特定区域内空间碎片仿真分析

蒋 虎，王小亚

(1.上海微小卫星工程中心，上海 200050;2.中国科学院上海微系统所，上海 200050;3.中国科学院上海天文台，上海 200030)

随着太空探索的日益频繁，人类在太空留下了数量可观的空间垃圾—空间碎片。空间碎片对飞行器，尤其是航天飞机、载人飞船等的安全造成了现实的威胁。在制定飞行器的飞行任务前，必须对拟定飞行的空间路径中的空间碎片的分布信息作出足够充分的模拟及分析。随着中国载人航天事业的发展，近地空间的碎片探测及研究已经引起国内研究机构及空间应用部门的关注［1－2］。2009年中国科学院专门组织了国内相关单位在三亚举行了空间碎片专题讨论会。这为国内开展空间碎片探测研究提供了交流平台，将促进国内该领域的学术研究向更深层次推进。

目前，有众多的载人航天器工作在300～500 km高度的空间区域内，包括美国的空间站及中国的载人飞船等。这里以400 km高度、与赤道面夹角为40°～50°之间的空间区域为例，采用美国宇航局的ORDEM2000模型［3－4］(适用范围:高度为200～2000 km的地球低轨轨道空间区域)，对该空间区域的空间碎片分布进行了仿真计算。仿真结果可望为国内在轨近地飞行器安全运行及未来飞行器在空间布局提供一定的参靠作用。

1 ORDEM2000空间碎片模型

ORDEM2000空间碎片模型数据源包括:空间监测网编目数据(SSN)，Haystack及其辅助雷达数据，Goldstone雷达数据，长时间曝光设备采集到的近距离交会测量数据(LDEF)，哈勃望远镜太阳翼(HST-SA)遭受粒子撞击数据，欧洲可回收运载器(EuReCa)测得的粒子数据，太空飞船窗眩及辐射计测得的粒子数据，太空独立飞行单元(SFU)获取的粒子数据，Mir获取的粒子数据等。具体数据见表1。

2 碎片仿真计算

考虑到400 km高度是一个典型的近地飞行器高度之一，运用ORDEM2000空间碎片模型对40°～50°倾角区间内的空间碎片进行了仿真统计。40°～50°倾角、400 km高度处对应不同碎片尺寸的碎片流量仿真结果见表2～表12，图1～图11给出了碎片流量与碎片尺寸对应关系图。

表1 ORDEM2000模型采用的数据源Table 1 Data sources for the model ORDEM2000

表2 40°倾角、400 km高度处对应不同碎片尺寸的碎片流量Table 2 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 40°

图1 40°倾角时碎片流量与碎片尺寸对应关系Fig.1 Plot of fluxes in

表3 41°倾角、400 km高度处对应不同碎片尺寸的碎片流量Table 3 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 41°

图2 41°倾角时碎片流量与碎片尺寸对应关系Fig.2 Plot of fluxes in

表4 42°倾角、400 km高度处对应不同碎片尺寸的碎片流量Table 4 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 42°

表5 43°倾角、400 km高度处对应不同碎片尺寸的碎片流量Table 5 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 43°

图3 42°倾角时碎片流量与碎片尺寸对应关系Fig.3 Plot of fluxes in

图4 43°倾角时碎片流量与碎片尺寸对应关系Fig.4 Plot of fluxes in

表6 44°倾角、400 km高度处对应不同碎片尺寸的碎片流量Table 6 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 44°

图5 44°倾角时碎片流量与碎片尺寸对应关系Fig.5 Plot of fluxes in

表7 45°倾角、400 km高度处对应不同碎片尺寸的碎片流量Table 7 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 45°

图6 45°倾角时碎片流量与碎片尺寸对应关系Fig.6 Plot of fluxes in

表8 46°倾角、400 km高度处对应不同碎片尺寸的碎片流量Table 8 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 46°

表9 47°倾角、400 km高度处对应不同碎片尺寸的碎片流量Table 9 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 47°

图7 46°倾角时碎片流量与碎片尺寸对应关系Fig.7 Plot of fluxes in

图8 47°倾角时碎片流量与碎片尺寸对应关系Fig.8 Plot of fluxes in Table 9

表10 48°倾角、400 km高度处对应不同碎片尺寸的碎片流量Table 10 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 48°

图9 48°倾角时碎片流量与碎片尺寸对应关系Fig.9 Plot of fluxes in

表11 49°倾角、400 km高度处对应不同碎片尺寸的碎片流量Table 11 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 49°

图10 49°倾角时碎片流量与碎片尺寸对应关系Fig.10 Plot of fluxes in Table 11

表12 50°倾角、400 km高度处对应不同碎片尺寸的碎片流量Table 12 Cross-sectional fluxes of debris of various sizes at an altitude of 400 km in an orbit of an inclination 50°

图11 50°倾角时碎片流量与碎片尺寸对应关系Fig.11 Plot of fluxes in Table 12

从以上仿真结果，可以得到以下初步结论:

(1)400 km高度、倾角为40°～50°区域内，飞行器每年遭遇分米至米级尺度的空间碎片的概率为千万分之一量级;

(2)400 km高度、倾角为40°～50°区域内，飞行器每年遭遇厘米级尺度的空间碎片的概率为百万分之一量级;

(3)400 km高度、倾角为40°～50°区域内，飞行器每年遭遇毫米级尺度的空间碎片的概率为百分之四左右;

(4)400 km高度、倾角为40°～50°区域内，飞行器每年遭遇0.1毫米级尺度的空间碎片约2次;

(5)400 km高度、倾角为40°～50°区域内，飞行器每年遭遇0.01毫米级尺度的空间碎片约550～600次。

3 结束

空间碎片总量是动态变化的，每时每刻都有新的碎片形成，有些碎片进入大气层后消失。为了更好地利用空间资源，各国需要加强合作，尤其需要减少外空间的目标碰撞试验，共同协商应对碎片空间安全问题。

［1］王海福，冯顺山，刘有英.空间碎片导论 ［M］.北京:科学出版社，2010.

［2］蒋虎，王小亚.2009年若干典型低轨空间区域空间碎片分布仿真 ［J］.天文研究与技术——国家天文台台刊，2009，7(4):298－304.Jiang Hu，Wang Xiaoya.Simulation of the Distributions of Typical Space Debris on Low Earth Orbits during Year 2009 ［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2009，7(4):298－304.

［3］Liu J C，Matney M J，Anz-Meador P D.The New NASA Orbital Debris Engineering Model ORDEM2000，NASA，TP－2002－210780 ［R］.NASA:2002.

［4］Mechelle Brown.ORDEM2000 Software［CP/OL］.［2009－08－24］.http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/model/engrmodel.html.