文/ 龔自正

小碎片，大問題

文/ 龔自正

2017年11月13日，國際宇航科學(xué)院（IAA）首屆空間態(tài)勢感知會議在佛羅里達(dá)召開。

2017年12月15日，一枚 “二手”獵鷹9火箭，向國際空間站發(fā)射了一艘 “二手”龍飛船，其上攜帶了一臺空間碎片傳感器，這臺空間碎片傳感器將被安裝在國際空間站上，以便更好地監(jiān)控環(huán)繞地球軌道飛行、塵埃顆粒大小的微小碎片。

此外，薩里衛(wèi)星技術(shù)公司（SSTL）牽頭進行的移除碎片（RemoveDebris）項目日前已經(jīng)組裝完畢，準(zhǔn)備在明年初擇機發(fā)射。該項目嘗試用網(wǎng)捕捉小衛(wèi)星，并測試魚叉對碎片清除是否有效。同時該公司還與宇宙尺度公司簽訂了為其“宇宙尺度送終服務(wù)驗證”（ELSA-d）項目建造目標(biāo)星的合同。這一項目主要驗證將出了故障又無法自行離軌的衛(wèi)星清離軌道的技術(shù)，預(yù)計將在2019年上半年發(fā)射。

這一系列與空間碎片相關(guān)的會議與發(fā)射任務(wù)，讓我們不由得把目光聚焦在空間碎片這一問題上。為此，本刊特別邀請中國航天科技集團有限公司五院首席研究員、北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研究員、博士生導(dǎo)師，長期從事空間碎片防護與移除研究的龔自正博士為您講解空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀及其危害，并對空間碎片監(jiān)測、防護、移除研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進行分析。

由于空間對經(jīng)濟社會、國家安全、高科技等的巨大利益和推動作用，越來越多的國家都在不斷發(fā)展航天事業(yè)。迄今，已有13個國家和機構(gòu)有能力進行航天發(fā)射活動，超過60個國家和實體在從事航天器運營活動。從1957年第一顆人造地球衛(wèi)星升空以來，截止到2017年底人類共進行了近5000余次航天器發(fā)射活動，把6700余顆航天器送入軌道，在所有發(fā)射的航天器中只有近1400個航天器在有效服役，而其他的因喪失功能而變成了空間垃圾。同時，已發(fā)生過260余次在軌航天器或火箭解體/爆炸/撞擊（破碎）事件。他們產(chǎn)生了數(shù)量眾多的太空垃圾，形成了唯一一個人為的外層空間環(huán)境——空間碎片環(huán)境。

【小知識】空間碎片就是人類航天活動在外太空產(chǎn)生的垃圾。聯(lián)合國和平利用外層空間委員會（UNCOPOUS）和國際機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會（IADC）對空間碎片的定義是：地球軌道上在軌運行或再入大氣層的無功能的人造物體及其殘塊和組件。

▲ 空間碎片分布示意圖 (左)LEO空間碎片分布， (右) GEO空間碎片分布（赤道面圖像）

▲ 各主要航天國產(chǎn)生的空間碎片的數(shù)量和質(zhì)量比例

▲ LEO軌道碎片的空間分布密度

數(shù)以百億計的空間碎片

到2017年底，美國空間監(jiān)測網(wǎng)在地球軌道已經(jīng)跟蹤到42000個空間物體，空間碎片總的質(zhì)量達(dá)到了7400噸，其中在低軌區(qū)域（LEO，軌道高度200公里～2000 公里）的質(zhì)量為2700 噸。地球軌道中尺度在10 厘米以上的空間碎片數(shù)量已達(dá)23000個；尺度在1厘米～10厘米的碎片數(shù)量大約為70萬個；尺度在1毫米～10毫米的碎片數(shù)量約為1億個，1毫米以下的碎片數(shù)量數(shù)以百億計。

空間碎片平均質(zhì)量密度為2.7 g/cm3，主要成分為鋁/鋁合金（占44%）、復(fù)合材料（占37%）、不銹鋼（占12%）及鈦合金和銅等?？臻g碎片主要幾何形狀為板狀、塊狀、桿狀、薄片狀，絕大部分為不規(guī)則形狀。

空間碎片在低軌區(qū)域（LEO）、中軌區(qū)域（MEO，軌道高度20000公里）和高軌區(qū)域（地球同步軌道區(qū)域，GEO，軌道高度36000公里）已編目的空間碎片數(shù)量比例分別為：75.2%、8.3%、9.4%。其中，LEO區(qū)域的空間碎片在軌道高度700公里～1100公里附近有最大的分布密度。

總體上看，空間碎片在空間高度分布是不均勻的，90%以上的目標(biāo)位于LEO、MEO、GEO三個軌道高度區(qū)域，這三處正是人造衛(wèi)星的主要分布區(qū)。

撞擊后果很可怕

由喬治·克魯尼和桑德拉·布洛克主演的奧斯卡獲獎影片《地心引力》，講述了一個在探索者號航天飛機上的兩名男航天員和一名女航天員出艙進行哈勃望遠(yuǎn)鏡維修時，遭遇太空碎片襲擊，導(dǎo)致飛船發(fā)生嚴(yán)重事故的故事。影片逼真再現(xiàn)了太空垃圾的恐怖危險，其危害主要來自超高速碰撞。一個直徑1厘米的鋁球以10公里/秒速度運動的動能與一輛2噸的小轎車以80公里/小時行駛的動能相當(dāng)。那么什么是超高速撞擊（碰撞）呢？爆炸力學(xué)和高壓物理中對超高速撞擊（碰撞）的定義是：撞擊所產(chǎn)生的沖擊壓強遠(yuǎn)大于彈丸或靶板材料強度的一類撞擊現(xiàn)象。對大多數(shù)金屬材料而言，碰撞速度大于3公里/秒時就是超高速撞擊。在距地面2000 公里內(nèi)的人類使用最頻繁的低地球軌道（LEO）上，碎片運行速度為7.8 公里/秒（第一宇宙速度），它們與航天器發(fā)生超高速撞擊，其相對撞擊速度范圍在0-15 公里/秒，平均撞擊速度為10公里/秒。右上表給出了飛機、高鐵、子彈、超音速導(dǎo)彈、空間碎片的碰撞速度和效應(yīng)對比。相比空間碎片而言，我們熟知的飛機、高鐵、子彈就是很低速的撞擊了。

不同尺寸的空間碎片會產(chǎn)生不同的撞擊效應(yīng)。10厘米以上的空間碎片撞擊可導(dǎo)致航天器爆炸、解體、徹底失效；此類碎片無法防護，但可精準(zhǔn)監(jiān)測、編目管理，航天器可對其實施主動規(guī)避。1厘米～10厘米以上的空間碎片撞擊可引起航天器部組件、分系統(tǒng)、整器功能損失，乃至整器爆炸、解體、徹底失效；此類碎片目前尚不能精準(zhǔn)監(jiān)測，尚無有效防護措施。1厘米以下的空間碎片撞擊可引起航天器部組件、分系統(tǒng)甚至整器功能損失或失效；此類碎片無法監(jiān)測、編目管理，但可加裝防護結(jié)構(gòu)來被動防護。

空間碎片撞擊產(chǎn)生的極高壓強超過航天器材料屈服強度的數(shù)十到數(shù)百倍，會穿透航天器表面，并形成大面積的高速碎片云，破壞內(nèi)部的器件和系統(tǒng)，輕則導(dǎo)致航天器外露敏感表面性能衰退、功能喪失，重則對結(jié)構(gòu)和載荷造成嚴(yán)重的機械損傷甚至使整個航天器徹底爆炸解體，對航天器安全和航天員生命造成巨大潛在威脅。航天器的體積越大、在軌飛行時間越長，其遭遇空間碎片撞擊的風(fēng)險也就越大。

▲各種撞擊速度和效應(yīng)對比

▲不同尺寸空間碎片的危害及對策

碰撞事件頻發(fā)

衛(wèi)星、國際空間站、航天飛機、長期暴露裝置等均屢遭空間碎片撞擊。

到2016年底，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15顆。國際上為躲避碎片撞擊而進行的衛(wèi)星機動規(guī)避已達(dá)每年30余次，全球碎片撞擊衛(wèi)星概率大于10-4的事件超過1000次/年。1996年7月24日，法國CERISE電子偵察衛(wèi)星與阿里安5末級火箭殘骸相撞。撞擊導(dǎo)致該偵察衛(wèi)星的重力梯度穩(wěn)定桿損壞，最終衛(wèi)星失效。

北京時間2009年2月11日0時55分59秒，美國1997年9月14日發(fā)射的通信衛(wèi)星銥星33與俄羅斯1993年6月16日發(fā)射的已報廢多年的“宇宙2251“號軍用通信衛(wèi)星在西伯利亞上空發(fā)生激烈相撞，撞擊速度達(dá)每秒11.6公里。碰撞發(fā)生地點為東經(jīng)97.88度、北緯72.50度、高度788.57公里的空域。這是人類歷史上首次發(fā)生在太空的衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的大撞擊事故，震驚了世界。這一驚天大碰撞當(dāng)時產(chǎn)生10厘米以上可編目碎片4,400個；1厘米以上的碎片超過250,000個， 1毫米以上的碎片2,000,000個（數(shù)據(jù)基于NASA 衛(wèi)星解體模型計算）；至今仍有可跟蹤編目碎片2200個。

2002年3月16日，厘米級碎片與靠近Jason-1地球海洋衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)的左側(cè)太陽帆板發(fā)生撞擊，在衛(wèi)星姿態(tài)出現(xiàn)擾動的同時，伴隨暫時的電流擾動。2013年5月24日，厄瓜多爾“飛馬座”衛(wèi)星在印度洋上空與一枚由前蘇聯(lián)1985年發(fā)射升空的火箭燃料箱殘骸發(fā)生“側(cè)面撞擊”，導(dǎo)致衛(wèi)星壽命終結(jié)。2016年8月23日，歐空局的“哨兵-1A”衛(wèi)星太陽翼遭遇了尺度為1厘米、重量0.2克的碎片以相對速度11公里/秒的撞擊，衛(wèi)星軌道產(chǎn)生了0.7毫米/秒、姿態(tài)產(chǎn)生幾度的變化，一側(cè)的太陽翼供電受損5%，并產(chǎn)生了8個可跟蹤的碎片。

美國宇航局為了對空間碎片撞擊進行就位探測，于1984年4月發(fā)射了長期暴露裝置（LDEF），軌道高度400公里～286公里，暴露面積約130平方米，在軌運行5.75年，可見撞擊坑達(dá)3.4萬個，其中大于0.5毫米的撞擊坑達(dá)5000個。

阿特蘭蒂斯號航天飛機在執(zhí)行STS-86飛行任務(wù)中遭受了最嚴(yán)重的一次撞擊，一個毫米級碎片擊穿了熱控管路外面的beta布，在管路上留下一個0.8毫米大小、0.47毫米深的撞擊坑，經(jīng)檢測，管路內(nèi)壁產(chǎn)生了崩落，距離管路泄漏只有一步之遙。發(fā)現(xiàn)號航天飛機2000年10月執(zhí)行和國際空間站的對接任務(wù)，在13天飛行期間，被撞擊38次，最大撞擊坑達(dá)1厘米。奮進號航天飛機飛行11天被撞擊30次。

▲歐空局“哨兵-1A”在軌遭遇碎片撞擊導(dǎo)致功能下降

▲LDEF上的撞擊坑

▲碎片撞擊導(dǎo)致國外衛(wèi)星異常或失效事件

國際空間站迄今為止為了躲避10厘米以上空間碎片的撞擊進行了24次機動規(guī)避，每次規(guī)避消耗推進劑約30千克。另外，國際空間站外露材料如熱防護毯、舷窗玻璃等均留下了眾多的毫米級碎片撞擊坑。

2014年3月，美國宇航局發(fā)布了哈勃望遠(yuǎn)鏡在運行15年中受到空間碎片撞擊的最新數(shù)據(jù)：大于0.7毫米的撞擊坑有63個，其太陽翼在運行8年中直徑為3微米～7 毫米的撞擊坑/孔多達(dá)6000個，其中完全穿透的撞擊孔達(dá)150個。

頻繁發(fā)生的空間碰撞事件表明，空間碎片已對人類空間資產(chǎn)安全運行構(gòu)成嚴(yán)重的現(xiàn)實威脅，嚴(yán)重影響人類航天活動的長期可持續(xù)發(fā)展。★

夏丹