第1章 绪 论 H.Klinkrad 我们似乎生活在危险的时刻,在空间飘荡;没有人知道我们什么时候开始,或者已经在这场竞赛中走了多远。 --本杰明·富兰克林 1.1 空间碎片研究历史 1961年6月29日,美国搭载着子午仪-4A卫星的雷神火箭从肯尼迪航天中心发射升空。该卫星部署在881~998km高度之间的轨道,轨道倾角为66.8. 。美国空军第一空间控制中队对子午仪-4A卫星进行编目,它是1957年10月4日第一颗人造卫星(Sputnik-1)发射之后的第116个空间目标。6月29日06∶08∶10,在子午仪-4A和另外两个有效载荷分离入轨后的第77分钟,雷神火箭的上面级发生了爆炸,净质量为625kg的箭体分解为至少298块可跟踪碎片,其中近200块40年后仍然在轨运行。这是历史上第一次在轨解体事件,它使可观测人造空间目标的数量增加了近3.5倍(Portree和Loftus,1993)。从此,空间碎片开始占可观测空间目标的大多数,在轨解体事件是其最大的来源。 “空间碎片”(space debris)和“轨道碎片”(orbital debris)经常作为同义词使用,机构间空间碎片协调委员会(IADC)对它的定义是: “空间碎片是指所有在轨运行或再入大气层的无法继续工作的人造物体(anon, 2002a). ”根据该定义,在雷神火箭发生爆炸之前已经有近46.5%的编目目标是空间碎片,例如完成任务的火箭上面级和任务过程中释放的碎片(不包含失效的卫星). 随着人类航天活动的增加,空间碎片环境日益恶化。1964年8月第一颗地球静止轨道人造卫星辛柯姆3号发射入轨。从那时起,在地球静止轨道(GEO)附近部署了超过800个空间目标。在辛柯姆3号发射入轨14年之后即1978年6月,地球静止轨道区域发生了第一次航天器解体事件。1979年鲁伯斯·佩里克发表了“空间活动与外层空间”论文,首次提出空间碎片减缓措施,包括地球静止轨道航天器在任务结束后变轨到更高的“坟墓轨道”等(Portree和Loftus, 1993)。这些措施在今天仍然很有意义。 低地轨道(LEO)区域是航天技术的主要试验区。1965年10月低地轨道区域第一次发生人为航天器解体事件,宇宙-50侦察卫星在任务失败后被引爆。1968年10月,宇宙-249作为第一个反卫星武器(ASAT),在与宇宙-248交会过程中利用自爆产生的碎片击毁了目标卫星。一些分析人士认为20世纪70年代空间碎片数目的激增是由于一系列类似的反卫星试验造成的。但是依据约翰·加伯德设计的新的分析方法,以及唐纳德·凯斯勒基于北美防空司令部(NORAD)空间目标编目数据的分析,表明1975年5月到1981年1月9个德尔塔火箭二级的爆炸是空间碎片数目增加的主要原因,截至1981年这些爆炸产生的碎片占空间目标总编目数的27%(Portree和Loftus, 1993)。火箭制造商在找到爆炸原因后对火箭进行了改进,此后再没有发生过德尔塔火箭二级爆炸事件。这可以看作空间碎片减缓措施的第一次有效实施。 1977年唐纳德·凯斯勒和伯顿·考尔帕拉斯预言人造轨道碎片将很快超过自然微流星体成为低地轨道区域航天器碰撞风险的主要来源。一年以后,两人发表了论文《人造卫星的碰撞频率: 碎片带的产生》。他们断言在几十年内在轨碰撞将成为新的空间碎片的主要来源(Portree和Loftus, 1993). 1990年唐纳德·凯斯勒在论文《链式碰撞: LEO航天器数量的极限》中对该问题进行了进一步的研究,当某一轨道高度的空间碎片密度达到一个临界值时,碎片之间的链式碰撞过程将会造成轨道资源的永久破坏(后来称之为“凯斯勒综合症”)。这样的链式碰撞过程,一旦产生高级阶段将无法停止,最终会造成相应高度的碎片壳,对航天器安全造成长期威胁。该论文发表七年后的1996年7月,发生了第一次编目目标碰撞事件,塞赖斯卫星的重力梯度稳定杆被阿丽亚娜火箭上面级于1986年11月爆炸产生的一块碎片击断。 1971年礼炮1号(Salyut-1)空间站进行了首次任务,为人类在空间长期生存铺平了道路。1973年礼炮2号和天空实验室(Skylab)发射入轨以后至少有一个空间站在轨运行。这些早期的空间站都是一定时期(几个月)内有人照料的。1989年礼炮7号与和平号空间站(MIR)投入运行,人类开始在空间不间断生存。1981年美国哥伦比亚号(Columbia)航天飞机发射,尽管每次任务时间不超过17天,美国航天飞机计划也为人类在太空活动提供了场所。1998年年底,国际空间站(ISS)的第一个模块发射入轨并在轨组装。自2001年年底开始国际空间站内一直有航天员。在国际空间站和航天飞机的设计和运行中,空间碎片都是非常重要的因素。国际空间站的乘员舱具有加固的防护层,可以防护1cm以下的空间碎片和微流星体的撞击。该防护层的设计基于1947年佛雷德·惠普尔提出的多层设计原理。20世纪80年代早期,这种防护层在实验室经过超高速撞击测试,所使用的高性能加速器可以将1cm大的物体加速到轨道速度,撞击释放的能量相当于一枚手榴弹爆炸的能量。 1986年1月挑战者号航天飞机发生事故之后,航天飞机建立了一套飞行规则,形成了对可跟踪空间目标进行碰撞预警的程序,现在的国际空间站也有类似的程序。平均来讲航天飞机每3个月、国际空间站每1年就要进行一次碰撞规避机动。 空间碎片在概念上还包括被地球大气层捕获的再入空间目标。所有编目空间目标的66%已经陨落,其中大多数在再入大气层时由于气动加热被焚烧。但有少数目标会对人类构成威胁,如有的到达地面时尚未烧尽就撞击地面,有的在再入过程中释放危险物质。历史上第一次危险再入目标属于后一类。1964年4月,子午仪 5BN-3卫星发射失败后在印度洋上空再入,有1kg钚从其核辅助动力系统(SNAP-9A)中泄漏到大气层内。1978年1月,装备了核反应堆的宇宙-954卫星在发射3个月之后于加拿大上空无控再入,反应堆的碎片和30kg放射性铀分散到1000km长的区域内。这次事故导致了1972年联合国通过的《责任公约》的首次使用,加拿大得到了600万美元的赔偿。这次事件也促使联合国开始起草《联合国关于在空间使用核能的原则》(anon., 2002b). 1983年1月同样装备核反应堆的宇宙-1402卫星在南大西洋上空再入大气层,没有对环境造成破坏。从那时起再没有出现具有核材料的危险再入目标,然而却又有了由于质量太大所产生的碎片对地球上居民造成危险的再入目标。例如天空实验室,质量为74t, 1979年7月在印度洋和澳大利亚上空再入;礼炮7号空间站,质量为40t, 1991年2月在南美洲上空再入。 以上对空间碎片研究历史的简单回顾涉及各种技术方面的问题及其解决方法,也分析了空间碎片来源以及它们对空间碎片环境的长期影响。20世纪70年代只有少数的科学家和工程师意识到空间碎片问题,通过他们长期坚持不懈的努力,如今该问题已经得到科学界的普遍重视。作者希望通过对他们工作的总结来激发读者的兴趣,以学习更多关于空间碎片的理论知识。 1.2 本书阅读指南 本书以下各章基本上自成体系,每章有独立的参考文献以及公式、图表、注释的编号体系。全书或部分章节共有的内容编为附录、符号表、缩略语表,最后是全书索引。 刚涉足空间碎片领域的读者应当按顺序阅读第2~6章,该部分内容主要介绍了基于观测数据的当前空间碎片特性、不同来源的空间碎片如何建模、将来如何发展变化、减缓措施对其有哪些积极的影响。其间可随时参考阅读附录A~C,主要包括轨道力学基础知识、地球大气基本信息以及引力势。第7~9章按照一定的逻辑关系排列,但也可以按任意顺序单独学习。这部分内容主要从在轨防护、碰撞预警和再入风险管理的角度介绍了空间碎片风险评估和风险防范方面的知识。附录D给出了地球人口分布的模型与数据,可以作为风险问题的参考。第10章总结了全书的技术问题,并简单介绍了自然微流星体碰撞问题,及其对航天器和地球上居民的威胁。最后,第11章在国际层次讨论了空间碎片研究以及空间政策和标准问题。 参考文献anon.2002a. IADC Space Debris Mitigation Guidelines. issue 1, rev. 1. anon.2002b. United Nations Treaties and Principles on Outer Space. United Nations publications, Vienna, Austria. Portree, D. and Loftus, J.1993. Orbital Debris and Near-Earth Environmental Management: A Chronology. Technical Report 1320, NASA Reference Publication. 第2章 当前空间碎片环境及其来源H.Klinkrad 2.1 发射历史及其对轨道环境的影响 空间碎片环境包含大量人造物体,它像一面镜子,反映了从1957年10月4日前苏联发射第一颗人造地球卫星以来人类近半个世纪的太空活动。这些被送入太空的物体是多次发射活动的结果,包括: 部署的载荷、将载荷送入轨道的火箭上面级,以及任务相关物体(如: 发射适配器、镜头盖、消旋装置等)。而更多的物体是人类无意带入太空的,例如: 宇航员出舱活动时不小心掉落的螺丝刀或者保护手套、固体火箭发动机燃烧过程中排放的熔渣、俄罗斯侦察卫星上释放的冷却液,以及由于卫星或火箭上面级表面破裂和微粒子撞击所形成的分解产物等。然而,空间碎片最主要的来源,是航天器或者火箭各级的在轨爆炸,在发射20年之后仍可能发生此类爆炸。 为了解人造物体所形成的地球轨道环境,建立一个公共基准点是十分必要的,这个基准点首先给出大尺寸目标准确定性的综合信息。大尺寸目标是可观测的,而且有轨道、来源(与某一发射事件相关)和目标特征等信息。目前最全面的空间目标数据是美国航空航天局(NASA)的卫星情况报告(SSR),以及与之配套的美国战略司令部(USSTRATCOM)的“两行轨道根数”(TLE) 数据。两者都依据美国空间监视网(SSN)的观测数据和轨道测量结果生成。由于美国空间监视网的雷达和望远镜的观测能力有限,低轨(LEO)范围内可观测和编目的空间目标的最小尺寸极限为10cm左右,地球静止轨道(GEO)上则为1m左右。 从1957年到2002年1月,人类共进行了4191次发射,释放了17050件载荷、箭体,以及任务相关物体,在地球轨道上形成了27044个可观测跟踪的空间目标。在27044个编目目标中, 18051个目标已坠入大气层烧毁,而剩下的在轨编目空间目标为8993个。图2.1显示了不同来源的在轨空间目标数量变化情况。1962年以前,空间目标呈近线性增长,增长率为每年260个。而编目总数在同时期内的增长速度为每年710个。线性增长率每隔11年会调整一次,因为太阳11年活动周期对大气密度有影响,而大气密度决定空间物体的离轨速度。1990/1991年以前,苏联是主要的发射国家,其发射量峰值曾达到全球发射量的80%,苏联解体后,发射活动锐减。这使得1965至1990年基本稳定在110±10左右的全球每年发射量降低到以前50%的水平。而从2001/2002年开始,全球发射量基本保持在每年60次。发射活动的减少、太阳活动的峰值,以及飞行后钝化措施所降低的在轨航天器爆炸率,使得空间目标在轨编目的数目从1994年起长期保持在9000个左右。图2.2显示了发射活动历年来的变化情况,以及不同国家发射活动量的分布。表2.1列出了至2002年1月份更详细的8993个在轨编目目标的发射者。在编目目标中,31.8%是载荷(其中约6%是工作卫星)、17.6%是耗尽燃料的火箭上面级或推进发动机、10.5%是任务相关物体,剩下约39.9%主要是由解体事件而产生的碎片(上面级解体产生28.4%,卫星解体事件产生11.5%)。按轨道范围划分,69.2%的编目目标位于LEO(轨道高度大约在2000km以下), 9.3%在GEO附近,9.7%在大椭圆轨道上(包括地球同步转移轨道), 3.9%位于中地轨道(在LEO和GEO之间),还有大约7.8%在GEO以外。最后有一小部分,约150个目标被发射到了地球逃逸轨道。 图2.1 可跟踪编目在轨空间目标的数量及其来源分布随时间的变化 图2.2 不同国家年发射量分布的历史变化(2003年数据不完整) 表2.1 2002年1月空间目标的分布 来源/组织在 轨 目 标陨 落 目 标载荷碎片总数载荷碎片总数阿根廷404202澳大利亚707202巴西10010000加拿大17118123智利101000中国3331735028227255捷克斯洛伐克404101丹麦101000埃及202000欧洲气象卫星组织336000欧空局332813145541546欧洲航天研究组织(ESRO)000707欧洲卫星通信有限公司16016000法国34185285967续表来源/组织在 轨 目 标陨 落 目 标载荷碎片总数载荷碎片总数法国/德国202000德国2012110010中国香港303000印度2172881018印度尼西亚10010101国际海事卫星组织909000国际空间站(ISS) 40401010国际通信卫星机构56056202以色列303336意大利12214707日本734812114103117朝鲜718000卢森堡12012000马来西亚303000墨西哥606000摩洛哥101000北约808000荷兰000101挪威303000巴基斯坦101101菲律宾202000葡萄牙101000沙特阿拉伯909000新加坡101000南非101000西班牙606000瑞典10010000中国台湾101000续表来源/组织在 轨 目 标陨 落 目 标载荷碎片总数载荷碎片总数泰国40400 0土耳其303000阿联酋101000英联邦231249110美国10072905391271839404658苏联1119203631551690975011440俄罗斯联邦246519765161726887每列总量28536140899326791537218051总量27044 注: 载荷=工作+失效的航天器,碎片=火箭箭体+任务相关目标+空间碎片图2.3 1997年在轨空间目标的全球分布(来源: ESA)图2.3从GEO轨道外以全球视场展示了编目目标的轨道分布。这是一张计算机生成的图片,展示了1997年美国空间司令部(USSPACECOM)所有编目目标的瞬时位置。这幅图上,GEO区域与众不同的分布标志极为清晰。轨道附近的空间目标,位置接近地球赤道平面,轨道倾角i≈0. ,偏心率e≈0.0,轨道高度H≈35876km,与地球自转同步,轨道周期约为一个恒星日(23h56m04.09s). GEO卫星可以用于通信、广播和气象,具有巨大的商业价值。因此,每年发射到GEO的物体数目平均约30个(其中25个是载荷, 5个是火箭上面级),如图2.5所示,这种发射状态并未受到1990年国际政治格局剧变的影响。与LEO相比, GEO没有可使空间目标离轨的能量耗散影响。因此, GEO上的编目目标以每年30个的速度稳定增加。图2.4展现了GEO轨道区域和高于GEO轨道(主要在超GEO轨道,即“坟墓轨道”)上可跟踪目标的历史变化。早在2002年,GEO环形轨道上就有485个载荷(包括工作和失效的载荷),还有108个火箭箭体和推进发动机,另有155个载荷和60个箭体位于超GEO轨道上。 图2.4 GEO和超GEO轨道上可跟踪空间目标的增长率及载荷和火箭上面级的分布 图2.5 GEO轨道的年发射总量及载荷和火箭上面级的分布 在后面的章节中会介绍,解体过程(包括爆炸和碰撞)被认为是未来空间碎片环境恶化的主要原因。大型在轨物体(主要是火箭上面级和航天器)的质量和横截面积是决定解体事件严重性和频繁程度的主要因素。图2.6展示了在轨物体总质量的增长变化图,从20世纪60年代以来,在轨物体的总质量一直呈增加趋势,年平均增长率最高达到了每年150t,平均每年110t, 到2002年为止,在轨物体总质量达到5100t。图2.8以相同的时间段为轴,展示了在轨物体总横截面积的变化情况。总横截面积在过去十年里以不断变大的增长率在增加,已达到42000m2,年增长率最大时达到每年3600m2。产生这种增长效应的主要原因是每年发射量和入轨横截面积(图2.9)的稳定增长。就像图2.7中展示质量的变化一样,苏联/俄罗斯入轨物体的减少量大于美国的增加量。 图2.6 在轨空间目标总质量的时间变化图 图2.7 在轨空间目标年总发射质量及不同发射国家、地区和部门的分布变化图 图2.8 在轨空间目标总横截面积的时间增长情况 图2.9 在轨空间目标年发射总横截面积及不同发射者的分布变化图 航天飞机净重78t,平均横截面积83m2, LEO运载能力24.4t,因此它高达110次的发射严重影响了发射总质量和总横截面积的变化。进一步讲,几种可扩展的发射系统也可在LEO轨道部署约20t的载荷(德尔塔IV: 25.8t;大力神 IV-B: 21.7t;质子M: 21t;宇宙神V500:20t;阿丽亚娜5号: 18t)。航天器的发射容量和发射频率均是本书重点讨论的问题。到2002年,联盟号运载器已经发射了1099次,宇宙号发射了422次,闪电号发射了301次,宇宙神系列发射了286次,德尔塔发射了280次,质子号发射了269次,旋风号发射了248次,大力神发射了199次,东方号发射了149次,还有147次发射属于不同型号的阿丽亚娜火箭。这些火箭的上面级的典型横截面积为15~30m2,而LEO任务的空重,天顶号火箭可以达到9.0t,长征-2F为5.5t,旋风号为4.8t,质子号为4.1t,大力神和德尔塔同为2.8t,经常用于发射的联盟号和闪电系列均为2.3t. 2002年,在轨质量和横截面积的分布集中在科学、商业和国防领域。45%的总质量分布在LEO区域, 28.8%分布在GEO附近,6.4%分布在MEO区域,8.7%在GTO和HEO区域,还有11.1%位于GEO轨道外部。而对横截面积而言,分布却是相反的,40.9%集中在GEO附近,34.8%在LEO区域。产生此分布特性的主要原因是,GEO卫星有较大的附加部件(太阳能电池板和大型天线),使得质量面积比较小,而LEO航天器为减小大气阻力,设计比较紧凑,质量面积比较大。 由于LEO轨道上大气阻力的影响,以及日月引力对大椭圆轨道的影响(多数情况下与大气阻力一起作用),使得发射入轨的大部分编目目标坠入大气层,小部分通过人为降轨机动,或可控再入方式进行回收。自1957年至2002年,已编目的27044个空间目标中,18051个已陨落或者再入回地面(66.7%),即27050t(84%)空间目标再入至大气层以内,横截面积是85000m2(67%), 离轨原因或是自然力,或是人为降轨操作。这相当于过去几十年里平均每年在轨质量减少800t,总横截面积减少2100m2. 迄今为止,可跟踪在轨空间目标的分布只是很宽泛地依据其轨道范围进行简单划分(主要是LEO、MEO、GEO、GTO/HEO轨道)。更细致的分析必须考虑目标数量与轨道要素的关系。这种关系需确定以往空间活动所经常使用的轨道高度、倾角、偏心率。所得到的轨道簇将形成空间碎片分类的基础,这些内容将在接下来的章节中进行讨论。 图2.13展示了2003年在轨编目目标在偏心率上的分布情况。可跟踪空间目标的轨道主要是近圆轨道,偏心率e≤0.01(54.5%),其次是0.01<e≤0.1(32.0%)。另一个重点是大椭圆轨道,偏心率范围0.6<e≤0.8(8.0%),其中GEO转移轨道偏心率比较典型,为0.73。闪电轨道周期12小时,偏心率0.74左右。空间目标有5.7%在偏心率范围比较大的0.1<e≤0.6内,而只有0.1%位于偏心率0.8<e≤1.0内。 图2.10(LEO范围)和图2.11(超LEO范围)展示了2003年在轨编目目标沿长半轴a的分布情况。由于大部分空间目标是近圆轨道,因此这两幅柱状图也展示了平均轨道高度=a-ae的分布情况,其中地球赤道半径长度ae=6378.135km。对LEO轨道范围来说,图2.14和图2.15给出了空间目标近地点高度Hpe=a(1-e)-ae和远地点高度H=a(1+e)-ae的分布情况,它们的分布比较接近于图2.10. LEO轨道上空间目标主要集中在800km、950km和1450km高度的轨道层,这些轨道层是遥测、气象和科学卫星的首选。图中“长钉子”一样的分布区域在一定程度上也是由于这些轨道上的星座部署(例如780km高度的铱星系统,825km高度的轨道通信系统,还有1415km高度的全球星系统),同时与该轨道层上的卫星和火箭箭体解体事件有关。空间碎片在近地点和远地点分布图上具有不对称性,主要原因是HEO和GTO轨道上大椭圆目标的近地点高度在200~600km之间。超LEO轨道(图2.11)的目标峰值在a≈26560km(周期12小时的闪电轨道)和24500km(周期10.5小时的GTO轨道)。中地轨道上主要分布导航卫星星座GPS(约12小时周期轨道a≈26560km和≈20180km)和GLONASS(约11.25小时周期轨道a≈25510km和≈19130km)。地球同步轨道(约24小时轨道周期a≈42164km和≈35786km)比LEO高且分布稠密,轨道偏心率和轨道倾角都很小,在200km的轨道范围内约有550个目标。与之比较, LEO在轨编目目标分布的峰值为25km轨道层内集中400个目标(相应的在轨目标之间平均距离为2500km). 图2.10 横轴为长半轴的LEO在轨编目空间目标的柱状分布图 (柱宽: Δa=25km;状态: 2003年6月) 图2.11 横轴为长半轴的超LEO在轨编目空间目标柱状分布图 (柱宽: Δa=200km;状态: 2003年6月) 图2.12 横轴为轨道倾角的LEO在轨编目空间目标柱状分布图 (柱宽: Δi=1. ;状态: 2003年6月) 与半长轴和偏心率(同样还有近地点高度和远地点高度)的连续分布不同,2003年空间目标轨道倾角分布的柱状图(见图2.12)是非常明显的、很窄的长条型柱,在轨道倾角i≈82. 时达到顶峰--约1000个目标集中在82. ±1. 范围内。 图2.13 横轴为偏心率e的LEO在轨编目目标柱状分布图 (柱宽: Δe=0.01;状态: 2003年6月) 图2.14 横轴为近地点高度的LEO在轨编目空间目标柱状分布图 (柱宽: ΔHpe=25km;状态: 2003年6月) 图2.15 横轴为远地点高度的LEO在轨编目空间目标柱状分布图 (柱宽: ΔHap=25km;状态: 2003年6月) 这些分布的最大值与任务类型紧密相关,例如: 太阳同步轨道(i=100. ±5. )、极轨道(i≈90. )、导航卫星轨道(i≈55. 和65. )、临界倾角轨道(i≈63.4. ,见附录A.9),还有地球同步轨道(i<15. )。其他峰值则与发射点纬度、发射方位角限制或最大载荷质量投送方式有关。得到最大载荷质量的方法是向东发射,利用地球旋转的力量。满足相应方位角限制的发射场是: 普列谢茨克(纬度=62.8. ,能够获得的ΔV=210m/s2)、拜科努尔(纬度=45.6. ,能够获得的ΔV=328m/s2)、日本种子岛(纬度=30.4. ,能够获得的ΔV=400m/s2)、肯尼迪航天中心(纬度=28.5. ,能够获得的ΔV=410m/s2)、西昌卫星发射中心(纬度=28.2. ,能够获得的ΔV=408m/s2)、库鲁(纬度=5.2. ,能够获得的ΔV=463m/s2)。在发射过程中依赖纬度而获得速度增量ΔV,最大情况可将交付使用的载荷质量提高近5%。因此,对想要获得最大发射载荷质量的任务而言,最好的发射方位是东向发射,并且使轨道倾角i≈,这使得空间目标的分布在i≈63. ,52. ,28.5. 和 7. 时达到峰值。然而,更多情况下是目标任务决定发射入轨条件,因此,普列谢茨克和拜科努尔发射方向常常是北偏东方向,朝着轨道倾角为82. 和74. 的带状范围发射。范登堡航天发射中心(范登堡空军基地)也同样向高倾角轨道发射载荷,由于发射方位限制,它具有向南的发射走廊。 文献(anon,1995),(anon,2001),(Verger等,1997)和(Klinkrad,2003)提供了在轨编目目标在来源和分布方面详细的调查数据。本章用来描述可跟踪空间目标特性的大部分信息来自DISCOS、ESA的数据库和《描述空间目标特性的信息系统》(Hernandez等。 2001)。这些相关的数据库,覆盖了完整的空间历史,包含了任务数据和轨道历史记录、质量和横截面积、发射和离轨信息,以及运载器、发射场和相关发射统计等辅助信息。DISCOS的信息主要来源于美国空间司令部(现在的美国战略司令部)。官方网站SpaceTrack定时发布这些信息。 2.2 历史上的在轨解体事件 2.1节中,因解体而产生的碎片是编目目标最主要的来源,约占可跟踪目标数目的39.9%。至2002年1月,从新目标探测及它们轨道之间的关系推测了175件在轨解体事件。在这些事件中,我们有信心获知源目标,并推断解体原因。在175件解体事件中,有48件被认为是故意的爆炸或者碰撞(产生了2244枚可编目碎片),有52件是由于推进系统爆炸(造成3558枚可编目碎片),有7件与电路系统故障有关(主要是电池爆炸,造成618枚可编目碎片),有10件也许跟气动力有关,至少有1件是意外碰撞。另外57件还无法确定原因。除2次GEO轨道爆炸事件(其中一次发生在1978年6月22日,是荧光屏2号卫星;另一次发生在1994年2月8日,是大力神 III-C的变轨级发动机)以外,所有已知解体事件均发生在高度2000km的轨道以下,其中约80%发生在LEO轨道范围以内,约17%发生在HEO和GTO轨道。 空间历史上第一次意外碰撞事件发生在法国试验卫星塞赖斯 (95-033B)和一枚阿丽亚娜火箭(H-10)上面级爆炸产生的碎片(86-019F)之间,碰撞时间是1996年7月24日09∶48UTC. H-10火箭上面级于1986年2月22日将SPOT-1号卫星送入轨道,在9个月后的1986年11月13日发生爆炸,共产生488个编目碎片(至2002年1月仍然有33个在轨,如表2.2所示),是空间历史上最严重的碎片云团之一。除了这次事件以外,至少还有两次有意的碰撞,它们都是战略防御计划(SDI)的试验内容。1985年9月13日,一枚反卫星导弹将美国科学卫星太阳风P78-1卫星摧毁,该导弹从一架战斗机上发射,沿着加利福尼亚海岸在上升段拦截卫星,轨道倾角为97.6. ,拦截高度为530km。这个试验方案可以使空间监视网(SSN)在阿拉斯加的探测器较好地观测新产生的碎片云团,且可以限制碎片的在轨寿命(表2.2显示,至2002年1月285个碎片中只有2个仍然在轨)。另一次有意的碰撞是1986年9月5日,发生在USA-19航天器与德尔塔火箭上面级之间,德尔塔火箭首先将USA-19发射入轨,这次碰撞产生的编目碎片只有13枚。无破坏性的碰撞没有计入碰撞事件,例如发生在进步号货运飞船和和平号空间站之间的碰撞。图2.16显示,年解体事件发生量平均为4.5次,峰值为9次(1981年和1998年)。在175次解体事件中,有172次为爆炸或者因气动力的原因而解体,只有3次为碰撞事件。