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1、第22卷第6期第四纪研究Vol.22,No.62002年11月QUATERNARYSCIENCESNovember,20023空间碎片与空间环境①①②③④李春来欧阳自远都亨(①中国科学院国家天文台,北京100012;②中国科学院地球化学研究所,贵阳550002;③中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵阳550002;④中国科学院空间科学与应用研究中心,北京100080)摘要空间碎片起源于人类的航天活动,目前空间碎片的空间密度已经对航天器的安全造成威胁,且其数量仍在高速增长,已成为一个引人瞩目的环境问题,航天器受空间碎片撞击的事件时有发
2、生。大空间碎片的撞击会使航天器姿态和轨道发生改变,更严重的是会导致航天器破损甚至完全解体;小空间碎片的撞击会使航天器表面性能改变,部分器件损伤或失效,使航天器丧失功能。目前地基设备只能对厘米级及更大的碎片进行观测、跟踪和编目,航天器可以根据空间碎片的轨道参数进行规避和机动飞行,以避免撞毁;小空间碎片(<1cm)数量众多,但无法进行轨道测量,只能通过天基直接探测和样品回收获得数据,数值建模和超高速撞击模拟实验是进行小空间碎片风险评估和撞击效应研究的有效方法。对小空间碎片只能采取被动防护的方法,在航天器总体设计、防护结构和材料方面着手,降低空间碎片的威胁
3、。改善空间环境,减少空间碎片的最根本方法是对航天器采取钝化措施,减少空间碎片的产生,理论上还可以采取措施,清扫、清除或回收空间碎片。主题词空间碎片宇宙尘空间环境撞击航天器空间碎片指分布在人造地球卫星利用的环绕地球轨道上(通常为距地面100～40000km高度的空间内)并已丧失功能的空间物体。在性质上,空间碎片可分为自然成因的宇宙尘(或称微流星体,或微陨石)和人为空间碎片。宇宙尘是起源于星际和行星际空间的微细粒尘埃物质,它具有较稳定的粒度(通常小于1mm)、通量和速度分布(11.2～[1]72.8kmPs),因而实际上构成了空间碎片的背景通量。目前,在
4、典型的卫星轨道空间,中[2]等尺度的空间碎片中,宇宙尘的通量比人为碎片低两个数量级。人为空间碎片指人类在太阳系空间,尤其是地球外层空间的太空探索活动产生、遗弃的碎片和颗粒物质,也称为太空垃圾,主要由报废的空间装置、失效的载荷、火箭残骸、绝热防护材料、分离装置等,及其因碰撞、风化产生的碎屑物质组成。从航天器角度看,任何可能与它发生碰撞,对它[2]1)造成危害的物体都应该被视为空间碎片。空间碎片对航天器有着重大的危害性,甚至会危及到在航天器(空间站)外工作的宇航员的生命安全。碎片物质的撞击是航天器机械损伤和损毁的主要原因,也是影响航天器寿命的主要因素之一
5、。然而,随着人类空间活动的开展,空间碎片也随之产生,并越来3第一作者简介:李春来男37岁研究员天体化学专业E2mail:licl@bao.ac.cn国家自然科学基金(批准号:49773204和49973025)资助项目和中国科学院知识创新工程项目(批准号:KZCX2-115)2002-07-29收稿,2002-09-04收修改稿1)国防科学技术工业委员会.空间碎片行动计划.2000©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.c
6、nki.net6期李春来等:空间碎片与空间环境541越成为影响空间活动的令人关注的空间环境问题。20世纪50年代以来的40多年中,全球进行的空间发射已经超过了4000次,送入空间的物体超过26000个,其中大约仍有1P3遗留在空间沿轨道飞行。目前可在地面观测并测定其轨道的大空间物体超过8000个,但其中只有6%是仍在工作的航天器,其余为空间碎片。小尺度空间碎片的数量比可测空间物体的数量要多得多,大于1cm的空间碎片数量已超过了11万个,大于1mm的空间碎[2]1)片超过了3500万个,空间碎片的总质量已经超过450万公斤。令人担忧的是,空间碎片的数量
7、仍在以很高的速度增长,太空环境还在日益恶化,有人甚至认为现在已进入“后太空时代”,并预言如果这种状况得不到改善,太空环境将进一步恶化,空间碎片会在地球外层空间形成一个碎屑层,阻止人类进入太空,人类的太空探索和研究将不得不停止,人类将永远被禁锢在地球“摇篮”中。1空间碎片的研究历史、现状与发展趋势早在1963年讨论Westford铜针通讯实验时,人造物体对空间活动可能产生的影响就被提出来了。1966和1970年执行”Apollo计划”和”Skylab计划”时,美国航空航天局(NASA)考虑了空间碎片可能产生的影响。70年代中期,朗利(Langley)研
8、究中心注意到在空间发生的爆炸使空间碎片的数量急剧上升,实际的数目是编目数的2.5倍。70年代末,约翰逊空间中
