2.7 空间碎片环境效应分析

空间碎片绝大多数分布在距地面 2 000km 的人类使用最频繁的 LEO, 其运行速度为 7.8km/ s （第一宇宙速度），它们与航天器发生超高速撞击，其相对撞击速度范围在 0 ~15m /s, 平均撞击速度为 10m /s, 对航天器危害主要是由空间碎片撞击时的巨大动能引起的 ^[2] 。由于空间碎片的来源和演变过程不同，所以空间碎片在地球轨道上并非均匀分布，具有一定的空间分布特性；同时，空间碎片的尺寸、质量及速度的不同，使其与空间目标相撞时具有不同的撞击能量，会产生不同的碎片环境效应。

假设空间碎片的质量为 m ，撞击速度是 v ，则其能量为

可见，其毁伤作用与速度的平方成正比。也就是说，一个子弹大小的空间碎片，当以 10km/ s 的速度撞击航天器时，其毁伤作用相当于子弹的 100 倍。 10cm 的碎片碰撞将彻底摧毁一个航天器 ,1cm 的碎片碰撞将使航天器失效或者击穿国际空间站的防护层 ,1mm 的碎片将使航天器的子系统失效。

空间碎片超高速撞击产生的极高压力超过航天器材料强度的数十倍到数百倍，会穿透航天器表面，并形成大面积的碎片云以非常高的速度破坏航天器内部器件和系统，造成航天器功能严重损伤，甚至导致航天器彻底解体/爆炸失效。航天器的体积越大、飞行时间越长，其遭遇空间碎片撞击的风险也就越大 。1986 年后，随着空间碎片数量剧增，空间碰撞事件频发。据 2010 年 1 月至 2013 年 12 月这 4 年内的记录，共发生了 10 次在轨卫星解体事件，平均每年近 3 次 ;63 次在轨卫星针对空间碎片的规避机动事件，平均每年 16 次； 1 682 次卫星再入陨落事件，平均每年 420 次 。2012 年，全世界在轨卫星与空间碎片概率大于 10 ^-4 的碰撞超过 1 039 次；距离小于 100m 的危险交会 948 次，平均每天 3 次左右。可以说，目前空间碰撞事件频发，空间碎片已成为人类航天活动的公害，给人类航天活动的安全造成严重威胁。

航天器一旦发射入轨，即处于空间碎片环境之中。空间碎片环境对在轨航天器安全运行构成巨大的潜在威胁，其特征主要体现为空间碎片超高速碰撞造成航天器机械损伤以及由此引起的功能破坏甚至失效。航天器遭遇空间碎片碰撞的概率除取决于碎片的空间分布密度外，还与航天器暴露表面积及在轨运行时间有关，碰撞危害程度及表现形式则主要取决于空间碎片尺寸的大小及速度，相应地，需要采取的防护对策、方案及措施也不尽相同。空间碎片的危害与其尺寸之间的关系如图 2 -35 所示 ^[34] 。

一般来说，平均尺寸 10cm 以上的空间碎片碰撞可造成航天器毁灭性的破坏，但这类大尺寸空间碎片可通过地基雷达和望远镜等探测手段进行监视、跟踪、定轨和预警，采取轨道规避策略避免碰撞事件的发生。厘米级空间碎片也可导致航天器彻底损坏，而且受目前探测能力和水平的制约，尚无法精密跟踪和定轨，即无法逐一预警和规避，又缺乏有效的结构防护方法和手段，是潜在威胁最大的危险空间碎片，唯一的方法是在航天器设计及运营上设法降低遭遇致命性碰撞的风险。至于毫米级和微米级空间碎片，虽然这类空间粒子数量庞大，而且无法跟踪和规避，但可以通过优化航天器总体设计方案和设置防护结构等方法进行防护，因此也是目前空间碎片结构防护的主要对象。

毫米级空间碎片碰撞可造成航天器舱壁成坑或穿孔、密封舱或压力容器泄漏、液氧箱爆炸、天线变形、功率下降和信号失真等后果，而且碰撞部位、舱壁厚度不同，造成的危害程度会有很大不同。例如，尺寸 1 mm 铝质碎片能穿透约 2 mm 厚铝合金板，穿孔直径可达约 4 mm; 尺寸 10mm 碎片则能穿透约 20mm 厚铝合金板，穿孔直径可达约 50mm。 统计数据进一步表明，在 LEO 区域，对于厚度 0.1mm 的铝制舱壁，每年每平方米表面上有可能发生 1 000 次破坏性碰撞，而对于厚度 1 mm 的铝制舱壁，每平方米表面上几十年才有可能发生 1 次破坏性碰撞。

微小空间碎片撞击诱发放电效应。微小空间碎片超高速撞击航天器表面，能够抛射出高密度的等离子体云团，如果撞击发生在航天器的高充电表面或带电部件等敏感区域，撞击等离子体将会诱发放电。

微米级空间碎片单次碰撞后果虽不会十分严重，也不会对航天器的结构强度直接造成影响，但这类空间碎片数量庞大，与航天器发生碰撞的概率高，其累积碰撞效应会导致航天器表面产生侵蚀和光敏、热敏等器件功能下降甚至失效。例如，尺寸 1 μm 的空间碎片碰撞铝制舱壁，产生的撞击坑直径约 4 μm、 深度约 2 μm; 碰撞玻璃舷窗，损伤区直径可达 100μm, 成坑深度约 3 μm。 尽管损伤尺寸不大，但会降低光学表面的光洁度、改变热控表面的辐射特性、击穿抗原子氧腐蚀的保护膜等，累积效应会导致光学表面发生污染和凹陷剥蚀，破坏太阳电池阵电路和热防护系统等易损表面，使航天器功能下降或失效。空间碎片对航天器各分系统的超高速碰撞危害列于表 2 -9 ^[2] 。

根据空间碎片对航天器飞行任务的最终影响程度，可将撞击的危害分为三类：一是灾难性撞击、航天器解体或关键设备损坏，造成飞行不可逆转的失败；二是可恢复撞击、飞行任务短暂中断或部分任务功能丧失；三是撞击累积效应，随着时间额增加、撞击次数的增多，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。具体来说，可以包括以下几个方面。

（1） 改变表面性能。微小空间碎片（直径为微米量级，质量为微克量级），由于其数量众多，空间密度大，与航天器碰撞的频率非常高，能严重改变航天器的性能，称为“沙蚀”，光学镜头表面会被微小空间碎片“磨砂”而无法成像。对热控表面的撞击会改变其辐射、吸收特性，导致航天器的热控失衡，造成航天器温度的改变。

（2） 在航天器表面造成撞击坑。稍大的空间碎片会损坏航天器表面材料，对表面器件造成损伤，使太阳电池供电线路断路。二次撞击和深入航天器内部的撞击作用，会造成航天器的内损伤。

根据高速撞击理论，空间碎片的侵彻深度 p 与其速度 v 、直径 d 、密度 ρ 和靶的密度 ρ _t 、强度 Y _t 及其声速 C _t 有关，一般表达式如下：

式中， C 、 a ₁ 、 a ₂ 、 a ₃ 为无量纲常数。不同研究者给出的公式中无量纲的系数和方幂值是有差异的。

2007 年，国际空间站 （ International Space Station, ISS） 就遭遇了一次严重的撞击事件 。2007 年 6 月 7 日，俄罗斯宇航员执行第 19 次舱外活动时，发现 FGB 舱段前段热毯上有一处撕裂损伤痕迹，热毯表面的损伤面积为 30mm×60 mm, 热毯下面的损伤面积为 5 mm × 9 mm。 据 NASA 的专家估计，造成这一后果的罪魁祸首可能是一个 2 ~3 cm 的空间碎片或者微流星体粒子。

（3） 等离子体云效应。在空间环境下，超高速撞击的空间碎片本身及被撞击的航天器表面材料会发生汽化，形成等离子体云，在失重的条件下等离子体云将依附在航天器表面四处游荡，并可能进入航天器的内部，造成供电失常，形成航天器故障。此外，空间碎片超高速撞击航天器时还会产生光、磁、电等复杂现象。

McDonnell 等人根据大量实验研究碎片撞击铝表面产生的电荷 Q ，得到如下经验公式 ^[35] :

（4） 动量传递。较大的空间碎片与航天器高速撞击，将巨大的动能传递给航天器，使航天器的姿态改变，甚至可能改变航天器的轨道。

空间碎片撞击航天器造成的角动量扰动可以由式 （2-4） 表示：

式中， I 为航天器的惯性力矩； r 为撞击点的力臂； ω 为扰动角速度。假设某一球形航天器的质量 M = 100 kg, 半径 R = 2 m, 惯性力矩 I = （2 /5） MR ² ，太阳板展长 10m, 有一质量 m = 1g 的空间碎片以 10km/ s 的速度撞击太阳板的末端，力臂 r = 12m, 则扰动角速度为

ω = 0.75 （ rad / s）

可见，这种角动量的扰动是相当可观的，对航天器的姿态有明显的影响。

（5） 表面穿孔。空间碎片的能量足够大时，将穿透航天器表面，打坏置于航天器内部的控制系统或有效载荷，如图 2 -36 所示。击穿盛有气体或液体的容器舱壁时，气体或液体将泄漏。

（6） 容器爆炸、破裂。空间碎片撞击可以使航天器表面强度降低，甚至出现裂纹，若舱壁有应力集中的现象或高压容器的舱壁受损，可能会发生爆炸。

（7） 结构碎裂。大的空间碎片撞击航天器桁架结构时，可能将整个结构打散。

另外，空间碎片再入大气层时，会对地面的生命财产安全构成严重的威胁，以核能为动力的航天器陨落时，由于放射性物质的大面积扩散，对环境的化学和放射性污染后果特别严重，尤其需要受到关注。 8YkVQmqnzrr9JrLrno49HVloKlArTf27FcEq909Z+B7IBIOChON3iO1uJaD7QbJ1