河北
11月25日，中國載人航天工程第一次應急發(fā)射任務取得圓滿成功。而這次任務的啟動，源于神舟二十號飛船疑似遭到空間微小碎片的撞擊。
這一事件并非孤例，早在1983年，美國航天飛機“挑戰(zhàn)者號”就與一塊直徑僅0.2毫米的涂料剝離物相撞，導致舷窗出現(xiàn)明顯凹坑。今天，我們簡單梳理關于空間碎片的相關知識，希望能幫助大家更理性地認識它。
什么是空間碎片
▲地球軌道空間碎片示意圖
空間碎片是指在宇宙空間中各種人造廢棄物體及其衍生物。這些碎片并不是均勻分布，根據(jù)高度不同，主要集中在兩個區(qū)域：近地軌道（2000公里以下）和地球靜止軌道（約35786公里）。載人航天器運行在近地軌道，受到空間碎片的直接威脅。
空間碎片主要來自人類半個多世紀以來的太空活動。具體來說，包括廢棄航天器及相關部件、航天活動中的操作廢棄物以及噴射物和碎屑等。
廢棄航天器及相關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、火箭殘骸和航天器解體殘骸等。這些廢棄的航天器中，有些是因壽命終止而失效，有些則因故障提前退役。
航天活動中的操作廢棄物主要包括航天器與運載火箭分離時的分離裝置、航天員出艙活動時遺落的工具等物品。近些年因在軌爆炸和碰撞解體造成的次生碎片越來越多，推動了我國啟動航天準入制度的建設和減緩標準的編制。
固體火箭噴射物以及航天器表面老化剝落碎屑等是形成微小空間碎片的主要來源，會對在軌航天器造成時間累積性的“沙蝕”效應。
空間碎片有什么危害
1980年，軌道上地面可觀測的較大碎片（即尺寸大于10厘米、在近地軌道旋轉(zhuǎn)的物體）僅有不到5400個；截至神舟二十一號飛船返回之時，這一數(shù)值已增加到31911個。這些可觀測的較大碎片和不可觀測的較小碎片，以約7公里/秒的速度在太空中運動，成為在軌航天器的“隱性殺手”。
▲航天器上的貫穿孔洞
關于空間碎片帶來的麻煩，常會產(chǎn)生幾個認識誤區(qū)。
01
有人說：“一顆10克重碎片的撞擊威力相當于一輛時速100公里的小汽車撞向墻壁。”這個說法恰當嗎？
這個說法混淆了動能和威力這兩個概念。一顆10克重的碎片與一輛輕型小汽車的動能可能接近，但其撞擊效果完全不同。汽車碰撞是一個相對緩慢的過程（持續(xù)幾十到幾百毫秒），碎片撞擊是一個極端瞬時的超高速撞擊過程（微秒級別）。碎片撞擊時，所有能量在極短時間內(nèi)、集中在極小的面積上釋放，產(chǎn)生極高的壓力和溫度，導致材料瞬間熔化甚至汽化，形成類似爆炸的效果。
02
航天器會面對所有碎片的威脅嗎？
否。我們可以把地球軌道看作一個巨大的多層、多跑道的環(huán)形立交橋，同高度、同傾角的碎片和航天器就像在同一條車道上同向行駛的車輛，有追尾風險，但相對速度慢，破壞力很小；同高度、不同傾角的碎片和航天器就像從不同方向的匝道匯入立交橋主路的車輛，可能發(fā)生迎頭或側(cè)向高速撞擊，因而也最危險；不同高度的碎片和航天器就像在立交橋不同層上行駛的車輛，幾乎沒有直接碰撞的可能。當然這只是簡單的類比，事實情況要更加復雜，比如涉及到橢圓軌道和軌道衰減等情況。
03
碎片對航天器的損傷是無法避免的嗎？
準確地說，碎片對航天器的威脅是可以得到緩解的。尺寸大于10厘米的大碎片可以通過監(jiān)測進行躲避，對于這類大碎片，威脅是高度可控的，中國空間站已經(jīng)針對大碎片進行了幾十次的規(guī)避機動。尺寸小于1厘米的小碎片可以通過防護設計進行防護，不會造成災難性后果。挑戰(zhàn)最大的是尺寸為1～10厘米之間的中碎片，它們很難被監(jiān)測和防護，但幸運的是，這些碎片撞擊概率很低。
因此，對于空間碎片，我們既不能安之若素，也不能杞人憂天，要理性對待。
針對空間碎片我們做了什么
我國作為航天大國，在空間碎片研究上布局較早，取得了豐富的成果。
1995年，我國以國家航天局名義加入機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會（IADC），標志著我國正式進入空間碎片研究國際舞臺。1999年，空間碎片基礎研究列入國家財政專項，為后續(xù)發(fā)展奠定了基礎。2000年，我國啟動“空間碎片行動計劃”，使得空間碎片研究進入系統(tǒng)化、有計劃的發(fā)展階段。“十一五”期間（2006-2010），我國提出監(jiān)測預警、航天器防護和空間環(huán)境保護三大工程，研究方向更加明確，通過重大工程牽引關鍵技術突破。
天宮一號研制時，已對空間碎片防護提出了迫切需求。當時我國的“空間碎片行動計劃”已取得突破進展，若干必要的技術手段已研發(fā)成功，工程應用已是厚積薄發(fā)。例如防護設計軟件和地面超高速發(fā)射設備，確保了天宮一號的在軌安全。2006年，技術人員還對神舟八號載人飛船進行了空間碎片撞擊失效模式分析，包括防熱層和舷窗玻璃的失效模式。
中國空間站較天宮一號規(guī)模更大、在軌時間更長，而且是長期載人，因而防護指標也高得多。為此，技術人員不但開發(fā)了更為先進的填充式防護結(jié)構(gòu)，而且與天宮一號采用的部分防護方案不同，空間站采用了整體防護方案。同時，技術人員還對空間站輻射器管路等高風險部位進行了優(yōu)化設計和增強防護。
除了這些常規(guī)操作，中國航天在應對極端情況時也展現(xiàn)出強大的應急處置能力。前一艘載人飛船發(fā)射時，后一艘載人飛船在發(fā)射場待命，一旦在軌飛船出現(xiàn)問題，馬上啟動“滾動備份”應急模式，由待命飛船提前發(fā)射接替任務，這為航天員安全上了“雙保險”。
針對空間碎片我們該怎么辦
空間碎片問題具有全球性，任何一個國家都無法獨善其身。因此，要通過國際合作、技術手段、綜合治理等方面，實現(xiàn)空間環(huán)境的可持續(xù)利用。
首先，要推動國際合作，加強機制建設。聯(lián)合國和平利用外層空間委員會（COPUOS）自二十世紀九十年代起就開始關注空間碎片問題，制定了《空間碎片減緩指南》。各國應充分利用這個平臺，共享碎片監(jiān)測數(shù)據(jù)和預警信息，提升全球的碰撞預警能力。同時，國際社會需共同建立類似于空中交通管理的太空交通管理系統(tǒng)，維護太空飛行秩序。
其次，要多線并舉，加強綜合治理。空間碎片問題涉及多個領域、多個部門、多個專業(yè)，其治理能力的高低直接取決于國力的強弱，應發(fā)展中國特色空間碎片治理理念，提升我國空間碎片治理能力，從觀測、減緩、防護多條路徑實現(xiàn)空間環(huán)境的綜合治理，最終實現(xiàn)“看得全、報得快、清得掉、防得住”的目標。
最后，要加強警惕、未雨綢繆。隨著商業(yè)航天公司的崛起，太空活動正迎來新的高潮。數(shù)萬顆衛(wèi)星組成的巨型星座，將極大增加軌道擁擠程度和碰撞風險。未來的空間碎片治理需要技術創(chuàng)新、國際法規(guī)完善和商業(yè)航天監(jiān)管三者并重，建立具有約束力的國際規(guī)則，確保各國和商業(yè)公司遵守空間碎片減緩標準。
當前，空間碎片環(huán)境日益復雜，成為世界航天領域的共性挑戰(zhàn)，我們應當理性認識并正視這一現(xiàn)實。同時，我們也有信心、有能力做好航天器的空間碎片防護，為我們的“太空資產(chǎn)”構(gòu)筑牢固的安全屏障！
來源：中國航天科普
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