空间碎片研究概述论文

从某种程度上来说，空间碎片可能会阻碍太空航行计划的顺利开展。

空间碎片：人类空间进行活动造成的产物。包括火箭箭体、卫星本体、抛弃物、空间物体的碎块等，是空间环境的污染源之一。自1957年苏联人造卫星发射来，NORAD监测和编目20000个左右大于10cm的空间碎片。至今为止，还车站7 500个碎片处于地球轨道的位置中，主要位于低地轨道的位置。有的被燃烧殆尽，有的顺利返回到地球。此外，还有大于1 cm的碎片约存在10000个，直径大于1mm的约100000个。碎片数量根据研究，在一段时间内会处于不断增加的状态，碎片相撞继产生新的碎片，又被称为二次碎片。

多数碎片位于近圆轨道。在500km高度的位置，质量小于1g的物体只有几年的存在时间，在太阳活动才是的高峰阶段，寿命只有短短的几个月而已。地球静轨道位置的碎片是无限存在于太空中的。

太空航行：载人、不载人的航天器在太空中的航行活动称之为太空航行。1961年，苏联宇航员首次进入神秘的太空，宣告载人航天时代的到来。至今为止的50年来．人类没有停止过对宇宙探索的步伐。从航天活动历史看，人类探索太空活动可以分为以下三个阶段。

初步探索：从14世纪末至19世纪末阶段。14世纪末万户进行飞行试验；16世哥白尼提出著名的“日心说”；伽利略对重心、速度等运动概念进行研究；19世纪，开普勒发现行星运动三大定律，揭示天体运行的规律、牛顿提出“万有引力定律”，解决了天体运动相关方面的问题。至此，经典力学和早期天体理论为宇宙航天奠定基础。

现代航天理论、飞行初创阶段。现代航天理论：始于20世纪初，齐奥尔科夫斯基于1903年提出齐奥尔科夫斯基公式，相继发表论文，奠定火箭、液体火箭发动机的理论事实上的基础。

第三阶段：现代化时期。总的来说，失去控制的空间碎片，可能会使太空航行成为不可能。

空间碎片的产生和现状 图1 地球轨道的航天器和空间碎片【1】（图片源于网络） 空间碎片的缘起 空间碎片一般是指人类的空间活动的产物【1】，例如完成发射任务的火箭上面级，报废的卫星，人造航天器的抛弃物，太空试验后的碎片等，还有被地球引力捕获的微流星等。 较大的空间碎片一般有两类，第一种是完成任务的运载火箭的残骸。比如我们的长征系列火箭，每次发射都会有一个上面级，在卫星分离后留在轨道上，其中一部分会随着时间流失慢慢坠落，但有些会是永远留在太空里。第二种是已经报废的卫星，最典型的就是东方红一号，在完成任务后变成空间碎片。 图2 芯片卫星（Chipsat）【2】 较小的空间碎片来源有很多，第一种是人造天体的分离物，比如爆炸螺栓的碎片；第二种是报废的微纳卫星，例如欧洲试验用的手机卫星或者芯片卫星，一般≤10cm；第三种是航天器爆炸产生的碎片；第四种是航天器撞击产生的碎片。 其中第三种和第四种原因产生的碎片是空间碎片的主要来源，也被统称为 航天器解体 ，据统计，截止2007年8月，共有194次航天器解体时间被确认【3】。 空间碎片的现状 截至2019年7月，人类把8461颗航天器送入轨道，其中5029颗航天器在轨，其中只有1000多颗还在正常工作，其余的都已经变成了空间碎片【4】。目前，在轨空间碎片的质量达到几千吨。 图3 空间碎片数量增长图（NASA） 图4 空间碎片环境变化（NASA） 空间碎片的危害 空间碎片对航天器的危害 事实上，空间碎片的尺寸范围是非常大的，从量级直至100mm量级。对于100mm以上的空间碎片，通常可通过观测掌握和预测运动轨迹，进而主动规避避免相撞。但实际上，对于最近十几年蓬勃发展的微纳卫星来说，变轨几乎是不可能的。 空间碎片的危害的原因是源于碎片和航天器之间极大的相对速度，众所周知，如果想要逃离地球就需要达到第一宇宙速度（）,一般来说，高铁的速度是是360km/h。而一个航天器同空间碎片相撞的速度可能是*2，是，也可能是*3600km/h！ 空间碎片的具体危害有如下几点： 根据nasa的研究，当空间碎片的能量达到40j/g的时候，航天器将解体【5】； 击穿乘员舱和其他压力舱，进入舱体的撞击残骸对乘员、内部设施造成伤害，铝制剥落物还可能引起火灾【3】； 击穿舱壁导致舱壁裂纹增长、最终解体； 击穿压力贮箱、液体贮箱，导致舱内压力、温度变化，能量损失甚至发生化学反应或爆炸； 击穿散热器和太阳能电池板，分别造成工作液体流失和电路短板，最终导致任务失败； 高速撞击产生的飞溅物体留在轨道上，对后续飞行构成威胁。 空间碎片的其他危害 2019年开始，太空探索公司“星链”计划以每个批次60颗的数量陆续发射了几百颗卫星，引起了美国天文学会的关注，原因是因为大量的人工天体，污染了星空，以至于，后来的星链卫星都增加“遮阳罩“，避免对天文观测造成干扰。 同样，一些大尺寸的空间碎片也在污染我们的星空。 图5 星链卫星（图片源于网络） 空间碎片的处理与避免 空间碎片的检测和预警 为了规避空间碎片的损害，首先要对现有空间碎片进行监测，然后对运动参数进行估计和计算测量轨道，然后建立预警模型进行预警，NASA使用Ordem软件进行空间碎片预警，目前已更新至版。 空间碎片的清理 目前，很多组织和国家鼓励和进行空间碎片的清除工作，目前有的已经实施，有的还是处于构想阶段。主要有以下几种： 使用抓勾，如瑞士航天中心的“太空清洁一号”； 图6 CleanSpace One项目（图片源于网络） 用网，如日本宇航局和日东制网株式会社合作的项目，RemoveDEBRIS等； 图7 萨里大学的项目（图片源于网络） 使用太阳帆，如萨里空间中心的‘立方帆‘技术； 图8 使用太阳帆将航天器（碎片）带回地球（图片源于网络） 使用激光， 激光烧蚀法可以通过将太空碎片撞出地球大气层，然后将碎片摧毁，目前德国和美国相关项目发展较快。 参考资料： 【1】     【2】  【3】     空间碎片_流星粒子对空间站的危害与对策 【4】  【5】     航天器解体模型研究综述 【6】  【7】 

随着人类将视野扩展到地球以外，并开始考虑延长持续时间的空间任务，可持续性需要发射更多的航天器，从而增加与现有空间碎片太空垃圾相撞的风险。清除这些残骸碎片的一种方法是用“拖车拖曳”将其拖到安全区域。在《欧洲物理杂志》上发表的一篇新研究论文中，来自巴西巴伊亚州费拉德桑塔纳州立大学的科学家对“拖车拖曳”清理空间碎片的复杂会合动作进行了模拟。 以降低碰撞的风险，碰撞可能在耦合的时刻造成无法弥补的损害。正如研究作者指出的那样，太空任务发生在一个由大约3600颗人造卫星组成的环境中，其中不到三分之一的卫星正在运行。非运行单元容易泄漏、爆炸和碎裂，进一步散落在地球周围地区-特别是在低地球轨道(LEO)。一次碰撞不仅会造成无法弥补的损害，还会产生更多的空间碎片，可能会阻碍进一步的任务。 这使得清理这些残骸的拖曳操作变得可取，但也很危险。研究了如何使用推进系统来控制围绕地球进行会合机动中物体的相对速度和位置。这种操作要求拖曳和碎片在连接时刻的速度和相对位置为零。de Jesse和Santos通过多变量张量方程的解检查了这些操作参数，发现空间碎片拖曳工具的相遇机动可以在最短时间内进行，而且由于同时使两个物体的速度和相对最终位置为零而产生同步。 当然，空间物体之间的成功连接可以应用于更多情况，而不仅仅是空间碎片的移动。连接飞行器可能成为可持续长期太空任务发展的重要组成部分。航天器容易与空间碎片相撞，随着发射率的不断增长，发生灾难性事故的可能性也在增加。缓解措施包括派遣拖车，试图捕捉碎片并将其带到大气拖曳活动区域。交会机动需要安全操作，考虑到在车辆之间耦合的时刻，在SpaceClean的操作中，以及其他操作中发生碰撞的风险。 完美的交会是在相对速度和位置为零的情况下完成，但这一条件需要以足够的技术精度来实现。在这项研究中，通过求解一个多变量方程，找到了同时和最小时间交会机动的条件和推进技术参数。

值得。空间碎片，是指人类空间活动的产物。包括完成任务的火箭箭体和卫星本体、火箭的喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间的碰撞产生的碎块等，是空间环境的主要污染源。自从1957年苏联人造卫星发射以来，美国监测网络NORAD监测和编目了大约20000个左右直径大于10cm的空间碎片。现在，大约还有7500个碎片处于地球轨道中，主要在低地球轨道中(1995年数量为5747)。宇宙尘埃和空间碎片，撞击液体推进剂贮存系统，会造成航天器损坏。

并不会，因为这世界上根本没有空间碎片存在。即便是有，也会在很短的时间内就消失。