2.2 空间碎片来源

地球轨道上的人造物体都是人类航天发射活动的产物，在航天发射进行有效载荷部署的同时，运载火箭的末级也进入相同或相近的轨道，另外还会产生一些与任务相关的物体，如适配器、光学镜头盖、定向装置等。除此之外，航天器或火箭末级的在轨爆炸解体、固体火箭发动机燃烧时的喷射物、苏联核动力侦察卫星所泄漏的液体冷却剂以及航天器表面脱落的材料等都是空间碎片的重要来源 ^{[1,2,8 -11]} 。

2.2.1 失效的载荷与运载火箭箭体

有效载荷 （ payload） 是指航天活动中的航天器、工作平台以及各类设备，在太空中有一定的工作寿命，通常只有几年或几十年。但如果不对停止工作的航天器进行离轨操作，则其仍会在轨道上运行，成为空间碎片，在大气阻力等因素的影响下逐渐陨落，从轨道上消失。航天器陨落之前存留在轨道上的时间称为“轨道寿命”。若其轨道高度很高，受到的大气阻力很小，它的轨道寿命可达数万年甚至数百万年。现在有工作能力的航天器大约占人类发射航天器总数的 1 /5, 其他大部分为已经失去工作能力的航天器，已成为空间碎片，但仍在其原来轨道或其附近运行。

在将有效载荷送入预定轨道的时候，运载火箭末级[火箭箭体 （ rocketbodies） ]和有效载荷在相同或相近的轨道上运动，它与有效载荷分离后即完成了任务，但同时自身也就成为一块空间碎片被遗弃。

由于运载火箭末级与失效航天器的体积、质量较大，外部空间环境的影响可能使其内部剩余的燃料或推进剂发生爆炸解体，因此目前在轨运行的火箭末级与失效航天器是未来空间碎片环境的重要影响因素之一。

2.2.2 任务相关物体

任务相关物体 （ mission related objects, MRO） 也常称作操作性碎片 （ oper ationaldebris） ，是在航天器的部署、活动和工作运行阶段中产生的，其数量约占整个编目目标的 10.4%, 其中约 60% 与发射系统相关，约 40% 与有效载荷相关。

任务相关物体定义为在航天器的部署、正常运行期间由航天器和火箭箭体释放的物体，包括运载器末级和有效载荷分离产生的碎片（如一箭多星发射时的卫星支架，航天器适配器、护罩和夹紧带等）及航天器展开和试运行期间释放的物体（如爆炸螺栓、太阳能电池板止动销和光学相机、望远镜等光学器件的镜头盖等）。

另外，航天员出舱活动或工作时丢失的物品（扳手、手套等）以及初期空间站上直接抛至舱外的航天员的生活垃圾等也是此类碎片。

大多数这类物体都以相对于母体较低的速度释放出来，因此仍然靠近母体运行轨道，进而导致其与有效载荷和背景环境碰撞概率的增加。这对 GEO 尤其重要，在那里没有自然沉淀机理（如大气阻力）来清除这些多余的物体。

近年来相关机构已经制定了有关政策以限制此类碎片的产生，但并不是所有的国家和组织都严格执行。

2.2.3 解体碎片

解体碎片通常是由航天器和火箭箭体的破坏性碎裂生成的。按照碎裂发生的原因，一般将解体事件分为碰撞解体和爆炸解体。碰撞解体又可分为主动碰撞和被动碰撞，主动碰撞是用人为手段将空间中的航天器摧毁；被动碰撞则是空间物体之间的相互碰撞，这种碰撞具有较大的不可预见性和不确定性 ^{[11 -13]} 。爆炸解体也可分为在轨故意爆炸和非故意爆炸两类，表 2 -1 和表 2 -2 ^[14] 分别给出了历史上（截至 2016 年 1 月）最严重的 10 次解体事件和产生在轨碎片最多的 10 次解体事件。

对于空间解体事件的判定，一般是用事后推测的方法，因为空间监视中很少有机会能观测到解体事件的发生，因此必须用更高性能的地基探测器、天基探测设备进行观测，或者组织地基爆炸实验与超高速碰撞实验来加深对解体碎片的数量、尺寸、质量以及速度增量的认识与理解，而这些是建立解体数学模型时所必需的条件。

截至 2016 年 1 月，一共发生了 232 次有记录的在轨解体事件，产生的原因主要有剩余推进剂爆炸、电池爆炸、有意爆炸、碰撞解体以及未知原因引起的解体，各种解体原因所占份额及产生的空间碎片比例如图 2 -6 和图 2 -7 所示 ^[15] 。在各种解体原因中，剩余推进剂爆炸是产生空间碎片最主要的原因，在解体总数中占 43.4%, 其产生的碎片数在解体碎片总数中占 29.5%。 航天器的碰撞解体（包括反卫星实验）事件约占解体次数的 25.9%, 然而其相应产生的空间碎片数量在轨解体碎片总数中占 36.0%, 因此必须有效遏制航天器碰撞解体事件的发生。

随着空间碎片数量的不断增加，空间碎片与工作中的航天器之间以及碎片与碎片之间的碰撞概率也在不断增加，而在碰撞的过程中，又会产生更多新的碎片，这是一个恶性循环的过程。如果空间碎片的数量达到一定程度，有可能产生“雪崩”效应，此时空间碎片之间的碰撞将实现“连锁”反应，数量将急剧增加，使航天活动无法进行，近地空间将完全失去使用价值。

2.2.4 固体火箭发动机喷射物

小尺寸空间碎片最重要的非解体碎片来源是固体燃料火箭发动机 （ solidrocket motor, SRM） 燃烧时的喷射物，其主要成分为氧化铝 （ Al ₂ O ₃ ）。在固体燃料火箭发动机中，作为燃料添加剂的铝粉约占燃料质量的 18%, 其目的是提高发动机的性能和降低燃烧过程的不稳定性。在发动机点火燃烧的过程中，绝大部分（约 99%） 的铝粒子转化为氧化铝被喷射出来，粒子尺寸一般为 1 ~50μm。 根据理论分析及实验结果，这类物体都以很高的速度增量被喷射出来，因而进入大椭率的轨道上运行。由于太阳辐射扰动和空气阻力等因素的影响，它们中的大多数的轨道寿命都较短。

在固体燃料火箭发动机点火时，有少量的金属铝或氧化铝不会立即被喷射出去，而是沿发动机壁迁移到靠近发动机喷管的涡旋区。在此处金属铝或氧化铝被捕获并逐渐形成体积较大的渣粒，直至燃烧结束时以较低的速度增量离开发动机。释放出的氧化铝渣粒的尺寸一般为 0.1~ 30mm ^{[8 -9]} 。

2.2.5 NaK合金冷却液

20 世纪 90 年代初，在光学观测和在轨测量等证据的支持下，地基雷达观测数据显示了大量具有金属特征的球形物体集中分布在距离地面高度 900~950km、 约 65° 的窄倾角轨道带上，其密度与水类似，尺寸范围为 2.5mm~5.6 cm。 综合轨道高度与倾角等数据进行判断，它们来自苏联的雷达海洋监视卫星 （ radar ocean reconnaissance satellite, RORSAT） , 这个结论于 1996 年得到俄罗斯科学家的确认。

苏联在 1980 年 4 月至 1988 年 3 月期间曾发射过 31 颗采用核动力的雷达海洋监视卫星，采用液态金属 NaK （一种共晶钠-钾金属合金）作为核反应器的冷却剂，每颗 RORSAT 上约有 13kg 的冷却剂，当 RORSAT 在任务结束后就变轨到 900~ 1000km 的处置高度。一旦卫星到达其处置轨道 ,31 颗卫星中有 16 颗将其反应堆芯弹射出来，这种弹射引起冷却剂密封回路的破裂，冷却剂环路处于开放状态，导致释放出 NaK 合金冷却液，其泄漏示意图如图 2 -8 所示。

在反应堆芯弹射时，冷却剂回路可能以较低速度释放出 NaK 液滴 。 Haystack 雷达观测到的 NaK 液滴尺寸范围为 2.5 mm ~ 5.6 cm。 从热力学观点来看，尺寸大于 0.1mm 的 NaK 液滴可在结冰状态中保存完好，对于尺寸 3 mm 以上的 NaK 液滴，蒸发前存在的时间超过其轨道寿命。表 2 -3 所示为 RORSATNaK 合金冷却液释放事件的简要情况（假设核反应堆芯弹出日期即为轨道转移完成日期）。

2.2.6 WestFord铜针

1958 年，麻省理工学院 （ Massachusetts Institute of Technology, MIT） 林肯实验室 （ Lincoln Laboratory） 的科学家建议将长 1.78 cm、 直径 25.4 μm 的数亿枚铜针用航天器送入距离地面约 3 600km、 大倾角的轨道上，散布出去后形成一个约 8 km 宽 、38km 长的铜针带，可以作为反射天线供地面超短波通信使用。

据此，在 1961 年至 1963 年间进行了三次无线电通信实验部署，实验数据如表 2 -4 所示，第一次实验于 1961 年 10 月 21 日进行，装载了 19kg 铜针，计划将数百万枚长度 1.78 cm、 直径 25.4 μm 的铜针散布在近地点 3 495.9 km、 远地点 3 756.1 km、 倾角 95.89° 的轨道上。第二次实验于 1962 年 4 月 9 日进行，因运载火箭故障而失败。第三次实验于 1963 年 5 月 9 日进行，目标轨道近地点 3 601.9 km、 远地点 3 682.1 km、 倾角 87.35°, 铜针尺寸长度 1.78 cm、 直径 17.8μm。 这两次散播实验并没有完全成功，在宇宙空间低温环境下，铜针之间产生了低温焊接效应，形成了一些大小不一的团块，成为空间碎片，这样的铜针簇（图 2 -9） 被地面雷达探测到并且进行编目。

2.2.7 表面剥落物与微粒撞击溅射物

由于空间环境的特殊性，在太阳电磁辐射、高能带电粒子、等离子体以及高层大气中的原子氧等因素联合作用下，航天器表面材料会不断剥蚀，特别是表面的油漆涂层十分容易脱落，成为新的空间碎片。

航天器和运载火箭末级表面涂覆材料的碎屑以较小的速度与母体分离，它们的尺寸和轨道寿命均类似于剥落碎块。由于航天器和运载火箭末级大量集中在 LEO 和 GEO 区域，可以认为表面退化产物在这些区域较多。天基在轨暴露实验证实了在空间环境中表面的老化与性能降低，尤其在 LEO 区域最为显著。

对由空间返回的航天器表面撞击凹坑残余（如尤里卡卫星和哈勃太空望远镜的太阳能电池板）所做的检查与分析，发现了尺寸为 20~ 200μm 的具有油漆片化学特征的物质。美国航天飞机舷窗也显示了与撞击凹坑形态和化学成分相同的现象。在长期暴露装置 （ LDEF） 上进行的 CME 实验显示了由于油漆片的撞击在前表面上留下了大量凹坑，但后表面上只有一个类似凹坑。

亚毫米级碰撞物（小空间碎片和流星体）和较大的目标物体（航天器和运载火箭末级）之间会有大量的碰撞事件发生。根据尺寸范围和速度可以将由这些超高速撞击产生的溅射物称为锥形溅射物 （ debriscone） 、分裂溅射物 （ spallation） 与喷射物 （ jetting） , 如图 2 -10 所示。

根据实验室条件下的超高速碰撞实验数据结果，约有 60% 的碎片以锥形溅射物的形式释放，约有 40% 的碎片以分裂溅射物的形式释放，而产生的喷射物形式的碎片只占 1% 或更少，因此此项可以忽略不计。

锥形溅射物是指从小的锥形喷射区以非常高的相对速度喷出的微小粒子。其中一些可达到双曲线轨道并立即逃逸出 LEO 环境，另一些则以较大偏心率保持椭圆轨迹留在地球周围，或者直接再入地球大气层。

分裂碎块以相对低的速度释放出来，其尺寸多半比锥形溅射物大，初始轨道接近母体。因此，易碎材料产生的分裂碎块估计是造成 LEO 中小尺寸物体通量的主要原因。航天器的太阳能电池板的表面积最大，是溅射物最大的来源。微粒对太阳能电池板的一次撞击将会喷射出大约 10 块大小与撞击物类似或更大的分裂碎块。 lO6ZnLI3N7JNxMnYURgGRR9nZGQWjaeIPPzCjS9pwZ7ekTAYfY9aI2e5rvTteRGa