空間碎片，是指人類空間活動的產物。包括完成任務的火箭箭體和衛星本體、火箭的噴射物、在執行航天任務過程中的拋棄物、空間物體之間的碰撞產生的碎塊等，是空間環境的主要污染源。
自從1957年蘇聯人造衛星發射以來，美國監測網路NORAD監測和編目了大約20000個左右直徑大於10cm的空間碎片。現在，大約還有7 500個碎片處於地球軌道中，主要在低地球軌道中(1995年數量為5747)。
基本介紹
- 中文名：空間碎片
- 外文名：space debris
分類,空間碎片的產生,空間碎片觀測,觀測區域,運動參數估計,軌道測量,對太空飛行器影響,空間碎片預警,預警模型,預警軟體,空間碎片清除,空間碎片與雷射相互作用,地基雷射清除空間碎片,
分類
人類遺留在空間的廢棄移動碎片稱作空間碎片。可以將碎片更具體地分為下列幾種：
1)不受控制的有效載荷；
2)運行中拋棄的殘骸和碎片（正常的空間活動所致）；
3)爆炸和撞擊產生的碎片；
4)微粒（例如固體火箭發動機噴出的鋁、漆片等）。
空間碎片的產生
自從1957年蘇聯人造衛星發射以來，美國監測網路NORAD監測和編目了大約20000個左右直徑大於10cm的空間碎片。現在，大約還有7 500個碎片處於地球軌道中，主要在低地球軌道中(1995年數量為5747)。剩下的13 000個，有的被燃盡，有的則返回地球，比如有效載荷。此外，還有直徑大於1 cm的碎片約10000個，直徑大於1mm碎片約100000個。碎片數量肯定會不斷增加，因為碎片彼此相撞會產生新的碎片（這種碎片被稱作二次碎片）。
空間碎片觀測
觀測區域
從空間碎片觀測的角度講，雷達探測區間能覆蓋星載平台前進方向半球牽域最好，可解決多方向碎片探測問題。基於星載平台的毫米波雷達觀測區域如右圖所示，其中大球表示地球，小球表示某時刻雷達的可觀測區域，筒狀結構內包含的區域即為所有可被雷達觀測到的區域集合。
在一定數據率下，為實現上述探測區域的覆蓋，雷達探測方式和天線的形式都需深入研究。比較可取的是不過度複雜的具有同時多波束的寬覆蓋天線。與此同時，根據星載平台周圍空間碎片的尺寸和其徑向速度的大小來劃分目標的威脅等級，確定星載雷達在某個時間段的觀測方向，插入目標確認和重複觀測任務，研究觀測過程中的雷達和碎片的時空關係也十分必要。
運動參數估計
對於尺度在厘米級的空間碎片，由於其雷達橫截面積很小，要達到探測所需的信噪比，需要較大尺寸的雷達天線和高的發射功率：在星載環境下，這兩個條件很難保證。脈衝積累尤其是脈衝相干積累是提高雷達探測信噪比的一個有效方法。從理論上講，1000個脈衝的相干積累可獲得30dB的信噪比提升，可大大提升雷達對目標的探測性能。但由於目標和雷達處於高速運動狀態，目標大範圍的距離徙動，使傳統相干積累的效果極為有限，需要研究新的運動目標探測技術。
解決上述問題的一個辦法是降低雷達的距離解析度，但是降低解析度會給後續其他信號處理工作，如目標速度在三維空間求解等，帶來很多閒難：：由於提高距離解析度會增大系統信號處理的壓力，但並不會影響目標信噪比，為同時解決目標速度的測量問題，系統使用寬頻信號並具有高解析度成像模式還是有意義的。
和傳統的目標探測雷達相比，以SAR和ISAR為代表的成像雷達對目標成像時都實施了運動補償，通過長時間的相十積累，獲得了較大的目標信噪比改善，這集中體現在SAR雷達方程中的信噪比和日標距離的3次方成反比 。可考慮將SAR和ISAR的一些成像處理方法引入空間目標的探測過程，用來提高檢測目標的信噪比。在此基礎上，雷達對遠距離日標信號可採用長時間相干積累，對近距離日標信號可採用短時間相干積累，並自動實現一定的靈敏度時間控制( STC)功能。由於在成像處理過程中，獲得目標徑向速度的同時，也可獲得目標橫向速度，故雷達成像可獲得更多的運動目標信息。
軌道測量
在星載條件下，雷達和空間碎片間存在高速徑向和橫向運動，傳統的搜尋-捕獲-跟蹤-目標運動參數估計一軌道測量過程很難建立。同時，由於雷達的作用距離有限，基於天線波束順序掃描通過連續跟蹤從目標較短的軌跡獲取軌道信息比較困難，需研究新的目標軌道測量方法。
雷達容易獲取某時刻目標的三維位置以及徑向速度，通過成像處理，也能獲得目標的橫向速度，但只有將徑向速度和橫向速度分解到平台坐標系三維空間並轉入天球坐標系，才可能解決目標的軌道預測問題。在星載平台上，由於空間正交布局天線的基線較短，傳統地基方法對目標在三維空間的測速精度很低，不能滿足軌道預測的要求。解決問題的一個辦法是，提高雷達的解析度並對目標進行成像處理，在高解析度成像模式下利用圖像配準將獲得的目標速度分解到雷達平台的三維空間，獲取目標三維運動參數，為其軌道預測創造條件。
設平台坐標系和天球坐標系的關係如右圖所示，平台坐標系原點
到地心的方向可設為x'軸方向，軸方向，z'軸方向垂直於平台的軌道平面，y’軸與x‘軸，z’軸構成右手坐標系，同時定義y’軸為平台前進方向，x’O'y’平面為天線波束俯仰掃描平面，y’O'z’平面為天線波束方位掃描平面。當天線波束任意指向時，為求解目標三維速度，需在坐標系原點O’和x‘、y’和z’三軸上正交布設4個天線；當天線波束指向在x’O’y’平面時，需在坐標系原點O’，和x’z’兩軸上正交布設三個天線，其基線長度可設為lx'和lz'。
由於需要使用多天線結構，且在有限基線數日卜要準確分解目標速度，宙達還需具有較高的解析度，這樣的一個審問碎片觀測雷達系統實際上較為複雜。
對太空飛行器影響
現代化學火箭推進的太空飛行器，其液體推進劑的質量占太空飛行器總質量50%以上，因此，太空飛行器液體推進劑的貯存系統具有質量輕、強度大、貯箱壁簿、安全係數小等特點。大尺寸的宇宙塵撞擊液體推進劑貯箱的可能性幾乎為零，能撞擊液體推進劑貯箱的宇宙塵質量範圍為10-12~1g。撞擊液體推進劑貯箱的宇宙塵質量雖小，但在太陽引力場作用下的撞擊速度可高達84km/s。在這樣高的撞擊速度下，質量為1ug的寧宙塵埃，就可以穿透1mm的鋁板。
因此，必需研究宇宙塵撞擊的規律，使液體推進劑貯箱避免宇宙塵埃的撞擊。宇宙塵埃和空間碎片撞擊液體推進劑貯存系統造成太空飛行器損壞主要有以下3種特徵。
(1)大尺度宇宙塵埃和空間碎片撞擊。寧宙塵埃和空間碎片的尺寸接近或超過液體推進劑貯箱的壁厚，質量接近或超過被撞擊部分的材料質量時，稱之為大尺度宇宙塵埃和空間碎片。大尺度寧宙塵埃和空間碎片撞擊液體推進劑貯箱，貯箱將被徹底貫穿，寧宙塵埃和空間碎片幾乎不損失動量和能量。
(2)中等尺度宇宙塵埃和空間碎片撞擊。宇宙塵埃和空間碎片尺度為液體推進劑貯箱壁厚的10%—20%時，稱為中等尺度宇宙塵埃和空間碎片。中等尺度宇宙塵埃和空間碎片撞擊液體推進劑貯箱，貯箱將被擊穿，宇宙塵埃和空間碎片的大部分能量被推進劑貯箱吸收，並引起強烈的衝擊波，導致被撞擊貯箱壁背面沿著裂縫擴散。貯箱破裂產生的碎片速度較低，但質量卻比寧宙塵埃和空間碎片大得多。空間環境中，中等尺度寧宙塵埃和空間碎片數量遠超過大尺度寧宙塵埃和空間碎片，因此，它的撞擊危害性更嚴重。
(3)微尺度寧宙塵埃和空間碎片撞擊。微尺度宇宙塵埃和空間碎片撞擊液體推進劑貯箱時，貯箱外表面被撞擊形成淺凹痕，並逐漸被微宇宙塵埃和空間碎片侵蝕。由於微尺度宇宙塵埃和空間碎片在地球周圍濃度較大，太空飛行器在低地球軌道做長時間航行時，微尺度宇宙塵埃和空間碎片的危害性尤為嚴重，液體推進劑貯箱被微宇宙塵埃和空間碎片破壞的機率為3. 6%/年。
空間碎片預警
載人飛船是典型的低軌道太空飛行器( LEO)，其軌道所處區域空間碎片密度較大，碎片的撞擊對飛船運行的可靠性和安全性構成嚴重威脅。特別是當航天員進行艙外活動時，由於失去了艙壁的保護，碎片撞擊的危害會更加嚴重，甚至直接威脅到航天員的生命安全。因此，通過考慮飛船運行的軌道高度、軌道傾角以及任務的時間節點等預報因子，採用國際上通用的預報模型，計算飛船軌道的空間碎片分布，得到任務期間飛船所處的空間碎片環境；在預報中給出環境評估結果，評估結果對於飛船調姿、變軌具有一定參考作用；同時，在預警軟體中以動態圖形的方式對飛船所經軌道的空間碎片環境進行預示，直觀顯示載人航天任務的空間碎片環境預警信息。在任務期間，可實時提供飛船所在位置不同尺度的空間碎片通量，並發布預警信息，以及時規避危險空間碎片。
預警模型
採用Ordem 2000模型對神舟飛船所處的空間碎片環境進行評估。Ordem2000是美國航空航天局根據遙測數據和地面測量數據開發的半經驗空間碎片環境工程模型，廣泛套用於對運行高度介於200~ 2000km之間的近地軌道區域的太空飛行器空間碎片風險評估。具體來說，Ordem 2000碎片模型為一個有限元模型，將空間及速度離散化，基於已有觀測數據再進行偏差修正得出空間碎片通量分布等分布狀態。以飛船運行的軌道參數及時間作為Ordem 2000模型的輸入，其中軌道參數包括遠地點高度、近地點高度和軌道傾角，或是以軌道半長軸、離心率和軌道傾角的形式表示；經過Ordem 2000模型計算得到給定軌道的空間碎片通量分布，對飛船進行空間碎片碰撞風險評估。
預警軟體
空間碎片直接威脅載人太空飛行器的飛行安全，尤其對於長期在軌飛行器，空間碎片的保障是空間天氣保障的常規性重要內容，而現有的碎片模型不具備提供飛行器與碎片的交會預報等功能。針對載人航天任務空間天氣保障需要，設計了專門的空間碎片預警系統軟體。通過對模型現有軟體進行最佳化，使之能夠實現飛行器與碎片的交會預報功能。軟體可根據每天下載更新的飛行器軌道數據，計算未來一天內，每秒鐘的飛行器與碎片的相對位置，並評估出飛行器與碎片的最小距離，同時能夠給出給碎片的編號，方便進一步的跟蹤模擬。軟體可設定起始時間、計算步長、計算天數、警戒距離、高度上限和下限，計算飛行器在軌運行過程中與空間碎片的交會狀況，包括交會的時間、最小距離和空間物體的名稱等。
空間碎片清除
雷射能源保障子系統以及雷射瞄準和發射子系統構成雷射器系統(簡稱雷射站)。雷射清除空間碎片方法中，如果將雷射器系統部署在地面稱為地基清除空間碎片方法；如果將雷射器系統部署在外層空間稱為天基清除空間碎片方法。
空間碎片與雷射相互作用
高能雷射束輻照物質表面，向物質表面注入能量，表面溫度急劇上升，表面熔融、汽化、產生電漿，形成蒸氣和電漿反噴羽流(與入射雷射方向相反)，使得靶材物質獲得衝量，即獲得速度增量(簡稱燒蝕反噴獲得速度增量)。
研究表明，入射雷射方向即使偏離表面法線方向，燒蝕反噴羽流方向始終沿著表面法線方向。
地基雷射清除空間碎片
地基雷射清除空間碎片是雷射站部署在地面，雷射束通過大氣傳輸，作用在空間碎片表面，表面燒蝕反噴獲得速度增量，降低原來軌道速度，改變碎片軌道近地點高度，當近地點高度低於150km時，碎片很快墜人大氣層中，在氣動阻力作用下迅速燒毀。
地基雷射清除空間碎片，由於具有能源保障方便、系統提供能量高、易於維護和技術可行性強等優點，得到普遍關注。美國、德國和日本等相繼開展了地基雷射清除空間碎片研究，其中美國NASA的ORION計畫最具有代表性。
