微流星体和空间碎片环境下航天器生存力评估方法 编制说明

1用标准化技术委员会（SAC/TC425）提出并归口，全国宇员会空间碎片分技术委员会（SAC/TC425/SC5）执行相继部署，越来越多的航天器被送入太空，这也预示着空间碎微流星体和空间碎片（MM/SD）对在轨航天器的安全运行造成严重威的撞击可造成航天器的直接解体，小于5mm尺寸碎片的直接降阶，而5mm~10cm尺寸碎片的撞击可能导致航天器的功能微流星体和空间碎片环境下的航天器生存力评估包含航天器部组件易损性分析和航天器系统级生存力评估分析三个部分。进行航天器生存力评估，能够量化微流星体和空间碎片（MM/SD）环境威胁，通过评估结果指导航天器防护设计，生存力评估所需通量可基于空间碎片环境工程模型给出。境工程模型，美国NASA的ORDEM系列、欧空局的MASTER系列以及由哈尔滨工业大学主持开发的SDEEM系列等。国2评估流程和方法以及形成统一和科学的认知，需要建立一套微流的航天器生存力评估标准，为后续应用分析工作奠定技术基础。标准有GB/T34513-2017《空间碎片减缓要求》等，尚无相应微流本标准规定了微流星体和空间碎片环境下的航天器生存航天器生存力评估技术推广与应用，支撑后续航天器防护设计起草单位主要包括：哈尔滨工业大学、中国卫星网络集学、上海宇航系统工程研究所、上海卫星工程研究所、中国空武江凯、杨芳、姬云龙、张品亮、贾光辉、徐大富、陆收集整理、标准化格式、国内外相关技术与标准资料翻译研究以及企业生产实践等工作。2025年6月，起草组在充分调研国内外技术和标准现本标准通过总结国内外在微流星体和空间碎片环境下的3关工程应用分析方面对微流星体和空间碎片环境下航天器本标准在制定过程中充分考虑了微流星体和空间碎片环或单位的需求，规范了航天器生存力相关术语，兼容了微流星草规则》的规定编写，紧密结合工程任务实践，注重标准的本标准规定了航天器生存力评估相关术语，以及微流星体和空间碎片环境下航天器本标准主要适用于指导在微流星体和空间碎片环境下航天器生存力评估以及防护设4A3OREDM3.1输出格式：介绍ORDEM3.1[3]的输出通量数据存储格式以及缩写含义。附录B（资料性）航天器几何模型：对航天器几何模型的输入格式进行了介绍和规附录C（资料性）部件易损性及撞击极限方程：介绍部组件失效模式以及撞击极限C2通用撞击极限方程：给出了单层板、Whipple防护结构以及蜂窝板的撞击极限方程E2内部部件的评估方法：介绍两种内部部件评估方法，即碎片云以及BLE方法，并5附录F（资料性）撞击概率和撞击失效概率的计算方法：介绍并给出了撞击概率和G2航天器系统生存力：介绍了航天器系统生存力分析的步骤，并给出故障树分析法参考文献：列出了与本标准紧密相关的概念、模型、方法、接口及公式等信息出处。本标准的主要内容是对微流星体和空间碎片（MM/SD）环境下的航天器生存力评估手段加以规范，包括了生存力评估相关术语、评估要求以及评估流程，以支撑MM/SD环为后续简化描述，微流星体和空间碎片（MM/SD）环境下的航天器生存力评估在本第3.1条参考文献[4]中对航天器敏感损性中的概念，指的是目标被探测装置探测到、被威胁物体命中的可能性。在航天器生存力评估中引入该概念并进一步定义为：空间碎片环境下航天器遭遇空间碎片（包括人造空间碎片也包括微流星体）撞击的可能性。这里空间碎片为广义定义，包含人造空间第3.2条参考文献[4]对航天器易损性伤害或损伤的程度，反映了特定条件下研究对象的脆弱性和对意外损伤的承受能力。航第3.3~3.4条失效模式源于可靠性工程领域，表示部件失效类型。本标准参考文献[4][5]对失效准则的描述：失效准则是部组件失效的定量描述，包含两层含义：其一是部组件发生某种失效模式，及该种失效模式的量化标准；其二是部组件受损程度与作用在第3.5~3.8条该四条是对易损性分析中判断部组件失效情况时涉及极限和撞击极限方程用于判断部件是否在遭受撞击时发生失效。对灾难性事件而言，可6第3.9条参考文献[4]对生存力评估的行的航天器遭遇空间碎片撞击后能继续完成既定任务的能力，本标准按照文献对于航天本标准对生存力评估涉及的缩略语进行了梳理，涵盖了常用的防护设计、单位/组织、其中，常用的易损性分析相关缩写包括：撞击极限方程（BallisticLimiHVI）、微流星体/空间碎片（Micro-Meteor常用的单位/组织即：机构间空间碎片协调委员会（Inter-Ag）；常用的生存力评估指标有：非失效概率（ProbabilityofNoFa穿概率（ProbabilityofNoPerforation，PNP其他缩略语包括标准环境接口（Standa上述定义以及缩略语采用的英文表述，主要综合参考了文献[本标准对生存力评估要求的规范主要参考了文献[4][7][8]，在生存力评估时所需数据包括了MM/SD环境数据、航天器模型数据以及生存力数据。MM/SD环境数据是指航天器所在轨道的MM/SD通量数据，由空间碎片环境工程模型提供。航天器撞击敏感性需要利用MM/SD环境数据，依据航天器几何模型描述航天器外形以及部件形状与位置关系，从而根据航天器姿态模型以确定航天器在轨道坐标系中的相对位置，最后分析得出各个部组件遭遇空间碎片粒子撞击的概率；部组件材料模型、失效模式、失效准则以及功能逻辑模型在易损性分析中作为输入数据，评估航天器生存力。生存力阈值用以判断航天器航天器生存力评估是强系统性工作，在整个航天器生存力评估过程中应满足可追溯7航天器生存力评估的验证是保障评估模型可信度的重要手段，通过同类软件、相同本标准对生存力评估流程进行了规范，针对不同文献在生存力评估流程细节上的不一致，本标准综合了文献[4][7]中的航天器生存力评估流程，对其中通用流程和步骤进行航天器有限单元模型系统级生存力空间碎片环境模型航天器轨道参数坐标撞击敏感系统级生存力空间碎片环境模型航天器轨道参数坐标撞击敏感变换性分析部组件撞击情况失效准则航天器功能逻辑关系部组件生存力环境数据航天器生存力航天器部件航天器部件损伤模式航天器部件材料参数文献[4]表明了航天器生存力评估涉及空间碎片时空分布规律，也涉及航天器运行轨道和航天器几何特性，还包括航天器部组件-分系统-系统的功能逻辑关系。将生存力评估过程分解为三个步骤：其一，航天器遭遇空间碎片粒子的撞击可能性分析，即撞击敏感性分析，确定航天器在轨运行期间所处的空间碎片环境，依据航天器几何模型、飞行姿态等特征，分析各个部组件遭遇空间碎片粒子撞击的概率；其二，航天器部组件遭遇撞击后的损伤模式及损伤概率分析，即部组件易损性分析，通过超高速撞击试验或数值模拟技术获得航天器部组件在空间碎片撞击下的损伤规律，计算各个部组件在对应失效模式下的损伤概率；其三，部组件的损伤导致航天器分系统-系统功能损伤的可能性分析，即航天器系统级生存力分析，根据航天器任务特点和结构组成，建立航天器部组件-分系统-系统逻辑功能关系，结合前两点的计算结果，计算获航天器运行空间碎片环航天器结构碰撞次数是是生存力评估航天器各部组航天器各部组否增加防护或否增加防护或迭代计算8参考文献[4]中对防护设计流程进行的梳理，本标准规定了对未达到生存力需求的防文献[7]是基于风险评估系统，提出了评估航天器部件/分系统失效模式的易损性分析方法。文献[7]中航天器易损性分析主要包括了以下三个方面：易损性分析对象建模、航a）分析对象包括空间站、火箭、在轨运行的卫星等，易损性对象建模包括航天器外形结构（几何模型）；部件形状、位置（几何模型）；部件失效准则、失效模式（防护模型）；航天器系统失效模式、失效准则以及部件失效和航天器分系统、系统失效之间b）航天器在轨运行的主要威胁来源是空间碎片以及微流星体，采用空间碎片工程环c）航天器易损性分析方法主要包含了三个分析步骤：航天器遮挡分析，用于提供了航天器部件可能暴露在威胁源的面积，暴露面积越大意味着部件受到撞击的可能性将越大；航天器防护结构失效分析模块，确定部件收到空间碎片撞击概率；航天器部件撞击两文献对航天器易损性评估基本流程可总结为：环境数据及航天器模型准备，对航天器进行MM/SD环境下的敏感性分析、部件易损性分析；并展开航天器部件生存力分析、系统生存力分析。最后需要判断航天器生存力是否满足要求，未满足要求则进行航天器9第6.2条本条内容综合参考了文献[1][4][7]，规定了生存力评估时空间环境数据与航天器模型的准备。空间碎片环境是航天器在轨运行的背景，空间碎片环境数据是航天器生存力评估过程中的威胁来源，利用空间碎片环境工程模型和微流星体环境模型以生成所需MM/SD环境通量数据，以便在后续评估中量化这种MM/SD的环境威胁。航天器撞击敏感性需要依据航天器几何模型精准描述航天器外形以及部件形状与位置关系，通过确定飞行姿态等特征，分析各个部组件遭遇空间碎片粒子撞击的概率；部组件材料模型、第6.3条本条内容综合参考了文献[1][4][12]的基础上规定了敏感性天器遭遇空间碎片粒子撞击概率的分析方法源自于早期对太阳系内行星遭遇流星体撞击概率的研究。航天器撞击敏感性评估通过相对速度将通量和空间密度联系起来，评估MM/SD环境下航天器面临的碰撞风险。由于在空间碎片来流方向上，并非每一个部件都可能受到撞击，对于特定的空间碎片来流方向，后方部件在其余部件的遮挡下，减少了后方部件受到撞击的风险。航天器部件间的空间遮挡将导致航天器不同部件遭受空间碎片撞击概率不同，而对易损性分析结果造成影响，因此需要明确部组件遮挡关系，以计算部件各单元的撞击期望数。对在轨运行的航天器而言，其在空间碎片环境下遭遇碎片撞击的事件相互独立，因此撞击事件满足泊松分布，在计算各部件受撞击概率时利用该第6.4条本条内容规定了易损性评估流程，主要参考了文献[4][6][8][9][11][13][15]。航天器部组件易损性模型一般通过地面撞击试验获得，早期NASA针对典型防护结构开展了一系列撞击试验，获得了单层板、Whipple防护结构的撞击极限方程。由于工程上航天器结构的复杂性，一般只考虑航天器中关键部组件的易损性，而将其他部组件易损性定为0，且将不同材料的部件等效为相应厚度的铝板，以铝板的击穿来判定部件是否失效。航天器部组件失效的类型包括寿命缩短、功能降阶、无法运行等，这些类型称为部组件失效模式。而失效准则是部组件失效的定量描述，依据航天器部组件的失效模式和失效第6.5~6.6条该两条内容根据航天器部件敏感性分析和航天器部件易损性能够确定失效期望数，从而计算航天器撞击失效概率以及PNF，综合参考了文献[4][14][16][17]。基于功能逻辑关系模型，通过故障树分析法等方法，能够根据当前航天器的内部风险传递关系，分析部件故障导致的系统故障问题，以输出系统失效概率和生第6.7~6.8条本标准在该两条中给出了针对工程要求的对生存力计算结果满足与否判断以及判断后处理建议，并对后续生存力优化方法给出了建议和优化思路，供用户参考。本标准考虑到用户使用的便捷性，在附录A中提供了空间碎片环境工程模型的式，包括SDEEM2019软件的“XXX.txt”、MASTER8软件的“XXX.cpe”形式和ORDEM3.1输出“IGLOOFLUX_SC.OUT”文件格式。并给出了生存力评估标准接口格式，便于评估人员和用户进行参考，具体内容源自参考文本标准在附录C中提供了对失效模式和失效准则的解释，以及单层板、Whipple防护本标准在附录D中根据资料[6]提供了校验工况资料，包括三种标准工况：立方体卫本标准在附录E中提供了航天器内部部件评估方法，包括BLE和碎片云模型的方法，(10)附录F撞击概率和撞击失效概率的计算方法本标准在附录F提供了撞击概率和撞击失效概率的计算方法，包括基于MM/SD通量(11)附录G航天器生存力本标准在附录G中提供了航天器生存力评估相关计算方法，包括航天器部组件相关计算方法以及航天器系统生存力分析方法，介绍了故障树分析法的相关信息，并给(12)附录H生存力输出数据本标准在附录H中规定了生存力输出数据应包含的结果，以便于工程中对比、本标准已对微流星体和空间碎片环境下的航天器生存力评估所涉方法展开仿真分析，采用了IADC规定的3种标准工况模型以及相同的空间碎片和微流星体数据作为输入，计防护手册中指定的三种标准工况分别为：立方体卫星，球形卫星及简易空间站。其度为3m，+Y段的圆柱体长度为2m，−Y段及−Z段的圆柱长度为1m。三种标准工况示据采用ORDEM2000计算获得，微流星体模型采用NAS13.59×10-22.16×10-62.22×10-71.08×10-87.5×10-39.25×10-79.10×10-11 的对比结果来看，面元遮挡法和射线法的计算结果非常接近，除立方体卫星在大于0.1mm微流星体的撞击期望数相差3.5674%以外，其余工况结果相差都小于1%。两种方法密度分布图。两种尺寸的微流星体撞击集中在航天器的迎风面，而不同尺寸的空间碎片撞击集中区域则不同，大于1cm尺寸的空间碎片撞击主要集中在航天器的迎风面，大于0.1mm的空间碎片主要集中在迎风面的两侧，也就是航天器的±Y方向。从空间碎片的撞击期望数的密度分布来看，-X轴舱段被-Y轴舱段遮挡的部分撞击数明显少于该舱段的其余部分，说明两种方法都能充分反应航天器内部部组件之间的遮挡问题。总体来看，两2.8726×10-62.8716×10-6-3.56741.3684×10-61.3695×10-6-0.72081.1565×10-51.1465×10-5-0.8636-0.85365.8753×10-65.8243×10-6-0.86802.1368×10-62.1378×10-609.2015×10-79.2015×10-73DE（面元法）简易空间站粒子撞击期望数密度伪色图本标准规范了航天器生存力评估的要求和流程，通过本标准的生存力评估能够量化MM/SD撞击风险，针对不同航天器部位采用相应防护结构，从而降低防护设计冗余，满当前空间任务呈现复杂化趋势，航天器面临的MM/SD环境也将更为严峻。因此通过航天器生存力评估以满足更为复杂的防护设计需求，能够提高空间任务成功率、保护太随着近地轨道碎片快速增长，MM/SD环境日益恶化。本标准有利于提高航天器生存本标准已针对微流星体和空间碎片（MM/SD）环境下的航天器生存力评估中所涉的射线法展开撞击敏感性评估。评估结果与IADC手册中BUMPER、Risk-Uda和ESABASE2/Debris[21]三款软件的结果数据进行交叉对比。表4~表6分别为立方体卫星、简易空间站和球体卫星三种航天器模型遭遇大于0.1mm、大于1cm的微流星体和空间碎片BUMPERd≥1cm2.87×10-62.87×10-6-0.052.88×10-6-0.332.67×10-6-7.08d≥1cm1.37×10-61.47×10-6-7.093.42×10-6-60.01.3410-6BUMPER-0.44-0.53-0.34d≥1cm1.15×10-51.15×10-5-0.301.15×10-5-0.471.09×10-5-7.55d≥1cm5.82×10-66.30×10-6-7.4914.67×10-6-60.305.66×10-6BUMPER-0.70-0.82-0.17d≥1cm2.14×10-62.15×10-6-0.342.15×10-6-0.522.02×10-6-7.76d≥1cm9.20×10-79.97×10-7-7.7223.20×10-7-60.348.91×10-7从粒子种类来看，采用射线法计算的空间碎片撞击期望数相较其他三款软件的结果偏差较小，与ESABASE2/Debris的相对偏差大于其他两款软件，但均未超过8%；微流星体的计算结果相对其他三款软件的结果偏差有大有小，特别是Risk-Uda软件，大于0.1mm尺寸微流星体的撞击期望数偏大85%左右，大于1cm尺寸微流星体的撞击期望数偏小60%左右，与其他两款软件的偏差都在8%以内。但是对比表6中球体卫星的理论值，两种尺寸粒子均偏小0.54%，由此可见，微流星体计算结果的误差可能来自于微流星体模型计算从不同软件的计算结果对比来看，射线法的计算结果与ESABASE2/Debris和BUMPER相差较小，与Risk-Uda的相差较大。但是三种工况结构差异带来的结果偏差相对稳定。以BUMPER为例，大于0.1mm空间碎片的工况下，三种航天器模型射线法的计算结果偏差0.5%左右；大于1cm空间碎片，三种航天器模型整体偏差0.3%左右；两种尺寸的微流星体，三种航天器模型整体偏小7.5%左右。即使是微流星体计算结果偏差较大的Risk-Uda软件，大于0.1mm尺寸三种航天器的结果都偏大85%左右；大于1cm尺寸三种果，射线法的计算结果与其他三款软件的偏差可能来源于环境数据。由于环境数据为自行计算获取，无法确保与其他三款软件的输入是否存在偏差，以及偏差大小，进而导致本标准对应的MMSD环境下的航天器易损性评估已针对3种标准工况进行交叉校验，下文对比了在表1的轨道环境下空间碎片的撞击坑深大于1mm的期望数，以及防护结构为单层铝板和Whipple防护结构的击穿期望数。防护结构尺寸、材料及计算所需其他参数-------法BUMPER3.37×10-13.45×10-1-2.133.45×10-1-2.361.65×10-17.83×10-11.81×10-52.33×10-5-22.472.34×10-5-22.673.02×10-5-40.119.20×10-21.00×10-1-8.328.70×10-28.60×10-26.56×10-16.73×10-1-2.495.94×10-16.16×10-11.38×10-51.38×10-5-0.482.81×10-5-51.091.15×10-5法BUMPER空间碎片微流星体-2.97-3.055.59×10-16.62×10-58.59×10-5-22.898.62×10-5-23.181.21×10-4-45.423.80×10-14.16×10-1-8.563.60×10-13.52×10-1-2.775.64×10-55.67×10-5-0.461.15×10-4-50.924.66×10-5法BUMPER空间碎片微流星体1.99×10-12.04×10-1-2.612.05×10-1-2.659.62×10-24.68×10-11.17×10-51.50×10-5-21.951.51×10-5-22.212.09×10-5-43.91p>1mm5.88×10-26.43×10-2-8.555.59×10-25.43×10-24.22×10-14.34×10-1-2.763.84×10-13.91×10-18.71×10-68.73×10-6-0.281.78×10-5-51.027.15×10-6表8~表10为3种航天器在不同防护结构或损伤模式下的评估结果与三款软件的对比。总体来看，本标准所述方法评估结果与BUMPER3和Risk-Udar的结果接近，而与BUMPER3评估结果对比，3种航天器以双层板作为防护结构时，被空间碎片击穿的评估偏差较大，本方法的击穿期望数都偏小22%左右，但偏差较为一致。一方面可能是本文采用的是Christiansen2001的双层板撞击极限方程；另一方面可能由于插值方式的不同导致的偏差。其他工况的偏差都在10%以内，除了微流星体撞击下1mm坑深的期望与Risk-Udar的结果对比，两种环境下Whipple防护结构的击穿期望数偏差都较大，微流星体撞击下的击穿失效数偏小50%左右。但是Risk-Udar在微流星体环境下的撞击敏感按工况分类进行对比可发现，同一款软件同一工况下，不同航天器的评估结果的偏差是高度一致的。以BUMPER3对比为例，空间碎片撞击Whipple防护结构的击穿期望数，本标准所述方法偏差与之较大，但是3种航天器结构的评估结果都偏小22%左右；微流星体撞击Whipple防护结构的击穿期望数，二者偏差较小，且3种航天器的评估结果偏小0.3%左右。这说明了本标准所述易损性评估方法的计算结果的稳定性，进一步说明了本方法本标准所述生存力评估方法适用于MM/SD环境下的航天器生存力评估，通过针对标准工况所展开的同国际上的风险评估软件BUMPER3、Risk-Udar的交叉对比，证明了本本标准符合国家现行方针政策，与法律、法规和强制性国家标准不存在抵触之处，建议本标准发布后，颁布之日即实施。同时在标准实施中及时在行业内及相关单位开展标准的宣贯，使相关单位能够学习并应用本标准，并结合实际应用需求贯彻实施标1.2.EuropeanSpaceAgency2020.4.2.A[3]VAVRINA,MANISA,SEAGOJ,e3.1–SoftwareUserGuide.Or/documents_public/file_down/id/5209.JohnsonSpaceCenter.2009.Availablefrom:/citations/20090010053.