航天器与空间碎片.pdf

北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日1 空间碎片是怎样产生的 空间碎片的来源很多 各种来源产生的碎空间碎片的来源很多 各种来源产生的碎 片尺度也不相同 地面监测系统能够测定的大片尺度也不相同 地面监测系统能够测定的大 碎片主要来源于遗弃的航天器 运载火箭箭体碎片主要来源于遗弃的航天器 运载火箭箭体 和操作性碎片 爆炸解体碎片则大小都有 固和操作性碎片 爆炸解体碎片则大小都有 固 体火箭喷射物 撞击产物和表面剥落产生的都体火箭喷射物 撞击产物和表面剥落产生的都 是小空间碎片 是小空间碎片 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日2 空间碎片是怎样产生的 各种来源碎片所占份额 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日3 空间碎片是怎样产生的 各个航天国家产生的碎片数量相差悬殊 产各个航天国家产生的碎片数量相差悬殊 产 生碎片最多的是俄罗斯生碎片最多的是俄罗斯 包括苏联包括苏联 其次是美国 其次是美国 空间碎片的绝大部分 其他国家只占很小的份空间碎片的绝大部分 其他国家只占很小的份 额 额 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日4 空间碎片是怎样产生的 遗弃的航天器和火箭箭体 遗弃的航天器和火箭箭体 解体产生的碎片 解体产生的碎片 固体火箭喷射物 固体火箭喷射物 特殊碎片特殊碎片 冷凝剂冷凝剂 WestFord铜针铜针 操作过程产生的碎片和剥落物操作过程产生的碎片和剥落物 撞击产生的碎片撞击产生的碎片 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日5 遗弃的航天器和火箭箭体 航天器在空间有一定的工作时间 材料的老化 元航天器在空间有一定的工作时间 材料的老化 元 器件性能衰退 燃料的耗尽等原因 使它工作一定器件性能衰退 燃料的耗尽等原因 使它工作一定 时间以后就会出现各种故障 最后停止工作 寿命时间以后就会出现各种故障 最后停止工作 寿命 结束 通常只有几年或几十年 但是停止工作的航结束 通常只有几年或几十年 但是停止工作的航 天器仍在轨道上运行 在大气阻力的影响下消失 天器仍在轨道上运行 在大气阻力的影响下消失 航天器陨落之前存留在轨道上的时间称为 轨道寿航天器陨落之前存留在轨道上的时间称为 轨道寿 命 如果它的轨道很高 在命 如果它的轨道很高 在1000千米以上 因此千米以上 因此 受到的大气阻力很小 它的轨道寿命可达数万年甚受到的大气阻力很小 它的轨道寿命可达数万年甚 至数百万年 从航天器的工作寿命结束到轨道寿命至数百万年 从航天器的工作寿命结束到轨道寿命 结束之间漫长的岁月中 无论它曾经是如何的辉煌 结束之间漫长的岁月中 无论它曾经是如何的辉煌 最终都变成一块不折不扣的 垃圾 最终都变成一块不折不扣的 垃圾 空间碎片 空间碎片 人类第一个空间站人类第一个空间站 和平号空间站 在完成仟务和平号空间站 在完成仟务 后也成为最大的空间碎片 后也成为最大的空间碎片 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日6 遗弃的航天器和火箭箭体 在将卫星送入轨道的时候 末级运载火箭和在将卫星送入轨道的时候 末级运载火箭和 卫卫 星在相近的轨道上运动 它和卫星分离后即完星在相近的轨道上运动 它和卫星分离后即完 成了任务 自身也成为一块空间碎片被遗弃在成了任务 自身也成为一块空间碎片被遗弃在 空间 从空间 从1957年到年到2003年底 全世界共发射年底 全世界共发射 5568个航天器进入围绕地球的轨道 同时进入个航天器进入围绕地球的轨道 同时进入 轨道的运载火箭末级有轨道的运载火箭末级有4566个 个 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日7 遗弃的航天器和火箭箭体 陨落前和平号空间站 部分结构 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日8 解体产生的碎片 解体是最主要的空间碎片来源 解体是最主要的空间碎片来源 1961年年6月月29日日 运载子午仪卫星的运载火箭第一次爆炸 产生运载子午仪卫星的运载火箭第一次爆炸 产生 了了296块可跟踪的碎片 使当时的空间物体数量块可跟踪的碎片 使当时的空间物体数量 增加了增加了4倍 到倍 到2003年底 共发生了年底 共发生了173次解体次解体 事件 共产生事件 共产生10066块碎片 还存留在轨道上的块碎片 还存留在轨道上的 有有3420块 块 1981年解体次数最多 共发生了年解体次数最多 共发生了9次 次 只有只有1972年和年和1974年没有发生解体事件 年没有发生解体事件 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日9 解体产生的碎片 历年发生的解体数 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日10 解体产生的碎片 2003年底仍在轨道上的 各种解体原因产生的碎 片所占份额 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日11 固体火箭喷射物 在空间使用的固体火箭中 作为燃料添加剂的在空间使用的固体火箭中 作为燃料添加剂的 铝约占燃料质量的铝约占燃料质量的18 目的是提高发动机的 目的是提高发动机的 性能和降低燃烧的不稳定性 在燃烧过程中这性能和降低燃烧的不稳定性 在燃烧过程中这 些铝变成氧化铝喷射到空间 氧化铝的质量将些铝变成氧化铝喷射到空间 氧化铝的质量将 达到总质量的达到总质量的34 一般来说氧化铝的形成可 一般来说氧化铝的形成可 以分为两种过程 一种是在燃烧的全过程都产以分为两种过程 一种是在燃烧的全过程都产 生的细小的尘埃状的颗粒 直径从小于生的细小的尘埃状的颗粒 直径从小于1微米到微米到 50微米以上 另一种是在燃烧快结束时产生的微米以上 另一种是在燃烧快结束时产生的 氧化铝熔渣 它的粒度比较大 能达到厘米级 氧化铝熔渣 它的粒度比较大 能达到厘米级 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日12 固体火箭喷射物 到到1999年年8月月1日为止 固体火箭在空间共点火日为止 固体火箭在空间共点火 1002次 产生的氧化铝熔渣在次 产生的氧化铝熔渣在106个以上 固体个以上 固体 火箭点火有三种情况 发射地球同步轨道卫星 火箭点火有三种情况 发射地球同步轨道卫星 卫星从过渡轨道进入地球同步轨道时远地点发卫星从过渡轨道进入地球同步轨道时远地点发 动机在远地点动机在远地点 地球同步轨道高度地球同步轨道高度 点火 发射太点火 发射太 阳同步轨道时 由上升轨道入太阳同步轨道时阳同步轨道时 由上升轨道入太阳同步轨道时 点火 它们它们形成的碎片区域如下图所示 点火 它们它们形成的碎片区域如下图所示 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日13 固体火箭喷射物 固体火箭喷射的氧化铝尘埃 固体火箭产生的空间 碎片分布区域 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日14 特殊碎片 冷凝剂冷凝剂 苏联在苏联在1980年到年到1988年之间曾发射过年之间曾发射过16颗雷达海颗雷达海 洋监视卫星 采用的是核动力 并用液态金属洋监视卫星 采用的是核动力 并用液态金属 NaK作为冷凝剂 每颗卫星带有作为冷凝剂 每颗卫星带有13千克的冷凝千克的冷凝 挤 在卫星工作结束时 把反应堆的核心抛出 挤 在卫星工作结束时 把反应堆的核心抛出 此时冷凝剂回路处于开放状态 冷凝剂向外泄此时冷凝剂回路处于开放状态 冷凝剂向外泄 漏 形成漏 形成100微米微米 4 54厘米的液态碎片 在厘米的液态碎片 在 1999年估计有年估计有264000个直径个直径3毫米到毫米到4 54厘米的厘米的 冷凝剂颗粒滞留在空间轨道上 成为空间碎片冷凝剂颗粒滞留在空间轨道上 成为空间碎片 的重要组成部分 的重要组成部分 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日15 特殊碎片 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日16 特殊碎片 WestFord铜针铜针 1958年麻省理工学院的科学家建议将年麻省理工学院的科学家建议将3亿亿5千万千万 枚铜针 每枚长枚铜针 每枚长1 75厘米 宽厘米 宽0 0025厘米 用卫厘米 用卫 星送入轨道 撒布出去以后形成一个星送入轨道 撒布出去以后形成一个8千米宽 千米宽 38千米长的铜针带 像一面镜子一样 将从一千米长的铜针带 像一面镜子一样 将从一 个地方发射的无线电波反射到另个地方 作为个地方发射的无线电波反射到另个地方 作为 一个反射天线供超短波 一个反射天线供超短波 8000兆赫 通信使用 兆赫 通信使用 第一次在第一次在1961年年10月月21日发射 卫星装针载了日发射 卫星装针载了 19千克铜针 共计千克铜针 共计4亿亿8千万枚 但是铜针没有千万枚 但是铜针没有 被播撒出去 第一次因运载火箭故障而失败 被播撒出去 第一次因运载火箭故障而失败 第三次在第三次在1963年年5月月9日进行 成功地把日进行 成功地把3亿亿5千千 万枚铜针播撒在万枚铜针播撒在3650千米高的极地轨道上 但千米高的极地轨道上 但 只有大约一半散开了 其余的铜针团成了大小只有大约一半散开了 其余的铜针团成了大小 不的团块 不的团块 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日17 特殊碎片 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日18 操作过程产生的碎片和剥落物 在航天器操作过程中有意无意会丢弃一些物体 在航天器操作过程中有意无意会丢弃一些物体 例如 一箭多星 发射时 安置卫星的支架是必不例如 一箭多星 发射时 安置卫星的支架是必不 可少的 发射后一颗卫星之前 必抛弃支撑前一颗可少的 发射后一颗卫星之前 必抛弃支撑前一颗 卫星的支架 支架就成为一块操作性碎片 以前空卫星的支架 支架就成为一块操作性碎片 以前空 间站上航天员的生活垃圾是不带回地面的 直接扔间站上航天员的生活垃圾是不带回地面的 直接扔 到舱外 形成了名副其实的 太空垃圾 礼炮到舱外 形成了名副其实的 太空垃圾 礼炮7号号 在在4年运行期间产生了约年运行期间产生了约200个太空垃圾 又如应用个太空垃圾 又如应用 卫星进入工作状态之前 相机 望远镜要将保护镜卫星进入工作状态之前 相机 望远镜要将保护镜 头的镜头盖摘除 如不采取措施将成为块空间碎片 头的镜头盖摘除 如不采取措施将成为块空间碎片 也有一些操作性碎片是无意中产生的 主要是航天也有一些操作性碎片是无意中产生的 主要是航天 员在舱外行走和工作时 无意中丢失的物品 例如员在舱外行走和工作时 无意中丢失的物品 例如 航天员爱德 怀特从双子星载人飞船出舱进行美国航天员爱德 怀特从双子星载人飞船出舱进行美国 的第一次太空行走时 他的手套飘走成为十分奇特的第一次太空行走时 他的手套飘走成为十分奇特 的一块空间碎片 的一块空间碎片 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日19 操作过程产生的碎片和剥落物 空间环境和地面环境完全不同 对于航大器空间环境和地面环境完全不同 对于航大器 的生存是十分恶劣的 失去了大气层保护 所的生存是十分恶劣的 失去了大气层保护 所 有波段的太阳的电磁辐射 红外辐射 可见光 有波段的太阳的电磁辐射 红外辐射 可见光 紫外线辐射无情地射在航天器的表面 使表面紫外线辐射无情地射在航天器的表面 使表面 材料的性能快速退化 强度降低 材料的性能快速退化 强度降低 带电粒子和等离子体使航天器充电 表面放带电粒子和等离子体使航天器充电 表面放 电和深层放电会在不同深度上破坏材料的结构 电和深层放电会在不同深度上破坏材料的结构 高层大气中的原子氧具有很强的腐蚀性 航高层大气中的原子氧具有很强的腐蚀性 航 天器在其中高速运行 相当于浸泡在极高温的天器在其中高速运行 相当于浸泡在极高温的 腐蚀性气体中 表面迅速被腐蚀 腐蚀性气体中 表面迅速被腐蚀 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日20 操作过程产生的碎片和剥落物 太阳辐射造成航大器表面温度有很大差异 太阳辐射造成航大器表面温度有很大差异 向阳面温度很高 背阳面温度很低 使航天器向阳面温度很高 背阳面温度很低 使航天器 和空间碎片表面的温度在高低温之间循环 处和空间碎片表面的温度在高低温之间循环 处 于不断地热胀冷缩过程之中 于不断地热胀冷缩过程之中 在这些因素的联合作用下 航天器表面材料在这些因素的联合作用下 航天器表面材料 会不断地被剥落 成为新的碎片 特别是航天会不断地被剥落 成为新的碎片 特别是航天 器表面的油漆十分容易脱落 器表面的油漆十分容易脱落 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日21 操作过程产生的碎片和剥落物 各种空间环境使航天器表面剥落产生空间碎片 北京航空航天大学宇航学院 模版设计 韩 潮 2000 07 2009年11月13日22 撞击产生的碎片 随着空间碎片数量的不断增加 空间碎片之随着空间碎片数量的不断增加