據(jù)中國載人航天工程辦公室消息，神舟二十號載人飛船疑似遭空間微小碎片撞擊，正在進(jìn)行影響分析和風(fēng)險(xiǎn)評估。為確保航天員生命健康安全和任務(wù)圓滿成功，經(jīng)研究決定，原計(jì)劃11月5日實(shí)施的神舟二十號返回任務(wù)將推遲進(jìn)行。
隨著人類航天活動愈加頻繁，空間碎片問題日益凸顯?？臻g碎片是如何產(chǎn)生的？它會對航天器造成怎樣的威脅？中國空間站又是如何應(yīng)對“太空隱患”的？
什么是空間碎片？太空中很多嗎？
空間碎片，是指所有在軌運(yùn)行但已失效、失控或不再具有功能的人造物體及其碎片，主要來源于失效衛(wèi)星、火箭殘骸、爆炸碰撞碎片以及人為試驗(yàn)產(chǎn)生的碎片等。如果把低地球軌道比作一條高速公路，越來越多的空間碎片就好比留在路上的破損汽車，也叫太空垃圾。
圖片來源：央視新聞
航天科技集團(tuán)五院空間站空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)師閆軍介紹，空間碎片其實(shí)都是人造的，空間碎片其實(shí)主要有以下幾種：
1.已經(jīng)失效的衛(wèi)星；
2.操作性的碎片，比如說太陽帆板展開過程當(dāng)中，有一些爆炸螺栓會脫落，這些東西都是因?yàn)楣ぷ鳟a(chǎn)生的碎片；
3.宇宙當(dāng)中產(chǎn)生的一些撞擊，或者氣瓶、電池產(chǎn)生爆炸，在軌的一些衛(wèi)星它自身就爆炸，四分五裂。
4.固體火箭發(fā)動機(jī)，發(fā)射的時(shí)候帶來很多微粒性的碎片。
圖片來源：中國科學(xué)院國家天文臺
自1957年發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星以來，空間碎片呈快速增長的趨勢。數(shù)據(jù)顯示，截至2024年，地球軌道上可被持續(xù)追蹤的較大空間碎片已超過4.4萬個(gè)；尺寸在1厘米以上、對航天器構(gòu)成潛在威脅的空間碎片數(shù)量估計(jì)超過100萬個(gè)。而毫米級以上空間碎片總數(shù)更是多達(dá)上億個(gè)。這些碎片普遍以接近第一宇宙速度（約7.9公里/秒）運(yùn)行，其動能巨大，撞擊破壞力不可低估。相較于2006年的數(shù)據(jù)，以空間碎片為主的小尺寸空間物體密度已增加了約5倍。因此，如何加強(qiáng)對航天器的防護(hù)，已成為全球航天活動的重要關(guān)注點(diǎn)和技術(shù)攻堅(jiān)方向。
大部分空間碎片雖小，卻有著20倍于子彈的運(yùn)行速度，給軌道上的交通帶來諸多風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)公開報(bào)道，由于碎片撞擊而失效或異常的衛(wèi)星超過16顆，每年全球衛(wèi)星機(jī)動規(guī)避空間碎片的操作超過100次，國際空間站為躲避空間碎片撞擊共進(jìn)行了29次機(jī)動規(guī)避。
目前，對于10厘米以上大型空間碎片，航天器通常采用主動規(guī)避的策略，通過軌道調(diào)整，避開可能的碰撞路徑。
多大的碎片就會對航天器造成傷害？閃避空間碎片有多難？
“別看這些小小的碎片，危害甚大，厘米級的空間碎片就可導(dǎo)致航天器徹底損壞。”國家航天局空間碎片監(jiān)測與應(yīng)用中心副主任劉靜說。
劉靜解釋，空間碎片平均撞擊速度每秒10公里，因此，厘米級碎片產(chǎn)生的動能就相當(dāng)于一輛小轎車以五六十公里的時(shí)速撞上衛(wèi)星。
劉靜表示，由于這些碎片速度比較快，各種尺寸的碎片都會對航天器造成危害，較大碎片撞擊會使航天器破裂、爆炸、結(jié)構(gòu)解體，微小碎片累積效應(yīng)會改變元器件的性能，導(dǎo)致航天器性能下降或功能失效。
而且，厘米級碎片不易監(jiān)測?！澳壳懊绹瓤臻g碎片監(jiān)測能力較強(qiáng)的國家，能較全面監(jiān)測到的最小碎片尺寸也只有10厘米左右?！眲㈧o說。
與此同時(shí)，還要警惕空間碎片隕落的威脅。劉靜表示，低軌衛(wèi)星受大氣阻力作用高度逐步降低最終隕落，隕落事件幾乎每天都會發(fā)生，體積較大的衛(wèi)星隕落時(shí)可能有未燒毀的殘骸落至地面，造成地面人員的生命和財(cái)產(chǎn)損失。
避開空間碎片要想“閃”得快，也并不是一件容易的事，需要建立起完善的空間碎片監(jiān)測、預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。主動規(guī)避操作通常依靠3個(gè)環(huán)節(jié)協(xié)同完成：首先，通過全天候、全球性天地協(xié)同的監(jiān)測系統(tǒng)，持續(xù)追蹤空間碎片的位置和軌道；其次，利用計(jì)算系統(tǒng)預(yù)測空間碎片是否可能與航天器發(fā)生碰撞，并制訂規(guī)避方案；最后，由航天器自身的推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行變軌操作，避開危險(xiǎn)軌道。
每一次規(guī)避都需要精密計(jì)算，以最小燃料消耗實(shí)現(xiàn)最大避險(xiǎn)效果，同時(shí)還要盡可能減少對航天任務(wù)的影響。這不僅考驗(yàn)地面控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，也對航天器本身的性能提出較高要求。
中國空間站如何應(yīng)對空間碎片？
視頻來源：新華社
面對數(shù)量更多、體積更小、難以預(yù)警的微小空間碎片，被動防護(hù)是主要應(yīng)對手段。所謂被動防護(hù)，主要是通過加裝空間碎片防護(hù)裝置，為航天器披上“鎧甲”，提升抗擊碎片撞擊的能力。
這類防護(hù)裝置一般采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括高強(qiáng)度金屬外殼、能量吸收材料層以及隔熱緩沖層。根據(jù)航天器不同部位和威脅等級，防護(hù)層的厚度和結(jié)構(gòu)也會有所不同——在密封艙等關(guān)乎航天員生命安全的關(guān)鍵區(qū)域，防護(hù)的等級最高；太陽翼等結(jié)構(gòu)面積大的部件由于難以完全防護(hù)，更多采用冗余設(shè)計(jì)，避免單點(diǎn)故障影響整體性能。
航天科技集團(tuán)五院空間站空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)師閆軍表示，隨著材料學(xué)的進(jìn)步，在空間碎片防護(hù)上面逐漸會采用一些新的方法，比如說最早期的天宮一號和天宮二號，采用的專業(yè)上叫whipple防護(hù)屏，是通過兩層金屬板進(jìn)行防護(hù)。但是在空間站的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，我們也發(fā)現(xiàn)這種防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來的空間站沒辦法達(dá)到它的設(shè)計(jì)指標(biāo)，后來就采用了一種纖維材料和金屬材料進(jìn)行結(jié)合，把這種先進(jìn)技術(shù)帶到空間站的防護(hù)設(shè)計(jì)中，使空間站滿足了設(shè)計(jì)要求。
近年來，中國空間站持續(xù)優(yōu)化完善空間站空間碰撞預(yù)警和規(guī)避實(shí)施流程，提高了空間站主動規(guī)避碰撞的能力；另一方面，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步梳理空間站艙外易受空間碎片撞擊損傷的薄弱環(huán)節(jié)，研制并上行了防護(hù)裝置進(jìn)行加固，2024年5月28日，神舟十八號乘組首次完成防護(hù)裝置安裝，耗時(shí)約8.5小時(shí)；到神舟二十號第二次出艙，航天員在空間站外部共進(jìn)行了7次空間碎片防護(hù)裝置安裝工作，為天和核心艙和問天、夢天實(shí)驗(yàn)艙外部的多處重要管路、元件和設(shè)施設(shè)備提供了防護(hù)。
此外，科研團(tuán)隊(duì)部署了空間站艙體撞擊泄漏監(jiān)測和定位系統(tǒng)，不斷優(yōu)化完善空間站壓力應(yīng)急處置預(yù)案；研制了空間站壓力應(yīng)急處置系統(tǒng)，航天員可用于故障處置的時(shí)間增加了5倍。
我國還在中國載人航天工程網(wǎng)站上定期發(fā)布軌道參數(shù)，加強(qiáng)國際合作，與世界主要航天國家有關(guān)機(jī)構(gòu)建立飛行安全溝通機(jī)制，及時(shí)交流共享相關(guān)信息，共同維護(hù)在軌航天器安全。
如果空間碎片真的撞上了空間站，怎么辦？科研人員為空間站設(shè)置了“兜底技能”：利用空間站上部署的艙體撞擊泄漏監(jiān)測和定位系統(tǒng)，配合相應(yīng)的應(yīng)急處置預(yù)案、應(yīng)急處置系統(tǒng)，可以大大提升航天員處置故障的效率。航天員可通過艙外巡視、熱控系統(tǒng)監(jiān)測、電路測試等方式快速定位受損區(qū)域，并在地面指導(dǎo)下實(shí)施結(jié)構(gòu)加固、線路更換等操作。
國際社會為清除“太空垃圾”做出哪些努力？
在遭遇垃圾擋道時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)行能否也像在高速公路上那樣呼叫“拖車服務(wù)”呢？為了實(shí)現(xiàn)這一愿望，世界航天大國都在積極開展空間碎片清除技術(shù)研究，提出了各自的清除方案?？偟膩砜从袃纱箢悾?/p>
第一類是接觸式，如機(jī)械臂抓捕、安裝離軌裝置等。
第二類是非接觸式，如用激光或離子束等進(jìn)行推移。
兩類清除方式殊途同歸，都是要讓碎片離開當(dāng)前軌道，進(jìn)入大氣層燒毀。
當(dāng)前，各類在軌試驗(yàn)在基本解決技術(shù)可行性的基礎(chǔ)上，對經(jīng)濟(jì)可行性的需求愈發(fā)迫切。想象一下，“拖車服務(wù)”的成本若是比衛(wèi)星遭撞擊風(fēng)險(xiǎn)帶來的損失還高，必然不會有吸引力。2017年，日本宇航局在所發(fā)布的太空碎片清除委托公告中，除了征集清除系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)方案，還明確提出要征集商業(yè)化可行性方案。
隨著更多航天技術(shù)公司加入這一賽道，空間碎片清除的商業(yè)圖景正逐漸顯現(xiàn)。日本天空完美公司表示，將開發(fā)一顆用激光清除太空碎片的衛(wèi)星，計(jì)劃在2026年投入運(yùn)行。歐洲航天局已出資8600萬歐元購買瑞士初創(chuàng)公司“清潔太空”的服務(wù)，計(jì)劃于2025年發(fā)射專門航天器，演示驗(yàn)證大型報(bào)廢衛(wèi)星移除技術(shù)。
空間碎片清除不僅是一種太空經(jīng)濟(jì)新業(yè)態(tài)，還能帶動空間目標(biāo)捕獲、高性能推進(jìn)與組合體控制等高新技術(shù)發(fā)展，為未來大規(guī)模利用太空奠定基礎(chǔ)。當(dāng)前，中國也在大力發(fā)展相關(guān)技術(shù)，并在《2021中國的航天》白皮書中將空間碎片清除列入太空經(jīng)濟(jì)新業(yè)態(tài)，不斷培育和提升航天產(chǎn)業(yè)規(guī)模效益。未來，空間碎片清除市場價(jià)值將日益凸顯，太空垃圾清掃公司也將成為航天產(chǎn)業(yè)鏈上的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
資料來源：國家航天局、新華社、人民日報(bào)、央視新聞
編輯 常江
校對 張彥君
