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第 四 纪 研 究
第
22
卷 第
6
期
Vol
.22,
No
.6
2002
年
11
月
November
,2002
QUATERNARY
SCIENCES
空间碎片与空间环境
李春来 欧阳自远
①①②③
3
都 亨
④
(
①中国科学院国家天文台
,
北京
100012;
②中国科学院地球化学研究所
,
贵阳
550002;
③中国科学院地球化
学研究所环境地球化学国家重点实验室
,
贵阳
550002;
④中国科学院空间科学与应用研究中心
,
北京
100080
)
摘要 空间碎片起源于人类的航天活动
,
目前空间碎片的空间密度已经对航天器的安全造
成威胁
,
且其数量仍在高速增长
,
已成为一个引人瞩目的环境问题
,
航天器受空间碎片撞击的
事件时有发生。大空间碎片的撞击会使航天器姿态和轨道发生改变
,
更严重的是会导致航天
器破损甚至完全解体
;
小空间碎片的撞击会使航天器表面性能改变
,
部分器件损伤或失效
,
使
航天器丧失功能。目前地基设备只能对厘米级及更大的碎片进行观测、跟踪和编目
,
航天器
可以根据空间碎片的轨道参数进行规避和机动飞行
,
以避免撞毁
;
小空间碎片
(
<1cm
)
数量众
多
,
但无法进行轨道测量
,
只能通过天基直接探测和样品回收获得数据
,
数值建模和超高速撞
击模拟实验是进行小空间碎片风险评估和撞击效应研究的有效方法。对小空间碎片只能采
取被动防护的方法
,
在航天器总体设计、防护结构和材料方面着手
,
降低空间碎片的威胁。改
善空间环境
,
减少空间碎片的最根本方法是对航天器采取钝化措施
,
减少空间碎片的产生
,
理
论上还可以采取措施
,
清扫、清除或回收空间碎片。
主题词 空间碎片 宇宙尘 空间环境 撞击 航天器
空间碎片指分布在人造地球卫星利用的环绕地球轨道上
(
通常为距地面
100
～
40000km
高度的空间内
)
并已丧失功能的空间物体。在性质上
,
空间碎片可分为自然成因
的宇宙尘
(
或称微流星体
,
或微陨石
)
和人为空间碎片。宇宙尘是起源于星际和行星际空
间的微细粒尘埃物质
,
它具有较稳定的粒度
(
通常小于
1mm
)
、通量和速度分布
(
11.2
～
[1]
72.8km
Π
s
)
,
因而实际上构成了空间碎片的背景通量
。目前
,
在典型的卫星轨道空间
,
中
等尺度的空间碎片中
,
宇宙尘的通量比人为碎片低两个数量级。人为空间碎片指人类
在太阳系空间
,
尤其是地球外层空间的太空探索活动产生、遗弃的碎片和颗粒物质
,
也称
为太空垃圾
,
主要由报废的空间装置、失效的载荷、火箭残骸、绝热防护材料、分离装置等
,
及其因碰撞、风化产生的碎屑物质组成。从航天器角度看
,
任何可能与它发生碰撞
,
对它
[2]1
)
造成危害的物体都应该被视为空间碎片。
空间碎片对航天器有着重大的危害性
,
甚至会危及到在航天器
(
空间站
)
外工作的宇
航员的生命安全。碎片物质的撞击是航天器机械损伤和损毁的主要原因
,
也是影响航天
器寿命的主要因素之一。然而
,
随着人类空间活动的开展
,
空间碎片也随之产生
,
并越来
第一作者简介
:
李春来 男
37
岁 研究员 天体化学专业
E
2
mail:licl@
3
[2]
国家自然科学基金
(
批准号
:49773204
和
49973025
)
资助项目和中国科学院知识创新工程项目
(
批准号
:KZCX2-115
)
2002-07-29
收稿
,2002-09-04
收修改稿
1
)
国防科学技术工业委员会
.
空间碎片行动计划
.2000
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
6
期 李春来等
:
空间碎片与空间环境
541
越成为影响空间活动的令人关注的空间环境问题。
20
世纪
50
年代以来的
40
多年中
,
全球
进行的空间发射已经超过了
4000
次
,
送入空间的物体超过
26000
个
,
其中大约仍有
1
Π
3
遗
留在空间沿轨道飞行。目前可在地面观测并测定其轨道的大空间物体超过
8000
个
,
但
其中只有
6%
是仍在工作的航天器
,
其余为空间碎片。小尺度空间碎片的数量比可测空
间物体的数量要多得多
,
大于
1cm
的空间碎片数量已超过了
11
万个
,
大于
1mm
的空间碎
片超过了
3500
万个
,
空间碎片的总质量已经超过
450
万公斤。令人担忧的是
,
空间碎
片的数量仍在以很高的速度增长
,
太空环境还在日益恶化
,
有人甚至认为现在已进入“后
太空时代”
,
并预言如果这种状况得不到改善
,
太空环境将进一步恶化
,
空间碎片会在地球
外层空间形成一个碎屑层
,
阻止人类进入太空
,
人类的太空探索和研究将不得不停止
,
人
类将永远被禁锢在地球“摇篮”中。
[2]1
)
1
空间碎片的研究历史、现状与发展趋势
早在
1963
年讨论
Westford
铜针通讯实验时
,
人造物体对空间活动可能产生的影响就
被提出来了。
1966
和
1970
年执行”
Apollo
计划”和”
Skylab
计划”时
,
美国航空航天局
(
NASA
)
考虑了空间碎片可能产生的影响。
70
年代中期
,
朗利
(
Langley
)
研究中心注意到在
空间发生的爆炸使空间碎片的数量急剧上升
,
实际的数目是编目数的
2.5
倍。
70
年代
末
,
约翰逊空间中心研究了空间碎片相互碰撞而发生连锁反应使碎片数目呈雪崩式增加
的可能性。
1981
年
,
美国航空航天研究所公布了第一份关于空间碎片状态的报告
,
强调
了这一问题日益增长的严重性。同年
,
美国航空航天局制定了一个历时
10
年的”空间碎
[2]1
)
片评估计划”
,
总投资达
1470
万美元。
80
年代初
,
接连几次空间爆炸事件产生了大量碎片
,
引起了航天界的重视。
1986
年
,
美国政府成立了机构间空间组
(
InteragencyGroup
2
Space
)
,
以加强空间碎片的研究。
1988
年
2
月
11
日
,
里根总统签署了美国关于空间碎片的国家空间政策。欧洲空间局
(
ESA
)
在
1985
年举行了关于空间碎片再入的研讨会
,1986
年建立了专门的工作组
,1988
年发表了
欧洲空间局的空间碎片报告
,1989
年欧洲空间局理事会批准了关于空间碎片活动的决
议。
1995
年
8
月
1
日
,
美国航空航天局的安全标准
1740.14
———限制空间碎片的准则和评
估程序开始生效。
1996
年
,
日本国家空间发展局
(
NASDA
)
颁布了“空间碎片清除标准”
,
1999
年欧洲空间局也编制了清除空间碎片手册。
目前
,
各航天大国都已经认识到空间碎片是一项既涉及世界各国的利益
,
也是需要世
界各国联合行动才能解决的问题。
1993
年
12
月
10
日
,
联合国做出了第一个关于空间碎
片的
39
号决议
,
并于
1994
年
2
月将空间碎片主题列入科学技术分委员会第
31
次会议议
程。分委员会同意将它作为重要的、需要通过国际合作进行的项目
,
并提出应该从
3
个方
面发展与空间碎片有关的技术
:1
)
空间碎片的测量
;2
)
描述空间碎片环境的数学模式
;
3
)
减轻空间碎片危害的手段。为了推进这项工作
,
科学技术分委员会在第
32
次会议上制
定了分别在
1996
年、
1997
年和
1998
年进行重点讨论的计划。从第
33
次会议开始
,
该分
委员会发布关于空间碎片的技术报告
,
并每年对技术报告进行更新
,
以促进对“空间碎片”
1
)
国防科学技术工业委员会
.
空间碎片行动计划
.2000
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