使用高速撞击点火测试系统研究脆性铝热剂弹丸以 850 和 1200 米/秒的速度撞击惰性钢靶时的动态响应。弹丸包括固结的铝和三氧化二铋,由推进剂驱动的枪发射到配备高速成像诊断装置的捕集室中。弹丸穿过捕集室入口处的防爆屏,在穿透防爆屏时碎裂或在撞击钢靶之前保持完整。在所有情况下,弹丸在撞击时都会粉碎,反应碎片云会扩散到捕集室中。在较低的撞击速度下,碎裂弹丸和完整弹丸产生的火焰蔓延速度相似,均为 217 – 255 米/秒。在较高的撞击速度下,完整的射弹产生最慢的平均火焰蔓延速度,为 179 米/秒,因为碎片的反弹受到射弹长度的限制,并且由此产生的碎片场在径向高度集中。相比之下,破碎的射弹反弹成分散良好的碎片云,其火焰蔓延速度最高,为 353 米/秒。提出使用动能通量阈值来描述观察到的碎片分散和火焰蔓延速度的变化。使用计算流体力学代码开发了一种基于粒子燃烧时间的反应性模型,该模型结合了多相环境中的传热和粒子燃烧,以了解粒径如何影响火焰蔓延。模型结果显示,对于较小颗粒碎片,更快的反应性和增加的阻力抑制运动之间存在权衡。
卫星服务的双重使用提出了有关反对其在武装冲突期间功能的合法性的问题。本文的重点是研究国际人道主义法的关键原则的内容,即的区别和相称性,关于它们在空间活动中的应用。在这种情况下,分析了对军事行动的太空服务投入前后评估的标准。还观察到由于违反人道主义法而产生空间碎片云的风险。因此,开发和批准其他方案IV的建议将构成平民物体与军事目标区分开,并确定与攻击成正比的损害的范围和程度,被认为是能够在空间和网络战争期间节省外层空间资源和空间服务的手段。
然而,一个新的维度正在迅速演变:威胁环境。这是太空试验企业变革的第一个关键驱动因素。中国是步调一致的挑战,其能力在空间范围内迅速扩大——无论是容量还是能力。例如,2007 年,中国进行了一次直接上升式反卫星试验,摧毁了其在低地球轨道上的一颗卫星。这一事件产生的碎片云至今仍在威胁着所有国家的太空资产。中国还展示了在轨反卫星能力,以及将我们的太空系统置于危险之中的地面定向能系统。俄罗斯拥有类似的能力。2021 年 11 月 15 日,俄罗斯进行的直接上升式反卫星试验进一步凸显了太空从良性领域向有争议领域的转变。正是在这种拥挤、有争议的环境中,美国空军需要能够捍卫我们的国家、盟友和伙伴所依赖的太空能力。
共轨 ASAT 将拦截器送入轨道,然后操纵拦截器改变轨道,使其接近目标。共轨 ASAT 可以在进入轨道后立即操纵接近目标,也可以在长时间处于休眠状态后操纵接近目标。它们可以通过超高速直接碰撞、释放与目标相撞的碎片云、使用机械臂损坏或移除目标卫星的部件,或者在近距离使用电子战或定向能武器来试图损坏或摧毁目标。无论使用哪种技术,共轨 ASAT 都需要机载制导、导航和控制系统来识别和跟踪目标空间物体并微调其轨迹以进行适当的拦截。冷战期间,苏联曾多次努力开发、测试和部署共轨 ASAT 能力。人们考虑了几种不同的共轨道武器部署概念,包括激光器、导弹平台、载人和无人炮兵平台、机器人操纵器、粒子束、霰弹枪式弹丸炮和核太空地雷,但大多数都在绘图板上夭折了。¹
自第 15 版(信息截止日期为 2018 年 7 月 4 日,发布于 2018 年 11 月)以来,已(新发现或已发现)发现 26 起在轨解体和 9 起异常事件,历史共发生 268 起碎裂和 87 起异常事件。这些活动加上发射活动,导致自 2018 年 7 月 4 日起编目的空间物体数量增加了约 21%,其中包括在轨物体和衰变物体,或在轨物体增加了 34%。2009 年 2 月 10 日,两艘完整的航天器铱 33 号和宇宙 2251 号首次意外碰撞,以及 2007 年 1 月 11 日(FY-1C)航天器的故意毁坏,继续对在轨碎片环境产生重大影响。截至撰写本文时,对这三个碎片云的编目仍在继续,直到雷达截面 (RCS) 达到极限。由于最近发生的两次故意碰撞,即 2019 年 3 月 27 日的印度 Microsat-R 反卫星 (ASAT) 试验事件和 2021 年 11 月 15 日的俄罗斯 Cosmos 1408 ASAT 试验,以及持续发生的有效载荷和上级碎片,已编入目录的碎片有所增加。当前作者承认本文前几版作者的重大贡献。此外,美国太空部队和第 18 太空防御中队人员的协助对本工作至关重要。作者将本版献给尼古拉斯·约翰逊先生,他是前几版的主要作者,前 ODPO 首席科学家、同事、导师和朋友。
1. 引言 随着太空环境的使用和商业化程度不断提高,以及太空发射的便利性不断提高,地球轨道上的活跃卫星和轨道碎片数量也不断增加。轨道碎片是指在地球轨道或重新进入地球大气层的人造非功能性物体(包括碎片和元素);自太空探索初期以来,碎片的数量远远超过在轨运行的航天器 [1]。2022 年 7 月,美国空间监视网络的太空物体目录(仅考虑直径大于 5 厘米的碎片)报告了 8,943 艘航天器和 16,393 块轨道碎片。巨型星座(可能包括数万颗联网卫星的舰队)的计划部署标志着卫星运行范式的转变,并将加速已经高度拥挤的低地球轨道 (LEO) 的密集化。随着卫星轨道上越来越拥挤的活跃航天器和轨道碎片,发生碰撞的风险也在增加。碎裂事件可能会产生更多的碎片,有可能导致凯斯勒综合症,这是一种假设的最坏情况(由唐纳德·凯斯勒博士于 1978 年首次提出),即一系列连锁碰撞及其产生的碎片云可能会使地球轨道无法使用 [2]。凯斯勒事件的直接后果可能是深远的,使电信、宽带互联网和天气预报等地面服务陷入瘫痪,同时也妨碍未来的太空利用或探索 [3]。尽管人们越来越意识到轨道碎片带来的风险,但由于监管和政策环境落后于太空的快速发展,减轻和防止碎片的努力受到限制。国际协议和国家立法旨在确保在人烟稀少的太空环境中安全运行,而这种环境与当今拥挤的轨道领域越来越不相似。 1967 年《外层空间条约》和随后的 1976 年《责任公约》构成了国际空间法的基础,确认了空间物体的所有权,但并未直接涉及轨道碎片。根据这些规则,发射国对在其境内发射的物体拥有所有权,其他国家未经发射国同意不得收集这些物体 [3]。此外,发射国有责任赔偿其空间物体造成的损害。在考虑这些空间法基本原则如何适用于轨道碎片时,仍然存在不确定性:尽管大多数国家认为轨道碎片是空间物体,但《外层空间条约》和《责任公约》并未提供明确的定义,而且由于我们对大多数空间物体的跟踪和识别能力有限,在发生碰撞时识别发射国变得很复杂。如果没有监管要求或其他直接激励措施来防止轨道碎片,航天器所有者、运营商和发射提供商在遵守减少轨道碎片产生和风险的自愿准则方面进展缓慢。欧洲空间局 (ESA) 报告称,估计近地轨道上 30% 到 70% 的有效载荷(不包括载人航天)在报废时遵守脱轨准则。ESA 进一步指出,遵守碎片缓解措施的比例正在提高,但仍不足以在长期内显著降低碰撞风险 [2]。轨道碎片带来的挑战与臭氧层损耗等全球环境挑战有着内在的相似之处。司法当局和国际机构不应因为收益不确定而推迟行动,而应行使预防原则——环境法的一项长期信条——该原则建议各国采取行动解决构成长期环境威胁的环境问题,即使没有证据表明会发生危害 [4]。 《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》的签署和随后的实施是一个显著的例子,表明国际社会有效地动员起来,即使在科学不断发展和不确定的情况下,也致力于解决人类活动对环境造成的有害影响。2022 年 5 月,加伯和兰德发表了一篇论文,建议研究蒙特利尔