分类

空间碎片

人类遗留在空间的废弃移动碎片称作空间碎片。可以将碎片更具体地分为下列几种：

1)不受控制的有效载荷；

2)运行中抛弃的残骸和碎片（正常的空间活动所致）；

3)爆炸和撞击产生的碎片；

4)微粒（例如固体火箭发动机喷出的铝、漆片等）。

空间碎片

空间碎片产生

自从1957年苏联人造卫星发射以来，美国监测网络NORAD监测和编目了大约20000个左右直径大于10cm的空间碎片。现在，大约还有7 500个碎片处于地球轨道中，主要在低地球轨道中(1995年数量为5747)。剩下的13 000个，有的被燃尽，有的则返回地球，比如有效载荷。此外，还有直径大于1 cm的碎片约10000个，直径大于1mm碎片约100000个。碎片数量肯定会不断增加，因为碎片彼此相撞会产生新的碎片（这种碎片被称作二次碎片）。

多数碎片位于近似圆形的轨道上。在500km高度，质量小于1g的物体寿命最多只有几年，在太阳活动高峰期间，寿命则只有几个月。而地球静止轨道上的碎片寿命实际是无限的。

空间碎片观测

观测区域

从空间碎片观测的角度讲，雷达探测区间能覆盖星载平台前进方向半球牵域最好，可解决多方向碎片探测问题。基于星载平台的毫米波雷达观测区域如图1所示，其中大球表示地球，小球表示某时刻雷达的可观测区域，筒状结构内包含的区域即为所有可被雷达观测到的区域集合。

空间碎片

在一定数据率下，为实现上述探测区域的覆盖，雷达探测方式和天线的形式都需深入研究。比较可取的是不过度复杂的具有同时多波束的宽覆盖天线。与此同时，根据星载平台周围空间碎片的尺寸和其径向速度的大小来划分目标的威胁等级，确定星载雷达在某个时间段的观测方向，插入目标确认和重复观测任务，研究观测过程中的雷达和碎片的时空关系也十分必要。 

运动参数估计

对于尺度在厘米级的空间碎片，由于其雷达横截面积很小，要达到探测所需的信噪比，需要较大尺寸的雷达天线和高的发射功率：在星载环境下，这两个条件很难保证。脉冲积累尤其是脉冲相干积累是提高雷达探测信噪比的一个有效方法。从理论上讲，1000个脉冲的相干积累可获得30dB的信噪比提升，可大大提升雷达对目标的探测性能。但由于目标和雷达处于高速运动状态，目标大范围的距离徙动，使传统相干积累的效果极为有限，需要研究新的运动目标探测技术。

解决上述问题的一个办法是降低雷达的距离分辨率，但是降低分辨率会给后续其他信号处理工作，如目标速度在三维空间求解等，带来很多闲难：：由于提高距离分辨率会增大系统信号处理的压力，但并不会影响目标信噪比，为同时解决目标速度的测量问题，系统使用宽带信号并具有高分辨率成像模式还是有意义的。

和传统的目标探测雷达相比，以SAR和ISAR为代表的成像雷达对目标成像时都实施了运动补偿，通过长时间的相十积累，获得了较大的目标信噪比改善，这集中体现在SAR雷达方程中的信噪比和日标距离的3次方成反比 。可考虑将SAR和ISAR的一些成像处理方法引入空间目标的探测过程，用来提高检测目标的信噪比。在此基础上，雷达对远距离日标信号可采用长时间相干积累，对近距离日标信号可采用短时间相干积累，并自动实现一定的灵敏度时间控制( STC)功能。由于在成像处理过程中，获得目标径向速度的同时，也可获得目标横向速度，故雷达成像可获得更多的运动目标信息。

空间碎片

轨道测量

在星载条件下，雷达和空间碎片间存在高速径向和横向运动，传统的搜索-捕获-跟踪-目标运动参数估计一轨道测量过程很难建立。同时，由于雷达的作用距离有限，基于天线波束顺序扫描通过连续跟踪从目标较短的轨迹获取轨道信息比较困难，需研究新的目标轨道测量方法。

雷达容易获取某时刻目标的三维位置以及径向速度，通过成像处理，也能获得目标的横向速度，但只有将径向速度和横向速度分解到平台坐标系三维空间并转入天球坐标系，才可能解决目标的轨道预测问题。在星载平台上，由于空间正交布局天线的基线较短，传统地基方法对目标在三维空间的测速精度很低，不能满足轨道预测的要求。解决问题的一个办法是，提高雷达的分辨率并对目标进行成像处理，在高分辨率成像模式下利用图像配准将获得的目标速度分解到雷达平台的三维空间，获取目标三维运动参数，为其轨道预测创造条件。

设平台坐标系和天球坐标系的关系如图2所示，平台坐标系原点到地心的方向可设为x'轴方向，轴方向，z'轴方向垂直于平台的轨道平面，y’轴与x‘轴，z’轴构成右手坐标系，同时定义y’轴为平台前进方向，x’O'y’平面为天线波束俯仰扫描平面，y’O'z’平面为天线波束方位扫描平面。当天线波束任意指向时，为求解目标三维速度，需在坐标系原点O’和x‘、y’和z’三轴上正交布设4个天线；当天线波束指向在x’O’y’平面时，需在坐标系原点O’，和x’z’两轴上正交布设三个天线，其基线长度可设为lx'和lz'。

由于需要使用多天线结构，且在有限基线数日卜要准确分解目标速度，宙达还需具有较高的分辨率，这样的一个审问碎片观测雷达系统实际上较为复杂。

对航天器影响

空间碎片

现代化学火箭推进的航天器，其液体推进剂的质量占航天器总质量50%以上，因此，航天器液体推进剂的贮存系统具有质量轻、强度大、贮箱壁簿、安全系数小等特点。大尺寸的宇宙尘撞击液体推进剂贮箱的可能性几乎为零，能撞击液体推进剂贮箱的宇宙尘质量范围为10-12~1g。撞击液体推进剂贮箱的宇宙尘质量虽小，但在太阳引力场作用下的撞击速度可高达84km/s。在这样高的撞击速度下，质量为1ug的宁宙尘埃，就可以穿透1mm的铝板。

因此，必需研究宇宙尘撞击的规律，使液体推进剂贮箱避免宇宙尘埃的撞击。宇宙尘埃和空间碎片撞击液体推进剂贮存系统造成航天器损坏主要有以下3种特征。

(1)大尺度宇宙尘埃和空间碎片撞击。宁宙尘埃和空间碎片的尺寸接近或超过液体推进剂贮箱的壁厚，质量接近或超过被撞击部分的材料质量时，称之为大尺度宇宙尘埃和空间碎片。大尺度宁宙尘埃和空间碎片撞击液体推进剂贮箱，贮箱将被彻底贯穿，宁宙尘埃和空间碎片几乎不损失动量和能量。

(2)中等尺度宇宙尘埃和空间碎片撞击。宇宙尘埃和空间碎片尺度为液体推进剂贮箱壁厚的10%—20%时，称为中等尺度宇宙尘埃和空间碎片。中等尺度宇宙尘埃和空间碎片撞击液体推进剂贮箱，贮箱将被击穿，宇宙尘埃和空间碎片的大部分能量被推进剂贮箱吸收，并引起强烈的冲击波，导致被撞击贮箱壁背面沿着裂缝扩散。贮箱破裂产生的碎片速度较低，但质量却比宁宙尘埃和空间碎片大得多。空间环境中，中等尺度宁宙尘埃和空间碎片数量远超过大尺度宁宙尘埃和空间碎片，因此，它的撞击危害性更严重。

(3)微尺度宁宙尘埃和空间碎片撞击。微尺度宇宙尘埃和空间碎片撞击液体推进剂贮箱时，贮箱外表面被撞击形成浅凹痕，并逐渐被微宇宙尘埃和空间碎片侵蚀。由于微尺度宇宙尘埃和空间碎片在地球周围浓度较大，航天器在低地球轨道做长时间航行时，微尺度宇宙尘埃和空间碎片的危害性尤为严重，液体推进剂贮箱被微宇宙尘埃和空间碎片破坏的概率为3. 6%/年。

空间碎片预警

载人飞船是典型的低轨道航天器( LEO)，其轨道所处区域空间碎片密度较大，碎片的撞击对飞船运行的可靠性和安全性构成严重威胁。特别是当航天员进行舱外活动时，由于失去了舱壁的保护，碎片撞击的危害会更加严重，甚至直接威胁到航天员的生命安全。因此，通过考虑飞船运行的轨道高度、轨道倾角以及任务的时间节点等预报因子，采用国际上通用的预报模型，计算飞船轨道的空间碎片分布，得到任务期间飞船所处的空间碎片环境；在预报中给出环境评估结果，评估结果对于飞船调姿、变轨具有一定参考作用；同时，在预警软件中以动态图形的方式对飞船所经轨道的空间碎片环境进行预示，直观显示载人航天任务的空间碎片环境预警信息。在任务期间，可实时提供飞船所在位置不同尺度的空间碎片通量，并发布预警信息，以及时规避危险空间碎片。

预警模型

采用Ordem 2000模型对神舟飞船所处的空间碎片环境进行评估。Ordem2000是美国航空航天局根据遥测数据和地面测量数据开发的半经验空间碎片环境工程模型，广泛应用于对运行高度介于200~ 2000km之间的近地轨道区域的航天器空间碎片风险评估。具体来说，Ordem 2000碎片模型为一个有限元模型，将空间及速度离散化，基于已有观测数据再进行偏差修正得出空间碎片通量分布等分布状态。以飞船运行的轨道参数及时间作为Ordem 2000模型的输入，其中轨道参数包括远地点高度、近地点高度和轨道倾角，或是以轨道半长轴、离心率和轨道倾角的形式表示；经过Ordem 2000模型计算得到给定轨道的空间碎片通量分布，对飞船进行空间碎片碰撞风险评估。

预警软件

空间碎片直接威胁载人航天器的飞行安全，尤其对于长期在轨飞行器，空间碎片的保障是空间天气保障的常规性重要内容，而现有的碎片模型不具备提供飞行器与碎片的交会预报等功能。针对载人航天任务空间天气保障需要，设计了专门的空间碎片预警系统软件。通过对模型现有软件进行优化，使之能够实现飞行器与碎片的交会预报功能。软件可根据每天下载更新的飞行器轨道数据，计算未来一天内，每秒钟的飞行器与碎片的相对位置，并评估出飞行器与碎片的最小距离，同时能够给出给碎片的编号，方便进一步的跟踪模拟。软件可设置起始时间、计算步长、计算天数、警戒距离、高度上限和下限，计算飞行器在轨运行过程中与空间碎片的交会状况，包括交会的时间、最小距离和空间物体的名称等。

空间碎片清除

激光能源保障子系统以及激光瞄准和发射子系统构成激光器系统(简称激光站)。激光清除空间碎片方法中，如果将激光器系统部署在地面称为地基清除空间碎片方法；如果将激光器系统部署在外层空间称为天基清除空间碎片方法。

与激光相互作用

高能激光束辐照物质表面，向物质表面注入能量，表面温度急剧上升，表面熔融、汽化、产生等离子体，形成蒸气和等离子体反喷羽流(与入射激光方向相反)，使得靶材物质获得冲量，即获得速度增量(简称烧蚀反喷获得速度增量)。

研究表明，入射激光方向即使偏离表面法线方向，烧蚀反喷羽流方向始终沿着表面法线方向。

地基激光清除

地基激光清除空间碎片是激光站部署在地面，激光束通过大气传输，作用在空间碎片表面，表面烧蚀反喷获得速度增量，降低原来轨道速度，改变碎片轨道近地点高度，当近地点高度低于150km时，碎片很快坠人大气层中，在气动阻力作用下迅速烧毁。

地基激光清除空间碎片，由于具有能源保障方便、系统提供能量高、易于维护和技术可行性强等优点，得到普遍关注。美国、德国和日本等相继开展了地基激光清除空间碎片研究，其中美国NASA的ORION计划最具有代表性。