重新审视轨道碎片：从统计方法到剂量方法

美国 - 艾赫巴里通讯社

重新审视轨道碎片：从统计方法到剂量方法

随着每一颗卫星的发射，人类在太空环境中操作的宝贵见解不断增加。然而，真正的学习源于实践经验；否则，我们就有可能陷入因提出错误问题而产生的实验室偏见。这似乎是太空领域在微流星体和轨道碎片（MMOD）碰撞方面遇到的一个限制。在如何考虑和减轻未来任务的 MMOD 风险方面，一场行业范围内的重大转变即将到来。

如果自然太空环境是均匀且极其危险的，那么它早就暴露了其危险性。像斯普特尼克号这样的早期卫星会被天然的流星体、彗星尾巴和小行星碎片摧毁。相反，我们发现太空相对稳定，这促使我们开发了旨在减轻其极端特性——温度、真空和电荷——的工程规范。自 20 世纪 60 年代以来，根本性的变化是交通量的指数级增长以及数百万块轨道碎片对太空造成的缓慢但持续的“污染”，从而形成了现代 MMOD 环境。

目前，大多数小型卫星（smallsats）不配备专门的碎片防护系统。现有的轨道碎片评估报告（ODAR）分析，加上商业运营商的成功经验以及复制过往成功的自然倾向，已经取得了适度的成果。与广阔的轨道空间相比，卫星显得微不足道，并且在识别出潜在的会合事件时，机载推进系统允许进行规避机动。由于高影响事件和卫星之间的碰撞是可追踪和可见的，因此它们被认为是可控的。这种可见性至关重要，不仅在于“相信”，更在于“了解”，它培养了对担忧频率和各种缓解策略有效性的可靠直觉。

然而，微 MMOD（micro-MMOD）带来了独特的挑战，可能隐藏着行业最大谜团的关键。微 MMOD 指的是直径小于 3 毫米的未追踪颗粒群体。这一类别构成了低地球轨道（LEO）上绝大多数物体（按数量计算）。关键问题出现了：如果我们无法追踪这些粒子，我们该如何准确评估它们的存在和影响？

美国宇航局的长期暴露设施（LDEF），在 1984 年至 1990 年间绕地球运行，正是为了解决这些问题而设计的。其任务是在长时间内将标准材料和子系统暴露于 LEO 环境，然后将它们带回地球进行详细分析由此产生的“伤痕”。研究结果令人震惊：一个复杂、定向、高通量的环境。美国宇航局的总结显示，LDEF 的外部有超过 30,000 次可观测到的 MMOD 撞击。与后部相比，前部的撞击频率大约高出 20 倍，而与朝向地球的一侧相比，前部的撞击频率高出 200 倍。数据显示，在其 5.75 年的任务期间，在约 450 公里的高度，平均每年约有 5,217 次撞击。考虑到 LDEF 约 151.975 平方米的外部面积，这相当于 1990 年代碎片水平下，每平方米每年约 34 次撞击。鉴于目前碎片数量约为 1990 年的三倍，粗略推断，在繁忙的 LEO 中，每平方米每年约有 100 次撞击。

这引发了一个关键问题：现代 ESPA 级卫星是否可能每天经历一次或两次撞击？当提出这种可能性时，星座运营商通常会表示难以置信，但同时又声称 MMOD 并非重要的任务驱动因素，并且他们的要求不超出 ODAR。这提出了一个需要解决的重大悖论。

部分解释在于并非所有撞击都是均等的。虽然超高速撞击视频经常描绘将铝变成纸屑的戏剧性场景，但这代表的是极端情况，而非平均体验。LDEF 的大部分撞击孔都是微小的、小于一毫米的穿孔。MMOD 撞击的表现方式各不相同；有些是灾难性的，类似于电影《地心引力》（2014）中描绘的连锁反应，而许多其他的则是穿透结构、织物或储罐的微穿孔。这些微穿孔可能会产生二次碎片，而不一定会导致卫星立即失效。此外，对这些事件的罕见现场观测导致了对故障的错误归因。有多少卫星因 MMOD 而悄然失效？有多少 MMOD 信号被误认为是质子撞击或其他辐射事件？这种混淆是可以预料的。

这强调了作者反复提出的论点，即视频记录和样品返回任务是进行诚实 MMOD 风险评估的先决条件。视角应转向流行病学家，分析粒子种群和累积暴露，而不是仅仅关注离散的会合事件。“剂量”的概念变得至关重要。这种重新定义将 MMOD 风险定位为类似于 α 和 β 辐射风险——两者都涉及粒子种群，最好避免它们进入敏感系统。如果剂量是正确的视角，那么最佳保护策略就变得清晰：加强对关键、不可替代系统的保护，并集中这些系统以最大化保护效率。

航天工业中持续存在的谜团之一是航天器故障的确切原因。太空环境固有的模糊性意味着无法进行直接检查；我们依赖遥测数据，这些数据通常在几分钟后才从数百公里外接收到。作者认为，在轨故障被持续错误归因。目前被归类为辐射、软件或工艺问题的一部分故障，实际上可能由微 MMOD 及其二次效应引起。无论是工艺缺陷还是 MMOD 撞击，都可能在毫米尺度上微妙地扰乱硬件，导致从地面分析时几乎无法区分的故障。这种错误归因在部署阶段尤其关键，即使是毫米尺度的扰动，无论是来自微 MMOD 还是工艺不足，都可能级联导致一个在遥测数据中无法区分但在结果上是灾难性的故障。

准确的故障归因对于像 Atomic-6 这样的组件制造商至关重要，他们的业务依赖于客户对其产品不会导致任务失败的信心。Atomic-6 认识到每个组件都可能因工艺或不确定性而成为潜在的故障点，因此专注于最大限度地减少其旗舰产品 Light Wing 太阳能阵列的组件数量。这种减少旨在降低此类级联故障的可能性。

二次效应的概念尤其违反直觉。金属航天器不仅在解体时产生碎片，每次受到撞击时都会产生碎片。即使 MMOD 粒子没有穿透金属外壳，由此产生的飞溅和分层也可能产生比原始弹丸更大、更具破坏性的碎片。一些研究表明，这种二次碎裂造成的航天器撞击痕迹比引发它的原始撞击多几个数量级。如果运营商想避免产生碎片，他们可能需要考虑金属基 MMOD 解决方案的替代方案，选择复合材料基解决方案，这种方案可以吸收冲击能量并通过其网格自我保存，而不会弹出硬质微 MMOD 碎片。

一个常见的问题出现了：如果卫星每年遭受数百次撞击，为什么它们不会每周都坠毁？答案可能在于，尽管 MMOD 的平均损害可能不如人们通常认为的那么大，但在某些特定、高能的情况下，其损害可能要严重得多。这种细致的理解需要我们深化思维模型，而不是自满。Atomic-6 正在积极探索这些对标准 MMOD 假设的反直觉挑战，并开发产品来应对这些挑战。

展望未来，产生碎片的事件风险似乎正在加剧。美国国防气象卫星计划（DMSP）的几颗卫星在退役多年后“解体”，其中 16 颗仍在轨道上，其解体时间无法预测。太空冲突动态的发展意味着卫星数量的增加、更激进的机动以及由此产生的更多错误机会。由固体火箭发动机驱动的拦截器概念正在扩散，而交汇和近距离操作（RPO）带来了好处和新的碎片产生失效模式。执行良好的 RPO 可以通过延长机动寿命来减少碎片。而管理不善的方法和接触则可能毁坏卫星。我们正进入一个关键时刻，能力上的巨大飞跃可以解决碎片问题，而较小的增量则可能加剧问题。

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