。2019年10月,SpaceX公司將在原計(jì)劃12000顆衛(wèi)星的基礎(chǔ)上再提交3萬顆衛(wèi)星的申請(qǐng)文件,計(jì)劃發(fā)射衛(wèi)星數(shù)總計(jì)超5萬個(gè)。華為也將計(jì)劃發(fā)射1萬多顆低軌小衛(wèi)星,建成萬物互聯(lián)IOE。大規(guī)模低軌星座計(jì)劃和發(fā)射數(shù)量呈爆炸式增長(zhǎng),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國(guó)際社會(huì)的原有預(yù)期,也在逼近近地軌道空間的承載極限,將給人類航天事業(yè)帶來一系列挑戰(zhàn),包括使得嚴(yán)峻的空間碎片環(huán)境更加惡化、引發(fā)軌位和頻率資源的惡性競(jìng)爭(zhēng)、對(duì)天文學(xué)觀測(cè)的影響等。

表2 近年來美國(guó)DMSP軍事氣象衛(wèi)星等在軌爆炸解體事件Tab.2 Explosive break-up events of satellites including the US DMSPs in recent years

GEO：衛(wèi)星編號(hào) 定點(diǎn)位置 重量 事件時(shí)間 后果AMC-9 83°W 4100kg 2017.6.17 失聯(lián),解體EchoStar-3 61.5°W 1700kg 2017.6.17 變軌時(shí)失聯(lián),2017.9.6已經(jīng)進(jìn)入墳?zāi)管壍繬SS-806 47.5°W 2200kg 2017.7.31 1/3的通信轉(zhuǎn)發(fā)器失效Telkom-1 108°E 1700kg 2017.8.25 衛(wèi)星解體,產(chǎn)生一大片空間碎片

圖1 跟蹤編目的10cm以上空間碎片數(shù)量增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)Fig.1 Number of catalogued space debris with a size of 10cm or above increases steadily

(2)小行星頻繁撞擊地球帶來的威脅與防御問題[9]。

2019年7月25日表面上看似平凡而寧?kù)o的一天,地球卻與一場(chǎng)“滅頂之災(zāi)”擦肩而過,一顆名為“2019 OK”的小行星差點(diǎn)讓地球不“OK”。2019年8月10日,一顆直徑大約570m的小行星2006QQ23在距離地球0.049AU的高空以4.65km/s的速度飛越地球。2013年2月15日俄羅斯車?yán)镅刨e斯克發(fā)生小行星撞擊地球事件。1908年6月30日發(fā)生在俄羅斯通古斯的小行星大爆炸事件。6500萬年前,在墨西哥尤卡坦半島發(fā)生的小行星撞擊地球事件導(dǎo)致76%地球生物(包括大型恐龍)滅絕。2014年11月5日在我國(guó)內(nèi)蒙古錫林郭勒盟地區(qū),2017年10月4日在我國(guó)云南香格里拉,2018年6月1日在我國(guó)云南西雙版納連續(xù)發(fā)生火流星事件,所幸都未造成人員傷亡。

由于小行星撞擊地球事件頻發(fā),將誘發(fā)巨大劫難,科技共同體和國(guó)際社會(huì)將其作為影響人類社會(huì)和文明可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重大科學(xué)問題來積極應(yīng)對(duì)。1994年7月17日的蘇梅克-列維九號(hào)彗星與木星撞擊事件后,聯(lián)合國(guó)于1995年在紐約聯(lián)合國(guó)總部召開了第一次近地天體國(guó)際會(huì)議舉行。1999年聯(lián)合國(guó)第3次外空會(huì)議通過了“維也納空間與人類發(fā)展宣言”,宣言包括“為了解決改善與近地天體有關(guān)的活動(dòng)的國(guó)際協(xié)調(diào)的必要性”。2001年聯(lián)合國(guó)外空委設(shè)立了近地天體行動(dòng)小組 (行動(dòng)小組14)。2004年在聯(lián)合國(guó)外空委科技小組委員會(huì)上設(shè)立了近地天體議題 (NEO)。2013年聯(lián)合國(guó)外空委成立國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)絡(luò)(IAWN)和空間任務(wù)規(guī)劃咨詢小組 (SMPAG)。2016年12月6日,聯(lián)合國(guó)大會(huì)在A/RES/71/90號(hào)決議將每年的6月30日設(shè)定為國(guó)際小行星日,以提高公眾對(duì)小行星撞擊危險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)。2009年至今,國(guó)際宇航科學(xué)院 (IAA)已經(jīng)舉辦6屆行星防御會(huì)議。

2018年9月13-14日在北京香山飯店召開了以“小行星監(jiān)測(cè)預(yù)警、安全防御和資源利用的前沿科學(xué)問題及關(guān)鍵技術(shù)”為主題的第634次學(xué)術(shù)討論會(huì)。2019年7月19日全國(guó)第二屆小行星防御研討會(huì)在北京召開。2019年6月,中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)在第21屆年會(huì)上發(fā)布了20個(gè)對(duì)科學(xué)發(fā)展具有導(dǎo)向作用、對(duì)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新具有關(guān)鍵推動(dòng)作用的重大前沿科學(xué)問題和工程技術(shù)難題,“近地小天體調(diào)查、防御與開發(fā)問題”入選。“小行星撞擊地球及其帶來的影響”被《Science》雜志評(píng)為2019年十大科學(xué)突破。

學(xué)術(shù)界對(duì)這一問題重要而深遠(yuǎn)的意義達(dá)成共識(shí)：①小行星監(jiān)測(cè)預(yù)警、安全防御和資源利用是國(guó)際航天界面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn),是人類航天事業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn),必將牽引航天技術(shù)進(jìn)步,帶動(dòng)相關(guān)高新技術(shù)發(fā)展與轉(zhuǎn)化;②近地小天體撞擊地球的防御問題,與國(guó)家安全密切相關(guān),是大國(guó)必爭(zhēng)的戰(zhàn)略和技術(shù)制高點(diǎn);③開展近地小天體監(jiān)測(cè)預(yù)警與防御研究,是履行大國(guó)義務(wù),體現(xiàn)大國(guó)擔(dān)當(dāng),樹立、提升我國(guó)負(fù)責(zé)任大國(guó)形象,爭(zhēng)奪我國(guó)在國(guó)際航天事務(wù)中的主導(dǎo)權(quán)和話語權(quán)的重要舉措;④近地小天體監(jiān)測(cè)預(yù)警與防御研究,是人類保護(hù)自身生存與發(fā)展的必然選擇,是構(gòu)建人類命運(yùn)共同體重要而具體的體現(xiàn)。

防御小行星撞擊地球問題可以歸納為如下幾個(gè)方面：①小行星搜索和監(jiān)測(cè);②小行星撞擊地球的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;③潛在危險(xiǎn)小行星防御策略制定;④高風(fēng)險(xiǎn)小行星主動(dòng)防御任務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)施。

(3)空間交通管理 (STM)

隨著航天事業(yè)的迅猛發(fā)展,空間對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、軍事和國(guó)家安全日益重要,外層空間呈現(xiàn)出從擁擠 (Crowding)、競(jìng)爭(zhēng) (Competition)到對(duì)抗(Confrontation)乃至軍事化 (Militarization)轉(zhuǎn)變的局面。人類航天能力的體現(xiàn)也從當(dāng)初的進(jìn)入空間、利用空間向控制空間、清潔空間轉(zhuǎn)變,正在迎來管理空間、治理空間的重大變革的前夜,空間交通管理 (Space traffic management,STM)應(yīng)用而生。

空間交通管理是指在進(jìn)入空間、在軌運(yùn)行及再入過程中保障航天器安全和不受外界干擾的各種技術(shù)和政策規(guī)則法規(guī),保障空間有序并可持續(xù)使用?？臻g交通管理的對(duì)象是空間物體、空間行為、空間行為責(zé)任主體,內(nèi)容包括技術(shù)領(lǐng)域、運(yùn)行領(lǐng)域、政策領(lǐng)域?？臻g交通管理的特點(diǎn)：一是戰(zhàn)略性強(qiáng),空間交通管理具有重要的政治、軍事、外交、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等意義。二是牽扯面廣,空間交通管理涉及發(fā)射、在軌運(yùn)行、空間操作、測(cè)控、數(shù)據(jù)共享、再入返回、空間碎片、空間態(tài)勢(shì)感知等眾多領(lǐng)域?？臻g交通管理是當(dāng)前和未來IAA、IAC、IADC前沿和熱點(diǎn)話題之一。

空間碎片雖小,卻戰(zhàn)略性強(qiáng)、涉及面廣,關(guān)系重大,意義深遠(yuǎn)?！靶∷槠?、大安全”——空間碎片直接關(guān)乎國(guó)家空間資產(chǎn)安全,對(duì)維護(hù)國(guó)家利益和安全至關(guān)重要?！靶∷槠⒋笪恼隆薄臻g碎片是加速航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)、推動(dòng)航天技術(shù)應(yīng)用深度發(fā)展的極好切入點(diǎn)和重要推手。“小碎片、大形象”——空間碎片對(duì)提升國(guó)家外空事務(wù)話語權(quán)、支撐外交博弈、維護(hù)負(fù)責(zé)任航天大國(guó)形象舉足輕重?！靶∷槠?、大市場(chǎng)”——空間碎片市場(chǎng)化趨勢(shì)加快,空間碎片經(jīng)濟(jì)學(xué)已經(jīng)初現(xiàn)端倪,將成為商業(yè)航天的重要領(lǐng)域。

我國(guó)政府一直高度重視空間碎片問題。1999年財(cái)政部設(shè)立空間碎片科研專項(xiàng),2000年國(guó)防科工委開始實(shí)施空間碎片行動(dòng)計(jì)劃,2009年國(guó)防科工局 (國(guó)家航天局)將空間碎片科研正式納入國(guó)家航天發(fā)展規(guī)劃。今年,恰逢空間碎片專項(xiàng)設(shè)立20周年,經(jīng)過這20年的不懈發(fā)展,我國(guó)空間碎片研究從無到有,從弱到強(qiáng),走出了一條自力更生、自主創(chuàng)新、具有中國(guó)特色的發(fā)展道路。在空間碎片監(jiān)測(cè)、預(yù)警、防護(hù)、減緩領(lǐng)域都取得了豐碩成果,不僅保障了以載人航天為代表的多項(xiàng)重大航天任務(wù)圓滿完成,空間碎片人才隊(duì)伍日益壯大,研究水平不斷提升,并且積極參與國(guó)際規(guī)則制定,在聯(lián)合國(guó)外空委外空長(zhǎng)期可持續(xù) (LTS)多邊磋商談判和IADC組織中發(fā)揮了積極作用,對(duì)樹立我負(fù)責(zé)任航天大國(guó)的國(guó)際形象、提升我國(guó)外空話語權(quán)和國(guó)際影響力做出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。

目前,正值“十四五”空間碎片專項(xiàng)規(guī)劃啟動(dòng)之際,本文將評(píng)述空間碎片防護(hù)研究的國(guó)際前沿和趨勢(shì),分析我國(guó)空間碎片防護(hù)存在的問題,立足我國(guó)航天器防護(hù)發(fā)展需求,提出我國(guó)空間碎片防護(hù)領(lǐng)域研究發(fā)展建議。

2 國(guó)際防護(hù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)

廣義的航天器空間碎片防護(hù)是指提高航天器在空間碎片環(huán)境中生存能力的措施,具體包括：(1)航天器在空間碎片撞擊下的易損性 (損傷閾值和損傷程度);(2)基于空間碎片環(huán)境模型的航天器撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;(3)基于撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的航天器設(shè)備布局優(yōu)化設(shè)計(jì);(4)在航天器的高撞擊風(fēng)險(xiǎn)部位和易損部組件加裝防護(hù)屏。

航天器空間碎片防護(hù)最早可以追溯到20世紀(jì)50年代,為了洲際彈道導(dǎo)彈、深空探測(cè)器 (如美國(guó)的CONTOUR等)的安全,需要了解空間碎片、隕石碰撞引起飛行器的破壞效應(yīng),研究有效的防護(hù)結(jié)構(gòu),從而開始了以超高速碰撞為基礎(chǔ)的防護(hù)研究,并一直延續(xù)到了60年代“阿波羅”計(jì)劃。20世紀(jì)90年代以來,NASA為了國(guó)際空間站和高價(jià)值衛(wèi)星的安全,開展了大量的空間碎片防護(hù)研究,取得了豐碩成果。近幾年來,國(guó)際上空間碎片防護(hù)研究主要集中在以下幾個(gè)方面。

2.1 先進(jìn)防護(hù)材料的開發(fā)與探索

追求輕質(zhì)高抗撞擊性能的先進(jìn)防護(hù)材料是航天器空間碎片防護(hù)研究的永恒主題。為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的空間碎片環(huán)境,NASA等著力于把其現(xiàn)有的毫米級(jí)碎片 (尺寸10mm以下)防護(hù)能力向厘米級(jí)碎片 (尺寸1-10cm)提升、拓展。同時(shí)在考慮對(duì)太陽翼等不能遮擋的高撞擊風(fēng)險(xiǎn)部件的防護(hù)方法。2014年以來,NASA持續(xù)開展了驗(yàn)證厘米級(jí)碎片防護(hù)能力的超高速碰撞實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)了可以防御直徑8.6cm、質(zhì)量598g的鋁彈丸在6.9km/s速度撞擊下的多層填充防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)[10]。正在研究超高強(qiáng)度的多層石墨烯防護(hù)材料[11],可以吸收彈丸72%～75%的動(dòng)能的復(fù)合金屬泡沫,非晶態(tài)金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)材料等[12]。

2.2 航天器遭遇空間碎片撞擊的易損性研究

易損性 (Spacecraft Component Vulnerability for Space Debris Impact)研究的主要內(nèi)容是：(1)獲得航天器遭遇碎片撞擊后其組件/分系統(tǒng)的損傷閾值、損傷程度與撞擊參數(shù)的關(guān)系等; (2)獲得航天器組件/分系統(tǒng)的損傷模式及機(jī)理; (3)建立損傷準(zhǔn)則。由于航天器上部件/分系統(tǒng)繁多、各自失效模式及其對(duì)系統(tǒng)的影響差別很大、不同部件/分系統(tǒng)對(duì)碎片撞擊的敏感程度各異,使得這項(xiàng)研究具有很大挑戰(zhàn)性。易損性是IADC防護(hù)工作組未來幾年內(nèi)主要的研究?jī)?nèi)容之一,IADC已經(jīng)部署了對(duì)太陽電池陣、電纜、蓄電池、電子盒、多層絕熱材料 (MLI)、壓力容器、流體管道、透明材料、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料等航天器組件/分系統(tǒng)的有關(guān)研究[13]。美國(guó)開發(fā)了一種可以快速評(píng)估衛(wèi)星部件受碎片撞擊后的易損面積和部件毀傷概率的模型HIVAM。該模型借助了飛機(jī)、導(dǎo)彈的易損性分析模型COVART和FASTGEN代碼的輸出,直接耦合低速碰撞模型,確保了碎片低速、高速和超高速撞擊時(shí)的平滑過渡,可以定量、快速地計(jì)算衛(wèi)星部件承受碎片超高速撞擊的易損性面積和毀傷概率,為衛(wèi)星防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和易損性分析提供支持。

2.3 衛(wèi)星整星撞擊解體模型研究

圖2 衛(wèi)星整星撞擊解體模型實(shí)驗(yàn)[13]Fig.2 Experiment on break-up model of whole satellite impact

空間碎片撞擊下航天器的解體模型對(duì)建立高精度的空間碎片環(huán)境模型、評(píng)估空間突發(fā)事件、分析空間碎片態(tài)勢(shì)演化等十分重要。美國(guó)從2014年開始持續(xù)推進(jìn)以DebriSat Project為代表的衛(wèi)星遭遇超高速撞擊后的解體模型,計(jì)劃2020年完成[14]。該項(xiàng)目由NASA空間碎片辦公室 (NASA Orbital Debris Program Office,ODPO)和美國(guó)空軍空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心 (AF Space and Missile Systems Center,SMC)聯(lián)合資助,ODPO牽頭 (具體在約翰斯空間中心,JSC)聯(lián)合航空航天公司(The Aerospace Corporation)以及美國(guó)空軍阿諾德工程開發(fā)綜合體 (AF Arnold Engineering Development Complex,AEDC)和Aerospace Corporation公司、佛羅里達(dá)大學(xué)共同參與,其目的是改進(jìn)以前建立的衛(wèi)星遭遇超高速撞擊后的解體模型(Satellite OrbitalDebrisCharacterization Impact Test,SOCIT)。典型的衛(wèi)星解體實(shí)驗(yàn)如圖2所示。試驗(yàn)中模擬衛(wèi)星尺寸為45.7cm×45.7cm×50.8cm,試圖通過試驗(yàn)獲得衛(wèi)星解體的撞擊能量閾值和撞擊產(chǎn)生的碎片分布規(guī)律,研究非球形彈丸撞擊效應(yīng),并校驗(yàn)數(shù)值模擬的精度。

2.4 彈丸形狀對(duì)撞擊特性與效應(yīng)的影響研究

長(zhǎng)期以來,為方便地面實(shí)驗(yàn)?zāi)M,空間碎片撞擊特性的研究通常選用標(biāo)準(zhǔn)球形彈丸,而衛(wèi)星撞擊解體實(shí)驗(yàn) (SCOCIT)結(jié)果顯示絕大多數(shù)空間碎片的實(shí)際形狀并非球形,這就需要研究非球形彈丸對(duì)撞擊特性、效應(yīng)與防護(hù)性能的影響。從1972年Robert.H.Morrison最早在國(guó)際上開展超高速撞擊特性彈丸形狀效應(yīng)的研究[15]以來,有關(guān)研究一直持續(xù)不斷[16-18]。隨著球形彈丸特性研究基本上趨于成熟,非球形彈丸特性與效應(yīng)的影響研究便成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。圖3是各種非球形彈丸撞擊雙層板防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限曲線 (BLC)的對(duì)比[19]。非球形彈丸特性與效應(yīng)的影響研究是IADC防護(hù)工作組未來幾年內(nèi)主要的研究?jī)?nèi)容之一。另外環(huán)境溫度 (高低溫)對(duì)撞擊特性的影響也是IADC防護(hù)工作組關(guān)注的熱點(diǎn)。

圖3 三種圓柱體彈丸彈道極限曲線的比較(L/D=2,1,0.5)[18]Fig.3 Comparison of trajectory limit curves of 3 cylindrical projectiles(L/D=2,1,0.5)[18]

2.5 10km/s速度以上毫米級(jí)球形彈丸發(fā)射技術(shù)和撞擊特性研究

相比其他加速技術(shù),輕氣炮加速技術(shù)所具備的突出優(yōu)點(diǎn)是其所發(fā)射的彈丸的質(zhì)量、尺寸、形狀和材料具有更為寬廣的選擇范圍,且彈丸能夠在承受較低的加速度和較小的應(yīng)力情況下獲得較高的速度,因此二級(jí)輕氣炮技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外開展空間碎片地面超高速碰撞模擬研究最為重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段。但是現(xiàn)有的二級(jí)輕氣炮的發(fā)射能力一般在7km/s左右,空間碎片與航天器撞擊的平均速度為10km/s,二級(jí)輕氣炮發(fā)射裝置僅能夠模擬近地軌道上40%數(shù)量的空間碎片撞擊威脅。對(duì)于更高撞擊速度范圍的研究,目前主要是通過數(shù)值仿真和分析方法開展,缺乏有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和修正,使得研究結(jié)果具有較大的不確定性,嚴(yán)重制約了空間碎片防護(hù),因此迫切需要開展毫米級(jí)球形彈丸8km/s以上超高速發(fā)射實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究。

美國(guó)代頓大學(xué)從1998年開始研究8km/s以上毫米級(jí)球形彈丸發(fā)射技術(shù)[20],于2006年成功實(shí)現(xiàn)了1.4mm直徑鋁球形彈丸9.89km/s的超高速發(fā)射,發(fā)現(xiàn)了8km/s以上速度撞擊下和8km/s以下速度撞擊下明顯不同的物理現(xiàn)象[21]。初步獲得了8km/s以上速度撞擊下不同縮比Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限方程曲線 (圖4)[22,23]。

2017年法國(guó)宇航局借助內(nèi)彈道分析軟件、CFD和FEM結(jié)構(gòu)分析軟件,對(duì)現(xiàn)有的二級(jí)輕氣炮進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),提高了高壓組件的抗高壓能力,保證了發(fā)射過程中彈丸的完整性,實(shí)現(xiàn)了彈丸彈托的氣動(dòng)分離,實(shí)現(xiàn)了將1mm直徑鋁球彈丸發(fā)射至9.85km/s的超高速度,且彈丸彈托分離良好,最高曾獲得超過11.0km/s的速度;2mm直徑鋁合金彈丸所獲取的峰值速度為9.0km/s[24],有望實(shí)現(xiàn)將毫米級(jí)鋁合金球形彈丸發(fā)射至10.0～12.0km/s速度的能力。

2.6 10mm以下碎片的在軌探測(cè)

圖4 8km/s以上速度撞擊下三種比例Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)彈道極限曲線[22,23]Fig.4 Trajectory limit curves of Whipple protection structure experiments with 3 scales at an impact velocity above 8km/s

無論是基于探測(cè)數(shù)據(jù)的ORDEM模型還是基于解體事件分析的MASTER模型,它們對(duì)空間碎片環(huán)境的描述在10cm尺寸以上吻合很好,在1～10cm尺寸之間略有分歧,但在10mm以下差異很大,主要原因是缺乏10mm以下的空間碎片環(huán)境探測(cè)數(shù)據(jù)。為了彌補(bǔ)空間碎片數(shù)據(jù)空白區(qū) (圖5)[6],進(jìn)一步完善空間碎片環(huán)境模型,NASA設(shè)計(jì)了10mm以下的空間碎片在軌原位探測(cè)系統(tǒng)SDS(圖6),并于2017年12月在國(guó)際空間站上實(shí)現(xiàn)搭載 (圖7)[6]。目前還沒有有關(guān)探測(cè)數(shù)據(jù)的報(bào)道。

3 我國(guó)防護(hù)現(xiàn)狀與問題

20年來,我國(guó)在空間碎片防護(hù)領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展,不僅為我國(guó)載人航天器的空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支持,而且在多個(gè)研究方向彰顯出不同特色,能力不斷提升。但與國(guó)際水平相比仍有差距,在滿足工程需求方面“捉襟見肘”。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 我國(guó)空間碎片防護(hù)研究的若干進(jìn)展

(1)天宮系列和空間站防護(hù)設(shè)計(jì)

針對(duì)我國(guó)長(zhǎng)期在軌載人航天器“天宮一號(hào)”和“天宮二號(hào)”的空間碎片防護(hù),中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部研發(fā)了達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)軟件包MODAOST,開展了大量超高速撞擊仿真和試驗(yàn),提出采用Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分防護(hù)的技術(shù)方案,并針對(duì)“天宮一號(hào)”輻射器管路單點(diǎn)失效的特點(diǎn),在超高速撞擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持下對(duì)其設(shè)計(jì)構(gòu)型進(jìn)行了重大改動(dòng),在沒有額外增重的前提下,顯著提高了輻射器管路的抗撞擊能力?！疤鞂m一號(hào)”從2011年9月-2016年3月安全在軌5年,“天宮二號(hào)”從2016年9月-2019年7月安全在軌3年,充分驗(yàn)證了我國(guó)自主研制的空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)及防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。針對(duì)我國(guó)空間站采用了填充玄武巖加芳綸的先進(jìn)防護(hù)結(jié)構(gòu),比同等質(zhì)量Whipple結(jié)構(gòu)防護(hù)能力提高50%以上。

圖5 空間碎片數(shù)據(jù)空白區(qū)示意圖Fig.5 Data gaps of space debris

圖7 空間碎片在軌原位探測(cè)系統(tǒng)SDS在ISS位置示意圖Fig.7 Location of SDS onboard ISS

(2)先進(jìn)防護(hù)材料的開發(fā)

我國(guó)持續(xù)研發(fā)用于防護(hù)屏的基于動(dòng)能高效耗散機(jī)制的波阻抗梯度材料[25-30]、基于熱化學(xué)反應(yīng)的含能活性材料[31,32]和用于防護(hù)結(jié)構(gòu)填充材料的碳化硅纖維材料等。目前正在推進(jìn)這些高性能防護(hù)材料的工程化和型號(hào)應(yīng)用。

(3)衛(wèi)星易損性研究等其它研究

獲取了衛(wèi)星多種部件的撞擊機(jī)械損傷特性以及初步的功能降階特性,為后續(xù)降階/失效模型建立奠定基礎(chǔ)。建立了低中高軌道空間碎片環(huán)境工程模型SDEEM 2019,基本功能與可獲取的國(guó)際工程模型最新版本基本相當(dāng)。開展了MLI包覆蜂窩板結(jié)構(gòu)中填充Kevlar和Nextel的增強(qiáng)型MLI結(jié)構(gòu)研究,在基本不增加重量前提下撞擊性能提高100%,在SJ-9(AB)星上實(shí)施了搭載試驗(yàn)。

3.2 我國(guó)空間碎片防護(hù)研究存在的問題

(1)先進(jìn)防護(hù)材料短缺,國(guó)外先進(jìn)防護(hù)材料和技術(shù)對(duì)我封鎖禁運(yùn);

(2)超高速撞擊試驗(yàn)設(shè)備發(fā)射能力不足,現(xiàn)有二級(jí)輕氣炮發(fā)射能力只達(dá)到8km/s,不能滿足10km/s以上的需求;

(3)尚沒有具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)值模擬軟件;

(4)尚沒有具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精度空間碎片環(huán)境模型;

(5)尚未建立通用的、具有工程實(shí)踐性的衛(wèi)星空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)方法。

4 我國(guó)防護(hù)需求與發(fā)展建議

值此“十四五”空間碎片專項(xiàng)科研規(guī)劃制定之際,防護(hù)工作應(yīng)該立足我國(guó)航天發(fā)展需求,對(duì)標(biāo)國(guó)際先進(jìn)水平,彌補(bǔ)自己技術(shù)短板,積極應(yīng)對(duì)國(guó)際熱點(diǎn)和新興問題,突出創(chuàng)新性和亮點(diǎn),提升我國(guó)在國(guó)際上的顯示度和話語權(quán)。

4.1 防護(hù)需求從載人航天器轉(zhuǎn)向衛(wèi)星

經(jīng)過整整20年的發(fā)展,以載人航天器為核心任務(wù)的我國(guó)空間碎片防護(hù)需求隨著我國(guó)空間站的部署已經(jīng)接近尾聲,重心轉(zhuǎn)向了迄今一直都不設(shè)防的應(yīng)用衛(wèi)星。

載人航天器和衛(wèi)星的防護(hù)有很大不同。一方面,對(duì)載人航天器 (可以理解為一個(gè)大容器)而言,其艙壁被空間碎片擊穿就視為失效,其防護(hù)設(shè)計(jì)的依據(jù)是非擊穿概率 (PNP),即給定一個(gè)PNP,按照撞擊空間碎片的大小、撞擊速度和角度等對(duì)載人航天器的不同部位進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,如果某部位的PNP低于給定值,則需要在這個(gè)部位加裝防護(hù)結(jié)構(gòu)使得PNP大于等于給定值。衛(wèi)星則不同,衛(wèi)星的不同部件/分系統(tǒng)在空間碎片撞擊下的性能退化和失效閾值有很大的差異性。比如太陽翼經(jīng)常被空間碎片擊穿形成孔洞,但一般不會(huì)給太陽翼供電形成實(shí)質(zhì)性影響。衛(wèi)星的主電纜如果被空間碎片撞擊切斷,則會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星功能喪失乃至整星失效等等。另一方面,載人航天器幾何外形規(guī)則,主體部位都可以遮擋,而衛(wèi)星的幾何結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比載人航天器復(fù)雜且很多部位不能遮擋。因此,以PNP作為設(shè)計(jì)依據(jù)的方法不適用于衛(wèi)星防護(hù),必須從頂層開展衛(wèi)星易損性研究,獲得在空間碎片撞擊下衛(wèi)星部件/分系統(tǒng)的失效模式,為全面評(píng)估衛(wèi)星在空間碎片環(huán)境中的的風(fēng)險(xiǎn)、識(shí)別薄弱環(huán)節(jié)、有針對(duì)開展防護(hù)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。這也是IADC把衛(wèi)星易損性作為當(dāng)前重點(diǎn)研究任務(wù)的原因。當(dāng)然,我們應(yīng)同時(shí)兼顧宇航員在空間站的生存力的評(píng)估。

4.2 防護(hù)發(fā)展建議

針對(duì)我國(guó)未來載人航天器及應(yīng)用衛(wèi)星需求,對(duì)標(biāo)美國(guó)、歐洲防護(hù)結(jié)構(gòu)及材料研制、航天器易損性分析及超高速發(fā)射技術(shù)的國(guó)際最高水平,解決防護(hù)領(lǐng)域存在的系統(tǒng)分析方法薄弱、先進(jìn)防護(hù)材料自主性差和超高速發(fā)射設(shè)備能力不足等問題?！笆奈濉逼陂g,重點(diǎn)圍繞宇航員生存力提升和大型應(yīng)用衛(wèi)星防護(hù)性能提高為目標(biāo),開展航天器空間碎片防護(hù)易損性分析、自主防護(hù)結(jié)構(gòu)及防護(hù)材料研制、10km/s以上超高速穩(wěn)定發(fā)射設(shè)備建設(shè)及典型航天器空間碎片防護(hù)應(yīng)用示范等工作,為我國(guó)載人航天器及應(yīng)用衛(wèi)星的空間碎片防護(hù)提供重要的技術(shù)保障。

重點(diǎn)發(fā)展方向建議：

(1)航天器易損性評(píng)估系統(tǒng)開發(fā)

包括衛(wèi)星組件/分系統(tǒng)的損傷閾值、損傷程度與撞擊參數(shù)的關(guān)系;衛(wèi)星組件/分系統(tǒng)損傷模式及準(zhǔn)則研究;易損性評(píng)估方法研究;宇航員的生存力評(píng)估分析;評(píng)估系統(tǒng)的開發(fā)及集成等。

(2)新型防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

集成20年來國(guó)內(nèi)對(duì)高性能防護(hù)材料研發(fā)成果,推進(jìn)工程化和型號(hào)應(yīng)用;新型防護(hù)材料的研發(fā);用于衛(wèi)星防護(hù)的共型防護(hù)機(jī)構(gòu)研制 (用于防護(hù)衛(wèi)星重點(diǎn)裸露部位的防護(hù)結(jié)構(gòu));深空探測(cè)器防護(hù)結(jié)構(gòu)研究 (如彗星探測(cè))等。

(3)10km/s以上超高速撞擊試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)發(fā)展以三級(jí)輕氣炮為主要手段的毫米級(jí)球形彈丸10km/s以上超高速撞擊試驗(yàn)設(shè)備;開展10km/s以上超高速撞擊特性研究。

(4)兩個(gè)模型研究

一個(gè)是衛(wèi)星撞擊解體模型;一個(gè)是1cm以下空間碎片環(huán)境模型;開展毫米級(jí)空間碎片在軌探測(cè);開展彈丸形狀對(duì)撞擊特性與效應(yīng)的影響研究等。

(5)航天器空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)踐

LEO衛(wèi)星防護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)踐;GEO衛(wèi)星防護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)踐;深空探測(cè)器防護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)踐。

(6)小行星防御關(guān)鍵技術(shù)研究

研究動(dòng)能撞擊小行星過程的能量傳遞規(guī)律,建立動(dòng)能撞擊不同材質(zhì)和疏松度小行星軌道偏轉(zhuǎn)理論模型;研究不同材質(zhì)小行星在激光燒蝕作用下的作用力機(jī)理,獲得作用過程的沖量耦合規(guī)律,建立激光燒蝕驅(qū)動(dòng)小行星的動(dòng)力學(xué)模型;研究長(zhǎng)期微小作用力下小行星軌道的演化規(guī)律,建立計(jì)算模型;研究中長(zhǎng)期預(yù)警條件下的小行星軌道偏轉(zhuǎn)方法和防御策略;發(fā)展小行星防御的基礎(chǔ)理論和方法,為小行星防御的工程實(shí)施奠定理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)方法。

5 結(jié)束語

空間碎片防護(hù)研究的核心目的是提高航天器在空間碎片環(huán)境中的安全性和生存能力。只要有人類航天活動(dòng),就會(huì)有空間碎片,也就會(huì)有空間碎片防護(hù)需求。

國(guó)外空間碎片防護(hù)研究已經(jīng)走過了近60年的歷程,其成果在國(guó)際空間站和高價(jià)值衛(wèi)星上得到了充分應(yīng)用。

經(jīng)過20年的積極努力,國(guó)內(nèi)空間碎片防護(hù)研究已經(jīng)走過了從無到有、從弱到強(qiáng)的歷程,具備了較好的基礎(chǔ)。可以預(yù)見,“十四五”將是國(guó)內(nèi)空間碎片防護(hù)研究的收獲期,在不久的將來空間碎片防護(hù)研究將會(huì)為我國(guó)空間站和衛(wèi)星“保駕護(hù)航”發(fā)揮重要作用,會(huì)在國(guó)際社會(huì)占有一席之地。