封面新聞?dòng)浾?張崢

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。空間碎片來(lái)自哪里？它的危害有多大，在太空如何保護(hù)航天器安全？封面新聞?dòng)浾?日采訪了全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩。

他介紹，截至目前，中國(guó)航天員已經(jīng)在空間站外部進(jìn)行了八次左右的空間碎片防護(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)。

人類航天活動(dòng)的“副產(chǎn)品”

龐之浩告訴封面新聞，空間碎片的來(lái)源非常廣泛，可歸納為人類航天活動(dòng)的直接產(chǎn)物和間接衍生兩類。

例如，廢棄航天器、運(yùn)載器及相關(guān)部件。這是空間碎片最主要、最直接的來(lái)源，占比超過(guò)40%。它包括退役衛(wèi)星、火箭殘骸、航天器解體殘骸。

還有航天活動(dòng)中的操作廢棄物。“這類碎片多為航天任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中有意或無(wú)意丟棄的物品，尺寸雖小但數(shù)量龐大。”它包括功能性拋棄物，如衛(wèi)星分離時(shí)的固定螺栓、火箭的保護(hù)罩、宇航員出艙活動(dòng)時(shí)遺落的工具等，以及微小脫落物，航天器表面老化脫落的涂層碎片、太陽(yáng)能電池板的微小碎片、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的殘?jiān)取?/p>

另外，還有碰撞與爆炸產(chǎn)生的次生碎片，這是碎片數(shù)量不斷增加的關(guān)鍵原因。

小碎片有大危害

空間微小碎片的危害有多大？龐之浩回答：即使是直徑小于1厘米的空間微小碎片，因?yàn)橛袠O高速度帶來(lái)的巨大動(dòng)能，也會(huì)對(duì)航天器造成致命損傷。

“微小碎片的運(yùn)動(dòng)速度普遍在7-10公里/秒，這種高速撞擊會(huì)產(chǎn)生極端破壞效果。”他介紹說(shuō)，毫米級(jí)碎片會(huì)劃傷航天器舷窗、太陽(yáng)翼，導(dǎo)致透光率下降或供電效率受損。厘米級(jí)碎片可直接穿透航天器外殼，擊穿燃料箱、管線等關(guān)鍵部件，引發(fā)泄漏或爆炸。即使未完全穿透，撞擊產(chǎn)生的沖擊波也可能震壞內(nèi)部精密儀器，導(dǎo)致導(dǎo)航、通信等系統(tǒng)失靈。

戰(zhàn)者號(hào)STS-7任務(wù)中舷窗被碎片擊中（左）和奮進(jìn)號(hào)STS-118中散熱器被碎片擊中（右）（圖源：NASA）

當(dāng)?shù)偷厍蜍壍赖目臻g碎片密度達(dá)到臨界值時(shí)，一次空間碎片的相互撞擊產(chǎn)生新的空間碎片時(shí)，會(huì)引發(fā)更多撞擊，形成“多米諾骨牌效應(yīng)”。最終可能在軌道上形成一層“碎片云”，徹底阻斷人類進(jìn)入太空或使用衛(wèi)星的通道，對(duì)太空活動(dòng)造成長(zhǎng)期災(zāi)難性影響。

航天員在太空行走時(shí)，幾乎沒(méi)有防護(hù)微小碎片的能力。所以即使是0.1毫米的超細(xì)碎片，也可能穿透航天服的防護(hù)層，造成航天員受傷。若航天器因碎片撞擊失壓，艙內(nèi)航天員的生命安全將直接受到威脅。

如何降低空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)？

那么有沒(méi)有方法預(yù)報(bào)航天器被空間碎片撞擊的風(fēng)險(xiǎn)呢？龐之浩介紹，目前預(yù)報(bào)空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)主要依靠監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析模型。預(yù)報(bào)空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)有多種，主要分兩類：一類是采用光學(xué)觀測(cè)技術(shù)，即利用望遠(yuǎn)鏡和相機(jī)捕捉碎片反射的太陽(yáng)光，適用于高軌道碎片的探測(cè)。高精度光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合圖像處理技術(shù)，可分辨直徑10微米以上的微小碎片，通過(guò)多站聯(lián)合觀測(cè)，能綜合分析碎片軌跡，減少軌道不確定性，提升預(yù)警準(zhǔn)確性。另一類是采用雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)，即通過(guò)發(fā)射電磁波并接收反射信號(hào)，能夠探測(cè)空間碎片的位置和速度，具有全天候、遠(yuǎn)距離探測(cè)能力。高分辨率雷達(dá)系統(tǒng)可提供厘米級(jí)探測(cè)精度，有效識(shí)別不同尺寸的碎片，美國(guó)的空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)可探測(cè)到直徑大于10厘米的碎片。

另外還有一些新技術(shù)正陸續(xù)使用，例如，采用激光雷達(dá)技術(shù)，它可提供高時(shí)間分辨率，實(shí)時(shí)更新碎片位置，結(jié)合自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，還可克服大氣干擾，提升夜間或復(fù)雜氣象條件下的探測(cè)性能。

他補(bǔ)充說(shuō)，如果要處理空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)，可以通過(guò)主動(dòng)規(guī)避、被動(dòng)防護(hù)以及碎片清除等多種手段相結(jié)合。例如，采用主動(dòng)規(guī)避技術(shù)，對(duì)于尺寸超過(guò)10厘米的較大空間碎片，航天器一般采用主動(dòng)實(shí)施軌道規(guī)避方式。被動(dòng)防護(hù)技術(shù)則是面對(duì)難以觀測(cè)的小型、微型空間碎片，航天器主要采用被動(dòng)防護(hù)手段。

2016年6月我國(guó)發(fā)射自主研制的“遨龍一號(hào)”空間碎片主動(dòng)清除飛行器工作示意圖。 中國(guó)國(guó)家天文

2024年5月28日，神舟十八號(hào)乘組首次完成空間站防護(hù)裝置安裝。此后，神舟十九號(hào)乘組進(jìn)行了三次出艙安裝工作，神舟二十號(hào)乘組進(jìn)行了四次出艙安裝工作。截至目前，中國(guó)航天員已經(jīng)在空間站外部進(jìn)行了八次左右的空間碎片防護(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)。

目前一些國(guó)家正在研究碎片清除技術(shù)，例如，采用激光燒蝕、太空拖網(wǎng)、機(jī)械臂捕獲、離子束偏轉(zhuǎn)、電磁吸附清除等技術(shù)。另外，航天器設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)則是充分貫徹空間碎片防控理念，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用防爆燃料貯箱，減少外露部件，從源頭上減少空間碎片產(chǎn)生。此外，航天器退役后需自動(dòng)變軌，或在其他航天器輔助下，前往“墓地”軌道。