空间碎片的温度特性分析

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1、第29卷第6期航天器环境工程2012年12月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERlNG645曼曼曼曼曼垒曼曼曼鱼曼曼曼曼曼曼笪曼曼曼量曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼笪曼曼曼曼曼曼曼量量皇曼曼曼曼曼曼空间碎片的温度特性分析王国培，何永强，王群(军械工程学院光学与电子工程系，石家庄050003)摘要：对空间碎片温度特性的分析，是利用红外传感器探测空间碎片的基础，也是研究航天器在轨安全的重要内容。文章对空间碎片接收不同辐射进行全面分析，研究其在轨运行情况，建立热平衡方程，完成对不同时刻其温度变化的计

2、算，并绘制出温度变化曲线。结果表明空间碎片在轨道上不同位置有不同的红外辐射特性。该研究对利用天基空间探测器进行空间碎片的检测、识别，以及航天器的规避有参考意义。关键词：空间碎片；黑体辐射；热平衡；温度特性中图分类号：V520．7：TBll5．2文献标识码：A文章编号：1673—1379(2012)06—0645—05DoI：10．3969／j．issn．1673—1379．2012．06．009自从第一颗人造地球卫星升空以来，人类已经进行了5000多次的航天发射活动，将7000多个人造物体送入太空，其中的大部分在寿命结束后会坠毁在大气层中。目前仍然有3500多个卫星

3、或者空间探测器，以及l800多个火箭报废体存在于太空之中，而其中仅有900多个是正常工作的航天器，其他的都称之为太空垃圾[1‘2】。近些年来，随着空间活动越来越频繁，空间碎片的数量也在呈几何级数增长。根据美国空间监视网(SpaceSurevrillanceNetwork，简称SSN)和天基探测器的统计数据，到2011年，空间中直径大于10cm的碎片数目已经达到16000多个；直径1cm以上的碎片已经超过50万个。这些空间碎片占据了大量的轨道空间，使得可用的轨道资源越来越少。直径10cm以上的碎片与航天器的碰撞可以造成毁灭性的破坏，直径1～10cm的空间碎片也可以造成

4、航天器的严重损毁，威胁着在轨航天器的安全。若要对空间碎片实施红外探测，则首先需要分析其红外辐射特性，而红外辐射特性又与其温度变化息息相关。因此，开展空问碎片温度变化特性的研究是实施空间碎片天基红外探测的重要依据【3。5J。l空间碎片的热分析空间碎片在轨运动时，周期地经过日照区和地球阴影区。在日照区，空间碎片主要受到太阳辐射、地球反射、地球辐射等，其中太阳辐射起主要作用；在地球阴影区，则主要受地球辐射的影响【6。7

5、。空间中也存在着月球辐射与反射、其他星体和宇宙背景的辐射，然而由于这些热辐射到达地球轨道的能量远远小于太阳辐射和地球辐射，凶此其对空间碎片的影响可以忽略。

6、空间碎片在轨道不同位置受到的辐射是不同的，而其温度也随之改变。根据能量守恒定律，空间碎片在同外界进行能量交换的过程中，其吸收外界辐射能量与自：身发射的辐射能量是相等的【4’8】。因此，本文根据空间碎片受到的太阳辐射、地球辐射和反射、空间碎片自身辐射及其温度变化所引起的内能改变，来建立热平衡方程。1．1太阳辐射太阳的辐射对地球的影响最大。根据NASA的数据，太阳半径R。。为6．3638×105km，地球与太阳之问的平均距离为1．49985x108km(1AU)，太阳辐射到达地球大气层外的总辐照度为1353W·rn-2，称之为太阳常数【9J。地球在椭圆形轨道(其偏心率为

7、1／60)上绕着太阳运动，近日点约为1．471X108km，远日点约为1．521X108km，二者相差为0．05x108km。空间碎片(下称“目标”)的轨道半径远远小于月球绕地球运转的轨道半径(3．84x105km)，则更加小于地球收稿日期：2012—04—13；修回日期：2012．12．04作者简介：王国培(1986一)，男，硕士研究生，主要从事智能系统与仪器的研究；E-mail：408586911@163．com。何永强(1966--)，男，副教授，主要从事光电对抗方面的研究。航天器环境工程第29卷近日点与远曰点相差的距离，因此本文将日地平均距离作为目标到太阳的

8、距离[10]。根据目标与太阳、地球的位置关系(图1[6])，得出目标吸收的太阳辐射为q1=口。。E0COS(Bsun刀tar)Si，(1)式中：。[。。为目标对太阳辐射的吸收比，与目标的材料、表面粗糙度有关；岛为太阳常数；栉。un为太阳辐射入射方向在空间的单位法向量；以协为目标面元朝外的单位法向量；cos(／f。un，以协)为太阳辐射的角系数；&为目标面元的面积。淤姗图1太阳、地球、目标的位置关系Fig．1ThepositionalrelationshipoftheSun，theEarthandthetarget1．2地球反射地球是个漫反射体，而且不同地形对太阳