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空间碎片超高速撞击损伤的综合评估方法研究
作者单位：
中国空间技术研究院总体部,北京,100086
母体文献：
中国宇航学会飞行器总体专业委员会2004年学术研讨会论文集(下册)
会议名称：
中国宇航学会飞行器总体专业委员会2004年学术研讨会
会议时间：
会议地点：
主办单位：
中国宇航学会
在线出版日期：
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空间碎片碰撞风险评估系统
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你可能喜欢仰望星空：如何应对太空探索面临的十大挑战
推荐阅读：1、2、3、4、5、SpaceX公司的猎鹰9火箭美国《连线》杂志网站在日前报道中，为我们梳理了太空探索面临的十大挑战以及解决办法，包括火箭重复回收降低成本、研制新型推进设备、培育太空蔬菜、用好机器人伙伴等等。《连线》指出，正如人类祖先在走遍非洲大陆后，毅然决然地前往未知的他乡，最终塑造了我们现在这个精彩纷呈的地球一样，前往太空的初衷也是为了增加人类对自身的了解并使生活变得更美好。人类起源于非洲，但为什么我们没有留在非洲呢？至少并非所有人。在数千年的历史进程中，我们的祖先走遍了整个非洲大陆，接着跨越大海，前往未知的他乡，为什么？这或许与我们探索月球和其他恒星是一个道理，在研究这些星体时，我们也会扪心自问：“那里发生了什么事情？我们能去那儿吗？或许我们可以到达那里吧？”当然，对人类来说，与大海相比，太空无疑更不友好：单单是逃离地球的引力就需要大量的研究工作，而且成本远远高于跋山涉水。为什么人类仍要探索太空呢？首先，探索太空衍生出来的副产品包罗万象——从小小的为他人提供便利的产品到有望喂饱数百万人的发现，再到有可能阻止致命事故或挽救病患和伤者性命的重大科技进展，不一而足。其次，正如不能将所有鸡蛋装在一个篮子里一样，人类也不能将所有希望放在地球上。一次流星撞击都有可能让我们重蹈恐龙的命运，而且，看看月亮的脸，天气是如此反复无常。第三，人类携手进行太空探索，有助我们更好地了解自己的家园、自己的生活方式以及继续存在下去的关键。或许，在此过程中，我们会找到方法离开地球，在月球建立基地、在火星创建城市、在木星建造居住地等等。蓝色起源公司的可回收火箭重复利用火箭并降低成本逃离地球有点像闹离婚：你想快刀斩乱麻，速战速决，包袱尽量少，但总有一股强大的力量在背后搞阴谋诡计，尤其是重力。如果某个物体想要脱离地球表面自由翱翔，它的速度必须要达到2.5万英里（约40234公里）/小时。这意味着要想离开地球需要耗费巨额资金，例如，发射“好奇”号火星车就耗资2亿美元，而这只占整个任务预算的十分之一而已。另一方面，完成发射任务需要尽量减轻重量，但载人任务往往还要携带维持宇航员生命所需的供给，无疑又会加重负担。因此，只能通过采用奇异的合金金属和碳纤维素等复合材料来减轻重量，同时采用更高效、功能更强大的混合燃料为助推器提供巨大的升空推进力，才有可能很好地完成飞行任务。但终极省钱大法或许是设备的重复使用。美国国家航空航天局（NASA）先进概念办公室技术助理莱斯·约翰逊说：“随着发射数量不断增加，经济规模开始生效，成本也将越来越低，这是让成本大幅降低的关键。”艾隆-马斯克（Alon Musk）旗下美国太空探索技术公司（SpaceX）和贝索斯旗下的太空发射公司蓝色起源（Blue Origin）都在大力研制火箭回收技术并取得了巨大成功。今年1月22日，蓝色起源公司在美国德克萨斯州发射基地发射了一只火箭，火箭在进入太空后又重新回到地球并着陆，这是蓝色起源用回收的火箭重新发射升空并回收，对一家商业公司来说创造了历史和世界第一。蓝色起源称，“重复使用允许我们一次又一次地飞行，每次飞行都能提高太空探索和研究的经济可行性，为所有人开启太空之旅。”另外，SpaceX也成功发射了搭载电信公司Orbcomm 11颗通讯卫星的“猎鹰9”号（Falcon9）运载火箭，同时还历史性地成功回收了“猎鹰9”号的一级驱动火箭。事实上，SpaceX多年来一直试图能够在发射后回收“猎鹰9”号的部分组件，并希望通过这一方式大幅降低太空任务成本。外界分析认为，SpaceX的此次成功具备里程碑式的意义，甚至有可能为第二次太空时代的到来而铺平道路。伊隆·马斯克表示：“如果能像飞机一样使用火箭，进入太空旅游的费用可能只要几百美元。”核动力火箭用新型推进器让飞船前行在太空中飞驰其实很容易，毕竟真空没什么阻力，因此，如何启动就成为头等大难题。物体的质量越大，所需的推进力也越大，火箭就是此类巨型物体。化学推进剂能提供初始的推进力，但宝贵的燃料几分钟后就燃烧殆尽，而之后到达月球或者木星还需要5到7年时间，因此，需要更有创新性的推进方法。科学家们已有的、现正研发的或希望以后能拥有的技术包括核动力推进器、离子推进器以及化学推进器等。与核动力推进器有关的计划包括“代达罗斯”计划（Project Daedalus），它是英国星际学会（BIS）在年之间倡导的研究计划，使用核聚变提供动力的无人太空船对另一个恒星系统进行快速的探测，实现星际旅行。另一个与核动力有关的计划是火箭飞行器用核引擎（NERVA），它是美国原子能委员会（AEC）和NASA旗下的项目，由航天核推进局SNPO领导。NERVA计划论证了核热力火箭可以成为太空探索的一项现实可靠的工具，可以用于载人火星任务。尽管NERVA引擎在测试后已经被认可能胜任飞行任务，而且引擎也正准备整合入宇航器中，但在最终飞往火星的梦想实现前，NERVA随同其他耗资巨大的太空任务被尼克松政府取消。整个项目于1972年终止，SNPO也于同年解散。未来最有希望成为更远外太空旅行飞船推进器的等离子体推进器，可能就是可变比冲离子推进器（VASIMR），它是核动力推进的一种替代方法，发动机将使用无线电波将氩或氙气变成等离子体，磁场接着将等离子体推出作为推动力。科学家们将使用这种推进器探索木星的卫星。而下一代化学火箭将很有可能依靠甲烷作为燃料，将我们带到火星。此类火箭的代表包括NASA的RS-25以及SpaceX正在研制的“猛禽（Raptor）”。据悉，2015年5月，NASA测试了RS-25液体火箭发动机，在此之前，它被用作太空梭固体助推器，而目前准备用于太空发射系统（SLS）。另据英国《每日邮报》去年10月中旬报道，SpaceX公司除了正在优化可以重复利用的“猎鹰9”号火箭外，还在研发一款名为“猛禽”的超重型火箭，并在去年进行了首次测试。这两款火箭主要用于执行火星探测任务。此外，还包括声名鹊起的“太阳帆推进技术”，与传统利用风力的帆船相比，太阳帆是从太阳光线中吸取能量。这是一项不需要携带足够燃料的技术，因而理论上讲也可达到极高的速度，不过它往往需要一段时间才可完成这一目标。目前，此项技术已在地球的真空室内取得试验成功，但在太空轨道上实施相关试验则是失败的。地球周围的太空垃圾群策群力清除太空垃圾现在，人类发射火箭进入外太空前，还会面临太空碎片的威胁。这是非常真实的事。比如2009年美国的铱星33号卫星与俄罗斯的军用卫星发生了碰撞，这是人类航天史上首次轨道卫星重大碰撞事故，该事件就产生了大量的空间碎片。在最近50年的太空探索活动中，火箭、卫星和导弹残骸以及各种高科技产品碎片已经将近地空间变成了一个垃圾场。据西班牙《阿贝赛报》网站日报道称，美国太空碎片监测站网络迄今已经发现了1.7万个目标（每个至少有一个垒球那么大），以1.75万英里/小时的速度呼啸穿越地球。如果再算上直径不到10厘米的碎片，那么，有接近50万个太空碎片。这些适配器、透镜盖甚至一小片油漆大小的物体，都能在关键系统上砸出一个大坑，即使是一颗微不足道的小螺丝也有可能变成能将飞船变成一堆废铁的导弹。由金属和凯夫拉尔材料构成的多层材料惠普尔盾牌能起到保护作用，阻挡这些小碎片的袭击，但如果是一整颗卫星来袭，那就无力回天了。目前，大约有4000颗人造卫星围绕地球旋转。我们能够通过追踪和计算控制避免危险的路径，但目前的追踪技术还不完善，总有漏网之鱼。太空碎片之多越来越威胁到日渐紧缺的轨道资源，将导致大量相撞事件，使太空成为非常危险的区域，现在迫切需要把多余的物体撤出太空。对此，科学家提出了多种清理空间垃圾的措施，并打造庞大的陆基雷达来监视地球轨道碎片。空间专家提出可打造“太空拖网”，将轨道上的碎片像“渔网”那样全部“捕捞”，但依靠外力将卫星拉出轨道非常困难。据披露，日本计划在2019年前后建立日本自卫队首个太空监测部队，这一部队起初将主要负责监控漂浮在地球轨道上的危险碎片，防止其与人造卫星相撞。而欧洲航天局（ESA）太空碎片办公室主任霍格尔·克瑞格则认为，如果有人开始清除敌方的卫星，这将会是一个灾难。也许一个世纪或者更快，太空战争就会爆发。深空定位系统为航天器导航分布于美国加州、澳大利亚和西班牙的天线阵列——深空网（DSN）通讯体系是为跟踪、测量和控制深空中月球探测器、行星和行星际探测器而建立的地面系统，是目前唯一的太空导航工具，其跟踪距离可达90多亿公里。从学生项目的人造卫星到在柯伊伯带（太阳系在海王星轨道、距离太阳约30天文单位外黄道面附近、天体密集的中空圆盘状区域）逡巡的“新地平线”号探测器，都依靠它来保持正确的方向。位于地球上的一个超精密原子时钟会测量信号从深空网到航天器的往返时间，导航仪再借用这一时间来确定航天器的具体位置。但是，随着航空航天任务越来越多，深空网也日益变得拥挤堵塞，接线总机运行非常忙碌。因此在近期，NASA正在致力于给这一系统“减负”。航天器上自带的原子时钟，可以完成单线距离计算，从而将传输时间减半。而且，更高带宽的激光器也能处理更大的数据包，如图像和影像信息等。然而，火箭距离地球越远，这个方法的可靠性就越低。虽然无线电波以光速传播，但传送到太空深处仍需要数个小时。星星能够告诉我们往哪儿走，但在太空中我们无法通过遥远的星星来确定自己的位置。对于未来的探索任务，深空导航专家约瑟夫·吉恩想要设计一款航天器自主导航系统，能收集目标和附近物体的图像，然后通过他们的相对位置建立一个太空飞船的三维坐标系，这样就不再需要地面控制。吉恩说：“它就像地球上的GPS，就像你在自己的汽车上安装一个GPS那样。”吉恩将其称为深空定位系统(DPS)。宇航员出舱需要穿着厚重的宇航服来抵御太空辐射双管齐下抵挡太空辐射在地球大气和磁场的安全保护壳之外，亚原子粒子以接近光速的速度快速移动，这是太空辐射，而且，它是致命的。NASA稍早公布，太空中的辐射过高，可能会影响人类健康，包括在外层空间从事任务的航天员，都有可能因为暴露在过多的辐射中，导致白内障、阿尔茨海默症等疾病甚至癌症。NASA曾利用在火星执行任务的“好奇”号火星车取得的数据发现，前往火星途中的辐射比待在地球高出数百倍之多。根据NASA最新公布资料，人类只要过度暴露在1西弗辐射，罹患癌症的风险会提高5%，地球每年来自外层空间的辐射约10毫西弗，国际太空站的航天员6个月内就会暴露在100毫西弗下，至于从火星“好奇”号上的仪器测得的辐射值，已经高达330毫西弗。一直以来，铝都是制造太空运载工具的主要原料，但铝对于防止宇宙射线的效果并不好，而且重量较重，不符合因大量使用所造成的燃料成本；当太空中的高能粒子与组成宇宙飞船外壳的铝的原子相遇时，它们的原子核会爆炸，释放出更多运行速度超快的粒子，这就是所谓的二次辐射。NASA马歇尔太空飞行中心的物理学家纳塞尔·巴格豪蒂说:“这无疑是雪上加霜。”那么，更好的解决办法是什么呢？就一个词：塑料。它们不仅更轻更坚固，而且它们由氢原子组成，其小小的原子核不会产生二次辐射。美国西南研究院与新罕布什尔大学科学家从“月球轨道飞行器”（LRO）实验取得资料指出，塑料可降低人类暴露在外层空间的宇宙射线的辐射量，效果远比金属铝还要好，目前，NASA正在测试能减少宇宙飞船内或太空服辐射的塑料。NASA的科学家表示，若将塑料这种常见材料广为运用，将可降低航天员在外层空间出勤时的危险，甚至可作为未来人类到太空时的保护措施之一。或者磁铁可作为另外选择。据报道，2008年，英国卢瑟福阿普尔顿实验室的科学家们开发了一种屏蔽太阳杀伤粒子的强力电磁场，这个“迷你磁场”能将来自太阳的大量有害辐射转移开，保护宇航员免受辐射的伤害，降低其患癌症的几率。另外，它将取代传统的防辐射装置，减轻飞船负荷。它的升级版还能在太阳耀斑爆发之时救人性命，未来还有望用它改变激光方向。另外，参与空间辐射超导屏蔽（SRSS）工程的科学家们正在研制二硼化镁超导体，其会使带电荷的粒子偏离宇宙飞船。它的工作温度为263摄氏度，是常规超导体中临界温度最高的，它也具有较高的临界电流密度。猜你喜欢：1、2、3、4、5、
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航天器空间碎片防护结构超高速撞击特性研究
随着航天事业的发展，空间碎片环境日益恶化，严重地威胁着在轨航天器的安全运行。空间碎片危害航天器的最主要特征是超高速撞击现象，对于毫米级空间碎片，采用设置防护屏的防护结构方案被证明是现实有效的措施。航天器空间碎片防护结构的超高速撞击特性是航天器空间碎片风险评估和防护结构设计的重要基础数据。本文利用二级轻气炮发射技术实现了球形弹丸的超高速发射，针对国产铝合金材料的典型空间碎片防护结构进行了系统的超高速撞击实验研究和损伤规律分析，实验数据和研究结果可为航天器防护结构的工程设计提供参考依据。　　薄板和中厚板的超高速撞击特性是空间碎片防护结构设计的重要基础。通过实验研究了5A06铝合金中厚板的撞击成坑特性和2A12铝合金薄板的撞击穿孔特性，获得了给定结构铝合金单层板的撞击极限曲线，并建立了预测撞击特性的经验公式。研究结果表明：撞击弹丸的液化是导致其在部分撞击速度区间内侵彻能力下降的主要原因；在一定的厚度范围内，铝合金靶板厚度对其超高速正撞击穿孔特性的影响与弹丸直径和撞击速度同样具有显著性；铝合金球形弹丸超高速斜撞击铝合金薄板时，存在使撞击弹丸发生滑弹返溅的临界撞击角；与国外薄板超高速撞击穿孔经验公式相比，新建立的经验公式更适合于国产铝合金材料。　　双层板结构是最典型的航天器空间碎片防护结构。通过实验研究了铝合金双层板结构在正撞击和斜撞击条件下的后板撞击坑分布特性，获得了给定结构铝合金双层板的撞击极限曲线，并建立了预测后板撞击坑分布特性的经验公式。研究结果表明：弹丸直径、撞击速度、撞击角度、前板厚度以及前后板间距是决定双层板后板撞击坑特性的主要因素，但撞击速度对前板后主碎片云膨胀角无显著影响；弹丸的撞击破碎临界速度将会影响铝合金双层板结构正撞击的后板撞击坑分布和斜撞击的后板损伤与撞击角的变化关系；建立的后板撞击坑分布经验公式为超高速撞击二次碎片云特性的定量化分析提供了参考。　　多层板结构与双层板结构相比具有更加优良的抗空间碎片超高速撞击的能力。通过实验研究了提高铝合金多层板防护结构防护性能的方法和机理，讨论了防护板层数和各层防护板厚度对提高防护性能的作用。研究结果表明：在防护屏面密度不变的情况下，增加防护板层数可以显著提高其防护能力，同时前板强度和前后板间距在提高多层板结构防护能力中起着非常重要的作用。　　压力容器是航天器上的重要部件，被空间碎片撞击可能会导致航天器严重失效。通过实验研究了充气压力容器在无防护和具有单防护屏防护情况下，受到球形弹丸超高速撞击后的损伤行为及机理。研究结果表明：撞击动能与容器内部充气压力是影响压力容器超高速撞击损伤模式的重要因素；容器内部的高压气体一方面可能造成容器的爆炸，另一方面还会减轻碎片对容器后侧的撞击损伤；在防护屏被击穿的情况下，防护压力容器可能会发生更严重的损坏。　　本文以航天器空间碎片常用防护材料国产铝合金为对象，通过超高速撞击地面模拟实验，系统地研究了单层板、双层板、多层板等结构和压力容器类部件受到空间碎片超高速撞击的损伤特性及其机理。在总结实验结果的基础上，分析了铝合金中厚板撞击成坑、铝合金薄板撞击穿孔以及铝合金双层板后板撞击坑分布等规律，并建立了针对国产铝合金材料的相关撞击损伤特征量的预测经验公式，所取得的实验数据和成果对我国开展航天器空间碎片防护结构设计研究、提高我国航天器在轨安全运行能力具有重要参考价值和工程应用指导意义。
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万方数据电子出版社我国成立空间碎片监测“国家队”应对“空间垃圾”
电影《地心引力》中，宇航员遭遇太空碎片袭击
　　据中国之声《新闻纵横》报道，随着空间技术的进步，在人类进入和利用太空活动不断加强的同时，也产生了越来越多的空间碎片，这些“空间垃圾”已经严重威胁着航天器的安全。
　　空间碎片是人类在航天活动中遗弃在太空的废弃物，主要包括废弃的航天器和运载火箭箭体、固体火箭燃烧物、航天器在轨操作及碰撞解体产生的碎片等。目前，毫米级以上的空间碎片数以亿计，总质量达到几千吨。
　　目前，空间碎片被认为是引起航天器灾难性事故中概率最大的单一风险。虽然大多情况下，碎片的撞击不会造成航天器灾难性事故，但可以引起航天器的功能失效，给航天器带来一定损伤。
　　电影《地心引力》讲述了一个在探索者号航天飞机上的两名男宇航员和一个女宇航员出舱进行哈勃望远镜维修时，遭遇太空碎片袭击导致飞船发生严重事故后在太空中发生的故事。其实，太空碎片袭击不仅仅发生在电影中，现实生活中有过很多类似的事件。
　　日，法国的樱桃卫星被阿里安1火箭的上面级碎片击中，一度导致卫星失控。这是迄今唯一得到国际公认的由空间碎片撞中航天器的案例。
　　日，在南极上空885km的高度,美国雷神火箭的废弃物与长征四号火箭的碎片相撞,撞击后前者被一分为四，后者的近地点轨道下降了14km。这次事件虽然是空间碎片之间的撞击，但也引起了世界航天国家的广泛关注。
　　日,俄罗斯的快车AM11通信卫星因流体管路突然泄漏失灵，不得不推进弃置轨道,寿命尚不足两年。俄专家认为该卫星遭到了外部碎片撞击。
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