2.11 中国对空间碎片的影响、贡献及研究进展

2.11.1 中国航天活动对空间碎片环境的影响

中国作为一个航天大国，在不断地对广袤的宇宙空间进行探索的同时，势必会有意或者无意地给空间碎片环境带来负面的影响。截至 2019 年 4 月 1 日，美国空间监测网编目的中国在轨物体总数为 4 019 个（其中，火箭箭体和碎片共 3 673 个），仅次于美国和独联体国家（表 2 -7 ），由此可见，中国已经成为国际上对空间碎片环境具有潜在威胁的主要国家之一。

美国智库国家公共政策研究所提交了一份名为“外国太空战能力”的研究报告，其中指出中国于 2007 年 1 月使用上升式动能反卫导弹（动能 -1, 又称开拓者 -1） 成功摧毁了位于轨道高度 863km 的已经失效的“风云一号”气象卫星 （ FY-1C） 。由于动能 -1 反卫导弹采用的是近距离爆炸模式，所以产生了大量的空间碎片，对空间碎片环境的影响程度不亚于两年后俄罗斯 Cosmos2251 卫星与美国 Iridium33 卫星的碰撞解体事件 ^[101] ，图 2 -2 中美国 SSN 编目在轨空间物体总数及解体碎片数变化曲线在 2007 年和 2009 年有一个阶跃的增长，也很好地说明了这一点。这两次事件是历史上最严重的卫星解体事件，由美国空间监测网 SSN 共计编目的 5 579 个碎片（表 2 -15 ） 截至 2013 年 1 月仍然有约 5 000 个碎片在轨，编目碎片分布密度随轨道高度变化情况如图 2 -74 所示。从图中可以看出 ,1000km 轨道高度以下，这两次事件产生的碎片总数约占了编目碎片总数的 50% 左右，并且在 770km 和 850km 轨道高度相对比较集中 ^[102] 。

FY -1C、 Iridium 33 和 Cosmos 2251 卫星编目碎片随时间衰减情况如图 2 -75 所示，由于 Cosmos 2251 卫星与 Iridium 33 卫星的轨道比 FY -1C 卫星低，所以它们产生的空间碎片衰减得更快一些。从图 2 -75 中可以看出，自 FY-1C 卫星解体事件发生 20 年后，其所产生的可编目空间碎片仍将有 50% 以上继续残留在空间环境当中。

FY-1C 卫星事件是中国航天史上对空间碎片环境污染最严重的事件，但是这是一个发展中国家向太空探索的重要一步，随后印度进行了类似的反卫星实验，对空间碎片环境也产生了较大的影响。我们应该在不断进步的过程中，总结过去的经验和教训，更好地维护和利用有限的空间资源。

2.11.2 中国对空间碎片环境保护的贡献

作为一个负责任的航天大国，中国不仅一直寻求着“航天强国”的梦想，也一直高度重视空间碎片问题，设立了专门的空间碎片行动计划，成立空间碎片协调和专家组，不断加强空间碎片监测、预警、防护和减缓等各项研究工作。

1995 年，中国国家航天局代表中国政府作为正式成员加入 IADC, 积极参加历次 IADC 会议和活动，参与联合国外空委长期可持续工作组空间碎片议题相关活动，遵循联合国《空间碎片减缓指南》，制定颁布了《空间碎片减缓与防护管理暂行办法》，为保护清洁的外层空间，促进空间碎片的国际交流与合作，做出了积极贡献。

近年来，中国在空间碎片探测、模型、防护和减缓方面开展了大量的研究与应用，取得了不少成绩。在空间碎片的监测预警方面，完成了空间碎片监测预警工程的初步建设，我国的地面监测设备参与了神舟 -6~ 神舟 -10 飞船、嫦娥 -1~ 嫦娥 -3 探测器的发射预警任务，为载人航天和空间探测任务提供了技术保障。在空间碎片模型方面，哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心“十二五”期间发布了空间碎片环境工程模型 （ SDEEM2015 ）。该模型可实现 LEO 空间碎片环境描述、空间碎片撞击风险评估以及地基探测结果仿真，还可输出 LEO 航天器不同轨道位置处空间碎片撞击通量随撞击方位角、撞击速度及碎片尺寸的分布规律，地基探测设备探测区域内空间碎片空间密度及通量的分布情况等信息。在防护方面，我们自主研制了空间碎片风险评估工具，利用该工具来评估飞行器寿命期间各个部位遭受撞击的风险，并在天宫一号目标飞行器上有针对性地采取了防护措施。天宫一号已经完成 2 年的预定任务，整个状态良好，表明我们采取的防护设计是可靠的。在减缓方面，如表 2 -16 和表 2 -17 所示，“长征”系列火箭上针对空间碎片减缓问题实施了钝化措施，包括剩余推进剂的排空、任务完成后火箭储能部件的消能；而且我国已有多颗地球静止轨道卫星在任务完成后实施离轨，彰显负责任航天大国的形象 ^{[103 -104]} 。

我国政府也加强了对空间碎片的管理工作 。2009 年 12 月 1 日，国家国防科技工业局正式发布了《空间碎片减缓与防护管理暂行办法》，用来约束我国工业部门、用户及研制单位的行为，以利于空间碎片的减缓和防护工作有序开展。

中国每两年举行一次全国空间碎片学术交流会，参会人数超过 300 人，对空间碎片研究进展和成果进行了广泛的交流 。2014 年在北京举办的第 32 届机构间空间碎片协调委员会会议，不仅可以树立我国政府在空间碎片领域负责任大国的形象，而且对促进国际交流合作、引领我国空间碎片研究向纵深发展有积极作用。

正如中华人民共和国国务院新闻办公室发布的 《2016 年中国的航天》白皮书所述，中国将继续推进空间碎片相关研究工作，加强政策和法规制定。中国国家航天局也愿意与各国航天机构携手共进，共同维护一个和平清洁的外层空间。

中国在自愿的基础上依据自己的机制和能力严格执行国际社会有关《空间碎片减缓指南》，为保护空间碎片环境做出了力所能及的不懈努力，为空间碎片环境保护做出了重要贡献，并将继续做出自己的贡献。

2.11.3 中国空间碎片清除方法新概念

1.利用电子束系统进行空间碎片清除

利用电子束清除空间碎片的方法主要有热烧蚀降轨法和带电轨道偏移法两种。热烧蚀降轨法的机理与激光降轨清除方法基本类似，即利用高能电子束辐照空间碎片使其表面熔融、汽化、电离，形成等离子体羽流，冲量耦合使碎片获得速度增量，碎片轨道因速度增量而发生改变。当碎片轨道的近地点高度低于稠密大气层边界时，碎片将再入大气层烧毁，从而达到碎片清除的目的。热烧蚀降轨法主要应用于厘米级以下空间碎片的清除，这一过程中存在额外的电子碰撞推力，但由于电子质量很轻，电子碰撞碎片产生的推力理论上来讲不会占据主导地位。带电轨道偏移法即利用高能电子束对空间碎片进行充电，使其在一定时间内保持一定的电量，在地磁场的影响下偏离原来轨道，达到清除出航天器轨道的目的。

2.利用等离子体射流进行碎片清扫技术

研究表明，航天器所遭遇的撞击绝大部分来自 1 mm 以下的微小碎片，在空间站所遭遇的大于 1 μm 的碎片通量中 ,1mm 以上的碎片不足百万分之一。大量的空间微小碎片及微流星体的长期累积撞击将导致空间站暴露材料产生损伤及功能衰退，对空间站的可靠性和寿命造成重要影响。例如，长期累积撞击可导致暴露于空间站的光学敏感器件透光率下降而使成像效果恶化；引起太阳电池光电性能退化而导致输出功率下降；造成热控涂层的热控性能下降等。

微小空间碎片产生的损伤不仅来自其撞击所直接带来的机械损伤，碎片与低轨道原子氧环境的协同作用对材料的加剧侵蚀、撞击产生的等离子体诱发静电放电 （ ESD） 等关联效应也给空间站的安全运行带来了实质性威胁，微小空间碎片的速度可达 15km/ s 以上，目前空间站尚无有效的主动防护手段。

因此，国内空间碎片领域有关学者针对空间站轨道提出了一种利用超高速等离子体射流定期清扫微小碎片的概念。该方法的基本原理是利于超高速等离子体射流自身携带的瞬态超强动能与高速空间碎片发生密集碰撞，使空间碎片瞬间失速而迅速脱离出空间站的安全轨道。等离子体射流时速可达几十千米每秒至百千米每秒，射流等离子体气团的扩散半径远期可达百米量级，当高速空间碎片与此类气团相遇后，碎片速度越高，减速效果越明显，通俗地说，当不同速度的碎片在气团中穿过同等距离时，速度越高，其降速的比率越大。

由于该方法是对空间站轨道进行大面积的清扫，所需的能量功耗非常高，而且等离子体射流在空间环境下扩散非常迅速，很难进行长距离清扫，所以该方法目前只停留在概念阶段，离实际天基应用还有很大的差距。 U8qos/4O/p+Nt1N10I6hJLmxEKc9SyxvsuJ5GUTdhG2RkTdieoDkyczsGrfc6IMc