3月21日，“神十九”乘組第三次出艙，完成了中國空間站空間碎片防護裝置安裝等任務。隨著空間碎片威脅日益嚴峻，航天器有哪些招數(shù)應對？空間碎片防護裝置有哪些亮點？未來，哪些新技術(shù)有望幫助航天器迎擊“來襲者”，確保工作更加安全高效？
密切監(jiān)測 及時規(guī)避
不考慮天然微流星體，空間碎片主要來自航天活動，包括失效衛(wèi)星、廢棄火箭末級、航天意外事故殘骸等。無論是航天器在軌爆炸或相撞，還是航天器“無害”脫落螺栓、隔熱材料等，往往會產(chǎn)生數(shù)以千計的空間碎片。
航天器在軌解體會產(chǎn)生大量空間碎片
隨著航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，特別是近年來低軌巨型星座加速建設，地球軌道上空間碎片數(shù)量激增。截至2024年，可追蹤的較大空間碎片超過4.4萬個，尺寸大于1厘米的“潛在有害”空間碎片更是超過100萬個。它們普遍以第一宇宙速度運行，撞擊破壞力不可低估，因此加強保護航天器成為各國航天關(guān)注焦點之一。
目前，針對尺寸超過10厘米的較大空間碎片，航天器傾向于主動實施軌道規(guī)避。
“躲”的前提是高精度監(jiān)測與快速決策，尤其是建立起完善的空間碎片監(jiān)測、預警網(wǎng)絡。當前，國際航天解決方案主要沿著3個維度展開。
其一，建立全天候、全球性天地協(xié)同監(jiān)測體系，監(jiān)測手段包括空間望遠鏡、雷達以及應用光子技術(shù)等新概念方法。例如，俄羅斯光電監(jiān)測系統(tǒng)采用三通道信息連接和視角擴大技術(shù)，顯著提升了追蹤空間碎片的精度。
如果監(jiān)測網(wǎng)絡預報顯示，空間碎片較大概率會進入航天器“預警區(qū)域”，航天器就可以啟動變軌程序。
以國際空間站為例，其預警區(qū)域范圍大概為4公里×50公里×50公里，分為內(nèi)外兩層。如果空間碎片進入內(nèi)層，國際空間站必須實施規(guī)避。如果空間碎片進入外層，航天員與地面團隊需密切監(jiān)控。
其二，引入碰撞概率分析，結(jié)合軌道誤差模型，在預警區(qū)域判定的基礎上，合理設置概率閾值，減少虛警率，提高航天器規(guī)避效率。特別是系統(tǒng)判斷空間碎片存在與航天器碰撞風險時，預警系統(tǒng)應觸發(fā)航天器變軌規(guī)避策略。
例如，2019年歐空局通過太空跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)，預測伽利略導航衛(wèi)星大概率將在2021年與火箭殘骸相撞，因此及時調(diào)整衛(wèi)星軌道，使碰撞概率降到安全閾值以下。
其三，現(xiàn)代航天器設計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變軌，或在其他航天器輔助下，前往“墓地”軌道。
國際合作將在空間碎片監(jiān)測領域發(fā)揮重要作用，涉及監(jiān)測設備協(xié)調(diào)工作、數(shù)據(jù)共享與相關(guān)產(chǎn)業(yè)應用合作等，甚至有可能催生前景廣闊的航天市場。
結(jié)構(gòu)強化 努力升級
面對更多難以觀測的小型、微型空間碎片，航天器不可能消耗過多的燃料和時間進行躲避，被動防護成為主要手段。
國際空間站不時會遭遇空間碎片撞擊
根據(jù)美國宇航局公開標準，國際空間站的防護結(jié)構(gòu)要求能夠經(jīng)受住1.3厘米直徑的鋁球以7公里/秒的速度垂直撞擊。
為此，國際空間站采用了所謂“惠普爾防護罩”。該理念最早由美國天體物理學家弗雷德·惠普爾于1947年提出，在航天器約2.5厘米厚外壁的基礎上，包裹1毫米厚的特殊金屬層。如果微型空間碎片的尺寸與金屬層厚度相差不大，兩者高速相撞會產(chǎn)生爆炸效應，并發(fā)生氣化、電離等現(xiàn)象，從而將空間碎片擊碎，至少消耗其動能，再由航天器內(nèi)層盡量降低撞擊的危害。
同時，航天器防護結(jié)構(gòu)遵循“區(qū)域分級防護”理念。也就是說，航天器并非所有部位均設計“均等防護”，而是根據(jù)各區(qū)域的關(guān)鍵性進行分級防護。例如，在空間站上，密封艙作為航天員的生命保障核心區(qū)，防護層級最高；推進系統(tǒng)、供電設備等次之；太陽翼等部件面積大，難以完全防護，更多借助冗余設計降低風險。
其實，空間碎片防護裝置設計本質(zhì)上是航天器在被動防御與主動規(guī)避之間尋求平衡的“藝術(shù)”。新一代空間站安裝的空間碎片防護裝置在材料選擇和結(jié)構(gòu)質(zhì)量上實現(xiàn)了進一步優(yōu)化,采用多層復合結(jié)構(gòu)，綜合應用高強度材料和能量吸收層, 既減輕了重量，又提升了抗沖擊性能。
冗余設計 現(xiàn)場維修
盡管航天器機動變軌和防護裝置性能不斷改善，仍不能確保消除所有空間碎片威脅。因此，航天器有時候只能通過系統(tǒng)設計盡量提升生存能力。比如，航天器可以采用冗余線路布局，避免單點失效，同時分散布置關(guān)鍵設備，減少過于集中暴露的風險。
“神十九”航天員出艙作業(yè)
具體到空間站，可以優(yōu)化供電系統(tǒng)，做到跨艙段供電，避免少量空間碎片引發(fā)整個空間站供電危機。為了保障航天員安全，空間站應當在不止一個艙段內(nèi)配備再生式生命保障系統(tǒng)，提供冗余備份。
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遭遇撞擊威脅時，空間站首先會通過艙體傳感器網(wǎng)絡實時監(jiān)測沖擊力與壓力變化。當空間碎片撞擊影響達到閾值時，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)立即報警，并借助氮氣分壓監(jiān)測手段，區(qū)分正常波動與異常險情。
接下來，系統(tǒng)將盡快定位空間站受損泄漏部位，綜合采用超聲波探測與艙段封閉隔離方法，可以精準定位毫米級損傷，快速評估泄漏狀況。
然后，天地系統(tǒng)將分層級啟動決策：從容安排修補微小損傷，有可能不會第一時間要求航天員開展高強度作業(yè)；輔助航天員處置中等損傷，包括佩戴氧氣面罩作業(yè)；假如泄漏狀況超過安全閾值，系統(tǒng)會立即隔離受損艙段；極端情況下，航天員不得不撤離到載人飛船內(nèi)?？傊麄€處置流程既依賴空間站設備快速響應，又要求航天員克服壓力、精準操作，更考驗了地面指揮系統(tǒng)對風險等級的實時判斷與決策。
值得一提的是，航天員在軌維修同樣是載人航天器防護體系的重要一環(huán)。據(jù)媒體公開報道稱，“神十七”乘組完成中國航天首次艙外維修任務，而“神十九”乘組安裝空間站防護裝置時，同步開展艙外設施設備巡檢。
考慮到任務成本和風險，除了哈勃空間望遠鏡等極少數(shù)項目外，無人航天器難以具備這種“動態(tài)補強”能力。
技術(shù)創(chuàng)新 方案優(yōu)化
總體來看，防護空間碎片的科技手段正在朝著躲、防、修綜合應用的方向發(fā)展，既有傳統(tǒng)策略優(yōu)化，也涉及前沿技術(shù)突破。
不過，隨著空間碎片密度持續(xù)快速提升，傳統(tǒng)防護手段的效果逐漸接近物理極限。有觀點認為，未來10年間，空間碎片主動清除技術(shù)有機會實用化，進一步改善航天器安全性。
航天器釋放電磁網(wǎng)捕獲空間碎片效果圖
盡管空間碎片主動清除技術(shù)總體上處于論證和試驗階段，但激光燒蝕、太空拖網(wǎng)、機械臂捕獲、離子束偏轉(zhuǎn)、電磁吸附清除等技術(shù)路線已逐漸清晰。
其中，激光燒蝕方法要求航天器確保供能水平，發(fā)射高能激光束，使空間碎片局部氣化或變軌，最終整體消散，或加速墜入大氣層燒蝕。
某些航天器可以釋放飛網(wǎng)捕捉系統(tǒng)，在理論上適合清除較大范圍內(nèi)不規(guī)則自旋運動的空間碎片。日本航天曾測試電磁捕網(wǎng)技術(shù)，遺憾失敗，但積累了不少經(jīng)驗數(shù)據(jù)。
機械臂捕獲技術(shù)則依托航天器高精度姿控系統(tǒng)，抓取衛(wèi)星發(fā)動機噴管等特定結(jié)構(gòu)，對于處置較大的空間碎片和航天器殘骸具有實用價值。
事實上，隨著人類的太空活動時間越來越長，飛向目的地越來越遠，空間碎片防護已不再是純粹的技術(shù)課題，它正在演變?yōu)殛P(guān)乎載人航天可持續(xù)性發(fā)展的戰(zhàn)略問題。在此領域，國際合作與競爭并存，各國既支持共享監(jiān)測數(shù)據(jù)，來降低航天器碰撞風險，又競相爭奪技術(shù)制高點。未來，太空安全將依賴于更精密的監(jiān)測網(wǎng)絡、更智能的航天器防護系統(tǒng)與更深入的國際合作。
來源/《中國航天報·飛天科普周刊》，原標題《空間碎片來襲，航天器如何轉(zhuǎn)危為安？》
文/林胤之
編輯/高辰
審核/楊建 楊蕾
監(jiān)制/索阿娣
本文轉(zhuǎn)載自公眾微信號：中國航天報
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