空間碎片對長壽命低軌遙感衛星的影響研究

2015-07-08 01:38:25廖明云上海衛星工程研究所

國際太空 2015年6期

廖明云（上海衛星工程研究所）

空間碎片對長壽命低軌遙感衛星的影響研究

廖明云（上海衛星工程研究所）

從當前我國衛星技術的發展來看，低軌遙感衛星的設計壽命要求逐漸從2～3年提高到5～8年，遭受空間碎片撞擊的概率大幅提高，空間微小碎片對衛星的累積撞擊效應的危害性研究也日益受到重視。俄羅斯的和平號空間站在軌飛行15年，其70%的外體遭受到腐蝕，堅固程度下降了約60%，美國的“長期暴露裝置”（LDEF）在軌運行了5.75年后回收，地面檢測到的撞擊坑達34000個，其中85%以上是微小碎片撞擊形成的。現對衛星遭受空間碎片的影響及其危害進行分析，為長壽命低軌遙感衛星的空間碎片防護設計提供思路，提高衛星在軌運行的可靠性。

空間碎片質量在近地軌道逐年分布

1　近地軌道空間碎片情況

來源

在近地軌道，由衛星產生的空間碎片主要有以下4種。

1) 衛星發射過程和入軌后的拋棄物，主要是有效載荷保護蓋、輻冷器的防污罩、光學相機的鏡頭蓋，星箭分離裝置的包帶、爆炸螺栓、分離彈簧等；

2) 星上儲能裝置或活動部件失效導致衛星解體產生的碎片，包括剩余推進劑、蓄電池、高壓容器、飛輪、陀螺、紅外地平儀、太陽電池陣定向驅動機構以及各種有效載荷的活動部件；衛星與空間碎片或流星體撞擊導致衛星解體產生新的碎片；

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

4) 任務終止后的衛星本身成為空間碎片。

分布情況

依據空間碎片的大小，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量上來看，直徑大于10cm的空間碎片質量約占全部質量的99%以上，約3000t，人類在半個多世紀內發射入軌航天器有超過6000t，而目前留在軌道的上的碎片質量將近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

空間碎片對航天器造成的碰撞危害，可根據其對飛行任務的最終影響程度分為三類：一是災害性碰撞，航天器解體或關鍵設備損壞，造成飛行不可逆轉的失敗；二是可恢復碰撞，飛行任務短暫中斷或部分任務喪失；三是碰撞累計效應，隨著時間的增加，碰撞次數增多，航天器表面溫控層破壞引發內部設備的失效，從而導致飛行任務的永久失敗。

空間碎片與軌道上運行的航天器發生碰撞造成的破壞取決于空間碎片的質量和速度。大于0.01cm的空間碎片對衛星的主要影響是使表面發生凹陷和磨損，大于0.1cm的空間碎片會影響航天器結構，大于lcm的碎片會造成航天器嚴重損壞。由于空間碎片是活動的，所以在碰撞事件中即使很小的碎片與航夭器碰撞也會造成衛星的損壞。計算結果表明，在近地軌道發生碰撞的平均速度為9.1km/s，峰值達到16km/s，幾厘米大小金屬碎片的撞擊能量相當于130km/h疾馳的小汽車的撞擊能量。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，輕者會在航天器表面留下凹坑，重者會穿透航天器，造成部分功能失效，甚至會產生災難性的后果。

空間碎片增加速率

2　空間碎片對長壽命低軌遙感衛星的影響分析

在軌壽命延長造成總體碰撞概率增大

在低地球軌道上，長壽命的航天器不可避免地要遭遇撞擊。美國對壽命為30年的“國際空間站”預測其遭受碰撞的可能性高達19%。即使對于飛行任務僅為1周的航天飛機，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，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，原因是：對航天器的金屬防護層來說，這些尺寸的碎片太大，無法使它偏離空間站或失效：而地面雷達又因這些碎片的尺寸太小無法跟蹤，致使航天器不能采取主動回避的防范措施。

空間碎片與衛星碰撞的幾率與衛星的大小有關。衛星越大，碰撞的可能性越大；衛星在軌道上停留的時間越長，碰撞的機會越多。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，如果對于壽命為10年的航天器，碰撞幾率可高達10%。

熱控涂層的破壞

多次微小碎片碰撞會引起熱控涂層的表面退化，粗糙度增加，熱吸收系數變大，導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，可能造成嚴重破損，減低隔熱性能，甚至形成“冷點”，導致“冷點”附近設備、儀器失效。

美國航天飛機從“太陽峰年”（SMM）衛星帶回的失靈電子線路板及其外表面，發現熱控涂層上有許多受打擊的痕跡，有的小坑直徑達到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。空間碎片碰撞可導致熱控涂層剝離。脫落的涂層又形成碎片，繼續造成危害。美國“太陽峰年”衛星上的防熱毯的一個側面飛濺出碎末，小尺寸碎片轟擊熱控涂層，使其表面砂毛，使熱控性能改變。

微小空間碎片對光學器件的積累效應

光學器件對多次微小碰撞引起的表面退化非常敏感，光線散射程度會急劇增加。碰撞造成的污染粒子，會使儀器光學性能下降。空間微小碎片對太陽電池蓋片多次碰撞的“砂蝕”效應，會使蓋片透光性能下降，太陽電池陣的供電能力逐漸衰減。黃建國等人通過計算和模擬試驗，發現10年累積撞擊導致的太陽電池表面的面積損傷率平均約為0.61%，嚴重時達到2.3%；光學透射率衰減平均為0.5%，嚴重時可到1.5%。

太陽電池蓋片和光學載荷鏡片都是脆性物體。超高速顆粒碰撞脆性體表面產生的斑痕比在金屬表面上產生的大很多。例如，玻璃上的損傷區域是碎片直徑的25～30倍，在鋁材上是5倍。具有足夠能量的碎片能擊穿太陽電池蓋片和太陽電池本體，造成太陽電池陣與襯底短路。美國發射的地球觀測衛星-2的超高頻遙測信號中斷，低能等離子體實驗失效。分析認為，這是由于一部分太陽電池陣受到碎片撞擊，導致電池輸出線和結構短路而造成故障。

微小空間碎片與原子氧協同效應對材料的影響

微小碎片撞擊對空間功能性防護膜的損傷，會導致原子氧在損傷處“潛蝕”，導致材料防護性能降低。長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”長度是其3倍。0.1mm小損傷處的“潛蝕”長度是其8倍。

李宏偉等人利用等離子體驅動微小碎片加速器和潘寧源的原子氧模擬裝置開展了微小碎片撞擊與原子氧協同作用對Kapton膜和鍍鋁Kapton膜的侵蝕效應研究。實驗后，對微小碎片撞擊前后、原子氧輻照前后的質量進行測量。

微小碎片撞擊使得Kapton膜質量變小，且碎片速度越快，質量損失越大。主要原因是碎片高速撞擊在靶材料中產生激波，并在撞擊區域導致極高的壓力和溫度。在如此高的壓力和溫度下，碎片及靶會發生碎裂、熔化甚至汽化，使一定體積的靶物質被拋射出來形成彈坑，并在彈坑周圍一定范圍內造成形變及結構破壞。

同樣的原子氧通量下，碎片撞擊后的Kapton膜以及鍍鋁Kapton樣品質量損失要明顯大于未受撞擊Kapton以及鍍鋁Kapton樣品的質量損失，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，其質量損失很小，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用及壽命最主要的空間環境要素之一，兩者的協同作用將大大加劇空間材料遭遇的侵蝕效應，對航天器的壽命及可靠性構成威脅，制約我國長壽命高可靠航天器的發展。

微小碎片撞擊引起的Kapton膜質量變化

3　長壽命低軌遙感衛星空間碎片防護措施

系統防護設計

系統防護設計的基本原則是將碎片防護設計作為航天器總體設計的必不可少的部分，在航天器設計全過程中引入碎片防護設計的概念。以風險評估的結果為依據，在關鍵組件布局、防護結構設計和材料選擇方面整體考慮碎片防護的設計問題，達到最優化設計的效果，在盡可能少增加防護質量及不影響系統功能的情況下，達到規定的防護目標。在加拿大“雷達衛星”研制過程中，由美國航空航天局（NASA）的約翰遜航天中心（JSC）進行了風險評估和防護設計。評估結果表明，這顆5年壽命期內的衛星通過防護設計、調整布局并采用必要防護措施，在空間碎片環境中的生存率由50%提高到87%，而衛星質量僅增加了17kg，其防護設計效果非常明顯。

局部防護設計

微小碎片防護結構通常采用防護屏技術。防護結構種類通常有單層Whipple防護結構、雙層Whipple防護結構、填充式Whipple防護結構、多層沖擊防護結構、網狀雙層防護結構、蜂窩夾層板防護結構等。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的沖擊波；在沖擊波作用下，彈丸和靶板發生破碎、熔化甚至氣化現象，在防護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一步擴展，到達后墻時，會在后墻形成面積很大的損傷區域。這樣，通過緩沖屏使空間碎片撞擊能量密度很大的點能源變成擴散面積很大的面能源，降低了對后墻的損傷。

我國研究人員提出在衛星表面的多層隔熱氈（MLI）內增加抗穿透防護層的創新性設計思想，并完成了相關的理論分析和計算。通過試驗結果驗證，在不影響熱控性能的前提下，通過對衛星表面的多層隔熱氈進行空間碎片防護設計，在面密度僅增加990g/m2的情況下，衛星的空間碎片防護能力提高近200%。以某衛星為例，應用該研究成果進行改進后，衛星運行9年與目前運行3年的抗空間碎片撞擊風險相當。這標志著在軌衛星的壽命、可靠性、安全性將得到空前的提高。