第1章绪论
1.1空间碎片环境现状
联合国和平利用外层空间委员会（the United Nations Committee on the Peaceful Uses of Outer Space，UNCOPUOS）和国际机构间空间碎片协调委员会（the InterAgency Space Debris Coordination Committee，IADC）对空间碎片的定义是地球轨道上在轨运行或再入大气层的无功能的人造物体及其残块和组件［1］。
根据美国空间监测网（SSN）的数据（图11）［2］，地球轨道上空间物体数量从1976年的约5000个增长到了2020年的20000个，40多年内增长了3倍［3］。目前，地球轨道中尺度在250px以上的空间碎片数量已达23000个；尺度在1～250px的碎片数量约为75万个；尺度在1～10mm的碎片数量约为1.3亿个，1mm以下的碎片数量数以百亿计。图11中显示，从2003年到2010年空间碎片数量猛增，主要是由于期间空间碰撞产生数量巨大的碎片。
截至2020年1月1日，环绕地球运行的物质总量超过8000吨，且其增长速度丝毫没有减缓的趋势，如图12所示。
地球空间碎片环境随着空间碎片数量的迅速增长，逐渐形成了一个类似小行星带的地球外层空间环境。空间碎片数量的分布随着人类空间活动的频繁程度变化。其随轨道高度和倾角的数量分布非常不均匀［4，5］。空间碎片环境的形成与演变过程如图13所示。
1.2空间碎片移除必要性
1.2.1空间碎片的危害
空间碎片已经影响到人类正常的空间活动，大量的空间碎片，对航天器构成严重的威胁，可造成航天器损伤，甚至发生灾难性的事故［6，7］。据美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）统计［8］，由空间环境引发的299起在轨卫星故障事件中，碎片撞击占12%，是四大原因之一。
低地球轨道上，空间碎片运行速度为7.9km/s（第一宇宙速度），其与航天器撞击，相对撞击速度范围在0～15km/s，平均撞击速度高达10km/s。直径1 cm的铝球以10km/s的速度撞击所产生的能量，与地面上速度为120km/h的小汽车的撞击相当。因此高速运动的空间碎片对航天器和航天员的生命安全造成了巨大威胁［9］。空间碎片撞击产生的极高压强可超过航天器材料屈服强度的数十到数百倍，可穿透航天器表面，并形成大面积的高速碎片云，破坏内部的器件和系统，轻则导致航天器外露敏感器表面性能衰退、功能丧失，重则对结构和载荷造成严重的机械损伤甚至使整个航天器彻底爆炸解体［10］。实验表明［10］，直径1mm，速度4.1km/s的铝球即可击穿我国卫星常用的25.4mm厚的蜂窝板。航天器的体积越大、在轨飞行时间越长，其遭遇空间碎片撞击的风险也就越大。表11为毫米级空间碎片对卫星分系统撞击损伤效应。
250px以上的空间碎片撞击可导致航天器爆炸、解体、彻底失效；此类碎片无法防护，但可精准监测、编目管理，航天器可对其实施主动规避。1～250px的空间碎片撞击可引起航天器部组件、分系统、整器功能损失，乃至整器爆炸、解体、彻底失效；此类碎片目前尚不能精准监测，尚无有效防护措施。25px以下的空间碎片撞击可引起航天器部组件、分系统甚至整器功能损失或失效；此类碎片无法监测、编目管理，但可加装防护结构来被动防护。因此，大于250px空间碎片可机动规避，小于25px的空间碎片可表面防护，一般认为1～250px空间碎片潜在威胁最大［11］。
国际上为躲避碎片撞击而进行的卫星机动规避已达每年30余次。北京时间2009年2月11日0时55分59秒，美国1997年9月14日发射的通信卫星铱星33（北美防空司令部代号24946）与俄罗斯1993年6月16日发射的已失效多年的“宇宙2251”号（北美防空司令部代号22675）军用通信卫星在西伯利亚上空发生激烈相撞，撞击速度达11.6km/s。这是人类历史上太空卫星首次发生大撞击事故［12］。这一碰撞当即产生250px以上可编目碎片4400个、25px以上碎片超过250000个、1mm以上的碎片2×106个（数据基于NASA卫星解体模型计算），至今仍有可跟踪编目碎片2200个［13］。因碎片撞击导致卫星异常或失效的部分事件及其他碎片撞击事件如表12和表13所示［14］。
空间碎片数量的急剧增加导致空间碰撞风险不断攀升，我国在轨卫星碰撞红色预警次数（碰撞概率大于10－4且交会距离小于1km）正在逐年增加，如图14所示。
除了在轨撞击威胁外，LEO区域大尺寸碎片受大气阻力作用轨道逐渐降低，最终再入大气层陨落。监测数据显示，每年陨落的可跟踪碎片在400个左右，总重量超过50t［13］。大尺寸碎片陨落时可能有未烧毁的残骸落至地面，对地面人员和财产安全造成威胁［15］。
1.2.2空间碎片数量急剧增长
在LEO区域，厘米级空间碎片年增长率达15%［13］，空间碎片研究之父
