空間碎片與空間環(huán)境

空間碎片與空間環(huán)境一、本文概述空間碎片與空間環(huán)境是當(dāng)代航天領(lǐng)域所面臨的兩大重要問題。隨著人類空間活動的不斷增加，無論是發(fā)射衛(wèi)星、執(zhí)行載人航天任務(wù)，還是進(jìn)行空間科學(xué)實驗，都在不斷產(chǎn)生并遺留下大量的空間碎片。這些碎片在空間中以極高的速度運動，對在軌航天器構(gòu)成了嚴(yán)重威脅?？臻g環(huán)境本身也對航天器的正常運行產(chǎn)生了重要影響。因此，研究空間碎片和空間環(huán)境，對于保障空間活動的安全、推動航天事業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重大意義。本文首先將對空間碎片的來源、分類及其對航天器的影響進(jìn)行詳細(xì)的闡述，進(jìn)而分析現(xiàn)有的空間碎片監(jiān)測與清理技術(shù)，并探討其未來的發(fā)展趨勢。接著，文章將深入剖析空間環(huán)境的構(gòu)成及其對航天器的影響，包括空間輻射、微重力、極端溫度等因素。在此基礎(chǔ)上，文章還將探討如何有效應(yīng)對空間環(huán)境對航天器的影響，以及如何通過技術(shù)創(chuàng)新來提高航天器的環(huán)境適應(yīng)性。本文旨在為讀者提供一個全面、深入的空間碎片與空間環(huán)境的研究視角，以期為未來的航天科技發(fā)展提供有益的參考和啟示。二、空間碎片的來源與分類空間碎片，也稱為軌道碎片或太空垃圾，是指在地球軌道上不再具有功能的人造物體或自然物體殘骸。這些碎片對在軌航天器構(gòu)成嚴(yán)重威脅，可能引發(fā)碰撞事件，導(dǎo)致更多的碎片產(chǎn)生，形成惡性循環(huán)。了解空間碎片的來源和分類對于預(yù)防和減少空間碎片的產(chǎn)生，以及保障空間活動的安全至關(guān)重要?？臻g碎片的來源多種多樣。最主要的一種來源是失效或報廢的人造衛(wèi)星、火箭箭體、發(fā)射臺等。隨著空間活動的不斷增加，這些由人類活動產(chǎn)生的碎片數(shù)量也在快速增長?？臻g碎片還來源于在軌航天器的爆炸、碰撞等意外事件，這些事件通常會產(chǎn)生大量的碎片，對空間環(huán)境造成嚴(yán)重影響。另一種重要的來源是自然物體的殘骸，如流星體、彗星和行星等天體在進(jìn)入地球大氣層時燃燒產(chǎn)生的碎片。這些自然物體雖然數(shù)量相對較少，但由于其高速運動和巨大的質(zhì)量，對空間環(huán)境的潛在威脅不容忽視?？臻g碎片的分類主要根據(jù)其來源和性質(zhì)進(jìn)行。按照來源分類，空間碎片可分為人造碎片和自然碎片兩大類。人造碎片包括失效衛(wèi)星、火箭箭體、發(fā)射臺等人類活動產(chǎn)生的碎片，以及由在軌航天器爆炸、碰撞等意外事件產(chǎn)生的碎片。自然碎片則主要包括流星體、彗星和行星等天體燃燒產(chǎn)生的碎片。按照性質(zhì)分類，空間碎片可分為固體碎片和液體碎片。固體碎片主要由金屬、塑料、玻璃等材料構(gòu)成，形狀和大小各異，有的可能帶有鋒利的邊緣或尖銳的角，對在軌航天器的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。液體碎片則主要指燃油、冷卻劑等液體物質(zhì)在太空中泄漏形成的碎片，這些液體碎片在太空中可能形成冰晶或氣溶膠，對空間環(huán)境造成污染。為了有效管理和減少空間碎片的產(chǎn)生，國際社會已經(jīng)采取了一系列措施。例如，制定和實施空間碎片減緩準(zhǔn)則，要求各國在空間活動中采取必要措施減少碎片的產(chǎn)生；建立空間碎片監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測和跟蹤空間碎片的動態(tài)；推動國際合作，共同應(yīng)對空間碎片帶來的挑戰(zhàn)?？臻g碎片的來源和分類復(fù)雜多樣，對空間環(huán)境的安全和穩(wěn)定構(gòu)成嚴(yán)重威脅。了解和掌握空間碎片的來源和分類，對于預(yù)防和減少碎片的產(chǎn)生，以及保障空間活動的安全具有重要意義。國際社會需要加強(qiáng)合作，共同應(yīng)對空間碎片帶來的挑戰(zhàn)，為人類的太空探索和發(fā)展創(chuàng)造更加安全、穩(wěn)定的環(huán)境。三、空間碎片的危害與影響空間碎片，包括廢棄的衛(wèi)星、火箭殘骸、失效的空間探測器，甚至小到螺絲釘和漆片，都已經(jīng)成為人類探索宇宙道路上的嚴(yán)重障礙。它們的存在對空間環(huán)境、航天器的安全以及人類的太空活動產(chǎn)生了深遠(yuǎn)而復(fù)雜的影響?？臻g碎片的存在對空間環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。由于高速運動，碎片在太空中發(fā)生碰撞會產(chǎn)生更多的碎片，形成所謂的“凱斯勒綜合癥”。這種連鎖反應(yīng)可能導(dǎo)致太空中的碎片數(shù)量急劇增加，使得未來的太空活動面臨更大的風(fēng)險?？臻g碎片對航天器的安全構(gòu)成了直接威脅。碎片與航天器的碰撞可能導(dǎo)致航天器的損壞，甚至完全破壞。這種威脅不僅存在于航天器發(fā)射和返回的過程中，也存在于航天器在軌運行期間。碎片還可能對航天器的太陽能電池板、熱控系統(tǒng)等關(guān)鍵部件造成損害，影響航天器的正常運行?？臻g碎片也對人類的太空活動產(chǎn)生了影響。由于碎片的存在，航天器的設(shè)計、發(fā)射和運行都需要更加謹(jǐn)慎和復(fù)雜。例如，航天器需要配備更先進(jìn)的避障系統(tǒng)，發(fā)射窗口的選擇也需要更加精確。碎片的存在也限制了人類在太空中的活動范圍和持續(xù)時間，使得太空探索和開發(fā)變得更加困難和昂貴。因此，空間碎片的危害與影響不容忽視。我們需要采取更加有效的措施來減少碎片的產(chǎn)生，同時加強(qiáng)碎片的監(jiān)測和預(yù)警，以確保太空活動的安全和順利進(jìn)行。這不僅是科技問題，也是全人類共同面臨的挑戰(zhàn)。四、空間碎片的監(jiān)測與預(yù)警隨著空間活動的日益頻繁，空間碎片問題已成為全球關(guān)注的重大科技問題之一。空間碎片的監(jiān)測與預(yù)警是確?？臻g環(huán)境安全、預(yù)防潛在碰撞風(fēng)險的重要手段。當(dāng)前，全球已建立了一套相對完善的空間碎片監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，通過地面雷達(dá)、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡以及空間探測器等設(shè)備，實現(xiàn)對空間碎片的精確跟蹤和預(yù)測?？臻g碎片的監(jiān)測主要包括對碎片的軌道參數(shù)、尺寸、形狀、成分等信息的獲取。通過雷達(dá)和光學(xué)觀測手段，可以實現(xiàn)對空間碎片的實時監(jiān)測和編目。同時，結(jié)合空間環(huán)境模型，可以預(yù)測碎片軌道的長期演化趨勢，為空間安全提供重要參考。預(yù)警系統(tǒng)則是基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合碰撞風(fēng)險評估算法，實現(xiàn)對潛在碰撞事件的及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)警。當(dāng)監(jiān)測到某個空間物體與已知碎片存在潛在碰撞風(fēng)險時，預(yù)警系統(tǒng)會迅速計算出碰撞概率和可能的影響范圍，并向相關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)送預(yù)警信息。這樣，相關(guān)空間任務(wù)可以及時調(diào)整軌道，避免潛在的碰撞風(fēng)險。隨著技術(shù)的發(fā)展，空間碎片的監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)也在逐步實現(xiàn)智能化。通過深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)手段，可以提高對空間碎片的識別精度和預(yù)警效率，為空間安全提供更加可靠的保障。空間碎片的監(jiān)測與預(yù)警是確?？臻g環(huán)境安全、預(yù)防潛在碰撞風(fēng)險的重要手段。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和全球合作的深入，我們有理由相信，空間碎片問題將得到有效控制，為人類探索宇宙提供更加安全、可靠的環(huán)境。五、空間碎片的治理與預(yù)防隨著空間活動的日益頻繁，空間碎片問題愈發(fā)嚴(yán)重，對在軌航天器的安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，空間碎片的治理與預(yù)防成為了當(dāng)前空間環(huán)境安全領(lǐng)域的重要議題。治理空間碎片的首要任務(wù)是建立有效的監(jiān)管機(jī)制。各國政府和空間機(jī)構(gòu)應(yīng)共同制定和執(zhí)行國際空間碎片減緩準(zhǔn)則，推動全球范圍內(nèi)的空間碎片治理合作。同時，建立空間碎片數(shù)據(jù)庫，實時監(jiān)測和記錄空間碎片的數(shù)量、分布和動態(tài)變化，為航天器的發(fā)射、運行和回收提供決策支持。在預(yù)防空間碎片方面，應(yīng)采取一系列技術(shù)措施。加強(qiáng)航天器的設(shè)計和制造質(zhì)量，提高其抵抗空間碎片撞擊的能力。優(yōu)化航天器的發(fā)射和運行軌道，避免與已知的空間碎片軌道相交。推廣使用可重復(fù)使用的航天器，減少航天器廢棄物的產(chǎn)生。除了技術(shù)措施外，還應(yīng)加強(qiáng)空間碎片治理與預(yù)防的法律法規(guī)建設(shè)。各國應(yīng)共同制定和完善空間碎片治理的國際法規(guī)，明確各國在空間碎片治理中的責(zé)任和義務(wù)。建立空間碎片治理的國際合作機(jī)制，推動各國在空間碎片治理領(lǐng)域的合作與交流?？臻g碎片的治理與預(yù)防需要全球范圍內(nèi)的共同努力。通過加強(qiáng)監(jiān)管機(jī)制、采取技術(shù)措施和完善法律法規(guī)建設(shè)，我們可以有效地減少空間碎片的產(chǎn)生和危害，保障空間活動的安全與可持續(xù)發(fā)展。六、空間環(huán)境對航天活動的影響及應(yīng)對策略空間環(huán)境對航天活動的影響不容忽視?？臻g碎片、高能輻射、極端溫度、微重力等因素都可能對航天器、衛(wèi)星和宇航員造成嚴(yán)重影響。因此，我們需要深入研究空間環(huán)境，探索應(yīng)對策略，以確保航天活動的安全和成功?？臻g碎片是空間環(huán)境中的一個重要問題。由于歷史上的航天活動，包括衛(wèi)星發(fā)射、火箭殘骸、太空站建設(shè)等，產(chǎn)生了大量的空間碎片。這些碎片以極快的速度在太空中飛行，可能對航天器造成撞擊，導(dǎo)致航天器損壞或失效。為了應(yīng)對這一問題，我們需要加強(qiáng)空間碎片的監(jiān)測和預(yù)警，同時推動國際社會合作，共同制定和執(zhí)行減少空間碎片的政策和措施。高能輻射也是航天活動面臨的一個重要挑戰(zhàn)。太陽和宇宙中的高能粒子可能對航天器的電子設(shè)備和宇航員的健康造成損害。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，我們需要研發(fā)更先進(jìn)的防輻射材料和技術(shù)，以保護(hù)航天器和宇航員的安全。同時，我們還需要加強(qiáng)對高能輻射的監(jiān)測和研究，以更好地了解其對航天活動的影響。極端溫度和微重力環(huán)境也是航天活動需要面對的問題。在太空中，溫度可能極端變化，而微重力環(huán)境則可能對航天器的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響。為了應(yīng)對這些問題，我們需要研發(fā)適應(yīng)極端溫度和微重力環(huán)境的材料和技術(shù)。我們還需要進(jìn)行充分的測試和驗證，以確保航天器在太空中的性能和可靠性。空間環(huán)境對航天活動的影響是多方面的，我們需要從多個角度進(jìn)行研究和應(yīng)對。通過加強(qiáng)國際合作、推動技術(shù)創(chuàng)新和完善相關(guān)政策和法規(guī)，我們可以更好地應(yīng)對空間環(huán)境對航天活動的影響，確保航天活動的安全和成功。七、結(jié)論隨著人類在空間探索和利用方面的不斷進(jìn)步，空間碎片和空間環(huán)境的問題日益凸顯，對人類的太空活動和地球環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅?？臻g碎片，作為人類空間活動的副產(chǎn)品，已經(jīng)形成了復(fù)雜的軌道環(huán)境，不僅可能破壞在軌航天器，還可能對地面通訊和航天安全造成嚴(yán)重影響。而空間環(huán)境，包括微重力、真空、高輻射等特性，對人類的生理和心理健康也提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在本文中，我們詳細(xì)探討了空間碎片和空間環(huán)境的問題，分析了它們的成因、影響以及現(xiàn)有的應(yīng)對措施。我們強(qiáng)調(diào)了預(yù)防和減少空間碎片的重要性，提出了一系列有效的策略和方法，包括改進(jìn)航天器設(shè)計、優(yōu)化發(fā)射和軌道維護(hù)操作、實施空間碎片清理計劃等。同時，我們也關(guān)注了空間環(huán)境對人類的影響，討論了如何在微重力、真空和高輻射環(huán)境下保障航天員的健康和安全。然而，盡管我們已經(jīng)取得了一定的成果，但空間碎片和空間環(huán)境的問題仍然嚴(yán)峻。隨著全球空間活動的不斷增加，我們需要更多的國際合作和共同努力來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。我們期待未來能有更多的創(chuàng)新技術(shù)和方法被應(yīng)用到這一領(lǐng)域，以實現(xiàn)空間環(huán)境的可持續(xù)利用和保護(hù)?？臻g碎片和空間環(huán)境是我們在空間探索和利用過程中必須面對的重要問題。我們需要持續(xù)關(guān)注和研究這些問題，不斷提高我們的應(yīng)對能力，以確保人類在空間活動中的安全和可持續(xù)發(fā)展。參考資料：隨著科技的快速發(fā)展，空間探索活動日益頻繁，然而，這些活動也帶來了一個新的環(huán)境問題——空間碎片。這些散落在地球軌道上的廢棄物對航天器構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，并已成為空間環(huán)境的主要污染源。更重要的是，這一問題的解決需要國際社會的共同努力，明確各國的責(zé)任與義務(wù)?？臻g碎片是指人類空間活動中產(chǎn)生的廢棄物，包括失效的衛(wèi)星、火箭殘骸、宇航員工具等。這些碎片在地球軌道上以極高速度飛行，對正常運行的衛(wèi)星和空間站造成嚴(yán)重威脅。它們不僅可能導(dǎo)致航天器的損壞，還可能引發(fā)連鎖碰撞，形成更多的碎片，導(dǎo)致所謂的“凱斯勒綜合征”。面對這一全球性的環(huán)境問題，國際社會必須共同承擔(dān)起責(zé)任。各國應(yīng)制定并遵守空間活動規(guī)范，減少不必要的空間碎片產(chǎn)生。這包括對發(fā)射的衛(wèi)星進(jìn)行合理的棄置管理，以及在必要時進(jìn)行主動清除。國際社會應(yīng)推動信息共享和技術(shù)合作，共同研發(fā)高效的空間碎片監(jiān)測和清除技術(shù)。另外，國際法規(guī)和政策也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和完善，以明確各國在空間碎片問題上的責(zé)任和義務(wù)。例如，可以建立“污染者付費”原則的機(jī)制，要求產(chǎn)生空間碎片的國家承擔(dān)清理責(zé)任。同時，國際組織如聯(lián)合國和平利用外層空間委員會等應(yīng)在此問題上發(fā)揮主導(dǎo)作用，推動各國采取積極措施。然而，空間碎片的清理并非易事。這需要研發(fā)先進(jìn)的捕獲和銷毀技術(shù)，同時考慮到空間法律和安全等方面的諸多問題。因此，國際合作顯得尤為重要。各國應(yīng)共同努力，促進(jìn)技術(shù)交流和資源共享，加速相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用?？臻g碎片造成的空間環(huán)境污染是一個嚴(yán)重的全球性問題。國際社會必須以更緊密的合作和更明確的責(zé)任體系來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。只有這樣，我們才能保護(hù)我們的空間環(huán)境，確保未來的空間探索活動能夠安全、可持續(xù)地進(jìn)行。空間碎片，是指人類空間活動的產(chǎn)物。包括完成任務(wù)的火箭箭體和衛(wèi)星本體、火箭的噴射物、在執(zhí)行航天任務(wù)過程中的拋棄物、空間物體之間的碰撞產(chǎn)生的碎塊等，是空間環(huán)境的主要污染源。自從1957年蘇聯(lián)人造衛(wèi)星發(fā)射以來，美國監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)NORAD監(jiān)測和編目了大約20000個左右直徑大于10cm的空間碎片?，F(xiàn)在，大約還有7500個碎片處于地球軌道中，主要在低地球軌道中(1995年數(shù)量為5747)。人類遺留在空間的廢棄移動碎片稱作空間碎片。可以將碎片更具體地分為下列幾種：自從1957年蘇聯(lián)人造衛(wèi)星發(fā)射以來，美國監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)NORAD監(jiān)測和編目了大約20000個左右直徑大于10cm的空間碎片。現(xiàn)在，大約還有7500個碎片處于地球軌道中，主要在低地球軌道中(1995年數(shù)量為5747)。剩下的13000個，有的被燃盡，有的則返回地球，比如有效載荷。還有直徑大于1cm的碎片約10000個，直徑大于1mm碎片約100000個。碎片數(shù)量肯定會不斷增加，因為碎片彼此相撞會產(chǎn)生新的碎片（這種碎片被稱作二次碎片）。多數(shù)碎片位于近似圓形的軌道上。在500km高度，質(zhì)量小于1g的物體壽命最多只有幾年，在太陽活動高峰期間，壽命則只有幾個月。而地球靜止軌道上的碎片壽命實際是無限的。從空間碎片觀測的角度講，雷達(dá)探測區(qū)間能覆蓋星載平臺前進(jìn)方向半球牽域最好，可解決多方向碎片探測問題。基于星載平臺的毫米波雷達(dá)觀測區(qū)域如圖1所示，其中大球表示地球，小球表示某時刻雷達(dá)的可觀測區(qū)域，筒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)包含的區(qū)域即為所有可被雷達(dá)觀測到的區(qū)域集合。在一定數(shù)據(jù)率下，為實現(xiàn)上述探測區(qū)域的覆蓋，雷達(dá)探測方式和天線的形式都需深入研究。比較可取的是不過度復(fù)雜的具有同時多波束的寬覆蓋天線。與此同時，根據(jù)星載平臺周圍空間碎片的尺寸和其徑向速度的大小來劃分目標(biāo)的威脅等級，確定星載雷達(dá)在某個時間段的觀測方向，插入目標(biāo)確認(rèn)和重復(fù)觀測任務(wù)，研究觀測過程中的雷達(dá)和碎片的時空關(guān)系也十分必要。對于尺度在厘米級的空間碎片，由于其雷達(dá)橫截面積很小，要達(dá)到探測所需的信噪比，需要較大尺寸的雷達(dá)天線和高的發(fā)射功率：在星載環(huán)境下，這兩個條件很難保證。脈沖積累尤其是脈沖相干積累是提高雷達(dá)探測信噪比的一個有效方法。從理論上講，1000個脈沖的相干積累可獲得30dB的信噪比提升，可大大提升雷達(dá)對目標(biāo)的探測性能。但由于目標(biāo)和雷達(dá)處于高速運動狀態(tài)，目標(biāo)大范圍的距離徙動，使傳統(tǒng)相干積累的效果極為有限，需要研究新的運動目標(biāo)探測技術(shù)。解決上述問題的一個辦法是降低雷達(dá)的距離分辨率，但是降低分辨率會給后續(xù)其他信號處理工作，如目標(biāo)速度在三維空間求解等，帶來很多閑難：：由于提高距離分辨率會增大系統(tǒng)信號處理的壓力，但并不會影響目標(biāo)信噪比，為同時解決目標(biāo)速度的測量問題，系統(tǒng)使用寬帶信號并具有高分辨率成像模式還是有意義的。和傳統(tǒng)的目標(biāo)探測雷達(dá)相比，以SAR和ISAR為代表的成像雷達(dá)對目標(biāo)成像時都實施了運動補(bǔ)償，通過長時間的相十積累，獲得了較大的目標(biāo)信噪比改善，這集中體現(xiàn)在SAR雷達(dá)方程中的信噪比和日標(biāo)距離的3次方成反比。可考慮將SAR和ISAR的一些成像處理方法引入空間目標(biāo)的探測過程，用來提高檢測目標(biāo)的信噪比。在此基礎(chǔ)上，雷達(dá)對遠(yuǎn)距離日標(biāo)信號可采用長時間相干積累，對近距離日標(biāo)信號可采用短時間相干積累，并自動實現(xiàn)一定的靈敏度時間控制(STC)功能。由于在成像處理過程中，獲得目標(biāo)徑向速度的同時，也可獲得目標(biāo)橫向速度，故雷達(dá)成像可獲得更多的運動目標(biāo)信息。在星載條件下，雷達(dá)和空間碎片間存在高速徑向和橫向運動，傳統(tǒng)的搜索-捕獲-跟蹤-目標(biāo)運動參數(shù)估計一軌道測量過程很難建立。同時，由于雷達(dá)的作用距離有限，基于天線波束順序掃描通過連續(xù)跟蹤從目標(biāo)較短的軌跡獲取軌道信息比較困難，需研究新的目標(biāo)軌道測量方法。雷達(dá)容易獲取某時刻目標(biāo)的三維位置以及徑向速度，通過成像處理，也能獲得目標(biāo)的橫向速度，但只有將徑向速度和橫向速度分解到平臺坐標(biāo)系三維空間并轉(zhuǎn)入天球坐標(biāo)系，才可能解決目標(biāo)的軌道預(yù)測問題。在星載平臺上，由于空間正交布局天線的基線較短，傳統(tǒng)地基方法對目標(biāo)在三維空間的測速精度很低，不能滿足軌道預(yù)測的要求。解決問題的一個辦法是，提高雷達(dá)的分辨率并對目標(biāo)進(jìn)行成像處理，在高分辨率成像模式下利用圖像配準(zhǔn)將獲得的目標(biāo)速度分解到雷達(dá)平臺的三維空間，獲取目標(biāo)三維運動參數(shù)，為其軌道預(yù)測創(chuàng)造條件。設(shè)平臺坐標(biāo)系和天球坐標(biāo)系的關(guān)系如圖2所示，平臺坐標(biāo)系原點到地心的方向可設(shè)為x'軸方向，軸方向，z'軸方向垂直于平臺的軌道平面，y’軸與x‘軸，z’軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，同時定義y’軸為平臺前進(jìn)方向，x’O'y’平面為天線波束俯仰掃描平面，y’O'z’平面為天線波束方位掃描平面。當(dāng)天線波束任意指向時，為求解目標(biāo)三維速度，需在坐標(biāo)系原點O’和x‘、y’和z’三軸上正交布設(shè)4個天線；當(dāng)天線波束指向在x’O’y’平面時，需在坐標(biāo)系原點O’，和x’z’兩軸上正交布設(shè)三個天線，其基線長度可設(shè)為lx'和lz'。由于需要使用多天線結(jié)構(gòu)，且在有限基線數(shù)日卜要準(zhǔn)確分解目標(biāo)速度，宙達(dá)還需具有較高的分辨率，這樣的一個審問碎片觀測雷達(dá)系統(tǒng)實際上較為復(fù)雜?，F(xiàn)代化學(xué)火箭推進(jìn)的航天器，其液體推進(jìn)劑的質(zhì)量占航天器總質(zhì)量50%以上，因此，航天器液體推進(jìn)劑的貯存系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、貯箱壁簿、安全系數(shù)小等特點。大尺寸的宇宙塵撞擊液體推進(jìn)劑貯箱的可能性幾乎為零，能撞擊液體推進(jìn)劑貯箱的宇宙塵質(zhì)量范圍為10-12~1g。撞擊液體推進(jìn)劑貯箱的宇宙塵質(zhì)量雖小，但在太陽引力場作用下的撞擊速度可高達(dá)84km/s。在這樣高的撞擊速度下，質(zhì)量為1ug的寧宙塵埃，就可以穿透1mm的鋁板。因此，必需研究宇宙塵撞擊的規(guī)律，使液體推進(jìn)劑貯箱避免宇宙塵埃的撞擊。宇宙塵埃和空間碎片撞擊液體推進(jìn)劑貯存系統(tǒng)造成航天器損壞主要有以下3種特征。(1)大尺度宇宙塵埃和空間碎片撞擊。寧宙塵埃和空間碎片的尺寸接近或超過液體推進(jìn)劑貯箱的壁厚，質(zhì)量接近或超過被撞擊部分的材料質(zhì)量時，稱之為大尺度宇宙塵埃和空間碎片。大尺度寧宙塵埃和空間碎片撞擊液體推進(jìn)劑貯箱，貯箱將被徹底貫穿，寧宙塵埃和空間碎片幾乎不損失動量和能量。(2)中等尺度宇宙塵埃和空間碎片撞擊。宇宙塵埃和空間碎片尺度為液體推進(jìn)劑貯箱壁厚的10%—20%時，稱為中等尺度宇宙塵埃和空間碎片。中等尺度宇宙塵埃和空間碎片撞擊液體推進(jìn)劑貯箱，貯箱將被擊穿，宇宙塵埃和空間碎片的大部分能量被推進(jìn)劑貯箱吸收，并引起強(qiáng)烈的沖擊波，導(dǎo)致被撞擊貯箱壁背面沿著裂縫擴(kuò)散。貯箱破裂產(chǎn)生的碎片速度較低，但質(zhì)量卻比寧宙塵埃和空間碎片大得多。空間環(huán)境中，中等尺度寧宙塵埃和空間碎片數(shù)量遠(yuǎn)超過大尺度寧宙塵埃和空間碎片，因此，它的撞擊危害性更嚴(yán)重。(3)微尺度寧宙塵埃和空間碎片撞擊。微尺度宇宙塵埃和空間碎片撞擊液體推進(jìn)劑貯箱時，貯箱外表面被撞擊形成淺凹痕，并逐漸被微宇宙塵埃和空間碎片侵蝕。由于微尺度宇宙塵埃和空間碎片在地球周圍濃度較大，航天器在低地球軌道做長時間航行時，微尺度宇宙塵埃和空間碎片的危害性尤為嚴(yán)重，液體推進(jìn)劑貯箱被微宇宙塵埃和空間碎片破壞的概率為6%/年。載人飛船是典型的低軌道航天器(LEO)，其軌道所處區(qū)域空間碎片密度較大，碎片的撞擊對飛船運行的可靠性和安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。特別是當(dāng)航天員進(jìn)行艙外活動時，由于失去了艙壁的保護(hù)，碎片撞擊的危害會更加嚴(yán)重，甚至直接威脅到航天員的生命安全。因此，通過考慮飛船運行的軌道高度、軌道傾角以及任務(wù)的時間節(jié)點等預(yù)報因子，采用國際上通用的預(yù)報模型，計算飛船軌道的空間碎片分布，得到任務(wù)期間飛船所處的空間碎片環(huán)境；在預(yù)報中給出環(huán)境評估結(jié)果，評估結(jié)果對于飛船調(diào)姿、變軌具有一定參考作用；同時，在預(yù)警軟件中以動態(tài)圖形的方式對飛船所經(jīng)軌道的空間碎片環(huán)境進(jìn)行預(yù)示，直觀顯示載人航天任務(wù)的空間碎片環(huán)境預(yù)警信息。在任務(wù)期間，可實時提供飛船所在位置不同尺度的空間碎片通量，并發(fā)布預(yù)警信息，以及時規(guī)避危險空間碎片。采用Ordem2000模型對神舟飛船所處的空間碎片環(huán)境進(jìn)行評估。Ordem2000是美國航空航天局根據(jù)遙測數(shù)據(jù)和地面測量數(shù)據(jù)開發(fā)的半經(jīng)驗空間碎片環(huán)境工程模型，廣泛應(yīng)用于對運行高度介于200~2000km之間的近地軌道區(qū)域的航天器空間碎片風(fēng)險評估。具體來說，Ordem2000碎片模型為一個有限元模型，將空間及速度離散化，基于已有觀測數(shù)據(jù)再進(jìn)行偏差修正得出空間碎片通量分布等分布狀態(tài)。以飛船運行的軌道參數(shù)及時間作為Ordem2000模型的輸入，其中軌道參數(shù)包括遠(yuǎn)地點高度、近地點高度和軌道傾角，或是以軌道半長軸、離心率和軌道傾角的形式表示；經(jīng)過Ordem2000模型計算得到給定軌道的空間碎片通量分布，對飛船進(jìn)行空間碎片碰撞風(fēng)險評估。空間碎片直接威脅載人航天器的飛行安全，尤其對于長期在軌飛行器，空間碎片的保障是空間天氣保障的常規(guī)性重要內(nèi)容，而現(xiàn)有的碎片模型不具備提供飛行器與碎片的交會預(yù)報等功能。針對載人航天任務(wù)空間天氣保障需要，設(shè)計了專門的空間碎片預(yù)警系統(tǒng)軟件。通過對模型現(xiàn)有軟件進(jìn)行優(yōu)化，使之能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器與碎片的交會預(yù)報功能。軟件可根據(jù)每天下載更新的飛行器軌道數(shù)據(jù)，計算未來一天內(nèi)，每秒鐘的飛行器與碎片的相對位置，并評估出飛行器與碎片的最小距離，同時能夠給出給碎片的編號，方便進(jìn)一步的跟蹤模擬。軟件可設(shè)置起始時間、計算步長、計算天數(shù)、警戒距離、高度上限和下限，計算飛行器在軌運行過程中與空間碎片的交會狀況，包括交會的時間、最小距離和空間物體的名稱等。激光能源保障子系統(tǒng)以及激光瞄準(zhǔn)和發(fā)射子系統(tǒng)構(gòu)成激光器系統(tǒng)(簡稱激光站)。激光清除空間碎片方法中，如果將激光器系統(tǒng)部署在地面稱為地基清除空間碎片方法；如果將激光器系統(tǒng)部署在外層空間稱為天基清除空間碎片方法。高能激光束輻照物質(zhì)表面，向物質(zhì)表面注入能量，表面溫度急劇上升，表面熔融、汽化、產(chǎn)生等離子體，形成蒸氣和等離子體反噴羽流(與入射激光方向相反)，使得靶材物質(zhì)獲得沖量，即獲得速度增量(簡稱燒蝕反噴獲得速度增量)。研究表明，入射激光方向即使偏離表面法線方向，燒蝕反噴羽流方向始終沿著表面法線方向。地基激光清除空間碎片是激光站部署在地面，激光束通過大氣傳輸，作用在空間碎片表面，表面燒蝕反噴獲得速度增量，降低原來軌道速度，改變碎片軌道近地點高度，當(dāng)近地點高度低于150km時，碎片很快墜人大氣層中，在氣動阻力作用下迅速燒毀。地基激光清除空間碎片，由于具有能源保障方便、系統(tǒng)提供能量高、易于維護(hù)和技術(shù)可行性強(qiáng)等優(yōu)點，得到普遍關(guān)注。美國、德國和日本等相繼開展了地基激光清除空間碎片研究，其中美國NASA的ORION計劃最具有代表性。2023年，紫金山天文臺聯(lián)合中國科學(xué)院云南天文臺、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所啟動“分布式空間碎片激光測距關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究”。隨著人類空間活動的不斷發(fā)展，空間碎片問題日益凸顯。空間碎片是指軌道上或地球大氣層中的人造物體，包括失效衛(wèi)星、火箭殘骸、宇航員掉落的工具等。這些物體在空間中高速運動，對空間探測和利用帶來了巨大的安全隱患。因此，空間碎片概況研究具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。空間碎片研究的意義主要體現(xiàn)在以下兩個方面?？臻g碎片對空間探測和利用產(chǎn)生了巨大的負(fù)面影響。例如，衛(wèi)星在空間中受到碎片撞擊，可能導(dǎo)致失效或損傷。空間碎片也威脅著宇航員的生命安全。在執(zhí)行空間任務(wù)時，宇航員需要面對碎片飛來飛去的情況，稍有不慎就可能造成傷亡。因此，為了降低空間碎片帶來的風(fēng)險，提高空間活動的安全性，需要對空間碎片進(jìn)行深入研究。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對空間碎片進(jìn)行了廣泛的研究。研究內(nèi)容包括空間碎片的來源、分布、數(shù)量、速度等方面。通過觀測技術(shù)和軌道分析等方法，研究者們獲得了一些重要的成果。然而，現(xiàn)有的研究仍然存在一些問題。例如，對空間碎片的觀測存在一定的難度，觀測數(shù)據(jù)可能存在誤差?？臻g碎片的軌道分析需要更加精確的計算模型和算法。空間碎片概況研究的主要方法包括觀測技術(shù)、軌道分析、圖像處理等。觀測技術(shù)是獲取空間碎片數(shù)據(jù)的重要手段，包括地面望遠(yuǎn)鏡觀測、衛(wèi)星觀測等。這些技術(shù)可以獲得碎片的數(shù)量、位置、速度等信息。軌道分析則是研究空間碎片運動規(guī)律的重要方法，通過對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以計算出碎片的軌道參數(shù)。圖像處理技術(shù)則用于處理觀測數(shù)據(jù)和軌道分析結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和可視化。通