來(lái)源：新京報(bào)
據(jù)中國(guó)載人航天工程辦公室消息，神舟二十號(hào)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(píng)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(hào)返回任務(wù)將推遲進(jìn)行。
隨著人類航天活動(dòng)愈加頻繁，空間碎片問(wèn)題日益凸顯。空間碎片是如何產(chǎn)生的？它會(huì)對(duì)航天器造成怎樣的威脅？中國(guó)空間站又是如何應(yīng)對(duì)“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(lái)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(lái)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(lái)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(shuō)太陽(yáng)帆板展開(kāi)過(guò)程當(dāng)中，有一些爆炸螺栓會(huì)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(dòng)機(jī)，發(fā)射的時(shí)候帶來(lái)很多微粒性的碎片。
圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)
自1957年發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星以來(lái)，空間碎片呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。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(guò)4.4萬(wàn)個(gè)；尺寸在1厘米以上、對(duì)航天器構(gòu)成潛在威脅的空間碎片數(shù)量估計(jì)超過(guò)100萬(wàn)個(gè)。而毫米級(jí)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(dòng)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(duì)航天器的防護(hù)，已成為全球航天活動(dòng)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(lái)諸多風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)公開(kāi)報(bào)道，由于碎片撞擊而失效或異常的衛(wèi)星超過(guò)16顆，每年全球衛(wèi)星機(jī)動(dòng)規(guī)避空間碎片的操作超過(guò)100次，國(guó)際空間站為躲避空間碎片撞擊共進(jìn)行了29次機(jī)動(dòng)規(guī)避。
目前，對(duì)于10厘米以上大型空間碎片，航天器通常采用主動(dòng)規(guī)避的策略，通過(guò)軌道調(diào)整，避開(kāi)可能的碰撞路徑。
多大的碎片就會(huì)對(duì)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(jí)的空間碎片就可導(dǎo)致航天器徹底損壞?！眹?guó)家航天局空間碎片監(jiān)測(cè)與應(yīng)用中心副主任劉靜說(shuō)。
劉靜解釋，空間碎片平均撞擊速度每秒10公里，因此，厘米級(jí)碎片產(chǎn)生的動(dòng)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(huì)對(duì)航天器造成危害，較大碎片撞擊會(huì)使航天器破裂、爆炸、結(jié)構(gòu)解體，微小碎片累積效應(yīng)會(huì)改變?cè)骷男阅?，?dǎo)致航天器性能下降或功能失效。
而且，厘米級(jí)碎片不易監(jiān)測(cè)?！澳壳懊绹?guó)等空間碎片監(jiān)測(cè)能力較強(qiáng)的國(guó)家，能較全面監(jiān)測(cè)到的最小碎片尺寸也只有10厘米左右?！眲㈧o說(shuō)。
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(huì)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(kāi)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(cè)、預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。主動(dòng)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(guò)全天候、全球性天地協(xié)同的監(jiān)測(cè)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(cè)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(kāi)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(duì)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(duì)航天器本身的性能提出較高要求。
中國(guó)空間站如何應(yīng)對(duì)空間碎片？
面對(duì)數(shù)量更多、體積更小、難以預(yù)警的微小空間碎片，被動(dòng)防護(hù)是主要應(yīng)對(duì)手段。所謂被動(dòng)防護(hù)，主要是通過(guò)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(jí)，防護(hù)層的厚度和結(jié)構(gòu)也會(huì)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(jí)最高；太陽(yáng)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(huì)采用一些新的方法，比如說(shuō)最早期的天宮一號(hào)和天宮二號(hào)，采用的專業(yè)上叫whipple防護(hù)屏，是通過(guò)兩層金屬板進(jìn)行防護(hù)。但是在空間站的設(shè)計(jì)過(guò)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(lái)的空間站沒(méi)辦法達(dá)到它的設(shè)計(jì)指標(biāo)，后來(lái)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(lái)，中國(guó)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(dòng)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(hào)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(hào)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(wèn)天、夢(mèng)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(cè)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(guó)還在中國(guó)載人航天工程網(wǎng)站上定期發(fā)布軌道參數(shù)，加強(qiáng)國(guó)際合作，與世界主要航天國(guó)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(cè)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(guò)艙外巡視、熱控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、電路測(cè)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(guó)際社會(huì)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(guó)都在積極開(kāi)展空間碎片清除技術(shù)研究，提出了各自的清除方案?？偟膩?lái)看有兩大類：
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(kāi)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(duì)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(lái)的損失還高，必然不會(huì)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(kāi)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(wàn)歐元購(gòu)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(dòng)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(lái)大規(guī)模利用太空奠定基礎(chǔ)。當(dāng)前，中國(guó)也在大力發(fā)展相關(guān)技術(shù)，并在《2021中國(guó)的航天》白皮書(shū)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(lái)，空間碎片清除市場(chǎng)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(lái)源：國(guó)家航天局、新華社、人民日?qǐng)?bào)、央視新聞
編輯 常江
校對(duì) 張彥君
