中国空间站“披甲”，航天器防范空间碎片有哪些招数？

 

航天器在轨解体会产生大量空间碎片

 

3月21日，“神十九”乘组第三次出舱，完成了中国空间站空间碎片防护装置安装等任务。随着空间碎片威胁日益严峻，航天器有哪些招数应对？空间碎片防护装置有哪些亮点？未来，哪些新技术有望帮助航天器迎击“来袭者”，确保工作更加安全高效？

 

密切监测 及时规避

 

不考虑天然微流星体，空间碎片主要来自航天活动，包括失效卫星、废弃火箭末级、航天意外事故残骸等。无论是航天器在轨爆炸或相撞，还是航天器“无害”脱落螺栓、隔热材料等，往往会产生数以千计的空间碎片。

 

随着航天事业蓬勃发展，特别是近年来低轨巨型星座加速建设，地球轨道上空间碎片数量激增。截至2024年，可追踪的较大空间碎片超过4.4万个，尺寸大于1厘米的“潜在有害”空间碎片更是超过100万个。它们普遍以第一宇宙速度运行，撞击破坏力不可低估，因此加强保护航天器成为各国航天关注焦点之一。

 

目前，针对尺寸超过10厘米的较大空间碎片，航天器倾向于主动实施轨道规避。

 

“躲”的前提是高精度监测与快速决策，尤其是建立起完善的空间碎片监测、预警网络。当前，国际航天解决方案主要沿着3个维度展开。

 

其一，建立全天候、全球性天地协同监测体系，监测手段包括空间望远镜、雷达以及应用光子技术等新概念方法。例如，俄罗斯光电监测系统采用三通道信息连接和视角扩大技术，显著提升了追踪空间碎片的精度。

 

如果监测网络预报显示，空间碎片较大概率会进入航天器“预警区域”，航天器就可以启动变轨程序。

 

以国际空间站为例，其预警区域范围大概为4公里×50公里×50公里，分为内外两层。如果空间碎片进入内层，国际空间站必须实施规避。如果空间碎片进入外层，航天员与地面团队需密切监控。

 

其二，引入碰撞概率分析，结合轨道误差模型，在预警区域判定的基础上，合理设置概率阈值，减少虚警率，提高航天器规避效率。特别是系统判断空间碎片存在与航天器碰撞风险时，预警系统应触发航天器变轨规避策略。

 

例如，2019年欧空局通过太空跟踪与监视系统，预测伽利略导航卫星大概率将在2021年与火箭残骸相撞，因此及时调整卫星轨道，使碰撞概率降到安全阈值以下。

 

其三，现代航天器设计充分贯彻空间碎片防控理念，优化结构，采用防爆燃料贮箱，减少外露部件，从源头上减少空间碎片产生。此外，航天器退役后需自动变轨，或在其他航天器辅助下，前往“墓地”轨道。

 

国际合作将在空间碎片监测领域发挥重要作用，涉及监测设备协调工作、数据共享与相关产业应用合作等，甚至有可能催生前景广阔的航天市场。

 

结构强化 努力升级

 

面对更多难以观测的小型、微型空间碎片，航天器不可能消耗过多的燃料和时间进行躲避，被动防护成为主要手段。

 

 

国际空间站不时会遭遇空间碎片撞击

 

根据美国宇航局公开标准，国际空间站的防护结构要求能够经受住1.3厘米直径的铝球以7公里/秒的速度垂直撞击。

 

为此，国际空间站采用了所谓“惠普尔防护罩”。该理念最早由美国天体物理学家弗雷德·惠普尔于1947年提出，在航天器约2.5厘米厚外壁的基础上，包裹1毫米厚的特殊金属层。如果微型空间碎片的尺寸与金属层厚度相差不大，两者高速相撞会产生爆炸效应，并发生气化、电离等现象，从而将空间碎片击碎，至少消耗其动能，再由航天器内层尽量降低撞击的危害。

 

同时，航天器防护结构遵循“区域分级防护”理念。也就是说，航天器并非所有部位均设计“均等防护”，而是根据各区域的关键性进行分级防护。例如，在空间站上，密封舱作为航天员的生命保障核心区，防护层级最高；推进系统、供电设备等次之；太阳翼等部件面积大，难以完全防护，更多借助冗余设计降低风险。

 

其实，空间碎片防护装置设计本质上是航天器在被动防御与主动规避之间寻求平衡的“艺术”。新一代空间站安装的空间碎片防护装置在材料选择和结构质量上实现了进一步优化,采用多层复合结构，综合应用高强度材料和能量吸收层, 既减轻了重量，又提升了抗冲击性能。

 

冗余设计 现场维修

 

尽管航天器机动变轨和防护装置性能不断改善，仍不能确保消除所有空间碎片威胁。因此，航天器有时候只能通过系统设计尽量提升生存能力。比如，航天器可以采用冗余线路布局，避免单点失效，同时分散布置关键设备，减少过于集中暴露的风险。

 

 

“神十九”航天员出舱作业

 

具体到空间站，可以优化供电系统，做到跨舱段供电，避免少量空间碎片引发整个空间站供电危机。为了保障航天员安全，空间站应当在不止一个舱段内配备再生式生命保障系统，提供冗余备份。

 

遭遇撞击威胁时，空间站首先会通过舱体传感器网络实时监测冲击力与压力变化。当空间碎片撞击影响达到阈值时，结构健康监测系统立即报警，并借助氮气分压监测手段，区分正常波动与异常险情。

 

接下来，系统将尽快定位空间站受损泄漏部位，综合采用超声波探测与舱段封闭隔离方法，可以精准定位毫米级损伤，快速评估泄漏状况。

 

然后，天地系统将分层级启动决策：从容安排修补微小损伤，有可能不会第一时间要求航天员开展高强度作业；辅助航天员处置中等损伤，包括佩戴氧气面罩作业；假如泄漏状况超过安全阈值，系统会立即隔离受损舱段；极端情况下，航天员不得不撤离到载人飞船内。总之，整个处置流程既依赖空间站设备快速响应，又要求航天员克服压力、精准操作，更考验了地面指挥系统对风险等级的实时判断与决策。

 

值得一提的是，航天员在轨维修同样是载人航天器防护体系的重要一环。据媒体公开报道称，“神十七”乘组完成中国航天首次舱外维修任务，而“神十九”乘组安装空间站防护装置时，同步开展舱外设施设备巡检。

考虑到任务成本和风险，除了哈勃空间望远镜等极少数项目外，无人航天器难以具备这种“动态补强”能力。

 

技术创新 方案优化

 

总体来看，防护空间碎片的科技手段正在朝着躲、防、修综合应用的方向发展，既有传统策略优化，也涉及前沿技术突破。

 

不过，随着空间碎片密度持续快速提升，传统防护手段的效果逐渐接近物理极限。有观点认为，未来10年间，空间碎片主动清除技术有机会实用化，进一步改善航天器安全性。

 

 

航天器释放电磁网捕获空间碎片效果图

 

尽管空间碎片主动清除技术总体上处于论证和试验阶段，但激光烧蚀、太空拖网、机械臂捕获、离子束偏转、电磁吸附清除等技术路线已逐渐清晰。

 

其中，激光烧蚀方法要求航天器确保供能水平，发射高能激光束，使空间碎片局部气化或变轨，最终整体消散，或加速坠入大气层烧蚀。

 

某些航天器可以释放飞网捕捉系统，在理论上适合清除较大范围内不规则自旋运动的空间碎片。日本航天曾测试电磁捕网技术，遗憾失败，但积累了不少经验数据。

 

机械臂捕获技术则依托航天器高精度姿控系统，抓取卫星发动机喷管等特定结构，对于处置较大的空间碎片和航天器残骸具有实用价值。

 

事实上，随着人类的太空活动时间越来越长，飞向目的地越来越远，空间碎片防护已不再是纯粹的技术课题，它正在演变为关乎载人航天可持续性发展的战略问题。在此领域，国际合作与竞争并存，各国既支持共享监测数据，来降低航天器碰撞风险，又竞相争夺技术制高点。未来，太空安全将依赖于更精密的监测网络、更智能的航天器防护系统与更深入的国际合作。

 

作者：林胤之；来源：《中国航天报·飞天科普周刊》转自：中国航天报