空间碎片研究导论_航空航天

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《国之重器出版工程》编辑委员会

编辑委员会主任：苗　圩编辑委员会副主任：刘利华　辛国斌编辑委员会委员：　　冯长辉　梁志峰　高东升　姜子琨　许科敏　　陈　因　郑立新　马向晖　高云虎　金　

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前言

伴随着人类航天活动的频繁开展，空间碎片的数量也呈现明显增长趋势。大量的碎片不仅占据了宝贵的轨道资源，同时，也威胁着在轨运行航天器的安全。近年来，由于碎片碰撞造成

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第1章　绪　　论

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1.1　空间碎片概述

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1.1.1　空间碎片简介

广义空间碎片包含人造空间碎片和自然界微流星体，目前所讨论的空间碎片通常是指人造空间碎片，是分布在航天轨道上失去功能的人造物体，一般以碎片及颗粒物为主，因其可能对

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1.1.2　空间碎片来源及分类

随着航天科技的发展及广泛应用，人类向太空发射的航天器也越来越多，相应地，“太空垃圾”也在增多。空间碎片的快速增长主要是因为占据空间物体总质量绝大部分的失效卫星和

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1.1.3　空间碎片危害

空间碎片与航天器间的平均碰撞速度为10 km/s[6]，这类碰撞为超高速碰撞，撞击过程中形成的冲击波等会使得撞击损伤远大于碎片的尺寸，给航天系统带来的危害也是多

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1.2　空间碎片研究的关键技术

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1.2.1　探测技术

为了安全、持续地开发和利用空间资源，必须不断提高对空间碎片的跟踪监视技术，增强对空间碎片环境的分析与预测能力。如第1.1节所述，尺寸为1～10 cm的空间碎片对

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1.2.2　预警技术

为了确保航天器在任务期的安全运行，对于目前能够跟踪的物体，可以利用探测数据进行轨道预测，预测它们与工作航天器之间是否会有碰撞发生，通过适时变轨保证航天器不受碰撞

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1.2.3　防护技术

小空间碎片由于体积太小并且数量众多，无法逐个测量它们的轨道，航天器无法实施机动策略来躲避其撞击，只能采取对航天器进行防护设计的方法。防护设计的途径有三条：一是通

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1.2.4　减缓技术

空间碎片减缓主要是通过减缓标准的制定和减缓技术措施的实施，最大限度地减少和限制航天发射活动中空间碎片的产生，有效抑制空间碎片的增长，从而达到保护空间环境和外空轨

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1.3　关于空间碎片的协议

日益增长的空间碎片给人类的航天活动造成了极大的危害，在碎片问题中目前仍然存在监测预警复杂度高、移除代价高、防护范围有限等问题。此外，在法律层面上，还存在关于《空

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1.3.1　机构和组织

解决空间轨道碎片问题的两个重要的国际协调机构是IADC和联合国外层空间和平利用委员会（United Nations Committee on the Peace

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1.3.2　国际协议

1.可信清除条款国际空间安全推进协会（IAASS）提出了一种可信碎片清除机制，即通过政府间协议成立政府间的国际组织，命名为国际卫星移除维护和服务组织（INRE

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1.3.3　方法政策

解决空间碎片问题的具体途径有：发射前进行严格的审查及调查；改进操作规程，包括航天器可控离轨、离轨前有毒气体排放、避免将核动力系统用于终将离轨陨落的卫星等；开发新

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第2章　空间碎片探测技术

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2.1　引　　言

为了安全、持续地开发和利用空间资源，必须不断提高对空间碎片的跟踪监视技术，增强对空间碎片环境的分析与预测能力[10]。根据第1章中所述，尺寸为1～10 cm的空

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2.2　地基探测技术

地基探测是指利用地面观测设备对空间目标进行探测。目前对空间碎片的地基探测方法主要分为两类：地基雷达探测和地基光学探测。其中地基光学探测又包括红外、光电和激光三种

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2.2.1　地基雷达探测

地基雷达是空间碎片的重要测量设备，探测空间碎片所用的地基雷达一般为机械扫描雷达或相控阵雷达，其外观分别如图2-2和图2-3所示。图2-2　机械扫描雷达（见彩插

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2.2.2　地基光学探测

基于望远镜等光学探测设备的观测是对空间碎片进行地基探测的另一种方法。光电望远镜探测设备是望远镜和光电探测器的集成设备，是一种电子增强的望远镜，它能收集空间物体反

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2.2.3　地基探测网

从20世纪60年代始，美国和苏联两个超级大国出于称霸世界的目的和自身安全的需要，在致力发展自己的空间系统和战略核武器的同时，投入巨资建立起了庞大的空间监视系统—

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2.3　天基探测

天基探测是指利用搭载在天基平台上的观测设备和探测器件对空间碎片进行探测，是微小空间碎片探测的有效方法。天基探测克服了地球大气的影响，可以工作在更高的信号频率上，

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2.3.1　天基遥感探测

天基遥感探测主要利用卫星、飞船和空间站等平台搭载雷达或光学望远镜进行探测。由于天基遥感探测是在太空中进行观测，探测过程不受大气的干扰，并且探测设备与目标之间的距

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2.3.2　天基光学探测

天基光学探测采用位于天基平台上的光学电子望远镜，对空间碎片进行观测，具有很高的灵敏度与探测分辨率。但由于卫星平台与观测目标都在高速运动，观测过程受到观测平台位置

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2.3.3　天基雷达探测

由于雷达探测理论完备、技术成熟，在天基探测中又有自己的优势，天基雷达探测是目前空间目标监测的发展方向之一，目前已有报道的空间碎片天基雷达探测系统包括美国在“国际

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2.4　天基和地基探测技术发展趋势

本章中所介绍的空间碎片探测方法可以汇总为图2-9所示框架。基于当前的空间碎片监测和成像手段，我国相关机构和学者提出了发展空间监测系统中关键技术的若干建议[3]

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第3章　空间碎片的环境模型

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30

3.1　轨道摄动与轨道预报

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《空间碎片研究导论》简介

《国之重器出版工程》编辑委员会

前言

目录

第1章　绪　　论

1.1　空间碎片概述

1.1.1　空间碎片简介

1.1.2　空间碎片来源及分类

1.1.3　空间碎片危害

1.2　空间碎片研究的关键技术

1.2.1　探测技术

1.2.2　预警技术

1.2.3　防护技术

1.2.4　减缓技术

1.3　关于空间碎片的协议

1.3.1　机构和组织

1.3.2　国际协议

1.3.3　方法政策

第2章　空间碎片探测技术

2.1　引　　言

2.2　地基探测技术

2.2.1　地基雷达探测

2.2.2　地基光学探测

2.2.3　地基探测网

2.3　天基探测

2.3.1　天基遥感探测

2.3.2　天基光学探测

2.3.3　天基雷达探测

2.4　天基和地基探测技术发展趋势

第3章　空间碎片的环境模型

3.1　轨道摄动与轨道预报