在人类航天环境中，除各类带电粒子、场和电磁辐射外，还存在大量空间碎片（Space Debris）。空间碎片是伴随人类航天发射活动而产生的太空垃圾，是对地球轨道内（高度200～36 000 km）无任何功能和作用的所有人造物体的统称［5］。
自1957 年苏联发射世界第一颗人造卫星Sputnik-1 号以来，人类已进行了4 000 多次空间发射活动，发射入轨的航天器超过5 500 个。这些人造物体绝大多数分布在高度2 000 km 以下的低地轨道（LEO）和高度约36 000 km 的地球同步轨道（GEO）区域内，其中又以高度约800 km 的太阳同步轨道（SSO）区域分布最多、最密集。目前，这些人造物体有相当一部分仍滞留在地球轨道上，另有一些或已重返大气层自行陨落、消失泯灭，或已脱离地球引力飞向深空。
空间碎片主要源于失效航天器、运载火箭末级、任务相关碎片（操作性碎片）和航天器在轨解体碎片等几个方面，而且各部分所占比例并不固定，是随时间而变化的。据美国空间监视网（Space Surveillance Network，SSN）及天基探测统计数据，截至2009 年4 月1 日，在地球轨道内，尺寸10 cm 以上的编目空间物体超过13 800 个，其中正常运行的航天器只约占6%，其余94% 均为空间碎片，尺寸1 cm 以上空间碎片超过50 万个，尺寸1 mm 以上超过3 500 万个，微米级以上尺寸数量更是庞大，且每年仍以约5% 的速度在增长。SSN 编目物体数量及组成逐年变化情况如图11-1 所示［6］。
图11-1 SSN 编目物体数量及组成逐年变化情况［6］
空间碎片的主要成分是铝、锌、钛等金属氧化物，部分为航天员产生的含钠、钾成分的废物及电子产品产生的含铜、银成分的碎片，平均密度约为2.8 g/cm3。在LEO 轨道上，空间碎片绕地运动速度为7～8 km/s，与其他空间物体的平均相对碰撞速度约为10 km/s。
在不同尺寸空间碎片来源方面，cm 级以上尺寸的大空间碎片主要来源于末级运载火箭、寿终航天器、工作遗弃物、意外解体碎片、钠钾冷却剂等；mm 级空间碎片主要来源于航天器表面老化剥离碎片、溅射物、三氧化二铝残渣、钠钾冷却剂、意外解体碎片、微流星体等；μ m 级空间碎片则主要来源于航天器表面老化剥落碎片、三氧化二铝粉尘、溅射物、微流星体等。
研究表明，当前地球轨道的总质量已达6 000 t 以上，其中约有一半物质分布在2 000 km 以下的LEO 轨道（图11-2）。由于航天活动的特点，2 000 km以下的近地轨道和36 000 km 的地球同步轨道是空间碎片的集中区域，其中，300～2 000 km 又是碎片密度最高的区域，800 km 轨道及1 500 km 轨道尤为严重；在GEO 区域，空间碎片主要分布在倾角为0.1°～0.4°范围（通信卫星最密集的区域），绝大多数碎片的偏心率在0～0.01，最大分布密度可达1.1×10-9 个/km3。轨道高度超出GEO 区域，空间碎片数量急剧下降。空间碎片密度随轨道高度变化曲线如图11-3 所示，不同轨道碎片密度与碎片尺寸的关系如图11-4 所示，不同尺寸碎片累积通量随高度分布如图11-5 所示。(www.xing528.com)
图11-2 2011 年NASA 组织公布的空间碎片模拟分布图
图11-3 空间碎片密度随轨道高度变化曲线
图11-4 不同轨道碎片密度与碎片尺寸的关系
图11-5 不同尺寸碎片累积通量随高度分布
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