龔自正,趙秋艷,李明,宋光明,武強,陳川,張品亮

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

1 空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀與新興熱點問題

從1957年第一顆人造地球衛(wèi)星升空以來,人類共進行了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,仍在服役航天器2062個。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,任務后已在軌滯留10年,長度12.5m,直徑3m,質量超2t的美國阿特拉斯-5火箭上面級于2019年3月23-25日因未知原因解體,產生40～60個碎片,大部分尺寸超30cm。2019年3月27日印度代號“沙克提行動”的反衛(wèi)星試驗,產生尺寸大于5mm的碎片6500個,其中270個可被跟蹤,有12塊碎片達到1000km高度,使得國際空間站 (ISS)撞擊風險提高了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23000個;尺度在1～10cm的碎片數(shù)量約為75萬個;尺度在1～10mm的碎片數(shù)量約為1億個,1mm以下的碎片數(shù)量數(shù)以百億計,在未來50年間空間碎片數(shù)量每年將以10%的速度增長[3,4]。圖1給出了已被跟蹤編目的10cm以上空間碎片數(shù)量增長態(tài)勢。各主要航天國產生的空間碎片重量比例分別為：俄羅斯占62.4%,美國占23.4%,中國占4.2%,其他國家和機構占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)和移動通信衛(wèi)星的密集運行軌道。

表1 歷年航天器在軌解體事件數(shù)量統(tǒng)計[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10g的鋁球以10km/s的速度撞擊所產生的能量500kJ,與地面上1.3t、時速100km/h小汽車的撞擊能量相當?？臻g碎片超高速撞擊對航天器安全和航天員生命造成巨大潛在威脅。到2019年,國際空間站為躲避空間碎片撞擊進行了25次機動規(guī)避。國際上有公開報道的因碎片撞擊而失效或異常的衛(wèi)星超過16顆,我國航天器因空間碎片撞擊失效事件時有發(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,碰撞風險不斷攀升,空間碰撞事件頻發(fā),空間碎片環(huán)境日益惡化。模型預測顯示,70年后在LEO區(qū)域將發(fā)生空間碎片鏈式撞擊效應 (Kessler災難),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,大規(guī)模低軌小衛(wèi)星星座的爆炸式發(fā)展使已經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等為代表的國外民營航天企業(yè)已經開始著手超過3萬顆的低軌小衛(wèi)星星座的組網建設。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顆將主動墜落,5%成為碎片。2019年9月2日,ESA地球觀測衛(wèi)星Aeolus采取了機動規(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公司將在原計劃12000顆衛(wèi)星的基礎上再提交3萬顆衛(wèi)星的申請文件,計劃發(fā)射衛(wèi)星數(shù)總計超5萬個。華為也將計劃發(fā)射1萬多顆低軌小衛(wèi)星,建成萬物互聯(lián)IOE。大規(guī)模低軌星座計劃和發(fā)射數(shù)量呈爆炸式增長,遠遠超過了國際社會的原有預期,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爭、對天文學觀測的影響等。

表2 近年來美國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 定點位置 重量 事件時間 后果AMC-9 83°W 4100kg 2017.6.17 失聯(lián),解體EchoStar-3 61.5°W 1700kg 2017.6.17 變軌時失聯(lián),2017.9.6已經進入墳墓軌道NSS-806 47.5°W 2200kg 2017.7.31 1/3的通信轉發(fā)器失效Telkom-1 108°E 1700kg 2017.8.25 衛(wèi)星解體,產生一大片空間碎片

圖1 跟蹤編目的10cm以上空間碎片數(shù)量增長態(tài)勢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靜的一天,地球卻與一場“滅頂之災”擦肩而過,一顆名為“2019 OK”的小行星差點讓地球不“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日俄羅斯車里雅賓斯克發(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致76%地球生物(包括大型恐龍)滅絕。2014年11月5日在我國內蒙古錫林郭勒盟地區(qū),2017年10月4日在我國云南香格里拉,2018年6月1日在我國云南西雙版納連續(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,科技共同體和國際社會將其作為影響人類社會和文明可持續(xù)發(fā)展的一個重大科學問題來積極應對。1994年7月17日的蘇梅克-列維九號彗星與木星撞擊事件后,聯(lián)合國于1995年在紐約聯(lián)合國總部召開了第一次近地天體國際會議舉行。1999年聯(lián)合國第3次外空會議通過了“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的活動的國際協(xié)調的必要性”。2001年聯(lián)合國外空委設立了近地天體行動小組 (行動小組14)。2004年在聯(lián)合國外空委科技小組委員會上設立了近地天體議題 (NEO)。2013年聯(lián)合國外空委成立國際小行星預警網絡(IAWN)和空間任務規(guī)劃咨詢小組 (SMPAG)。2016年12月6日,聯(lián)合國大會在A/RES/71/90號決議將每年的6月30日設定為國際小行星日,以提高公眾對小行星撞擊危險的認識。2009年至今,國際宇航科學院 (IAA)已經舉辦6屆行星防御會議。

2018年9月13-14日在北京香山飯店召開了以“小行星監(jiān)測預警、安全防御和資源利用的前沿科學問題及關鍵技術”為主題的第634次學術討論會。2019年7月19日全國第二屆小行星防御研討會在北京召開。2019年6月,中國科學技術協(xié)會在第21屆年會上發(fā)布了20個對科學發(fā)展具有導向作用、對技術和產業(yè)創(chuàng)新具有關鍵推動作用的重大前沿科學問題和工程技術難題,“近地小天體調查、防御與開發(fā)問題”入選?！靶⌒行亲矒舻厍蚣捌鋷淼挠绊憽北弧禨cience》雜志評為2019年十大科學突破。

學術界對這一問題重要而深遠的意義達成共識：①小行星監(jiān)測預警、安全防御和資源利用是國際航天界面臨的重大技術挑戰(zhàn),是人類航天事業(yè)新的增長點,必將牽引航天技術進步,帶動相關高新技術發(fā)展與轉化;②近地小天體撞擊地球的防御問題,與國家安全密切相關,是大國必爭的戰(zhàn)略和技術制高點;③開展近地小天體監(jiān)測預警與防御研究,是履行大國義務,體現(xiàn)大國擔當,樹立、提升我國負責任大國形象,爭奪我國在國際航天事務中的主導權和話語權的重要舉措;④近地小天體監(jiān)測預警與防御研究,是人類保護自身生存與發(fā)展的必然選擇,是構建人類命運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方面：①小行星搜索和監(jiān)測;②小行星撞擊地球的風險評估;③潛在危險小行星防御策略制定;④高風險小行星主動防御任務設計與實施。

(3)空間交通管理 (STM)

隨著航天事業(yè)的迅猛發(fā)展,空間對國家的經濟、軍事和國家安全日益重要,外層空間呈現(xiàn)出從擁擠 (Crowding)、競爭 (Competition)到對抗(Confrontation)乃至軍事化 (Militarization)轉變的局面。人類航天能力的體現(xiàn)也從當初的進入空間、利用空間向控制空間、清潔空間轉變,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)應用而生。

空間交通管理是指在進入空間、在軌運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交通管理的對象是空間物體、空間行為、空間行為責任主體,內容包括技術領域、運行領域、政策領域?？臻g交通管理的特點：一是戰(zhàn)略性強,空間交通管理具有重要的政治、軍事、外交、經濟、技術等意義。二是牽扯面廣,空間交通管理涉及發(fā)射、在軌運行、空間操作、測控、數(shù)據(jù)共享、再入返回、空間碎片、空間態(tài)勢感知等眾多領域?？臻g交通管理是當前和未來IAA、IAC、IADC前沿和熱點話題之一。

空間碎片雖小,卻戰(zhàn)略性強、涉及面廣,關系重大,意義深遠。“小碎片、大安全”——空間碎片直接關乎國家空間資產安全,對維護國家利益和安全至關重要?！靶∷槠?、大文章”——空間碎片是加速航天強國建設、推動航天技術應用深度發(fā)展的極好切入點和重要推手。“小碎片、大形象”——空間碎片對提升國家外空事務話語權、支撐外交博弈、維護負責任航天大國形象舉足輕重?！靶∷槠?、大市場”——空間碎片市場化趨勢加快,空間碎片經濟學已經初現(xiàn)端倪,將成為商業(yè)航天的重要領域。

我國政府一直高度重視空間碎片問題。1999年財政部設立空間碎片科研專項,2000年國防科工委開始實施空間碎片行動計劃,2009年國防科工局 (國家航天局)將空間碎片科研正式納入國家航天發(fā)展規(guī)劃。今年,恰逢空間碎片專項設立20周年,經過這20年的不懈發(fā)展,我國空間碎片研究從無到有,從弱到強,走出了一條自力更生、自主創(chuàng)新、具有中國特色的發(fā)展道路。在空間碎片監(jiān)測、預警、防護、減緩領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重大航天任務圓滿完成,空間碎片人才隊伍日益壯大,研究水平不斷提升,并且積極參與國際規(guī)則制定,在聯(lián)合國外空委外空長期可持續(xù) (LTS)多邊磋商談判和IADC組織中發(fā)揮了積極作用,對樹立我負責任航天大國的國際形象、提升我國外空話語權和國際影響力做出了應有貢獻。

目前,正值“十四五”空間碎片專項規(guī)劃啟動之際,本文將評述空間碎片防護研究的國際前沿和趨勢,分析我國空間碎片防護存在的問題,立足我國航天器防護發(fā)展需求,提出我國空間碎片防護領域研究發(fā)展建議。

2 國際防護現(xiàn)狀與趨勢

廣義的航天器空間碎片防護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險評估;(3)基于撞擊風險評估的航天器設備布局優(yōu)化設計;(4)在航天器的高撞擊風險部位和易損部組件加裝防護屏。

航天器空間碎片防護最早可以追溯到20世紀50年代,為了洲際彈道導彈、深空探測器 (如美國的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,研究有效的防護結構,從而開始了以超高速碰撞為基礎的防護研究,并一直延續(xù)到了60年代“阿波羅”計劃。20世紀90年代以來,NASA為了國際空間站和高價值衛(wèi)星的安全,開展了大量的空間碎片防護研究,取得了豐碩成果。近幾年來,國際上空間碎片防護研究主要集中在以下幾個方面。

2.1 先進防護材料的開發(fā)與探索

追求輕質高抗撞擊性能的先進防護材料是航天器空間碎片防護研究的永恒主題。為了應對日益嚴峻的空間碎片環(huán)境,NASA等著力于把其現(xiàn)有的毫米級碎片 (尺寸10mm以下)防護能力向厘米級碎片 (尺寸1-10cm)提升、拓展。同時在考慮對太陽翼等不能遮擋的高撞擊風險部件的防護方法。2014年以來,NASA持續(xù)開展了驗證厘米級碎片防護能力的超高速碰撞實驗,設計了可以防御直徑8.6cm、質量598g的鋁彈丸在6.9km/s速度撞擊下的多層填充防護結構防護[10]。正在研究超高強度的多層石墨烯防護材料[11],可以吸收彈丸72%～75%的動能的復合金屬泡沫,非晶態(tài)金屬復合結構材料等[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)的關系等; (2)獲得航天器組件/分系統(tǒng)的損傷模式及機理; (3)建立損傷準則。由于航天器上部件/分系統(tǒng)繁多、各自失效模式及其對系統(tǒng)的影響差別很大、不同部件/分系統(tǒng)對碎片撞擊的敏感程度各異,使得這項研究具有很大挑戰(zhàn)性。易損性是IADC防護工作組未來幾年內主要的研究內容之一,IADC已經部署了對太陽電池陣、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)星結構材料等航天器組件/分系統(tǒng)的有關研究[13]。美國開發(fā)了一種可以快速評估衛(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、導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的平滑過渡,可以定量、快速地計算衛(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)星防護系統(tǒng)的設計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驗[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建立高精度的空間碎片環(huán)境模型、評估空間突發(fā)事件、分析空間碎片態(tài)勢演化等十分重要。美國從2014年開始持續(xù)推進以DebriSat Project為代表的衛(wèi)星遭遇超高速撞擊后的解體模型,計劃2020年完成[14]。該項目由NASA空間碎片辦公室 (NASA Orbital Debris Program Office,ODPO)和美國空軍空間與導彈系統(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、佛羅里達大學共同參與,其目的是改進以前建立的衛(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)星解體實驗如圖2所示。試驗中模擬衛(wèi)星尺寸為45.7cm×45.7cm×50.8cm,試圖通過試驗獲得衛(wèi)星解體的撞擊能量閾值和撞擊產生的碎片分布規(guī)律,研究非球形彈丸撞擊效應,并校驗數(shù)值模擬的精度。

2.4 彈丸形狀對撞擊特性與效應的影響研究

長期以來,為方便地面實驗模擬,空間碎片撞擊特性的研究通常選用標準球形彈丸,而衛(wèi)星撞擊解體實驗 (SCOCIT)結果顯示絕大多數(shù)空間碎片的實際形狀并非球形,這就需要研究非球形彈丸對撞擊特性、效應與防護性能的影響。從1972年Robert.H.Morrison最早在國際上開展超高速撞擊特性彈丸形狀效應的研究[15]以來,有關研究一直持續(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的影響研究便成為當前的熱點。圖3是各種非球形彈丸撞擊雙層板防護結構的彈道極限曲線 (BLC)的對比[19]。非球形彈丸特性與效應的影響研究是IADC防護工作組未來幾年內主要的研究內容之一。另外環(huán)境溫度 (高低溫)對撞擊特性的影響也是IADC防護工作組關注的熱點。

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速度以上毫米級球形彈丸發(fā)射技術和撞擊特性研究

相比其他加速技術,輕氣炮加速技術所具備的突出優(yōu)點是其所發(fā)射的彈丸的質量、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力情況下獲得較高的速度,因此二級輕氣炮技術是當前國內外開展空間碎片地面超高速碰撞模擬研究最為重要的實驗技術手段。但是現(xiàn)有的二級輕氣炮的發(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,缺乏有效的實驗數(shù)據(jù)驗證和修正,使得研究結果具有較大的不確定性,嚴重制約了空間碎片防護,因此迫切需要開展毫米級球形彈丸8km/s以上超高速發(fā)射實驗技術研究。

美國代頓大學從1998年開始研究8km/s以上毫米級球形彈丸發(fā)射技術[20],于2006年成功實現(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防護結構的彈道極限方程曲線 (圖4)[22,23]。

2017年法國宇航局借助內彈道分析軟件、CFD和FEM結構分析軟件,對現(xiàn)有的二級輕氣炮進行了優(yōu)化設計,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,實現(xiàn)了彈丸彈托的氣動分離,實現(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],有望實現(xiàn)將毫米級鋁合金球形彈丸發(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

圖4 8km/s以上速度撞擊下三種比例Whipple防護結構實驗彈道極限曲線[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)境探測數(shù)據(jù)。為了彌補空間碎片數(shù)據(jù)空白區(qū) (圖5)[6],進一步完善空間碎片環(huán)境模型,NASA設計了10mm以下的空間碎片在軌原位探測系統(tǒng)SDS(圖6),并于2017年12月在國際空間站上實現(xiàn)搭載 (圖7)[6]。目前還沒有有關探測數(shù)據(jù)的報道。

3 我國防護現(xiàn)狀與問題

20年來,我國在空間碎片防護領域取得顯著進展,不僅為我國載人航天器的空間碎片防護設計提供了強有力的支持,而且在多個研究方向彰顯出不同特色,能力不斷提升。但與國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)在以下幾個方面。

3.1 我國空間碎片防護研究的若干進展

(1)天宮系列和空間站防護設計

針對我國長期在軌載人航天器“天宮一號”和“天宮二號”的空間碎片防護,中國空間技術研究院總體部研發(fā)了達到國際先進水平的空間碎片防護設計軟件包MODAOST,開展了大量超高速撞擊仿真和試驗,提出采用Whipple防護結構進行部分防護的技術方案,并針對“天宮一號”輻射器管路單點失效的特點,在超高速撞擊試驗數(shù)據(jù)支持下對其設計構型進行了重大改動,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”從2011年9月-2016年3月安全在軌5年,“天宮二號”從2016年9月-2019年7月安全在軌3年,充分驗證了我國自主研制的空間碎片防護設計系統(tǒng)及防護結構設計技術。針對我國空間站采用了填充玄武巖加芳綸的先進防護結構,比同等質量Whipple結構防護能力提高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系統(tǒng)SDS在ISS位置示意圖Fig.7 Location of SDS onboard ISS

(2)先進防護材料的開發(fā)

我國持續(xù)研發(fā)用于防護屏的基于動能高效耗散機制的波阻抗梯度材料[25-30]、基于熱化學反應的含能活性材料[31,32]和用于防護結構填充材料的碳化硅纖維材料等。目前正在推進這些高性能防護材料的工程化和型號應用。

(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。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際工程模型最新版本基本相當。開展了MLI包覆蜂窩板結構中填充Kevlar和Nextel的增強型MLI結構研究,在基本不增加重量前提下撞擊性能提高100%,在SJ-9(AB)星上實施了搭載試驗。

3.2 我國空間碎片防護研究存在的問題

(1)先進防護材料短缺,國外先進防護材料和技術對我封鎖禁運;

(2)超高速撞擊試驗設備發(fā)射能力不足,現(xiàn)有二級輕氣炮發(fā)射能力只達到8km/s,不能滿足10km/s以上的需求;

(3)尚沒有具有自主知識產權的數(shù)值模擬軟件;

(4)尚沒有具有自主知識產權的高精度空間碎片環(huán)境模型;

(5)尚未建立通用的、具有工程實踐性的衛(wèi)星空間碎片防護設計方法。

4 我國防護需求與發(fā)展建議

值此“十四五”空間碎片專項科研規(guī)劃制定之際,防護工作應該立足我國航天發(fā)展需求,對標國際先進水平,彌補自己技術短板,積極應對國際熱點和新興問題,突出創(chuàng)新性和亮點,提升我國在國際上的顯示度和話語權。

4.1 防護需求從載人航天器轉向衛(wèi)星

經過整整20年的發(fā)展,以載人航天器為核心任務的我國空間碎片防護需求隨著我國空間站的部署已經接近尾聲,重心轉向了迄今一直都不設防的應用衛(wèi)星。

載人航天器和衛(wèi)星的防護有很大不同。一方面,對載人航天器 (可以理解為一個大容器)而言,其艙壁被空間碎片擊穿就視為失效,其防護設計的依據(jù)是非擊穿概率 (PNP),即給定一個PNP,按照撞擊空間碎片的大小、撞擊速度和角度等對載人航天器的不同部位進行風險評估,如果某部位的PNP低于給定值,則需要在這個部位加裝防護結構使得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。比如太陽翼經常被空間碎片擊穿形成孔洞,但一般不會給太陽翼供電形成實質性影響。衛(wèi)星的主電纜如果被空間碎片撞擊切斷,則會導致衛(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)星的幾何結構遠比載人航天器復雜且很多部位不能遮擋。因此,以PNP作為設計依據(jù)的方法不適用于衛(wèi)星防護,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,為全面評估衛(wèi)星在空間碎片環(huán)境中的的風險、識別薄弱環(huán)節(jié)、有針對開展防護設計奠定基礎。這也是IADC把衛(wèi)星易損性作為當前重點研究任務的原因。當然,我們應同時兼顧宇航員在空間站的生存力的評估。

4.2 防護發(fā)展建議

針對我國未來載人航天器及應用衛(wèi)星需求,對標美國、歐洲防護結構及材料研制、航天器易損性分析及超高速發(fā)射技術的國際最高水平,解決防護領域存在的系統(tǒng)分析方法薄弱、先進防護材料自主性差和超高速發(fā)射設備能力不足等問題?！笆奈濉逼陂g,重點圍繞宇航員生存力提升和大型應用衛(wèi)星防護性能提高為目標,開展航天器空間碎片防護易損性分析、自主防護結構及防護材料研制、10km/s以上超高速穩(wěn)定發(fā)射設備建設及典型航天器空間碎片防護應用示范等工作,為我國載人航天器及應用衛(wèi)星的空間碎片防護提供重要的技術保障。

重點發(fā)展方向建議：

(1)航天器易損性評估系統(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)的關系;衛(wèi)星組件/分系統(tǒng)損傷模式及準則研究;易損性評估方法研究;宇航員的生存力評估分析;評估系統(tǒng)的開發(fā)及集成等。

(2)新型防護結構設計

集成20年來國內對高性能防護材料研發(fā)成果,推進工程化和型號應用;新型防護材料的研發(fā);用于衛(wèi)星防護的共型防護機構研制 (用于防護衛(wèi)星重點裸露部位的防護結構);深空探測器防護結構研究 (如彗星探測)等。

(3)10km/s以上超高速撞擊試驗能力建設發(fā)展以三級輕氣炮為主要手段的毫米級球形彈丸10km/s以上超高速撞擊試驗設備;開展10km/s以上超高速撞擊特性研究。

(4)兩個模型研究

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

(5)航天器空間碎片防護設計實踐

LEO衛(wèi)星防護設計實踐;GEO衛(wèi)星防護設計實踐;深空探測器防護設計實踐。

(6)小行星防御關鍵技術研究

研究動能撞擊小行星過程的能量傳遞規(guī)律,建立動能撞擊不同材質和疏松度小行星軌道偏轉理論模型;研究不同材質小行星在激光燒蝕作用下的作用力機理,獲得作用過程的沖量耦合規(guī)律,建立激光燒蝕驅動小行星的動力學模型;研究長期微小作用力下小行星軌道的演化規(guī)律,建立計算模型;研究中長期預警條件下的小行星軌道偏轉方法和防御策略;發(fā)展小行星防御的基礎理論和方法,為小行星防御的工程實施奠定理論基礎和設計方法。

5 結束語

空間碎片防護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,就會有空間碎片,也就會有空間碎片防護需求。

國外空間碎片防護研究已經走過了近60年的歷程,其成果在國際空間站和高價值衛(wèi)星上得到了充分應用。

經過20年的積極努力,國內空間碎片防護研究已經走過了從無到有、從弱到強的歷程,具備了較好的基礎?？梢灶A見,“十四五”將是國內空間碎片防護研究的收獲期,在不久的將來空間碎片防護研究將會為我國空間站和衛(wèi)星“保駕護航”發(fā)揮重要作用,會在國際社會占有一席之地。