《Acta Astronautica》：Hypervelocity Perforation Of Thin Films Applicable To Debris Detection In Low Earth Orbits
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轨道碎片冲击检测研究中，通过不同形状（球体、杆状、立方体、薄片）的冲击物以5km/s速度冲击12.5μm厚Kapton薄膜，发现孔洞形状与冲击物形态、截面积及密度相关，可有效区分自然尘埃与人造碎片。
M.J. Burchell | L.A. Alesbrook | M. van Ginneken | P.J. Wozniakiewicz
英国肯特大学工程、数学与物理学院天体物理学与行星科学中心，坎特伯雷，肯特CT2 7NH
摘要：
低地球轨道上卫星数量的增加，加上它们可能遭受灾难性破坏的可能性，可能会导致更多的轨道碎片产生，进而增加了航天器因小碎片撞击而受损的风险。因此，迫切需要使用新一代的尘埃探测器来监测低地球轨道上的微小颗粒。目前有多种设计正在研发中，其中一些设计基于通过观察颗粒穿透薄膜的现象来进行检测。以往的实验室研究大多使用球形撞击物来简化实验过程，但这些球形撞击物并不能代表轨道碎片的真实形状。本文报告了以5公里/秒的速度，使用不同形状的 projectiles（尺寸通常在0.5至2毫米之间）撞击厚度为12.5微米的Kapton薄膜的实验结果。所使用的形状包括球体、棒状、立方体和片状，这些形状代表了由航天器灾难性破坏产生的轨道碎片中的典型类型。实验结果表明，Kapton薄膜上的孔洞大小和形状反映了撞击物的尺寸和横截面积；甚至可以观察到撞击物边缘的棱角。尽管由于每次撞击时撞击物与薄膜接触的角度不同，无法仅从二维孔洞中确定其精确的三维形状，但在大多数情况下仍能区分出更接近球形的自然尘埃颗粒与其它形状的人为制造碎片。
部分内容摘录
引言：低地球轨道上的碎片
地球轨道上的人为产生的碎片对卫星和其他航天器构成了日益严重的威胁（参见[1]、[2]、[3]）。这些碎片的来源和大小各不相同。在微米到几十微米的尺度上，碎片可能是推进剂中添加的成分（例如用于确保燃烧均匀的氧化铝）。而在几百微米到毫米甚至厘米的尺度上，碎片可能是由自然宇宙尘埃颗粒或其他物体撞击后产生的喷射物或剥落碎片。
实验方法
DebrisSat实验记录了目标卫星在撞击测试中产生的6种主要碎片形状（直棒、平板、柔性棒、块状物、弯曲棒、弯曲板）（见表2）。本研究使用的是刚性形状的撞击物，因此没有包括柔性形状的例子，弯曲形状的影响也留待后续研究。本研究选择的形状包括金属球体（图3a）和扁平的六边形聚酯片状物（长宽比为12.5:1）。结果
本研究共进行了8次实验（见表5）。每种类型的撞击物都在Kapton薄膜上产生了相应的孔洞，典型的孔洞形状分别展示在图5、图6、图7、图8和图9中。每种撞击物产生的孔洞细节如下，并在表6中进行了总结。
对撞击物尺寸预测的影响
大多数空间中的尘埃通量估计都是将尘埃通量与颗粒尺寸（半径或直径）或质量相关联。对于密度均匀的球形颗粒来说，这不成问题，因为半径、直径和质量之间可以很容易地进行转换。但对于由不同材料组成的非球形物体而言，情况则不同（因此密度也不同）。首先考虑密度的话，表2中的数据表明，在观察轨道碎片时可能会遇到广泛的密度范围。
结论
低地球轨道上碎片对航天器的撞击属于高速度撞击现象。研究表明，不同形状的撞击物在高速撞击下会在薄膜上产生不同形状的孔洞。文献中经常提到的经典圆形孔洞（例如[28]、[47]）实际上仅适用于球形撞击物。总体而言，撞击物边缘的棱角特征对于判断撞击物的形状具有重要意义。
作者贡献声明
Mark Burchell： 负责撰写初稿、方法论制定、数据分析及概念构思。
P.J. Wozniakiewicz： 负责审稿与编辑、资源协调、方法论制定及资金申请、数据分析。
M. van Ginneken： 负责审稿与编辑、资源协调、方法论制定。
L.A. Alesbrook： 负责审稿与编辑、资源协调、方法论制定及数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢肯特大学对这项研究的资助。
MARK J. BURCHELL获得了伯明翰大学（英国）的物理学学士学位（一级荣誉学位），并在伦敦帝国理工学院和加州大学圣克鲁兹分校完成了物理学博士学位。随后他在肯特大学担任空间科学领域的教职，现为该校的名誉教授。他的研究专长是与太阳系和航天器相关的高速度撞击实验。
