国际空间站与哈勃望远镜受到空间碎片的撞击及影响

微流星体与航天器撞击的平均相对速度可达19～22 km/s，空间碎片与航天器撞击的平均相对速度可达10 km/s，这些空间物体严重威胁着在轨航天器的安全。航天器空间碎片防护最早可以追溯到20世纪50年代，为了洲际弹道导弹、深空探测器的安全，需要了解空间碎片、陨石碰撞引起的飞行器的破坏效应，研究有效的防护结构，从而开始了以超高速碰撞为基础的防护研究，并一直延续到60年代“阿波罗”计划。近十几年来，空间碎片影响越来越大，2009年2月11日，美国商业通信卫星“铱星33”和俄罗斯一颗废弃的军事侦察卫星“宇宙2251”在西伯利亚上空789 km处相撞，撞击相对速度达11.6 km/s，产生了大量空间碎片，引起国际社会的强烈关注。1996年7月24日，法国“樱桃色”军用侦察卫星与“阿里亚娜”运载火箭的残骸在距离地面上空66 km处相撞，撞击相对速度达14 km/s，使卫星一度失去控制。国际空间站（International Space Station，ISS）是目前建设的最大航天器，受空间碎片影响也最大。截至2018年年底，国际空间站已进行超过26次轨道机动，以规避可编目空间碎片的撞击^[1]。国际空间站几乎每年都有空间碎片撞击事件发生。英国宇航局探测到早期哈勃望远镜的太阳翼遭受到5 000～6 000次M/OD撞击，撞击坑/孔直径从3 mm到7 mm不等，完全穿透太阳翼的撞击数量达150个。1999年，航天员太空行走拍摄的哈勃望远镜表面有571个小的撞击坑。哈勃望远镜遭受空间碎片碰撞，撞击坑达34 000个，其中大于0.5 mm的撞击坑达5 000个。

空间碎片潜在危害很大，根据尺寸大小，可将空间碎片分为大碎片、小碎片和微小碎片，其中尺寸在厘米级以上的是大碎片或可编目碎片，厘米级以下的碎片称为微小碎片，尺寸在大碎片和微小碎片之间的称为小碎片。截至2019年年底，轨道物体总质量8 400 t，地球轨道中已被跟踪编目尺度在10 cm以上的空间碎片数量有23 000个；1～10 cm级别数量约为75万个；1～10 mm的碎片数量约为1亿个；1 mm以下碎片数量数以百亿计[28]。大碎片可通过监测网进行探测和跟踪，在检测到可能发生碰撞时，航天器将实施主动机动予以规避。小碎片的数量相对较少，其探测和防护仍然是空间领域较大的挑战，由于小碎片撞击动能小，航天器一般采取被动防护措施。随着空间碎片监测能力和防护能力的提高，对小碎片的管理和防护也将逐渐完善。微小碎片数目庞大，并且无法逐个跟踪、定位和编目，可导致航天器舱壁穿孔、辐射器管路穿孔、电池片损坏、电池片效能下降、光敏器件性能下降等，对其也只能采取被动防护。

空间碎片对航天器各分系统，主要是结构型部/组件和功能型部/组件[2]，具体碰撞危害如下：首先是对结构系统，比如帆板，会使帆板表面发生成坑、穿孔和裂纹，也会使背面发生层裂和剥落；碰撞产生的电磁脉冲会导致电子系统发生异常；此外，也有可能因碰撞损坏太阳能电池阵、蓄电池和配电网等，导致能源系统发生故障；碰撞也会造成光学系统，比如光敏器件表面光敏性能下降或失效；航天器的储箱和管路由于碰撞而发生泄漏、爆裂，使推进系统失效；另外，热控系统也会因为碰撞使表面涂层脱落，导致热敏和热防护功能下降或失效。表5-1给出了卫星各个设备/结构在相应尺度的空间碎片的撞击下的损伤效果，也间接反映了卫星的防护需求。

表5-1　卫星遭受碎片撞击的影响(www.xing528.com)

续表

为保护航天器在空间环境中的高可靠性、长寿命安全运行，可通过采取适当的防护措施，如调整飞行姿态、调整设备布局、采用防护性能强的材料、加装防护结构等提高航天器在微小碎片环境中的生存概率，同时，尽可能地减轻由此增加的非有效载荷的质量。在进行航天器防护设计中，要充分考虑成本、工艺、设计方案的可实现性等诸多因素，设计应遵循“充分利用舱外布局”“专用防护质量最小”的设计原则，同时，应该考虑外包络的限制及防护结构的质量代价。