空间碎片防护研究前沿问题与展望

龚自正,赵秋艳,李明,宋光明,武强,陈川,张品亮

(1.北京卫星环境工程研究所,北京 100094;2.中国空间技术研究院,北京 100094)

1 空间碎片环境现状与新兴热点问题

从1957年第一颗人造地球卫星升空以来,人类共进行了5400余次航天发射,把8950余颗航天器送入地球轨道,目前在轨航天器5000余个,仍在服役航天器2062个。航天器在轨爆炸解体是空间碎片的主要来源,迄今共发生在轨爆炸、解体、撞击事件500余次,如表1所示。最典型的在轨爆炸解体事件如美国DMSP系列军事气象卫星,2015-2017年连续在轨发生蓄电池爆炸引起卫星解体[1,2](见表2)。另外,任务后已在轨滞留10年,长度12.5m,直径3m,质量超2t的美国阿特拉斯-5火箭上面级于2019年3月23-25日因未知原因解体,产生40～60个碎片,大部分尺寸超30cm。2019年3月27日印度代号“沙克提行动”的反卫星试验,产生尺寸大于5mm的碎片6500个,其中270个可被跟踪,有12块碎片达到1000km高度,使得国际空间站 (ISS)撞击风险提高了44%。

截至2019年底,轨道物体总重量8400t,地球轨道中已被跟踪编目尺度在10cm以上的空间碎片数量已达23000个;尺度在1～10cm的碎片数量约为75万个;尺度在1～10mm的碎片数量约为1亿个,1mm以下的碎片数量数以百亿计,在未来50年间空间碎片数量每年将以10%的速度增长[3,4]。图1给出了已被跟踪编目的10cm以上空间碎片数量增长态势。各主要航天国产生的空间碎片重量比例分别为：俄罗斯占62.4%,美国占23.4%,中国占4.2%,其他国家和机构占10%[5]。在编目碎片中,分布在 LEO、MEO、GEO区域的碎片数量比例分别为75.2%、8.3%、9.4%[2]。在700～1100km轨道高度区域有最大分布,这一区域正是太阳同步卫星 (遥感)和移动通信卫星的密集运行轨道。

表1 历年航天器在轨解体事件数量统计[4]Tab.1 Statistics of spacecraft break-up events since 1960[4]

在LEO区域空间碎片与航天器的撞击速度范围在0～15km/s,平均撞击速度为10km/s。一个10g的铝球以10km/s的速度撞击所产生的能量500kJ,与地面上1.3t、时速100km/h小汽车的撞击能量相当。空间碎片超高速撞击对航天器安全和航天员生命造成巨大潜在威胁。到2019年,国际空间站为躲避空间碎片撞击进行了25次机动规避。国际上有公开报道的因碎片撞击而失效或异常的卫星超过16颗,我国航天器因空间碎片撞击失效事件时有发生。近年来NASA卫星每年规避空间碎片操作20余次,而2008年这一数字为5次[6]。2018年ESA卫星规避空间碎片操作17次(其中15次在LEO,2次在GEO)[7]。

这些事件说明空间碎片数量急剧增长,碰撞风险不断攀升,空间碰撞事件频发,空间碎片环境日益恶化。模型预测显示,70年后在LEO区域将发生空间碎片链式撞击效应 (Kessler灾难),近地空间将彻底不可用;30年后轨位将饱和,无新的轨位资源可用。与此同时,大规模低轨小卫星星座的爆炸式发展使已经十分脆弱的空间碎片环境“雪上加霜”。

(1)大规模低轨星座迅猛发展带来的挑战[8]。

以SpcaeX、Oneweb等为代表的国外民营航天企业已经开始着手超过3万颗的低轨小卫星星座的组网建设。2019年6月28日,SpaceX发射的60颗微小卫星已有3颗失联,2颗将主动坠落,5%成为碎片。2019年9月2日,ESA地球观测卫星Aeolus采取了机动规避,以避免与SpaceX发射的60颗微小卫星发生碰撞。2019年10月,SpaceX公司将在原计划12000颗卫星的基础上再提交3万颗卫星的申请文件,计划发射卫星数总计超5万个。华为也将计划发射1万多颗低轨小卫星,建成万物互联IOE。大规模低轨星座计划和发射数量呈爆炸式增长,远远超过了国际社会的原有预期,也在逼近近地轨道空间的承载极限,将给人类航天事业带来一系列挑战,包括使得严峻的空间碎片环境更加恶化、引发轨位和频率资源的恶性竞争、对天文学观测的影响等。

表2 近年来美国DMSP军事气象卫星等在轨爆炸解体事件Tab.2 Explosive break-up events of satellites including the US DMSPs in recent years

GEO：卫星编号 定点位置 重量 事件时间 后果AMC-9 83°W 4100kg 2017.6.17 失联,解体EchoStar-3 61.5°W 1700kg 2017.6.17 变轨时失联,2017.9.6已经进入坟墓轨道NSS-806 47.5°W 2200kg 2017.7.31 1/3的通信转发器失效Telkom-1 108°E 1700kg 2017.8.25 卫星解体,产生一大片空间碎片

图1 跟踪编目的10cm以上空间碎片数量增长态势Fig.1 Number of catalogued space debris with a size of 10cm or above increases steadily

(2)小行星频繁撞击地球带来的威胁与防御问题[9]。

2019年7月25日表面上看似平凡而宁静的一天,地球却与一场“灭顶之灾”擦肩而过,一颗名为“2019 OK”的小行星差点让地球不“OK”。2019年8月10日,一颗直径大约570m的小行星2006QQ23在距离地球0.049AU的高空以4.65km/s的速度飞越地球。2013年2月15日俄罗斯车里雅宾斯克发生小行星撞击地球事件。1908年6月30日发生在俄罗斯通古斯的小行星大爆炸事件。6500万年前,在墨西哥尤卡坦半岛发生的小行星撞击地球事件导致76%地球生物(包括大型恐龙)灭绝。2014年11月5日在我国内蒙古锡林郭勒盟地区,2017年10月4日在我国云南香格里拉,2018年6月1日在我国云南西双版纳连续发生火流星事件,所幸都未造成人员伤亡。

由于小行星撞击地球事件频发,将诱发巨大劫难,科技共同体和国际社会将其作为影响人类社会和文明可持续发展的一个重大科学问题来积极应对。1994年7月17日的苏梅克-列维九号彗星与木星撞击事件后,联合国于1995年在纽约联合国总部召开了第一次近地天体国际会议举行。1999年联合国第3次外空会议通过了“维也纳空间与人类发展宣言”,宣言包括“为了解决改善与近地天体有关的活动的国际协调的必要性”。2001年联合国外空委设立了近地天体行动小组 (行动小组14)。2004年在联合国外空委科技小组委员会上设立了近地天体议题 (NEO)。2013年联合国外空委成立国际小行星预警网络(IAWN)和空间任务规划咨询小组 (SMPAG)。2016年12月6日,联合国大会在A/RES/71/90号决议将每年的6月30日设定为国际小行星日,以提高公众对小行星撞击危险的认识。2009年至今,国际宇航科学院 (IAA)已经举办6届行星防御会议。

2018年9月13-14日在北京香山饭店召开了以“小行星监测预警、安全防御和资源利用的前沿科学问题及关键技术”为主题的第634次学术讨论会。2019年7月19日全国第二届小行星防御研讨会在北京召开。2019年6月,中国科学技术协会在第21届年会上发布了20个对科学发展具有导向作用、对技术和产业创新具有关键推动作用的重大前沿科学问题和工程技术难题,“近地小天体调查、防御与开发问题”入选。“小行星撞击地球及其带来的影响”被《Science》杂志评为2019年十大科学突破。

学术界对这一问题重要而深远的意义达成共识：①小行星监测预警、安全防御和资源利用是国际航天界面临的重大技术挑战,是人类航天事业新的增长点,必将牵引航天技术进步,带动相关高新技术发展与转化;②近地小天体撞击地球的防御问题,与国家安全密切相关,是大国必争的战略和技术制高点;③开展近地小天体监测预警与防御研究,是履行大国义务,体现大国担当,树立、提升我国负责任大国形象,争夺我国在国际航天事务中的主导权和话语权的重要举措;④近地小天体监测预警与防御研究,是人类保护自身生存与发展的必然选择,是构建人类命运共同体重要而具体的体现。

防御小行星撞击地球问题可以归纳为如下几个方面：①小行星搜索和监测;②小行星撞击地球的风险评估;③潜在危险小行星防御策略制定;④高风险小行星主动防御任务设计与实施。

(3)空间交通管理 (STM)

随着航天事业的迅猛发展,空间对国家的经济、军事和国家安全日益重要,外层空间呈现出从拥挤 (Crowding)、竞争 (Competition)到对抗(Confrontation)乃至军事化 (Militarization)转变的局面。人类航天能力的体现也从当初的进入空间、利用空间向控制空间、清洁空间转变,正在迎来管理空间、治理空间的重大变革的前夜,空间交通管理 (Space traffic management,STM)应用而生。

空间交通管理是指在进入空间、在轨运行及再入过程中保障航天器安全和不受外界干扰的各种技术和政策规则法规,保障空间有序并可持续使用。空间交通管理的对象是空间物体、空间行为、空间行为责任主体,内容包括技术领域、运行领域、政策领域。空间交通管理的特点：一是战略性强,空间交通管理具有重要的政治、军事、外交、经济、技术等意义。二是牵扯面广,空间交通管理涉及发射、在轨运行、空间操作、测控、数据共享、再入返回、空间碎片、空间态势感知等众多领域。空间交通管理是当前和未来IAA、IAC、IADC前沿和热点话题之一。

空间碎片虽小,却战略性强、涉及面广,关系重大,意义深远。“小碎片、大安全”——空间碎片直接关乎国家空间资产安全,对维护国家利益和安全至关重要。“小碎片、大文章”——空间碎片是加速航天强国建设、推动航天技术应用深度发展的极好切入点和重要推手。“小碎片、大形象”——空间碎片对提升国家外空事务话语权、支撑外交博弈、维护负责任航天大国形象举足轻重。“小碎片、大市场”——空间碎片市场化趋势加快,空间碎片经济学已经初现端倪,将成为商业航天的重要领域。

我国政府一直高度重视空间碎片问题。1999年财政部设立空间碎片科研专项,2000年国防科工委开始实施空间碎片行动计划,2009年国防科工局 (国家航天局)将空间碎片科研正式纳入国家航天发展规划。今年,恰逢空间碎片专项设立20周年,经过这20年的不懈发展,我国空间碎片研究从无到有,从弱到强,走出了一条自力更生、自主创新、具有中国特色的发展道路。在空间碎片监测、预警、防护、减缓领域都取得了丰硕成果,不仅保障了以载人航天为代表的多项重大航天任务圆满完成,空间碎片人才队伍日益壮大,研究水平不断提升,并且积极参与国际规则制定,在联合国外空委外空长期可持续 (LTS)多边磋商谈判和IADC组织中发挥了积极作用,对树立我负责任航天大国的国际形象、提升我国外空话语权和国际影响力做出了应有贡献。

目前,正值“十四五”空间碎片专项规划启动之际,本文将评述空间碎片防护研究的国际前沿和趋势,分析我国空间碎片防护存在的问题,立足我国航天器防护发展需求,提出我国空间碎片防护领域研究发展建议。

2 国际防护现状与趋势

广义的航天器空间碎片防护是指提高航天器在空间碎片环境中生存能力的措施,具体包括：(1)航天器在空间碎片撞击下的易损性 (损伤阈值和损伤程度);(2)基于空间碎片环境模型的航天器撞击风险评估;(3)基于撞击风险评估的航天器设备布局优化设计;(4)在航天器的高撞击风险部位和易损部组件加装防护屏。

航天器空间碎片防护最早可以追溯到20世纪50年代,为了洲际弹道导弹、深空探测器 (如美国的CONTOUR等)的安全,需要了解空间碎片、陨石碰撞引起飞行器的破坏效应,研究有效的防护结构,从而开始了以超高速碰撞为基础的防护研究,并一直延续到了60年代“阿波罗”计划。20世纪90年代以来,NASA为了国际空间站和高价值卫星的安全,开展了大量的空间碎片防护研究,取得了丰硕成果。近几年来,国际上空间碎片防护研究主要集中在以下几个方面。

2.1 先进防护材料的开发与探索

追求轻质高抗撞击性能的先进防护材料是航天器空间碎片防护研究的永恒主题。为了应对日益严峻的空间碎片环境,NASA等着力于把其现有的毫米级碎片 (尺寸10mm以下)防护能力向厘米级碎片 (尺寸1-10cm)提升、拓展。同时在考虑对太阳翼等不能遮挡的高撞击风险部件的防护方法。2014年以来,NASA持续开展了验证厘米级碎片防护能力的超高速碰撞实验,设计了可以防御直径8.6cm、质量598g的铝弹丸在6.9km/s速度撞击下的多层填充防护结构防护[10]。正在研究超高强度的多层石墨烯防护材料[11],可以吸收弹丸72%～75%的动能的复合金属泡沫,非晶态金属复合结构材料等[12]。

2.2 航天器遭遇空间碎片撞击的易损性研究

易损性 (Spacecraft Component Vulnerability for Space Debris Impact)研究的主要内容是：(1)获得航天器遭遇碎片撞击后其组件/分系统的损伤阈值、损伤程度与撞击参数的关系等; (2)获得航天器组件/分系统的损伤模式及机理; (3)建立损伤准则。由于航天器上部件/分系统繁多、各自失效模式及其对系统的影响差别很大、不同部件/分系统对碎片撞击的敏感程度各异,使得这项研究具有很大挑战性。易损性是IADC防护工作组未来几年内主要的研究内容之一,IADC已经部署了对太阳电池阵、电缆、蓄电池、电子盒、多层绝热材料 (MLI)、压力容器、流体管道、透明材料、卫星结构材料等航天器组件/分系统的有关研究[13]。美国开发了一种可以快速评估卫星部件受碎片撞击后的易损面积和部件毁伤概率的模型HIVAM。该模型借助了飞机、导弹的易损性分析模型COVART和FASTGEN代码的输出,直接耦合低速碰撞模型,确保了碎片低速、高速和超高速撞击时的平滑过渡,可以定量、快速地计算卫星部件承受碎片超高速撞击的易损性面积和毁伤概率,为卫星防护系统的设计和易损性分析提供支持。

2.3 卫星整星撞击解体模型研究

图2 卫星整星撞击解体模型实验[13]Fig.2 Experiment on break-up model of whole satellite impact

空间碎片撞击下航天器的解体模型对建立高精度的空间碎片环境模型、评估空间突发事件、分析空间碎片态势演化等十分重要。美国从2014年开始持续推进以DebriSat Project为代表的卫星遭遇超高速撞击后的解体模型,计划2020年完成[14]。该项目由NASA空间碎片办公室 (NASA Orbital Debris Program Office,ODPO)和美国空军空间与导弹系统中心 (AF Space and Missile Systems Center,SMC)联合资助,ODPO牵头 (具体在约翰斯空间中心,JSC)联合航空航天公司(The Aerospace Corporation)以及美国空军阿诺德工程开发综合体 (AF Arnold Engineering Development Complex,AEDC)和Aerospace Corporation公司、佛罗里达大学共同参与,其目的是改进以前建立的卫星遭遇超高速撞击后的解体模型(Satellite OrbitalDebrisCharacterization Impact Test,SOCIT)。典型的卫星解体实验如图2所示。试验中模拟卫星尺寸为45.7cm×45.7cm×50.8cm,试图通过试验获得卫星解体的撞击能量阈值和撞击产生的碎片分布规律,研究非球形弹丸撞击效应,并校验数值模拟的精度。

2.4 弹丸形状对撞击特性与效应的影响研究

长期以来,为方便地面实验模拟,空间碎片撞击特性的研究通常选用标准球形弹丸,而卫星撞击解体实验 (SCOCIT)结果显示绝大多数空间碎片的实际形状并非球形,这就需要研究非球形弹丸对撞击特性、效应与防护性能的影响。从1972年Robert.H.Morrison最早在国际上开展超高速撞击特性弹丸形状效应的研究[15]以来,有关研究一直持续不断[16-18]。随着球形弹丸特性研究基本上趋于成熟,非球形弹丸特性与效应的影响研究便成为当前的热点。图3是各种非球形弹丸撞击双层板防护结构的弹道极限曲线 (BLC)的对比[19]。非球形弹丸特性与效应的影响研究是IADC防护工作组未来几年内主要的研究内容之一。另外环境温度 (高低温)对撞击特性的影响也是IADC防护工作组关注的热点。

图3 三种圆柱体弹丸弹道极限曲线的比较(L/D=2,1,0.5)[18]Fig.3 Comparison of trajectory limit curves of 3 cylindrical projectiles(L/D=2,1,0.5)[18]

2.5 10km/s速度以上毫米级球形弹丸发射技术和撞击特性研究

相比其他加速技术,轻气炮加速技术所具备的突出优点是其所发射的弹丸的质量、尺寸、形状和材料具有更为宽广的选择范围,且弹丸能够在承受较低的加速度和较小的应力情况下获得较高的速度,因此二级轻气炮技术是当前国内外开展空间碎片地面超高速碰撞模拟研究最为重要的实验技术手段。但是现有的二级轻气炮的发射能力一般在7km/s左右,空间碎片与航天器撞击的平均速度为10km/s,二级轻气炮发射装置仅能够模拟近地轨道上40%数量的空间碎片撞击威胁。对于更高撞击速度范围的研究,目前主要是通过数值仿真和分析方法开展,缺乏有效的实验数据验证和修正,使得研究结果具有较大的不确定性,严重制约了空间碎片防护,因此迫切需要开展毫米级球形弹丸8km/s以上超高速发射实验技术研究。

美国代顿大学从1998年开始研究8km/s以上毫米级球形弹丸发射技术[20],于2006年成功实现了1.4mm直径铝球形弹丸9.89km/s的超高速发射,发现了8km/s以上速度撞击下和8km/s以下速度撞击下明显不同的物理现象[21]。初步获得了8km/s以上速度撞击下不同缩比Whipple防护结构的弹道极限方程曲线 (图4)[22,23]。

2017年法国宇航局借助内弹道分析软件、CFD和FEM结构分析软件,对现有的二级轻气炮进行了优化设计,提高了高压组件的抗高压能力,保证了发射过程中弹丸的完整性,实现了弹丸弹托的气动分离,实现了将1mm直径铝球弹丸发射至9.85km/s的超高速度,且弹丸弹托分离良好,最高曾获得超过11.0km/s的速度;2mm直径铝合金弹丸所获取的峰值速度为9.0km/s[24],有望实现将毫米级铝合金球形弹丸发射至10.0～12.0km/s速度的能力。

2.6 10mm以下碎片的在轨探测

图4 8km/s以上速度撞击下三种比例Whipple防护结构实验弹道极限曲线[22,23]Fig.4 Trajectory limit curves of Whipple protection structure experiments with 3 scales at an impact velocity above 8km/s

无论是基于探测数据的ORDEM模型还是基于解体事件分析的MASTER模型,它们对空间碎片环境的描述在10cm尺寸以上吻合很好,在1～10cm尺寸之间略有分歧,但在10mm以下差异很大,主要原因是缺乏10mm以下的空间碎片环境探测数据。为了弥补空间碎片数据空白区 (图5)[6],进一步完善空间碎片环境模型,NASA设计了10mm以下的空间碎片在轨原位探测系统SDS(图6),并于2017年12月在国际空间站上实现搭载 (图7)[6]。目前还没有有关探测数据的报道。

3 我国防护现状与问题

20年来,我国在空间碎片防护领域取得显著进展,不仅为我国载人航天器的空间碎片防护设计提供了强有力的支持,而且在多个研究方向彰显出不同特色,能力不断提升。但与国际水平相比仍有差距,在满足工程需求方面“捉襟见肘”。具体表现在以下几个方面。

3.1 我国空间碎片防护研究的若干进展

(1)天宫系列和空间站防护设计

针对我国长期在轨载人航天器“天宫一号”和“天宫二号”的空间碎片防护,中国空间技术研究院总体部研发了达到国际先进水平的空间碎片防护设计软件包MODAOST,开展了大量超高速撞击仿真和试验,提出采用Whipple防护结构进行部分防护的技术方案,并针对“天宫一号”辐射器管路单点失效的特点,在超高速撞击试验数据支持下对其设计构型进行了重大改动,在没有额外增重的前提下,显著提高了辐射器管路的抗撞击能力。“天宫一号”从2011年9月-2016年3月安全在轨5年,“天宫二号”从2016年9月-2019年7月安全在轨3年,充分验证了我国自主研制的空间碎片防护设计系统及防护结构设计技术。针对我国空间站采用了填充玄武岩加芳纶的先进防护结构,比同等质量Whipple结构防护能力提高50%以上。

图5 空间碎片数据空白区示意图Fig.5 Data gaps of space debris

图7 空间碎片在轨原位探测系统SDS在ISS位置示意图Fig.7 Location of SDS onboard ISS

(2)先进防护材料的开发

我国持续研发用于防护屏的基于动能高效耗散机制的波阻抗梯度材料[25-30]、基于热化学反应的含能活性材料[31,32]和用于防护结构填充材料的碳化硅纤维材料等。目前正在推进这些高性能防护材料的工程化和型号应用。

(3)卫星易损性研究等其它研究

获取了卫星多种部件的撞击机械损伤特性以及初步的功能降阶特性,为后续降阶/失效模型建立奠定基础。建立了低中高轨道空间碎片环境工程模型SDEEM 2019,基本功能与可获取的国际工程模型最新版本基本相当。开展了MLI包覆蜂窝板结构中填充Kevlar和Nextel的增强型MLI结构研究,在基本不增加重量前提下撞击性能提高100%,在SJ-9(AB)星上实施了搭载试验。

3.2 我国空间碎片防护研究存在的问题

(1)先进防护材料短缺,国外先进防护材料和技术对我封锁禁运;

(2)超高速撞击试验设备发射能力不足,现有二级轻气炮发射能力只达到8km/s,不能满足10km/s以上的需求;

(3)尚没有具有自主知识产权的数值模拟软件;

(4)尚没有具有自主知识产权的高精度空间碎片环境模型;

(5)尚未建立通用的、具有工程实践性的卫星空间碎片防护设计方法。

4 我国防护需求与发展建议

值此“十四五”空间碎片专项科研规划制定之际,防护工作应该立足我国航天发展需求,对标国际先进水平,弥补自己技术短板,积极应对国际热点和新兴问题,突出创新性和亮点,提升我国在国际上的显示度和话语权。

4.1 防护需求从载人航天器转向卫星

经过整整20年的发展,以载人航天器为核心任务的我国空间碎片防护需求随着我国空间站的部署已经接近尾声,重心转向了迄今一直都不设防的应用卫星。

载人航天器和卫星的防护有很大不同。一方面,对载人航天器 (可以理解为一个大容器)而言,其舱壁被空间碎片击穿就视为失效,其防护设计的依据是非击穿概率 (PNP),即给定一个PNP,按照撞击空间碎片的大小、撞击速度和角度等对载人航天器的不同部位进行风险评估,如果某部位的PNP低于给定值,则需要在这个部位加装防护结构使得PNP大于等于给定值。卫星则不同,卫星的不同部件/分系统在空间碎片撞击下的性能退化和失效阈值有很大的差异性。比如太阳翼经常被空间碎片击穿形成孔洞,但一般不会给太阳翼供电形成实质性影响。卫星的主电缆如果被空间碎片撞击切断,则会导致卫星功能丧失乃至整星失效等等。另一方面,载人航天器几何外形规则,主体部位都可以遮挡,而卫星的几何结构远比载人航天器复杂且很多部位不能遮挡。因此,以PNP作为设计依据的方法不适用于卫星防护,必须从顶层开展卫星易损性研究,获得在空间碎片撞击下卫星部件/分系统的失效模式,为全面评估卫星在空间碎片环境中的的风险、识别薄弱环节、有针对开展防护设计奠定基础。这也是IADC把卫星易损性作为当前重点研究任务的原因。当然,我们应同时兼顾宇航员在空间站的生存力的评估。

4.2 防护发展建议

针对我国未来载人航天器及应用卫星需求,对标美国、欧洲防护结构及材料研制、航天器易损性分析及超高速发射技术的国际最高水平,解决防护领域存在的系统分析方法薄弱、先进防护材料自主性差和超高速发射设备能力不足等问题。“十四五”期间,重点围绕宇航员生存力提升和大型应用卫星防护性能提高为目标,开展航天器空间碎片防护易损性分析、自主防护结构及防护材料研制、10km/s以上超高速稳定发射设备建设及典型航天器空间碎片防护应用示范等工作,为我国载人航天器及应用卫星的空间碎片防护提供重要的技术保障。

重点发展方向建议：

(1)航天器易损性评估系统开发

包括卫星组件/分系统的损伤阈值、损伤程度与撞击参数的关系;卫星组件/分系统损伤模式及准则研究;易损性评估方法研究;宇航员的生存力评估分析;评估系统的开发及集成等。

(2)新型防护结构设计

集成20年来国内对高性能防护材料研发成果,推进工程化和型号应用;新型防护材料的研发;用于卫星防护的共型防护机构研制 (用于防护卫星重点裸露部位的防护结构);深空探测器防护结构研究 (如彗星探测)等。

(3)10km/s以上超高速撞击试验能力建设发展以三级轻气炮为主要手段的毫米级球形弹丸10km/s以上超高速撞击试验设备;开展10km/s以上超高速撞击特性研究。

(4)两个模型研究

一个是卫星撞击解体模型;一个是1cm以下空间碎片环境模型;开展毫米级空间碎片在轨探测;开展弹丸形状对撞击特性与效应的影响研究等。

(5)航天器空间碎片防护设计实践

LEO卫星防护设计实践;GEO卫星防护设计实践;深空探测器防护设计实践。

(6)小行星防御关键技术研究

研究动能撞击小行星过程的能量传递规律,建立动能撞击不同材质和疏松度小行星轨道偏转理论模型;研究不同材质小行星在激光烧蚀作用下的作用力机理,获得作用过程的冲量耦合规律,建立激光烧蚀驱动小行星的动力学模型;研究长期微小作用力下小行星轨道的演化规律,建立计算模型;研究中长期预警条件下的小行星轨道偏转方法和防御策略;发展小行星防御的基础理论和方法,为小行星防御的工程实施奠定理论基础和设计方法。

5 结束语

空间碎片防护研究的核心目的是提高航天器在空间碎片环境中的安全性和生存能力。只要有人类航天活动,就会有空间碎片,也就会有空间碎片防护需求。

国外空间碎片防护研究已经走过了近60年的历程,其成果在国际空间站和高价值卫星上得到了充分应用。

经过20年的积极努力,国内空间碎片防护研究已经走过了从无到有、从弱到强的历程,具备了较好的基础。可以预见,“十四五”将是国内空间碎片防护研究的收获期,在不久的将来空间碎片防护研究将会为我国空间站和卫星“保驾护航”发挥重要作用,会在国际社会占有一席之地。