空间碎片对长寿命低轨遥感卫星的影响研究

航天 · 2016-11-22 23:45:38

从当前我国卫星领域的发展来看，低轨遥感卫星的设计寿命要求逐渐从2～3年提高到5～8年，遭受空间碎片撞击的概率大幅提高，空间微小碎片对卫星的累积撞击效应的危害性研究也日益受到重视。俄罗斯的和平号空间站在轨飞行15年，其70%的外体遭受到腐蚀，坚固程度下降了约60%，美国的“长期暴露装置”（LDEF）在轨运行了5.75年后回收，地面检测到的撞击坑达34000个，其中85%以上是微小碎片撞击形成的。现对卫星遭受空间碎片的影响及其危害进行分析，为长寿命低轨遥感卫星的空间碎片防护设计提供思路，提高卫星在轨运行的可靠性。　　一、近地轨道空间碎片情况　　来源　　在近地轨道，由卫星产生的空间碎片主要有以下4种。　　1 卫星发射过程和入轨后的抛弃物，主要是有效载荷保护盖、辐冷器的防污罩、光学相机的镜头盖，星箭分离装置的包带、爆炸螺栓、分离弹簧等；　　2 星上储能装置或活动部件失效导致卫星解体产生的碎片。包括剩余推进剂、蓄电池、高压容器、飞轮、陀螺、红外地平仪、太阳电池阵定向驱动机构以及各种有效载荷的活动部件；卫星与空间碎片或流星体撞击导致卫星解体产生新的碎片；　　3 微小空间碎片、微流星体、氧原子、太阳辐射等造成卫星表面涂层、隔热多层材料以及太阳电池片等的剥落；　　4 任务终止后的卫星本身成为空间碎片。　　分布情况　　依据空间碎片的大小，通常将大于10cm的空间碎片称为大碎片，1mm～10cm的称为中等碎片，小于1mm的称为小碎片。　　地球轨道上的空间碎片分布从质量上来看，直径大于10cm的空间碎片质量约占全部质量的99%以上，约3000t，人类在半个多世纪内发射入轨航天器有超过6000t，而目前留在轨道的上的碎片质量将近50%；这3000t空间碎片中分布在近地轨道约为2500t。　　空间碎片质量在近地轨道逐年分布　　在空间活动开始后的前45年（1957－2003年）空间碎片平均每年增加250个左右。从2003年到2010年猛增为每年1475个左右。其主要原因是空间碰撞产生数量巨大的碎片；次要原因是近几年卫星发射数量和空间碎片累积数量增加，导致一般性碰撞或载荷老化产生碎片的概率也增加。　　　　空间碎片的危害　　空间碎片对航天器造成的碰撞危害，可根据其对飞行任务的最终影响程度分为三类：一是灾害性碰撞，航天器解体或关键设备损坏，造成飞行不可逆转的失败；二是可恢复碰撞，飞行任务短暂中断或部分任务丧失；三是碰撞累计效应，随着时间的增加，碰撞次数增多，航天器表面温控层破坏引发内部设备的失效，从而导致飞行任务的永久失败。　　空间碎片与轨道上运行的航天器发生碰撞造成的破坏取决于空间碎片的质量和速度。大于0.01cm的空间碎片对卫星的主要影响是使表面发生凹陷和磨损，大于0.1cm的空间碎片会影响航天器结构，大于lcm的碎片会造成航天器严重损坏。由于空间碎片是活动的，所以在碰撞事件中即使很小的碎片与航夭器碰撞也会造成卫星的损坏。计算结果表明，在近地轨道发生碰撞的平均速度为9.1km/s，峰值达到16km/s，几厘米大小金属碎片的撞击能量相当于130km/h疾驰的小汽车的撞击能量。因此，直径仅几厘米的空间碎片与航天器相撞就可能摧毁航天器。空间碎片以超高速（平均10km/s)的速度撞击航天器表面，轻者会在航天器表面留下凹坑，重者会穿透航天器，造成部分功能失效，甚至会产生灾难性的后果。　　二、空间碎片对长寿命低轨遥感卫星的影响分析　　在轨寿命延长造成总体碰撞概率增大　　在低地球轨道上，长寿命的航天器不可避免地要遭遇撞击。美国对寿命为30年的“国际空间站”预测其遭受碰撞的可能性高达19%。即使对于飞行任务仅为1周的航天飞机，在8次飞行中也可能有一次遭到较轻的破坏。近地轨道的空间站将面临中等尺寸空间碎片撞击的危险，这种尺寸的碎片多为直径l~10cm的碎片。这种空间垃圾之所以最危险，原因是：对航天器的金属防护层来说，这些尺寸的碎片太大，无法使它偏离空间站或失效：而地面雷达又因这些碎片的尺寸太小无法跟踪，致使航天器不能采取主动回避的防范措施。　　空间碎片与卫星碰撞的几率与卫星的大小有关。卫星越大，碰撞的可能性越大；卫星在轨道上停留的时间越长，碰撞的机会越多。直径3mm的空间碎片与截面为10m2的航天器在800km轨道上的碰撞几率为0.01次/年。也就是说，如果对于寿命为10年的航天器，碰撞几率可高达10%。　　热控涂层的破坏　　多次微小碎片碰撞会引起热控涂层的表面退化，粗糙度增加，热吸收系数变大，导致航天器热控性能下降。多层绝热材料受微小碎片多次碰撞，可能造成严重破损，减低隔热性能，甚至形成“冷点”，导致“冷点”附近设备、仪器失效。　　美国航天飞机从“太阳峰年”（SMM）卫星带回的失灵电子线路板及其外表面，发现热控涂层上有许多受打击的痕迹，有的小坑直径达到140μm，穿孔的直径为80~500μm。分析表明，70%是空间碎片造成的，30%是微流星造成的。空间碎片碰撞可导致热控涂层剥离。脱落的涂层又形成碎片，继续造成危害。美国“太阳峰年”卫星上的防热毯的一个侧面飞溅出碎末，小尺寸碎片轰击热控涂层，使其表面砂毛，使热控性能改变。　　微小空间碎片对光学器件的积累效应　　光学器件对多次微小碰撞引起的表面退化非常敏感，光线散射程度会急剧增加。碰撞造成的污染粒子，会使仪器光学性能下降。空间微小碎片对太阳电池盖片多次碰撞的“砂蚀”效应，会使盖片透光性能下降，太阳电池阵的供电能力逐渐衰减。黄建国等人通过计算和模拟试验，发现10年累积撞击导致的太阳电池表面的面积损伤率平均约为0.61%，严重时达到2.3%；光学透射率衰减平均为0.5%，严重时可到1.5%。　　太阳电池盖片和光学载荷镜片都是脆性物体。超高速颗粒碰撞脆性体表面产生的斑痕比在金属表面上产生的大很多。例如，玻璃上的损伤区域是碎片直径的25~30倍，在铝材上是5倍。具有足够能量的碎片能击穿太阳电池盖片和太阳电池本体，造成太阳电池阵与衬底短路。美国发射的地球观测卫星－2的超高频遥测信号中断，低能等离子体实验失效。分析认为，这是由于一部分太阳电池阵受到碎片撞击，导致电池输出线和结构短路而造成故障。　　微小空间碎片与原子氧协同效应对材料的影响　　微小碎片撞击对空间功能性防护膜的损伤，会导致原子氧在损伤处“潜蚀”，导致材料防护性能降低。长期暴露装置镀铝多层绝热毯的表面分析表明，0.6mm大损伤处的“潜蚀”长度是其3倍。0.1mm小损伤处的“潜蚀”长度是其8倍。　　李宏伟等人利用等离子体驱动微小碎片加速器和潘宁源的原子氧模拟装置开展了微小碎片撞击与原子氧协同作用对Kapton膜和镀铝Kapton膜的侵蚀效应研究。试验后，通过对微小碎片撞击前后、原子氧辐照前后的质量进行测量。　　微小碎片撞击使得Kapton质量变小，且碎片速度越快，质量损失越大。主要原因是碎片高速撞击在靶材料中产生激波，并在撞击区域导致极高的压力和温度。在如此高的压力和温度下，碎片及靶会发生碎裂、熔化甚至汽化，使一定体积的靶物质被抛射出来形成弹坑，并在弹坑周围一定范围内造成形变及结构破坏。　　同样的原子氧通量下，碎片撞击后的Kapton以及镀铝Kapton样品质量损失要明显大于未受撞击Kapton以及镀铝Kapton样品的质量损失，而且，镀铝Kapton在未受到碎片撞击的情况下，具有很好的抗原子氧侵蚀能力。在原子氧等效注入通量为1.1×1020cm-2时，其质量损失很小，而受到碎片撞击之后，其抗原子氧侵蚀能力显著下降，在原子氧等效注入通量为1.1×1020cm-2时，其质量损失比较大。　　微小碎片和原子氧都是影响空间材料应用及寿命最主要的空间环境要素之一，两者的协同作用将大大加剧空间材料遭遇的侵蚀效应，对航天器的寿命及可靠性构成威胁，制约我国长寿命高可靠航天器的发展。　　三、长寿命低轨遥感卫星空间碎片防护措施　　系统防护设计　　系统防护设计的基本原则是将碎片防护设计作为航天器总体设计的必不可少的部分，在航天器设计全过程中引入碎片防护设计的概念。以风险评估的结果为依据，在关键组件布局、防护结构设计和材料选择方面整体考虑碎片防护的设计问题，达到最优化设计的效果，在尽可能少增加防护质量及不影响系统功能的情况下，达到规定的防护目标。加拿大“雷达”卫星在研制过程中，由美国航空航天局（NASA）的约翰逊航天中心（JSC）进行了风险评估和防护设计。评估结果表明，这颗5年寿命期内的卫星通过防护设计、调整布局并采用必要防护措施，在空间碎片环境中的生存率由50%提高到87%，而卫星质量仅增加了17kg，其防护设计效果非常明显。　　　　局部防护设计　　微小碎片防护结构通常采用防护屏技术。防护结构种类通常有单层Whipple结构、双层Whipple防护结构、填充式Whipple防护结构、多层冲击防护结构、网状双层防护结构、蜂窝夹层板防护结构等。其基本原理：弹丸超高速撞击缓冲屏后，在靶板和弹丸间形成很强的冲击波；在冲击波作用下，弹丸和靶板发生破碎、熔化甚至气化现象，在防护屏后面形成包含弹丸材料和靶板材料的碎片云；碎片云中粒子尺寸和速度与原弹丸相比明显变小，并在缓冲屏与后墙之间进一步扩展，到达后墙时，会在后墙形成面积很大的损伤区域。这样，通过缓冲屏使空间碎片撞击能量密度很大的点能源变成扩散面积很大的面能源，降低了对后墙的损伤。　　我国研究人员提出在卫星表面的多层隔热毡（MLI）内增加抗穿透防护层的创新性设计思想，并完成了相关的理论分析和计算。通过试验结果验证，在不影响热控性能的前提下，通过对卫星表面的多层隔热毡进行空间碎片防护设计，在面密度仅增加990g/m2的情况下，卫星的空间碎片防护能力提高近200%。以某卫星为例，应用该研究成果进行改进后，卫星运行9年与目前运行3年的抗空间碎片撞击风险相当。这标志着在轨卫星的寿命、可靠性、安全性将得到空前的提高。　　　　……　　上文选自《国际太空》，详情请参阅该期刊。

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