2022年12月，就在俄羅斯航天員謝爾蓋·普羅科皮耶夫和德米特里·佩特林正準備開(kāi)始進(jìn)行預定的艙外活動(dòng)時(shí)，國際空間站俄羅斯艙段上對接的聯(lián)盟MS-22“康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基”號的推進(jìn)艙被發(fā)現有液體泄露，并且液體以相當快的速度從泄漏點(diǎn)噴射而出，并持續了好幾個(gè)小時(shí)……

聯(lián)盟 MS-22 正在泄露冷卻劑

俄羅斯航天員正在使用接駁在科學(xué)號艙段上的歐洲機械臂對聯(lián)盟號 MS-22 進(jìn)行檢查

一個(gè)不能在太空維修的故障

在泄露結束后，航天員安娜·基基娜操作連接于科學(xué)號艙段上的歐洲機械臂進(jìn)行了探查，在其他艙段上的加拿大臂2也加入了檢查。后來(lái)根據地面人員和航天員們的判斷，其被認定為聯(lián)盟號推進(jìn)艙內部的冷卻管道因為某種原因發(fā)生了冷卻劑泄露。該冷卻系統不僅負責將下降模塊的內部保持在適合乘員的舒適溫度，還負責冷卻深埋在里面的飛行計算機和其他設備。

很遺憾，這不是一個(gè)能夠在太空維修的故障。2023年3月27日，聯(lián)盟MS-22號飛船帶著(zhù)218公斤科學(xué)實(shí)驗結果和用于分析或重復使用的空間站設備返回地球。后據媒體報道，聯(lián)盟MS-22飛船因被微流星體擊中出現熱調節系統泄漏問(wèn)題。

微流星體碰撞航天器并非首次。2006年9月9日，阿特蘭蒂斯號航天飛機起飛執行STS-115號任務(wù)，這次任務(wù)主要是為了給國際空間站交付兩個(gè)新桁架P3和P4，計劃于9月21日返回地球。在檢修時(shí)，維修人員在航天飛機右側有效載荷艙門(mén)的內側的散熱器上，發(fā)現了一個(gè)直徑約有2.7毫米、穿深約有12毫米的洞。這個(gè)洞接近氟利昂循環(huán)冷卻劑回路。航天飛機上有兩個(gè)這樣的冷卻回路，如果兩個(gè)回路中的一個(gè)被刺穿，導致氟利昂的泄露并迫使它關(guān)閉，可能意味著(zhù)航天飛機被迫提前返回。

航天飛機 STS-115 有效載荷艙門(mén)的內側的散熱器被擊中

而航天飛機在更早之前也被微流星體擊中過(guò)。1995年的STS-73任務(wù)期間，當時(shí)一顆微流星體穿透了哥倫比亞號航天飛機的有效載荷艙門(mén)上的外部隔熱層。據統計，航天飛機至少遭受過(guò)20次撞擊，其中有航天發(fā)射造成的鋁碎片，也有微流星體。不僅是航天飛機，截止到2022年末，國際空間站大約12603平方米的表面被擊中了上千次，并在各處留下了痕跡。

近些年來(lái)，隨著(zhù)火箭發(fā)射次數的逐年上升和衛星數量的快速增長(cháng)，人們對空間碎片的關(guān)注度正在變得越來(lái)越高。2022年也發(fā)生了疑似空間碎片導致衛星解體的事情。那么，什么是微流星體和空間碎片？它們會(huì )對航天器造成什么影響？我們對它們有什么方法應對？

何謂微流星體和空間碎片？

流星體是漂浮在太陽(yáng)系的一些隕石碎片，它們大小不等，有些小如灰塵或者砂礫，有些則大如一輛大卡車(chē)。流星是它們墜入地球大氣層時(shí)，使得包圍它們的空氣產(chǎn)生電離而發(fā)生的亮光，而隕石則是降落到了地面的流星體。

人類(lèi)對于流星并不陌生。我們的地球每一天都在迎接來(lái)自宇宙的物質(zhì)。據統計，每年大約有1000萬(wàn)千克的流星體降臨地球，其中有一些則會(huì )撞擊在地面上形成隕石坑并保存較為完好。而微流星體則是指流星體中尺寸在1厘米以下的碎片，這些碎片很可能已經(jīng)圍繞著(zhù)太陽(yáng)漂浮了幾億年。太陽(yáng)系中的微流星體主要是由在太陽(yáng)系形成早期各個(gè)不同大小的小行星互相碰撞導致的。在太陽(yáng)系形成早期的混亂中，小行星之間不斷碰撞、凝聚，逐漸形成了如地球、火星這樣的固態(tài)行星，而那些碰撞導致的碎屑就是微流星體的主要來(lái)源。它們中的很多在太陽(yáng)系逐漸穩定下來(lái)后并沒(méi)有消失，而是在太陽(yáng)引力范圍內進(jìn)行著(zhù)不規則的運動(dòng)。

除了小行星碰撞，還有一種威脅就是彗星。當產(chǎn)生流星體的母體彗星向地球回歸時(shí)，地球及地球軌道航天器附近流星體數量會(huì )劇烈增加，對航天器構成很大威脅。

空間碎片是人類(lèi)太空活動(dòng)產(chǎn)生的。雖然人類(lèi)的航天史還不到百年，但是由于人類(lèi)太空活動(dòng)正在逐年擴大，空間碎片的發(fā)展速度極為迅速。因為這些碎片來(lái)源于人造物體，所以其主要在航天器主要分布的軌道，諸如1000千米以下的近地軌道，地球同步軌道和中地球軌道等等。因此，空間碎片對于人類(lèi)的高價(jià)值太空資產(chǎn)，比如空間站、通信衛星、互聯(lián)網(wǎng)星座、導航衛星、遙感衛星等等都有著(zhù)極大的威脅。

空間碎片是由人類(lèi)活動(dòng)造成的。主要來(lái)源是廢棄的在軌航天器，廢棄的火箭箭體，用于分離階段和整流罩的爆炸螺栓，火箭上的線(xiàn)纜和線(xiàn)路板，飛行過(guò)程中產(chǎn)生的金屬碎片，油漆碎片，火箭的推進(jìn)系統碎片，固體發(fā)動(dòng)機在飛行過(guò)程中產(chǎn)生的三氧化二鋁顆粒和熔渣，衛星或者火箭級段在軌過(guò)程中由于某些原因導致的爆炸造成的碎片，或者是從有效載荷上意外分離的部件，比如熱防護層上的涂層脫落等。

除了以上這些原因，還有一種空間碎片來(lái)源就是人為進(jìn)行的反衛星實(shí)驗，即通過(guò)發(fā)射反衛星導彈的方式擊毀位于軌道上靶子衛星來(lái)對自身建設的反衛星系統進(jìn)行測試。每一次反衛星實(shí)驗都會(huì )導致大量的空間碎片產(chǎn)生。這些空間碎片不會(huì )只停留在原衛星的軌道上，隨著(zhù)引力和大氣的影響，這些碎片會(huì )逐漸擴散到各個(gè)高度和傾角的軌道上，在一段時(shí)間后形成包裹著(zhù)整個(gè)地球的稀疏空間碎片云，隨時(shí)可能威脅處于各個(gè)軌道上的航天器。

碎片會(huì )對航天器造成什么影響？

微流星體和空間碎片對航天器造成的碰撞損害可根據對航天器的影響程度而分為三類(lèi)。以下微流星體和空間碎片合并稱(chēng)為碎片以便于說(shuō)明。

災難性碰撞。這是最為嚴重的碎片碰撞事故，具體場(chǎng)面類(lèi)似于電影《地心引力》中被大量反衛星實(shí)驗產(chǎn)生的碎片襲擊的國際空間站的場(chǎng)景，海量的碎片直接摧毀了空間站并同時(shí)摧毀了對接的航天飛機。這種等級的碰撞會(huì )造成航天器的完全失能并同時(shí)產(chǎn)生更多的碎片。目前這類(lèi)等級的碰撞事件不多。

可恢復性碰撞。這是較為嚴重的碎片碰撞事故。碰撞造成航天器暫時(shí)性功能喪失或部分功能喪失。比如碰撞可能造成航天器飛行姿態(tài)失穩，需要通過(guò)調節姿態(tài)才能繼續正常工作；又比如太陽(yáng)能電池帆板被襲擊后，需要通過(guò)關(guān)閉某些設備才能維持電源系統正常工作等。

積累性效應碰撞。這是相對來(lái)說(shuō)比較輕微的碎片碰撞事故。一般造成這種碰撞的碎片都不大，一般為毫米或微米級，這種碰撞一般不會(huì )對航天器造成嚴重損傷。但正所謂積少成多，聚沙成塔，碎片雖然單個(gè)造成的傷害有限，但是其在軌數量十分龐大，因此其與航天器的碰撞幾率很高。這種長(cháng)時(shí)間的碰撞會(huì )對航天器會(huì )產(chǎn)生十分可觀(guān)的積累傷害，尤其對航天器外部材料、暴露光學(xué)儀器、太陽(yáng)翼的性能退化影響更嚴重。目前的國際空間站，就是一個(gè)受到積累性效應碰撞的最好例子。

1984年4月7日，挑戰者號航天飛機在軌道上放置了一個(gè)特殊的物體，其名稱(chēng)為L(cháng)DEF，它是美國宇航局用于研究各種儀器、材料在太空環(huán)境中會(huì )遭遇何種影響的研究平臺，全稱(chēng)是“長(cháng)期暴露設施”，在軌道上滯留了69個(gè)月。1990年1月20日，LDEF由哥倫比亞號航天飛機帶回地面。研究人員發(fā)現，受空間碎片和微流星體的撞擊，其表約130平方米面積的表面上發(fā)現了約34000個(gè)小撞擊坑，最大的坑直徑為6毫米，直徑大于0.3毫米的坑有5000多個(gè)，其余均小于0.3毫米。碎片對溫控涂層多次小的撞擊造成的濺射，使5%的涂料從表面分離。這就是積累性效應碰撞所造成的傷害。

長(cháng)期暴露設施，用于研究各種儀器、材料在太空環(huán)境中會(huì )遭遇何種影響的研究平臺

從具體方面看，碎片的影響還可以分為對于載人航天器的威脅；對于航天器重要部件的威脅；對于航天器表面材料性能的影響和對于航天器產(chǎn)生的污染影響等。

對于載人航天器的威脅十分好理解。比如航天員正在進(jìn)行太空行走，此時(shí)一大群小碎片向著(zhù)空間站高速飛來(lái)，這種高速往往會(huì )達到每秒十幾千米，這種碎片一旦擊中了航天員身著(zhù)的航天服很有可能導致?lián)舸?，對航天員的身體造成嚴重威脅。因此，在航天員進(jìn)行太空行走前都會(huì )對軌道環(huán)境進(jìn)行評估，空間站也會(huì )有意識地去躲避一些能夠被觀(guān)測到的碎片。不過(guò)也有防不勝防的時(shí)候，比如在航天飛機STS-118任務(wù)中，一個(gè)碎片擊中了航天員用于太空行走的把手，而砸出來(lái)的坑十分鋒利，直接把航天員的手套割出來(lái)了一個(gè)口子，進(jìn)而導致那一次太空行走被迫提前結束。后來(lái)，工作人員專(zhuān)門(mén)對航天服的手套做了更好的防割處理。

碎片擊中航天員移動(dòng)把手

被劃傷的航天服手套

對于航天器重要部件的威脅則是一個(gè)比較大的話(huà)題，因為航天器的重要部件有許多。比如航天器的結構損傷，碎片擊中航天器的面板后會(huì )導致其部分扭曲變形危及結構板的局部穩定性，破壞金屬鑲嵌物附近環(huán)氧樹(shù)脂封裝結構的完整性，造成儀器設備松動(dòng)，影響儀器的正常工作。

如果擊中了壓力容器，比如航天器燃料罐和調姿用的氣罐，其在被穿透時(shí)將向外噴出物質(zhì)產(chǎn)生推力，進(jìn)而造成航天器姿態(tài)失控，足夠大的推力可能造成航天器某些薄弱環(huán)節變形或斷裂，甚至會(huì )發(fā)生爆炸。

對于衛星和空間站太陽(yáng)電池帆板來(lái)說(shuō)，碰撞損傷可能會(huì )造成短路，供電能力下降。碎片如果對定向和驅動(dòng)機構的碰撞造成了損壞，可能會(huì )導致帆板指向偏離太陽(yáng)光方向，進(jìn)而降低太陽(yáng)能帆板供電能力，影響衛星和空間站的用電。如果碰撞到了衛星或者空間站的電池組，則會(huì )使電池供電能力喪失。

碎片擊中國際空間站太陽(yáng)電池帆板

如果碎片碰撞到了外置于航天器外部的天線(xiàn)，損傷會(huì )造成天線(xiàn)變形，性能下降，如果天線(xiàn)定向和驅動(dòng)機構損害會(huì )使天線(xiàn)指向偏離，影響飛行任務(wù)甚至導致航天器失效。

碎片還會(huì )對航天器的表面材料造成影響。比如對天或者對地的光學(xué)器件，這些器件對于多次微小碰撞引起的表面損傷很敏感，光線(xiàn)散射程度會(huì )急劇增加，而碰撞造成的污染粒子，還會(huì )使儀器光學(xué)性能下降。對于航天器在外部包裹的保溫材料，比如衛星表面包裹的聚酰亞胺材料等，多次微小碰撞會(huì )引起這些保溫薄膜的的保溫能力衰減退化，熱吸收系數變大，并且這些薄膜受微小碎片多次碰撞，可能造成嚴重破損，降低隔熱性能，如果直接擊穿了表面材料，讓一些不能直接與外部接觸的儀器與外界接觸，會(huì )導致儀器失效。

國際空間站俄羅斯艙段曙光號艙段保溫毯被碎片擊中

在這次聯(lián)盟號MS-22冷卻液泄露事故中，由于害怕泄露而出的冷卻液接觸到艙壁造成污染，地面人員要求空間站上的航天員關(guān)閉窗戶(hù)以免污染物沾染。碎片擊中表面材料后，可能會(huì )在航天器表面產(chǎn)生濺射、汽化、電離、等離子體云、二次碎片云等，會(huì )對航天器表面產(chǎn)生嚴重污染。當然在太空中，除了碎片的存在，還有如原子氧、紫外線(xiàn)等會(huì )損傷航天器材料的因素。

STS-7 任務(wù)中航天飛機窗戶(hù)被碎片擊中

國際空間站星辰號核心艙的窗戶(hù)被碎片擊中

對碎片有什么方法應對？

面對軌道中漂浮的難以計數的碎片，為了盡可能降低它們對于航天器的威脅，目前有幾個(gè)應對方法，如對軌道上的碎片進(jìn)行追蹤；采取減緩碎片增長(cháng)的措施；為航天器做好防護；主動(dòng)去捕獲碎片等。

碎片追蹤已經(jīng)進(jìn)行了很多年。根據歐洲空間局空間碎片辦公室的數據，截止至2022年12月22日，有大約36500個(gè)尺寸大于10厘米的空間碎片，100萬(wàn)個(gè)1厘米~10厘米的空間碎片，1.3億個(gè)1毫米~1厘米的空間碎片。但是在這其中并不包括無(wú)數難以被地面雷達與望遠鏡觀(guān)察到的尺寸極小的碎片，因此這種方法只能用來(lái)對一些威脅較大、尺寸較大的碎片的軌道進(jìn)行提前預測，并讓空間站和衛星進(jìn)行提前規避。

空間碎片圍繞地球示意圖

減緩碎片數量增長(cháng)目前已經(jīng)成為國際上的共識?？梢詼p緩碎片增長(cháng)的操作有很多，比如通過(guò)釋放殘留推進(jìn)劑對火箭二三級進(jìn)行鈍化?；鸺壨捎谄浞蛛x時(shí)的速度和軌道已經(jīng)無(wú)法回到地球而被直接遺棄到太空，這時(shí)可以通過(guò)排空儲箱中的燃料來(lái)對其進(jìn)行鈍化，讓其不會(huì )在太空中爆炸產(chǎn)生碎片。而對于衛星，對那些已經(jīng)難以回到大氣層的、壽命已經(jīng)到期的衛星，地面可通過(guò)一系列的機動(dòng)將其調離現有的軌道，讓出寶貴的軌道資源，使其前往一個(gè)超地球同步軌道，即人們熟知的“墓地軌道”。

航天器目前已經(jīng)有許多方法可以去抵擋碎片的侵襲。比如已經(jīng)在國際空間站和一些深空探測器上采用了惠普爾盾?；萜諣柖鼙举|(zhì)上是幾張以中間留有空隙的方式堆疊的金屬板，金屬可以是不銹鋼或者硬質(zhì)鋁合金，中間可以填充比如凱夫拉等用于防彈背心和頭盔的纖維。以國際空間站歐洲哥倫布艙，節點(diǎn)艙2和節點(diǎn)艙3上使用的一種惠普爾盾為例，其從外到內分別是：2毫米厚的306不銹鋼，2毫米厚6061T-6鋁合金，110毫米厚凱夫拉纖維防彈層，50毫米厚2219鋁合金，最后是隔熱層。

主動(dòng)捕獲目前是一種比較新穎的應對碎片的方式。2016年，日本向國際空間站發(fā)射了HTV-6補給飛船，其中有一個(gè)碎片收集器，可以通過(guò)放出繩網(wǎng)的方式去攔截捕獲碎片，但是最終由于并沒(méi)有成功放出繩網(wǎng)，任務(wù)失敗。雖然目前各國都有用各種方法，比如激光、繩網(wǎng)的方式去清理碎片的計劃，但是目前仍都沒(méi)有落地。不過(guò)，雖然針對碎片的清理仍無(wú)收效，但是針對廢棄衛星的清理實(shí)驗已經(jīng)成功進(jìn)行。

美國宇航局教授唐納德·凱斯勒于在1978年提出了一個(gè)效應，即由于低地球軌道的空間碎片污染已經(jīng)非常嚴重，碎片與碎片、碎片與航天器之間的碰撞可能會(huì )導致級聯(lián)反應，每次碰撞都會(huì )產(chǎn)生更多的碎片，而更多的碎片會(huì )進(jìn)一步增加碰撞的可能性。這種設想被稱(chēng)為“凱斯勒效應”。

在最壞的情況下，由于碎片已經(jīng)完全籠罩了地球的各個(gè)軌道，人類(lèi)將在很長(cháng)一段時(shí)間內無(wú)法利用軌道資源，直到這些碎片自然回落到大氣層內；但是離大氣層越遠的碎片耗時(shí)就會(huì )越久，甚至可能花上成千上萬(wàn)年。這種情況的出現并非不可能，目前的地球軌道上正在存在著(zhù)越來(lái)越多的衛星。在未來(lái)，上萬(wàn)顆低軌衛星將會(huì )在地球的近地軌道上運行，碎片碰撞的幾率也會(huì )大大增加，碎片對于航天器的威脅也越來(lái)越大。為了一個(gè)更干凈的軌道，參與航天活動(dòng)的各方都需要共同努力，為清理太空環(huán)境作出貢獻。

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