科普｜如何应对肆虐的空间碎片？
11月25日12时11分，在酒泉卫星发射中心，神舟二十二号飞船成功发射；15时50分，飞船成功对接于空间站天和核心舱前向端口。在中国载人航天工程首次应急发射任务圆满成功后，中国航天报社记者专访了北京理工大学教授张景瑞，“通过这次事件的成功处置，我们看到了中国航天应对突发险情的成熟能力。同时，也敲响了空间碎片的治理警钟。”他总结道。
从何而来
所谓空间碎片，通俗讲就是太空里的“流浪者”——失去功能、仍在太空高速飞行的人造物体。它们可能是报废卫星、火箭的残体，也可能是航天器在轨活动中产生的零散部件。虽已失去功能，但这些碎片依旧遵循天体力学原理，以每秒几公里的速度在轨道上穿梭，如同漂浮在宇宙中的“暗器”，对在轨航天器与空间站构成致命威胁。
要摸清这些“流浪者”的来历，需从四类形成场景说起：
第一类：“退役滞留者”
当报废卫星和用完的火箭级完成任务后，若未及时实施离轨或抬高到“墓地轨道”，它们就会一直留在原来的轨道附近，变成大块的空间碎片。
第二类：“任务遗落物”
发射过程中的级间连接环、整流罩、小型适配器，卫星释放时的螺栓、盖板，乃至舱外作业中遗失的工具、螺母，这些物体一旦脱离母体，就会独立绕地球飞行，化身“致命隐患”。
第三类：“爆炸与碰撞产物”
这也是历史上空间碎片激增的主要来源之一。有的是早期火箭上面级残余推进剂、自燃导致的非计划爆炸，有的是报废航天器之间的非控制碰撞，还有人为的反卫星试验。
第四类：“慢性剥落物”
航天器长期在轨运行时，表面涂层、绝热材料、太阳翼边缘会在原子氧侵蚀、热循环以及与微流星体撞击下逐渐剥落，形成大量微小碎片。
有何危险
不同轨道高度上，碎片造成的威胁与清除难度也截然不同。近地轨道是各种遥感卫星、空间站和大型星座集中的区域，也是空间碎片最密集的“重灾区”，大气阻力虽然能慢慢清除部分碎片，但不断有新的碎片产生；中轨道主要是导航卫星所在高度，一旦产生碎片寿命会更长、清除更难；地球同步轨道则是通信卫星的“黄金轨道”，那里的碎片数量相对较少，但几乎没有自然衰减机制，所以通常会通过把报废卫星抬高到“墓地轨道”的方式来降低对工作轨道的影响。
从尺寸上，空间碎片可分为三类：
直径大于10厘米的大碎片可通过地面设备观测，科学家能提前规划航天器实施规避；
1厘米-10厘米的中等碎片则处于“检测盲区”，难以通过雷达或望远镜观测；
而小于1厘米的微小碎片，更如同“隐形子弹”，虽然体积小，但却能凭借超高速度对航天器造成严重损伤。
“空间碎片的破坏力，关键在速度而非体积。”张景瑞做了个形象的比喻：一粒直径几毫米的金属碎片，质量可能仅有几克，但在以每秒7.9公里的速度飞行时，它的动能相当于一枚高速子弹，足以击穿航天器的结构件、管路或舱壁，甚至引发连锁损伤。近年来，国际空间站就多次遭遇此类“偷袭”：
2018年8月30日，国际空间站俄罗斯联盟号MS-09飞船轨道舱被太空碎片撞击，留下直径约2毫米的小孔，导致舱体空气泄漏。事件发生时宇航员正在休息，未造成人员伤亡；
2021年5月，国际空间站加拿大机械臂2号被未监测到的太空碎片击中，保护层被撕裂并留下直径约10毫米的穿孔，所幸未影响机械臂核心功能，但也让地面团队意识到“盲区碎片”的威胁；
2022年12月，联盟MS-22载人飞船因疑似碎片撞击导致热控系统冷却剂泄漏，散热功能失效，飞船被迫放弃返回任务。最终，俄罗斯航天局与NASA均认为事件由碎片撞击引发……
如何防范
空间微小碎片的防范问题，已成为全球航天领域所面临的共同挑战。为此，中国空间站也采取了一系列措施：持续提升空间站和低轨小目标轨道精确预报能力，对在轨航天器舱外状态进行常态化高分辨率拍摄巡检，持续安装舱外碎片防护装置，不断增强空间碎片预警能力、空间碎片撞击感知能力等。
▲航天员出舱执行空间站空间碎片防护装置及舱外辅助设施安装、舱外设备设施巡检等任务（来源：中国载人航天官网）
“应对空间碎片风险，可分为感知、规避、处置、复盘四步。”张景瑞进一步介绍。对尺寸超过10厘米的大型碎片，可进行“态势感知”，科学家会为其标注专属“身份信息”，依托覆盖全球的监测网络，能够实时追踪碎片的运行轨迹，精准掌握航天器周边空域的安全动态。一旦预判到可提前预警的碰撞风险，则首先采取“规避优先”策略，通过调整航天器轨道的方式，主动避开潜在威胁。若不幸发生碰撞损伤，要第一时间将乘员安全放在首位，在确保人员无虞后，迅速隔离出现故障的舱段或设备，防止风险进一步扩散。事后则需要深入复盘撞击碎片来源、轨道特征，同步排查防护体系中的薄弱环节，从而优化航天器的设计方案与运行流程，为后续任务筑牢更坚实的安全屏障。
“如今，空间碎片已不仅仅是航天工程问题，而是关乎国家安全、经济安全与人类航天可持续发展的全球议题。”张景瑞呼吁道，希望各国携手制定更具约束力的国际行为准则，对高风险行为形成广泛共识和约束，共建统一的“太空交通规则”，为人类航天事业的长远发展留足空间。
来源：中国航天报
作者: 王乐天