空间碎片材料检测技术研究

陈春燕 吴胜宝 董晓琳 张恒浩 魏 明

(中国运载火箭技术研究院研究发展中心,北京 100076)

空间碎片材料检测技术研究

陈春燕 吴胜宝 董晓琳 张恒浩 魏 明

(中国运载火箭技术研究院研究发展中心,北京 100076)

为了对空间碎片材料的成分进行快速检测，分析了空间碎片的来源和构成，并对空间碎片主要成分的国内外检测技术手段进行了详细对比，采用了一种基于LIBS的网络化空间碎片检测方案。该方案具有分析速度快、测量精度和灵敏度高、可多元素同时测量、空间适应性好且无需样品预处理等特点，同时可实现检测流程全自动化和多线程化。

空间碎片 成分检测 网络化

1 引 言

近年来，人类航天活动日益频繁，航天器发射数量不断增加，因此产生了大量的空间碎片，包括运载工具、失效载荷以及由空间物体碰撞产生的碎片等。目前太空中已编目的大于10cm的空间碎片约2万个，1mm～10cm的碎片超过50万个；小于1mm的碎片可能有几千万个。空间碎片的相对运动约10km/s，不同尺寸空间碎片对航天器有着不同程度的威胁，造成多种形式的危害，严重的可改变航天器的表面性能、运行姿态和轨道，甚至可导致载人航天器的严重损毁，威胁航天员的生命安全[1]。

因此对空间碎片清除和研究日益迫切，进行碎片能量转化再利用成为空间碎片控制的一个新方向。碎片能量转化再利用形式多种多样，如实现空间碎片的产品制造，其流程为对空间碎片的成分类别确定、检测分类，将其中不可用材料投入废料收集及处理系统中，对于可用材料进一步区分，将其分解为打印原料，结合空间3D打印技术，实现空间产品的直接制备。其中空间碎片材料检测是实现该技术的重要环节之一。

2 空间碎片的来源及构成

在性质上，空间碎片可分为自然成因的宇宙尘(或称微流星体，或微陨石)和人为空间碎片。依据空间碎片的大小，通常将大于10cm的空间碎片称为大碎片，1mm～10cm的称为中等碎片，小于1mm的称为小碎片。

在化学成分上，即根据物质来源和物质成分的不同层次，可将空间碎片进行3级分类，第1级空间碎片分为自然微流星体和人为空间碎片；第2级根据矿物和化合物种类，自然微流星体分为镁铁质、金属-硫化物质和层状硅酸盐质3类，人为空间碎片分为有机聚合物、非金属单质、金属与合金、氧化物、硫化物与类硫化物、卤化物以及碳化物等7类；第3级对人为空间碎片进行了进一步划分。

从物质来源上分，可以有以下几种：自然来源，即宇宙尘颗粒，为空间碎片的背景通量，它们虽然不是由人类太空活动产生的，但同样会对航天器造成危害；完成任务后遗弃在空间的运载火箭箭体和卫星；发射时送入轨道的物体，如运载火箭末级、有效载荷及相关物体；航天器机动飞行时的排放物，如固体火箭排放的三氧化二铝；破碎物，由航天器爆炸或相互之间碰撞产生的破碎物；航天器表面剥落的物质，如油漆；泄露的物质，如核能源的冷却剂。

如图1所示，大于10cm尺寸的空间碎片，56%来源于在轨爆炸或碰撞解体，22%来自失效卫星或其他航天器，11%来自完成任务的火箭末级或上面级，10%来自航天器发射或在轨操作中的丢弃物。

NASA的JSC中心和洛克希德马丁公司合作开展了为期10年的航天飞机受流星体、碎片等撞击情况的研究，经分析，轨道碎片的组成材料包含铝/铝合金(占44%)、漆(占37%)、钢(占12%)、铜(占5%)和钛(占2%)等，其中前两者的质量分数之和达到81%。

美国对哈勃太空望远镜在轨3.5年后太阳能电池受到碰撞的残渣分析，空间碎片是其碰撞的主要因素，其成分是铝的氧化物、钛、锰、有机物、锌和氯，其中铝和铝的氧化物占主要。

NASA约翰逊航天中心轨道碎片项目办公室总结的在轨有效载荷和运载火箭碎片的组成成分密度质量比得出有效载荷的组成成分中铝合金占绝大部分；因具体火箭型号不同，火箭箭体组成成分比重之间的区别较大，但总体上以铝、钛、钢三种金属为主。

从以上统计中可以看出，空间碎片的成分主要包括铝/铝合金、漆、钢、铜、钛、锰等物质。

3 金属材料常用检测技术对比

由于空间碎片多为铝/铝合金、钢、铜和钛等组成材料，对于空间碎片的金属成分检测是研究重点。下面为广泛应用的材料检测手段中适用于金属化学成分分析的四种代表性的技术仪器：直读光谱仪、扫描电子显微镜、X 荧光光谱仪和LIBS光谱仪。

3.1 直读光谱仪

直读光谱仪工作原理是利用电火花的高温使样品中各元素从固态直接气化并被激发而发射出各元素的原子发射特征谱线，每种元素发射谱谱线强度正比于样品中该元素的含量，用光栅分光后，这些元素的特征光谱线通过出射狭缝，射入各自的光电倍增管，光信号变成电信号，经仪器的控制测量系统将电信号积分进行模数转化，然后由计算机处理，打印出各个元素的百分含量[2]。

直读光谱仪具有操作简单，分析快速、结果准确、精度高等特点，使其成为分析化学中重要的仪器分析方法之一，并被广泛应用于钢铁和有色冶金行业炉前快速分析，也成为分析各种常见固体金属材料的一种普及的标准分析方法。

但是光谱仪要得到准确稳定的数据，需要有一定的使用条件：分析标样或控样与分析试样时的条件必须一致，才能保证试样分析准确可靠。光谱仪室应该洁净，无气体污染，防震，防电磁干扰，温湿度适宜等。样品应该均匀，无气孔，无夹渣，具有代表性。所以样品激发前必须进行前处理，表面不能玷污。必须保证试样能够将激发台的激发孔完全覆盖，以保证激发室不漏气，试样的厚度应该保证激发时不被击穿。

3.2 扫描电子显微镜

扫描电子显微镜(SEM)是利用聚集非常细的高能电子束在金属样件上扫描，搜集激发出的特征X射线(入射电子激发样件原子内的电子时，使原子处于能量较高的激发态，释放出具有特征能量和波长的电磁波)，由于特征X射线的波长只取决于样件物质的原子核结构，因此利用X射线能谱(EDS)确定其波长，从而确定样件所含元素。

扫描电镜仪器分辨率较高。装上波长色散X 射线谱仪(WDX)或能量色散X 射线谱仪(EDX)，也能检测样品发出的反射电子、X 射线、阴极荧光、透射电子、俄歇电子等。把扫描电镜扩大应用到各种显微的和微区的分析方式，显示出了扫描电镜的多功能。

样品制备简单。只要将块状或粉末状的样品稍加处理或不处理，就可直接放到扫描电镜中进行观察，因而更接近于物质的自然状态。但样品必须干净、干燥。肮脏、潮湿的样品会使仪器真空度下降，并可能在镜筒内各狭缝、样品室壁上留下沉积物，从而降低成像性能并给探头或电子枪造成损害。样品必须有导电性。若样品不导电，电荷累积所形成的电场会使作为SEM成像信号的二次电子发射状况发生变化，极端情况下甚至会使电子束改变方向而使图像失真。

4 能量色散X射线荧光光谱仪

能量色散X射线荧光光谱仪(EDXRF)的工作原理：用X射线管产生的原级 X 射线照射到样品上，所产生的特征X射线(荧光)直接进入探测器，便可以据此进行定性和定量分析。可以通过探测元素特征X射线并识别其能量(每种元素的特征X射线都具有特定的能量)，来识别出被测样品中含有哪些元素；而具有某种能量的 X 射线强度的大小，是与被测样品中能发射该能量的荧光X 射线的元素含量多少有直接联系，测量这些谱线的强度，并进行相应的数据处理和计算，就可以得出被测样品中各种元素的含量[3]。特点如下：

(1)元素含量检测范围广。波长色散和能量色散X射线荧光光谱仪的元素含量检测范围为10-5%～100%，对液体样品的检测最高可达10-9数量级，满足多种物质的分析要求；

(2)检测元素种类多。除了 H，He，Li，Be 外，X 射线荧光分析方法可检测原子序数范围为5(B)～92(U)，可提供元素的常量、微量的定性和定量分析；

(3)分析数据的可靠性和分析结果的高精度；

(4)是一种真正意义上的无损检测方法。不破坏待测样品，被测样品在测量前后，无论其化学成分、重量、形态等都保持不变；

(5)使用方法灵活。待分析的样品可为块状、液体或粉末状，同时可用于室内、野外分析或直接在线分析；

(6)分析速度快，可以预筛选大量的样品。

5 激光诱导击穿光谱仪

激光诱导击穿光谱仪(LIBS)是近几年逐渐兴起的一种光谱检测技术，它是原子发射光谱的一种。利用聚焦的激光脉冲作用于材料表面，形成局部高温，导局部样品汽化，致使样品原子或分子处于激发状态或电离，从而样品表面形成等离子体羽辉。等离子体中激发态原子和离子等弛豫过程中部分能量以光的形式辐射出来，这种辐射光带有明显的元素特征信息。然而这种特征谱线往往具有很窄的线宽，因此，需要通过高分辨率的光谱仪收集、记录和分析辐射出来的光谱而实现对固体、液体和气体样品中的化学元素进行定性和定量析的目的[4]。

LIBS能检测周期表中几乎所有的元素，可以在非接触的条件下进行分析，无需取样和进行样品预处理，所需样品量少，可同时进行多种组分测量，测量对象可以是固体、气体或液体，且有较高的灵敏度和较快的反应速度。

美国军方将其与现场表征分析穿透针装置相结合从而实现对地下土质重金属污染的量化分析与筛选；美国洛斯阿拉莫斯国家实验室为火星表面探测专门研制开发了便携式LIBS遥测系统，它可对距离数十米的物质进行遥感探测，并在最近几次火星探测任务中代替了原来的X射线荧光测试系统，因为火星表面的尘埃阻碍了X射线荧光系统的工作，而激光诱导击穿光谱则不受其影响。

6 基于LIBS的空间碎片材料检测方案

6.1 检测技术的选取

空间碎片材料主要包括铝/铝合金、漆、钢、铜、钛、锰等物质，其中铝/铝合金含量最多，应为检测的重点，对用于空间碎片的产品制造来说，漆不具有再利用价值，因此可不考虑其的检测。

直读光谱仪为有损检测，对样品的破坏性较大，而且样品需要进行严格表面处理，对使用环境要求高；扫描电子显微镜也需要进行表面处理，进行成分分析需配合X 射线光谱仪使用，且使用前需进行大量的安装和调试工作，调试时间长，工作较复杂；X射线荧光光谱仪分析元素有限，主要是用于非轻元素的检测，对于空间碎片中重点检测元素Al元素检出限高。通过对比各材料检测仪器的特点可知，这三种仪器在空间碎片检测中的适用性较差。

基于以下优点，采用激光诱导击穿光谱仪(LIBS)为首选的技术检测手段。

a)可以分析元素周期表中几乎所有的元素；

b)具有分析速度快、测量精度和灵敏度高、可多元素同时测量；

c)抗污染、无辐射、成本低及安装简易；

d)虽然是有损检测，但对分析对象表面的破坏只有微米量级；

e)无需取样和进行样品预处理；

f)空间适应性好，美国军方曾在火星表面探测上应用。

以KT-100 LIBS分析仪为例，目前所能达到功能、性能等技术指标如下：

可分析检测元素有铍(Be)、硼(B)、镁(Mg)、铝(Al)、硅(Si)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、银(Ag)、锡(Sn)、钨(W)、铅(Pb)、铋(Bi)等。能快速检测并鉴别出2-7系铝合金、铜合金、钛合金、不锈钢、中低合金钢、镍合金、钴合金等合金的牌号和合金成分百分含量，仪器预装多基体标准合金库，合金库中包括400余种合金牌号，用户也可自己建立合金牌号库。

由于在轨有效载荷和运载火箭等的碎片来源于不同国家，而不同国家对材料牌号定义不完全统一，也可能存在国外空间碎片材料的合金牌号未知，目前合金库中合金牌号包括几百余种，因此需要不断积累各种空间碎片不同材料数据来进一步增强光谱仪中分析所用的数据库，从而提升空间碎片材料检测的全面度。

6.2 基于LIBS的检测方案

材料检测流程为：收样→检测→结果打印→资料归档→材料分类。整个过程各个环节所接触的数据或信息量极大，管理控制难度较大，只要其中某个环节出了问题，就可能导致检测过程的反复。

采用网络化、自动化和智能化可有效地避免这些问题，更好地确保空间碎片检测的及时性、正确性和完整性，提高检测速度。如图2所示，基于LIBS的检测方案，就是一种以收样站、检测站、分类站、管理站、打印站和服务器共同构成的材料检测智能化网络管理多点多线程的检测方案。以LIBS为终端空间碎片直接检测仪器，单个碎片的检测数据(检测结果、光谱图谱、样品图片和其它信息)输入到检测站上，采用客户站/ 服务器结构的网络系统，通过检测站上传网络存储在服务器上形成数据库，多个检测站构成多线程的检测方式。其它工作站(如分类站、打印站等)可以直接调用这些资料，从而实现了网络资源的自动共享。

收样站：负责空间碎片来样的登记和管理，并产生流转单，建立整个样品的台账和信息管理。

LIBS：检测空间碎片成分，可根据实际需求进行设计LIBS检测形式。如根据轻质小型化要求进行便携性设计；如根据检测距离要求，进行远程检测或动态车载设计等。

检测站：空间碎片通过LIBS检测到的结果，如成分含量、光谱图谱、样品图片和其它信息等输入到每个检测站中，再通过检测站上传到服务器，可实现被检碎片多线程检测。

分类站：根据检测结果按照所需成分或金属牌号对被检碎片进行分类。

管理站：根据各站点上传的数据按检测流程统一调度。

打印站：将样品的台账和信息管理、LIBS检测结果、分类结果等信息输出。

7 结束语

基于LIBS的空间碎片检测技术具有检测全面、分析速度快、测量精度和灵敏度高、成本低及安装简

易、无需取样和进行样品预处理以及空间环境适应性强等优点，而激光诱导击穿光谱仪成为空间碎片检测的最佳解决方案。然而，随着人类航天活动日益频繁，数量不断增加，仅通过人工或智能机器人方式来进行材料检测所需的时间和工作量将难以估量，通过一系列动作，包括空间碎片的输送、检测、结果报送、分类再到传递到下一级(空间碎片的产品制备)，实现材料检测系统的自动化和智能化将大大提高材料检测的速率。

[1] 焦建超等.基于空间站平台的空间碎片探测与清除技术[J].国际太空，2015(4).

[2] 韩春蕾.直读光谱仪在有色金属分析中的应用[J].电子世界，2013(1).

[3] 张林艳等.能量色散X射线荧光光谱仪的现状[J].现代仪器，2008(5).

[4] 汪黎栋等.LIBS检测用高分辨光纤光谱仪的研制[J].仪表技术与传感器，2014(4).

Study of Material Testing Technology for Space Debris

CHEN Chun-yan WU Sheng-bao DONG Xiao-lin ZHANG Heng-hao WEI Ming

(China Academy of Launch Vehicle Technology R&D Center, Beijing 100076, China)

For fast examination of the space debris′composition, the space debris′ source and composition are analyzed, Domestic and international examination technique means aiming at main composition of the space debris are also carried on detailed contrast, a kind of the space debris′examination network project based on the LIBS is adopt. That project has characteristics such as quick analytical speed, high measure accuracy and intelligent degree, diverse vegetable measurable in the meantime, good space adaptability and didn′t need sample to prepare a processing etc. also can carry out full-automation and multi-threading examination process.

Space debris Composition testing Network

2016-09-28，

2017-02-14

陈春燕(1982 -)，女，高级工程师，硕士，主要研究方面：飞行器电气总体设计。

1000-7202(2017) 02-0054-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.11

TH879

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