0 引言
地球轨道上的空间碎片数量巨大，按尺寸可以分为大碎片、危险碎片和微小碎片。目前，航天器对于大碎片，往往采用“避”的方法；而对于尺寸小于1 mm的微小碎片，主要采取“抗”的手段，即在航天器表面基于撞击风险评估结果加装“防护屏”。通常做法是：首先利用空间碎片环境模型对微小碎片时空分布规律进行评估，其次，在航天器表面加装防护屏以加强航天器对空间碎片的抵抗能力，从而降低航天器被空间碎片撞击后发生严重事故的概率。
空间碎片环境不是固定不变的，而是随时间和空间不断变化。一方面新空间碎片数量持续增加。另一方面，旧空间碎片轨道衰减甚至进入大气层而消亡。此外，空间碎片分布规律与航天活动轨道利用率密切相关。为防范航天器本体受到空间碎片的损伤，降低航天风险，需要建立空间碎片环境工程模型。空间碎片环境工程模型对微小碎片的时空分布规律进行评估，是航天器风险评估软件的主要输入之一[1]。
建立和修正空间碎片环境工程模型，需要获取微小空间碎片在轨探测数据，而这些数据是检验工程模型的重要数据源。目前，在航天器空间碎片防护设计流程中，我国已经依赖国外数据完成了空间碎片环境工程模型的设计以及航天器空间碎片撞击风险评估工作，并已经实现了载人航天空间碎片防护的工程实践。但是，目前国外已经不再对我国提供探测数据，而我国至今尚未开展空间碎片环境在轨探测项目，缺乏空间碎片在轨探测能力。空间碎片环境模型不仅要对于重点轨道区域具备着重处理的能力，更要具备对模型进行持续更新的能力。这些能力的获得都对空间碎片环境在轨探测数据提出了迫切的要求。而这些能力的缺乏，都将严重影响我国航天器空间碎片防护工程实践能力和处理空间碎片突发事件能力的提升[2]。
本文介绍了近年来微小空间碎片环境探测器的类型、探测方法以及其发展脉络，分析了探测设备及其探测方法的发展趋势；针对当前建立及修正空间碎片环境工程模型所需的微小空间碎片多参数探测的需求，提出了一种结构简单、功耗低且合理可行的新型微小空间碎片多参数探测的方案。
1 天基实时空间碎片环境探测器
空间碎片环境探测的目的是获取空间碎片的参数和轨道根数等信息，其主要的探测手段有地基探测和天基探测。
地基探测主要是利用地面雷达和望远镜直接获取空间碎片信息，适用于尺寸较大的空间碎片。而对于微小空间碎片，只能通过天基探测方式获得。
天基探测可以分为非实时方式和实时方式两种。非实时方式是早期常见的形式，以美国的LDEF项目最具代表性，该方式仅能通过撞击痕迹提取空间碎片信息。目前，实时方式是主要的探测手段，即利用航天器搭载微小空间碎片探测器对空间碎片环境进行实时探测。这种方法可以同时得到微小空间碎片撞击的空间、时间分布信息以及空间碎片尺寸、运行速度、运行方向等多参数信息。
目前，微小空间碎片探测器主要有半导体型、等离子体型、压电型（PVDF）、压电陶瓷（PZT）型和组合型。表1 为典型空间碎片探测器[3]。
表 1 典型空间碎片探测器Table 1 Typical space debirs detector |
| 序号 | 探测器名称 | 类型 | 时间 | 备注 |
| 1 | ODMC | 半导体型 | 1994年 | — |
| 2 | MPID | 半导体型 | 1994年 | — |
| 3 | GORID | 等离子体型 | 1996年 | — |
| 4 | CDA | 压电型 | 1997年 | — |
| 5 | MDC | 等离子体型 | 1998年 | — |
| 6 | SPADUS | 压电型 | 1999年 | 多参数探测 |
| 7 | SDS | 组合型 | 2017年 | 多参数探测 |
| 8 | MDM | 压电陶瓷型 | 2018年 | — |
1.1 半导体型探测器
半导体型探测器工作原理是在高纯度硅（Si）晶片上氧化出一层很薄的二氧化硅（SiO2），再在二氧化硅膜上镀一层铝膜，硅、二氧化硅和铝膜形成一个平板电容器，又称为MOS半导体传感器。当探测器工作时，由外部电路给电容器提供偏置电压。当空间碎片与探测器发生碰撞击穿铝膜和二氧化硅膜时，电容会放电产生电流，在外部电路中产生一个电信号，通过分析电信号可以得到微小空间碎片的信息。国外曾经发射过ODMC、MPID等多个半导体型传感器用于探测。我国也研制过MOS传感器，但未能进行在轨飞行试验。半导体型探测器结构简单，性能比较稳定，搭载方便，但抗辐照能力差，且缺乏多参数探测的能力。
1.2 等离子型探测器
等离子体型探测器的基本原理是当微小空间碎片与探测器的纯金靶心发生撞击时，巨大动能产生等离子体云，通过对等离子体的测量，可以获得空间碎片的质量、速度和成分等信息。欧洲航天局（European Space Agency, ESA）分别在多颗航天器上搭载过等离子型探测器用于探测。1998年，日本也发射过MDC探测器，此类探测器的优势是测量精度高，而且可以分析粒子的化学成分，但探测的面积有限，探测角度较小，且结构复杂。
1.3 压电型（PVPF）探测器
PVDF薄膜探测器是目前常用的压电型探测器，其原理是利用PVDF薄膜的压电效应，当微小空间碎片高速撞击PVDF薄膜时，会产生一个不可逆的弹坑，同时在薄膜的两个电极上产生电荷信号，测量该电荷信号，即可以实现对微小空间碎片速度和质量等信息的探测。
PVDF探测器比较成熟，分别在阿尔戈斯（Argos）、卡西尼（Cassini）等多颗航天器上进行了搭载试验，具有生产简便、输出脉冲窄、响应时间短、温度性能稳定、抗辐照能力强等优点，很适合进行微小空间碎片的探测[4]。
1.4 压电陶瓷型探测器
压电陶瓷（PZT）型探测器是一种利用陶瓷材料良好的压电效应来测量空间碎片撞击能量和通量的探测设备，具有动态测量范围大、结构简单和成本低的优点。日本、欧洲联合研制的水星探测器上曾有搭载过该种探测器。
1.5 组合型探测器
组合型探测器是将不同的探测方法进行组合，可以提高对微小空间碎片的速度、质量、成分和通量等参数的探测精度，具备多参数探测的能力，是符合当代获取空间碎片信息要求的探测设备。
ESA研制的DEBIE探测器的探头分别采用了压电陶瓷传感器和等离子体传感器，每个单元的有效探测面积为100 mm×100 mm，在低轨可以探测到20 km/s的微流星体和10 km/s的空间碎片。探测单元利用两种传感器均可测量微小空间碎片撞击产生的等离子体、碎片动量和薄铝箔击穿的情况。
2009年初，日本IHI株式会社的北泽幸人[5]申请了一个新型的空间碎片探测设备的发明专利。该新型探测器采用一种铺设在绝缘体薄膜上的导线阵列——电阻格栅来获取微小碎片的信息。NASA基于上述专利的思想，研制了新型的微小空间碎片探测器DRAGONS。
2 探测方法
2.1 空间碎片粒径大小的探测
目前，空间碎片粒径大小的探测方法有PVDF薄膜的去极化效应和电阻格栅探测。
采用PVDF薄膜作为探头的物理原理是测量碎片撞击PVDF薄膜时产生的电荷信号[8]。当一片高速空间碎片撞击到PVDF薄膜探头表面时，将在表面产生一个撞击孔，这个撞击孔面积内的PVDF材料被撞击时将产生去极化效应。去极化时间（纳秒级）要远远小于PVDF薄膜的压电响应时间。因此，PVDF薄膜被撞击时，除了压电效应产生电信号以外，还将产生一个高电流脉冲信号。去极化效应产生的电荷量与PVDF的极化强度和弹孔面积有关，其电荷计算公式可近似表示为$ \Delta Q{\text{ = }}PA $ ，其中$ P $ 为PVDF薄膜的极化强度，一般取为4~6 μC/cm2；$ A $ 为穿孔面积，cm2。
电阻格栅测量方法，根据北泽幸人的专利，在薄膜上铺设电阻丝格栅，电阻丝宽度为50 μm，两根电阻丝间距为50 μm，构成电阻格栅探测器。当空间碎片撞击到薄膜时，将击穿薄膜，并切断一根或者数根电阻丝，通过电阻格栅电阻的增加量，得到被切断电阻丝的根数，从而估算出撞击碎片的粒径大小。
2.2 空间碎片撞击位置及速度的测量
空间碎片与探测器发生撞击的位置的测量直接关系到碎片速度、方向等参数的探测，其探测方法主要为声发射测量。声发射现象是指材料的局部因为能量的迅速释放而产生弹性波的现象，声发射的技术是近些年提出的一种无损检测的方法[9]。
当空间碎片撞击薄膜或者背板时，会在薄膜或者背板中产生弹性波。声发射传感器探测到弹性波，会产生微弱电压信号，通过判断声发射传感器输出的电压信号，可以判断是否发生碎片撞击及撞击的时间。通过声发射进行定位的方法主要有一维源定位、任意三角形定位、四边形定位以及多传感器定位等。
如图1 所示，碎片撞击位置可根据声发射传感器接收声波的时刻来确定。薄膜和背板上均粘贴4只声波传感器，每一层中需要使用三只传感器来定位，另外一只未备份。
假设薄膜撞击位置使用1、2、3号传感器来定位，接收时刻分别记为$ {t_1} $ 、$ {t_2} $ 、$ {t_3} $ 。三只传感器位置分别表示为$ A\left( {{x_1},{y_1}} \right) $ 、$ B\left( {{x_2},{y_2}} \right) $ 和$ C\left( {{x_3},{y_3}} \right) $ ，同步接收撞击点$ T\left( {{x_n},{y_n}} \right) $ 发出的弹性波，可以计算出时间差$ {t_{12}} = \left| {{t_1} - {t_2}} \right| $ , $ {t_{13}} = \left| {{t_1} - {t_3}} \right| $ 。由时间差乘以声波的传播速度$ {v_2} $ ，可以得到距离差$ {d_{AB}} $ 和$ {d_{AC}} $ ，即：
联立式（1）和式（2），可以求解碎片撞击电阻格栅薄膜的坐标$ \left( {{x_n},{y_n}} \right) $ 。同理，也可以确定碎片撞击金属背板的坐标$ \left( {{x_m},{y_m}} \right) $ 。
已知碎片撞击薄膜和背板的位置，可以利用三角关系求出碎片飞行方向，获得碎片飞行方向与电阻格栅薄膜的撞击角度$ \theta $ ：
式中，$ h $ 为薄膜距离背板的距离。
碎片速度可以根据碎片到达薄膜、背板的时刻以及碎片飞行距离来计算。由于碎片速度大于或等于声波传播速度，因此需要计算声发射传感器感应碎片撞击的延时时间。设薄膜和背板上的声发射传感器分布测得的碎片到达时刻分别为$ {t_0} $ 、$ {t_1} $ ，碎片的撞击在薄膜层以及金属层产生的弹性波波速经测量分别为$ {v_1} $ 、$ {v_2} $ ，薄膜和背板上的声发射传感器位置坐标分别为$ \left( {{x_0},{y_0}} \right) $ 和$ \left( {{x_1},{y_1}} \right) $ ，击穿点的位置分别为$ \left( {{x_m},{y_m}} \right) $ 和$ \left( {{x_n},{y_n}} \right) $ 。击穿点与测时用传感器距离$ \Delta {l_1} $ 、$ \Delta {l_2} $ $ \mathrm{分}\mathrm{别}\mathrm{为} $ ：
碎片发生撞击后弹性波在薄膜和金属层的传播时间$ \Delta {t_1} $ 、$ \Delta {t_2} $ 分别为：
碎片到达薄膜和金属层的真正时刻$ {t_m} $ 、$ {t_n} $ 分别为：
由此可知，空间碎片的速度$ c $ 可以根据碎片到达薄膜和背板的时刻以及碎片飞行距离来计算：
3 国外空间碎片多参数探测方案
目前，国外具备飞行经验的多参数探测器主要有SPADUS和DRAGONS。
SPADUS探测器是一个早期的多参数探测器，采用双层平行阵列结构，每层由16个PVDF薄膜组成。当微小空间碎片高速撞击在双层PVDF薄膜时，探测器会产生电荷信号。通过信号处理即可得到微小空间碎片的速度、方向等信息。但由于条件的限制，这种探测方法获取的数据误差较大，而且对于空间碎片粒径大小的探测不尽如人意。
以美国DRAGONS探测器为例，其结构示意图如图2 所示。探测器主体分为三层探测单元，分别为两层间距15 cm的薄膜和一块背板。薄膜和背板上均粘贴多个噪声传感器。通过探测器综合处理薄膜和背板探测到的撞击时刻、撞击位置等数据，可以得到空间碎片的粒径大小、速度、方向等数据。但该探测器也存在体积过大的缺陷。
DRAGONS探测器[12]于2017年安装在国际空间站上运行 ，成功获取了探测数据，但由于遥测设备故障，试验中止。
4 新型空间碎片多参数探测方案
本文提出了一种新型空间碎片多参数探测方案，如图3 所示，微小空间碎片环境在轨探测单元由两层探测组件构成：第一层为电阻格栅薄膜，尺寸不小于150 mm×150 mm；第二层为背板。电阻格栅薄膜层由基底和薄膜电阻构成，当空间碎片击穿电阻格栅薄膜时，将会导致一根或数根电阻细丝被同时击断，从而导致电阻值发生变化。利用电阻测量电路对电阻变化情况进行采样分析，可以获得高精度的电阻变化测量，误差不大于10%，从而实现对于空间碎片的尺寸大小的测量。测量范围为亚毫米级，满足对于微小空间碎片探测的要求。
空间碎片击中薄膜和背板时，都将产生弹性波在其中传播。在电阻格栅薄膜和背板上均粘贴4个压电型声发射传感器，当声发射传感器探测到弹性波，会产生微弱的电压信号，通过分析声发射传感器输出的电压信号，可以判断是否发生空间碎片撞击事件及撞击发生的时间，并利用声发射检测方法以厘米级精度确定空间碎片的撞击位置。
综合两层探测单元测量出的撞击位置数据，可以获得空间碎片撞击角度。利用两层单元撞击时间的不同，结合两层单元的间距，可以获得空间碎片飞行速度，从而实现多参数的探测目的。同时，根据已获得空间碎片参数，还可以估算空间碎片的动能、质量、密度等参数。
模拟地面试验针对探测器的探测特点，由地面设备发射微小粒子撞击探测单元，综合测试探测单元对撞击粒子的粒径大小进行探测，同时可以对粒子的撞击位置进行测量，测量误差满足设计需求，如图4 所示。试验结果满足对于测试目标的期望，证明探测器可以用于微小碎片的探测要求。
采用这类新型探测设备可以有效地进行微小空间碎片的多参数空间探测，满足目前对于空间碎片多参数探测的要求，而且该型探测器属于被动探测，具备功耗低、结构简单、精度高的优点。同时，探测器还可以根据搭载平台的实际情况，通过拼装，成倍地增大探测面积，提高探测效率。
5 结论
结合国内目前技术发展现状，采用电阻格栅探测手段可以满足空间碎片粒径大小探测的需求。联合使用声传导定位技术的新型探测设备，能够实现对于空间碎片速度大小、飞行方向等多参数的探测目的，该方法具有结构简单、功耗低、精度高、易于安装、搭载手段灵活的优点。
根据目前空间碎片环境在轨探测器的发展现状，合理采用组合型的探测手段，可以实现微小空间碎片的大小、速度、方向等多参数探测。地面试验结果表明，探测单元可以对撞击粒子的粒径大小进行探测，同时撞击位置的测量也满足探测器对于撞击方向探测的要求。可以认为，目前微小空间碎片探测器的设计方案可以实现对空间碎片的多参数探测，是建立及修正空间碎片工程模型，提供在轨探测数据的有效手段。