11月25日，神舟二十二號(hào)飛船發(fā)射成功，并與空間站組合體完成交會(huì)對(duì)接。該飛船裝載了針對(duì)神舟二十號(hào)載人飛船舷窗裂紋的處置裝置——此前，神舟二十號(hào)因疑似遭空間微小碎片撞擊推遲返回。

小小空間碎片，為什么會(huì)造成大麻煩？

一次由空間碎片引發(fā)的應(yīng)急發(fā)射

此次發(fā)射的神舟二十二號(hào)飛船，后續(xù)將作為神舟二十一號(hào)航天員乘組的返回飛船——此前，由于駐留空間站的神舟二十號(hào)飛船返回艙舷窗玻璃疑遭空間微小碎片撞擊，出現(xiàn)細(xì)微裂紋。出于安全考慮，神舟二十號(hào)航天員乘組改乘神舟二十一號(hào)飛船返回地球。

這是中國(guó)載人航天工程第一次應(yīng)急發(fā)射任務(wù)。引發(fā)這次“緊急救援”的空間碎片，到底是什么？

空間碎片也稱“太空垃圾”，由人類航天活動(dòng)直接產(chǎn)生或間接衍生。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(zhǎng)的趨勢(shì)。

空間碎片激增。圖源：JagranJosh/NASA

根據(jù)歐洲航天局空間碎片辦公室公布的最新數(shù)據(jù)，截至2025年10月21日，地球軌道上所有航天物體的總質(zhì)量已超過15100噸。據(jù)統(tǒng)計(jì)模型估算，在軌物體中大于10厘米的空間物體有54000個(gè)；在1厘米至10厘米之間的空間碎片約有120萬個(gè)；在1毫米至1厘米之間的空間碎片約有1.4億個(gè)。

空間碎片從哪來？據(jù)全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩介紹，廢棄航天器及相關(guān)部件是空間碎片最主要、最直接的來源，占比超過40%，包括退役衛(wèi)星、火箭殘骸、航天器解體殘骸等。

其次是航天活動(dòng)中的操作廢棄物。這類碎片多為航天任務(wù)執(zhí)行過程中有意或無意丟棄的物品，尺寸雖小但數(shù)量龐大。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；微小脫落物，如航天器表面老化脫落的涂層碎片、太陽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>

2023年11月2日國(guó)際空間站出艙活動(dòng)中掉落的工具包。圖源：NASA/JSC

另一類是航天器碰撞與爆炸產(chǎn)生的次生碎片，這是碎片數(shù)量不斷增加的關(guān)鍵原因。比如，2009年2月，已退役報(bào)廢14年的宇宙2251衛(wèi)星和在役的銥星33相撞。這一世界上首起兩顆在軌衛(wèi)星發(fā)生碰撞的事件導(dǎo)致兩顆衛(wèi)星全毀，產(chǎn)生的新碎片超過2200枚。

從軌道分布來看，空間碎片分布密集區(qū)域?yàn)?000公里以下的近地軌道區(qū)域、20000公里的中軌區(qū)域，以及36000公里的地球同步軌道區(qū)域。其中，800至1000公里是最密集的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

秒速10公里的致命傷害

2013年上映的美國(guó)電影《地心引力》以空間碎片撞毀國(guó)際空間站的場(chǎng)景開頭，出艙執(zhí)行任務(wù)的宇航員在“碎片雨”中掙扎求生；十年后上映的俄羅斯電影《挑戰(zhàn)》，也設(shè)置了航天員因空間碎片受傷、需要地面派醫(yī)生上天的故事背景。

電影《地心引力》截圖

以上情節(jié)盡管都是虛構(gòu)，但現(xiàn)實(shí)中，空間碎片襲擊空間站造成的損傷已經(jīng)真實(shí)發(fā)生在各國(guó)載人飛行任務(wù)中，其危險(xiǎn)程度并不亞于科幻電影。空間碎片，已逐漸成為威脅人類航天活動(dòng)的“隱形殺手”。

小小碎片，何以帶來如此大的麻煩？

答案是速度。

空間碎片普遍以接近第一宇宙速度（約7.9公里/秒）運(yùn)行，在人類使用最頻繁的近地軌道上，空間碎片一旦與航天器發(fā)生撞擊，平均撞擊速度將達(dá)10公里/秒。憑借極高速度帶來的巨大動(dòng)能，即使是直徑小于1厘米的空間微小碎片，也能對(duì)航天器造成致命損傷。

空間碎片與航天器撞擊產(chǎn)生極高壓強(qiáng)，毫米級(jí)以上尺度的碎片會(huì)穿透航天器表面，并形成高速碎片云，破壞內(nèi)部的器件和系統(tǒng)，輕則導(dǎo)致航天器表面性能衰退功能喪失，重則對(duì)結(jié)構(gòu)和載荷造成嚴(yán)重?fù)p傷甚至使整個(gè)航天器徹底爆炸解體，對(duì)航天器安全和航天員生命造成巨大潛在威脅。

國(guó)際空間站機(jī)械臂遭空間碎片撞擊。圖源：NASA/加拿大航天局

對(duì)于在太空行走的航天員來說，他們對(duì)空間碎片幾乎沒有防護(hù)能力。哪怕是直徑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。即便置身于航天器內(nèi)，如果航天器被碎片撞擊失壓，艙內(nèi)航天員的生命安全也將直接受到威脅。

而墜入大氣層的大尺度空間碎片，隕落時(shí)可能有部分質(zhì)量未完全燒毀分解，也會(huì)對(duì)地面安全造成威脅。

此外，當(dāng)近地軌道碎片密度達(dá)到臨界值時(shí)，一次碎片撞擊產(chǎn)生的新碎片，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。

衛(wèi)星相撞產(chǎn)生空間碎片示意圖。圖源：ESA

根據(jù)美國(guó)空間碎片研究專家唐納德?J?凱斯勒（Donald J. Kessler）的研究結(jié)果，按照目前的碎片增長(zhǎng)速度估算，如果不采取任何措施，未來70年后碎片數(shù)量將達(dá)到發(fā)生碎片鏈?zhǔn)阶矒粜?yīng)的臨界值，之后近地空間將徹底不可用。

應(yīng)對(duì)撞擊：主動(dòng)“閃避”+披上“鎧甲”

目前，空間碎片仍然是載人航天器重要設(shè)備，尤其是密封艙面臨的首要破壞性威脅，碰撞幾乎是不可避免的。

那么，如何應(yīng)對(duì)空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)？

國(guó)際社會(huì)制定了相應(yīng)準(zhǔn)則，敦促各國(guó)在航天器設(shè)計(jì)、發(fā)射和運(yùn)行中采取措施，減少空間碎片的產(chǎn)生。一些航天團(tuán)隊(duì)提出了機(jī)械臂抓取、飛網(wǎng)捕獲、激光推移、離子束推方法等移除空間碎片的方案，但這些技術(shù)都處于概念階段，大規(guī)模應(yīng)用為時(shí)尚早。

據(jù)中國(guó)載人航天工程空間站系統(tǒng)總指揮王翔介紹，空間站對(duì)碎片威脅主要采取躲防結(jié)合的對(duì)策：對(duì)可觀測(cè)、跟蹤并預(yù)報(bào)的碎片，盡可能提前變軌規(guī)避；同時(shí)加強(qiáng)自身防護(hù)措施，對(duì)不可觀測(cè)的碎片具備一定的防護(hù)能力。

國(guó)際空間站BEAM艙碎片防護(hù)層及其結(jié)構(gòu)。圖源：NASA

規(guī)避

以當(dāng)前的技術(shù)能力，特征尺度≥10cm的碎片可以被地面觀測(cè)、編目并預(yù)報(bào)飛行軌跡。結(jié)合空間站飛行軌道及軌控計(jì)劃，可以提前預(yù)警碎片與空間站的交會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。空間站變軌機(jī)動(dòng)，躲開來襲碎片。

2015年，國(guó)家航天局空間碎片監(jiān)測(cè)與應(yīng)用中心在中科院國(guó)家天文臺(tái)掛牌成立，標(biāo)志著我國(guó)空間碎片監(jiān)測(cè)、預(yù)警、應(yīng)對(duì)突發(fā)事件以及國(guó)際合作有了實(shí)體依托單位。

防護(hù)

空間站通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和防護(hù)結(jié)構(gòu)的配置，能夠抵御約1cm尺寸或更小碎片的直接撞擊，不會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性后果。主要航天國(guó)家這方面能力相當(dāng)。根據(jù)NASA標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際空間站的防護(hù)結(jié)構(gòu)要求能夠經(jīng)受住1.3cm鋁制球體以7km/s速度且垂直于表面的撞擊。

中國(guó)空間站各艙段在出廠時(shí)已具備大部分防護(hù)功能，但是針對(duì)艙外管路、設(shè)施設(shè)備和實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的防護(hù)裝置，還需航天員出艙安裝。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。到神舟二十號(hào)乘組出艙，中國(guó)航天員已經(jīng)在空間站外部進(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(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)。

神舟十八號(hào)航天員乘組圓滿完成第一次出艙活動(dòng)。圖源：中國(guó)載人航天工程網(wǎng)

應(yīng)急

對(duì)于無法觀測(cè)又防不住的碎片，空間站要有一系列的專門設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)破壞性撞擊，包括感知撞擊、重點(diǎn)設(shè)備冗余和備份、系統(tǒng)降級(jí)進(jìn)入安全模式、航天員參與定位密封艙漏點(diǎn)并堵漏、航天員緊急撤離和事后恢復(fù)受損設(shè)備、艙體等。

此次發(fā)射的神舟二十二號(hào)飛船，便裝載了針對(duì)神舟二十號(hào)載人飛船舷窗裂紋的處置裝置。神舟二十一號(hào)乘組將擇機(jī)對(duì)神舟二十號(hào)飛船船體進(jìn)行檢查評(píng)估和處置——在現(xiàn)有基礎(chǔ)上從艙內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)后，神舟二十號(hào)還可以載貨返回。

出品：南都官微運(yùn)營(yíng)部

統(tǒng)籌：李湘瑩

整合/編輯：劉苗

美編：羅銳

資料央視新聞、新華社、人民日?qǐng)?bào)、科技日?qǐng)?bào)、科普中國(guó)、紫金山天文臺(tái)、中國(guó)宇航學(xué)會(huì)等