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空间碎片空间碎片 space debris 清华大学航天航空学院 王汉奎 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 定义 n空间碎片 英文名：英文名：space debris、orbital debris、space junk、 space waste。 Wikipedia:Space debris are the objects in orbit around Earth created by humans, that no longer serve any useful purpose。 n运载工具产生的喷射物和抛弃物、失效的有效 载荷、空间物体碰撞产生的碎片，也称为或轨 道碎片(orbital debris) PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 空间碎片分类 n分类以尺寸分(2005) 直径大于10cm（大碎片）：毁坏整个航天 器，由美国空间司令部（USSC）全部编号监 控； 直径小于10cm 无法跟踪和记录，可以穿透航 天器的防护壳，对其结构造成破坏； 毫米级和更小的碎片，会破坏航天器的易损表 面，长期碰撞也会造成累计影响。 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 在编碎片数量(美国空间监视网(SSN)(Space Surveillance Network) PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 碎片数量 1997年 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 空间碎片数量与质量 国际太空1998年1月 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 在编空间碎片与有效载荷数量 2004年年12月月27日日 编目：编目：9233个个 有效载荷：有效载荷：2927个个 可观测大碎片：可观测大碎片：6306个个 数据来自：美国空间监视网(SSN) PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 主要航天国产生碎片数量 2005年年4月月11日日 编目：编目：9494个个 俄罗斯俄罗斯(1)：4062个个 美国美国(2)：3945个个 中国中国(3)： 351个个 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 空间飞行器 美国美国 USSPACECOM radar 跟踪的空间物体跟踪的空间物体 其中：其中： 白点：有效航天器白点：有效航天器 红点：失效航天器红点：失效航天器 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 空间碎片的数量与轨道高度 空间碎片主要空间碎片主要轨道高度轨道高度(Km)所占百分比所占百分比 分布区域分布区域 1 300- 700 75 218000- 210009 3 33500- 37000 9 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 不分轨道上碎片分布 低轨道：低轨道：5747个个 中轨道：中轨道：134个个 同步轨道：同步轨道：601个个 转移轨道：转移轨道：498个个 其其它：它：949个个 分布轨道分布轨道碎片数碎片数 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 碎片分布 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 空间碎片分布 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 空间碎片的分类与分布 空间碎片分布空间碎片分布 单位：件 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 空间碎片的寿命 n轨道寿命是大气密度和阻力系数的函数 阻力系数：阻力系数：取决于物体面积与质量之比 物体单位面积的质量越大阻力系数也越大 大气阻力就越小 大气密度：大气密度：受太阳活动的影响 太阳活动时地球高层大气受热膨胀， 向更高的高度扩散，使得高层大气密度增加 促进了卫星和空间碎片的轨道衰减(10cm 35000，1cm10cm 1000,000 1mm1cm n2007/02/17 俄罗斯 Briz- M booster stage 1000 10cm PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 空间碎片的观测空间碎片的观测 n空间碎片的观测空间碎片的观测 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 空间碎片的观测空间碎片的观测 n空间碎片的观测手段主要有： 1 地基观测 A 地基雷达观测(主要观测低轨道) B 地基光学观测(主要观测高轨道) 2 天基观测 A 返回式航天器 B 在轨航天器 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 地基雷达观测 n雷达观测的优势： 不受天气影响 不受昼夜影响 n雷达观测不足： 受波长限制 受功率限制 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 USSC观测点（UNITED STATES SIGN COUNCIL ） PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 地基雷达观测 Operational 0.03 at 500 km 0.23/0.10 0.61/0.30 Dish TRADEX DoDUnited States Operational 0.02 at 500 km 0.035 0 Dish Goldstone NASA United States Operational 0.05 at 1,000 km 0.2 0.1 Dish HAX NASA/DOD United States Operational 0.006 at 1,000 km 0.03 0.1 Dish Haystack NASA/DOD United States One- time experiment 0.004 at 575 km 0.13 0 Dish Arecibo NASA/NSF United States Development 0.003 at 1,000 km 0.056 0.1 Dish Evpatoria- - - - Ukraine/Russia n Federation Experimental 0.02 at 500 km 0.13 0.13 Dish UsudaISAS Japan Experimental 0.02 at 500 km 0.13 0.4 Dish UchinouraISAS Japan Operational 0.02 at 500 km 6.4 3.7 Phased Array MU Radar Kyoto University Japan Experimental 0.009 at 1,000 km 0.23 0.16 Dish EffelsbergMPIfRGermany Operational 0.02 at 1,000 km 0.23 0.5 Dish TIRA FGAN Germany Status Sensitivity diameter (m) Wave- length (m) Field of View Type Facility Organizatio n Country 世界上世界上主要空间碎片主要空间碎片雷达雷达 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 “干草堆”(Haystack)雷达 (HAX)雷达 用固定天线检测进入视场的碎片、进行统计学采样。 “干草堆”雷达附近的辅助雷达(HAX)搜集数据。 HAX与“干草堆”的工作波段不同。 Haystack X- Band Radar MIT Lincoln Laboratory Lexington, MA PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 “砂金石”(Goldstone)雷达 “砂金石砂金石”(Goldstone)雷达雷达。 位于加利福尼亚州巴斯托附近的 由相距497米的发射机 和接收机组成 发射机天线直径70米 接收机天线直径35米 图中为直径70米的发射机天线 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 (Cobra Dane)相控阵雷达 “丹麦眼镜蛇”(Cobra Dane)相控阵雷达 位于阿拉斯加，可以跟踪尺寸5厘米以上的碎片 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 地基光学观测 主要主要是是观测空间碎片观测空间碎片反射反射的的太阳光太阳光 n光学观测优势： 不需要雷达那么多能量 容易观测高轨道碎片 n光学观测不足： 必须要求： 天空晴朗 晚上才可以观测 高轨道：整个晚上 低轨道：日落后12h至日出前12h PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 地基光学观测_主要地基光学望远镜 Operational 21.5 CCD 0.3 3 NASA United States Operational 17.1 CCD 1.5 0.3 NASA United States Two telescopes operational, United Kingdom and overseas 18 CCD 0.6 0.4 Royal Greenwich Observatory/MOD United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland Operational 19.5 CCD 0.5 1 University of Berne Switzerland Operational 19 TV 0.2 0.6 RSAdRussian Federation Operational 18 CCD 0.2 0.6 RAScRussian Federation Operational 19 CCD 0.2 1 RAScRussian Federation Operational 18.7 CCD 0.28 1.5 CRL Japan Operational 17 CCD 0.04 0.75 SundaiJapan In development 18.5 CCD 2.0 0.5 JSFa/NALb/NASDAJapan In development 19.5 CCD 3.0 1.0 JSFa/NALb/NASDAJapan In development 19 CCD 0.5 0.9 French National Centre for Scientific Research France In development 19 CCD 1 1 ESA France Status Limiting Magnitude Detectio n Type Field of View (deg) Telescope Aperture (m) Organization Country PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 光学望远镜LMT LMT 在抛物面上放呈流动状的水银 19972001年获得 大约1322小时的观测资料 2001年12月拆除。 主要观测近地轨道的空间碎片 只能重直于地面进行观测。 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 光学望远镜CDT CDT 装施密特相机 CCD碎片望远镜 主要用来观测 地球同步轨道的空间碎片 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 光学望远镜MODEST located outside of La Serena, Chile at the Cerro Tololo Inter- American Observatory. a 0.61/0.91 m f/3.5 Schmidt of classical design used for observations of the geosynchronous orbit regime. The Michigan Orbital Debris Survey Telescope (MODEST) PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 天基观测 n返回式部返回式部分分 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 返回式返回式观测观测 n返回式观测优点： 可观测到毫米级及以毫米以下尺度的碎片 可进一步对碎片分析（成份。） n返回式观测缺点： 成本太高，目前只用于低轨道 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 返回式返回式观测观测 100 m2Various 1992- present 300- 600 km 28.5- 51.6 degrees Space Shuttle Orbiter (NASA) 50 m2 Sun- pointing (except 1 month IR telescope operation) March 1995- January 1996 480 km 28.5 degrees SFU (Japan) 1 m2Various November 1997- February 1999 390 km 51.6 degrees Mir (Canada/Ukra ine) 15 m2of cassettes and other elements Various 1986- 1998 390 km 51.6 degrees Mir 20 x 30 cm (cassette) Gravity- gradient October 1995- February 1996 390 km 51.6 degrees Mir/EUROMIR 95 (RSA/ESA) 62 m2Sun- pointing May 1990- December 1993 610 km 28.5 degrees HST Solar Array (NASA/ESA) 35 m2of spacecraft plus 96 m2of solar arrays Sun- pointing July 1992- June 1993 520 km 28.5 degrees EURECA (ESA) 151 m2Gravity- gradient April 1984- January 1990 340- 470 km 28.5 degrees LDEF (NASA) 1 m2Various October 1992 350 km 28.4 degrees STS- 52 (Canada/NAS A) 2.3 m2Sun- pointing February 1980- April 1984 500- 570 km 28.5 degrees Solar Maximum Solar Maximum 2.5 m2Various June 1983 295- 320 km 28.5 degrees STS- 7 Window NASA 7 m2of sensors and cassettes Various 1974- 1979 350 km 51.6 degrees Salyut 4 and 6 Exposed Area StablizationIn Orbit Orbit Name PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 LDEF“长期暴露装置”(The Long- Duration Exposure Facility ) 1984年4月7日由“挑战者”发射 高度509.6千米的近圆轨道上。 完成了32422圈绕地飞行。 1990年1月11日 被“哥伦比亚”号航天飞机回收时 轨道高度已降至324.3千米。 裸眼看到 30000个坑 0.5mm 5000个坑 max=5mm PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 LDEF“长期暴露装置”(The Long- Duration Exposure Facility ) 近距离观察LDEF的一个窗 电子显微镜观察 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 俄罗斯“和平号”空间站 “环境效应有效载荷”(MEEP) 二氧化硅气凝胶作为介质来捕获碎片，不破坏碎片本身。 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 俄罗斯“和平号”空间站 碎片分析 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 Solar Maximum 1984年，卫星部件失效，在轨替换金属天窗和热毯， 从替换下的金属天窗得到一些空间碎片信息 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 天基观测 n在轨航天器 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 香 香 在轨航天器观测 n在轨航天器观测优点： 高分辨率，近距离，没有大气干扰 n在轨航天器缺点： 成本高 PDF 文件使用 pdfFacto