空間站正在太空中“躲貓貓”

連升

地球高空范圍很大，但是垃圾也很多，棄用后仍漂浮在大氣層中的人造航天器碎片高達(dá)50萬件，它們的速度達(dá)到2. 8萬千米/小時——是子彈速度的10倍。被碎片擊中一次，還在使用的航天器基本就報廢了。在這樣危險的環(huán)境下，漂浮著一臺人類歷史上造過的最昂貴的機(jī)械裝置：國際空間站。這個總重量達(dá)460噸的龐然大物要如何在“槍林彈雨”中生存呢？

看清每一顆“子彈”

要想避開每一顆來襲的子彈，就要看清楚子彈的前進(jìn)路線，這樣才能在它到來之前預(yù)先躲避。

國際空間站不獨(dú)屬于哪個國家，它是國際合作的產(chǎn)物，美國、蘇聯(lián)、加拿大、日本、巴西和歐洲航天局等共16個國家和地區(qū)的宇航局參與研制。美俄宇航員扛著各種零件，在天地之間往返近百次才終于組裝成了現(xiàn)在這個模樣的空間站。因此，保證空間站的安全和正常運(yùn)營也是各國的共同責(zé)任，美國空軍和俄羅斯宇航局共同負(fù)責(zé)碎片的監(jiān)視工作。

在美國戰(zhàn)略司令部的空軍基地中，記錄著一份《宇宙垃圾名錄》，里面記載著所有直徑超過10厘米的太空垃圾的名字。每天，工作人員會在早中晚不同時間，將這些太空垃圾的運(yùn)行軌道和空間站的軌道進(jìn)行對比，總共約進(jìn)行40萬次核對，用于判斷空間站被“擊中”的風(fēng)險有多大。通過比對和計算，如果判斷出碎片即將進(jìn)入空間站的安全距離（距離空間站上下各1.6千米，兩邊長24千米的區(qū)域），空軍基地就會向美國宇航局發(fā)出警報。

每年宇航局都會接到幾十到上百次的碰撞警告，但不是每一次警告都需要做出閃避的決定，美國宇航局的專家們進(jìn)一步計算碰撞的可能性并與俄羅斯的專家們共同決定空間站是否需要閃避。如果碰撞幾率有十萬分之一，除非和太空任務(wù)有沖突，否則空間站就必須避開。一旦碰撞幾率達(dá)到萬分之一時，即使需要中止太空任務(wù)，空間站也必須移動。

最驚險的“躲貓貓”

之所以要提前預(yù)計風(fēng)險，是因?yàn)榭臻g站每做出一次閃避的動作都需要至少30個小時的執(zhí)行時間。

最耗時的是溝通工作。為了計算合適的推進(jìn)量，美國宇航局的工作人員需要精確計算空間站的質(zhì)量，包括停靠在空間站上的飛船和宇航員。接著，還要與俄羅斯的彈道專家一起決定空間站躲閃動作的各項(xiàng)參數(shù)。在進(jìn)行移動前，美國宇航局會再次與碎片追蹤員核對，保證空間站不會撞上其它碎片。方案確定后，專家們將通過計算機(jī)遙控空間站。

別看空間站這么重，事實(shí)上它是個相當(dāng)靈活的“胖子”。空間站由四個控制力矩陀螺儀來調(diào)控受力方向和大小，可以改變軌道高度和運(yùn)動方向。空間站還有幾組推進(jìn)器，可以做出翻滾和騰挪的動作。在進(jìn)行躲避動作時，陀螺儀是首要的“方向盤”。

除此以外，彈道專家們還將使用附在空間站上的飛船推進(jìn)系統(tǒng)來改變位置。前來運(yùn)送補(bǔ)給的太空船也可以幫忙，推上一把空間站。2015年，彈道專家們就利用來送貨的“進(jìn)步號”飛船的推進(jìn)器將空間站的軌道提升了約1千米，成功避開一枚火箭碎片。在這一系列的躲閃操作后，空間站會以0.5～1米每秒的速度移動。

以上的一切是在提前數(shù)天發(fā)出預(yù)警，有充足的反應(yīng)時間的情況下做出的應(yīng)對，如果專家們直到最后一刻才發(fā)現(xiàn)碎片來襲怎么辦？如果這種情況發(fā)生，他們只能啟動名為“碎片來襲的預(yù)定躲避特技”的方案，即省略前期所有溝通環(huán)節(jié)，不管不顧地啟動推進(jìn)器，以0.5米每秒的高速向前沖，讓空間站到達(dá)另一個地點(diǎn)。

當(dāng)然，這個方案本身已經(jīng)是很危險的保底方法了，不僅不一定奏效，還可能撞上前方的其他碎片。而一旦被碎片擊中，不僅空間站可能墜毀，里面的宇航員和實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)家也會喪命。因此，在加速計劃執(zhí)行時，空間站中的人員需要躲到附屬的“聯(lián)盟號”太空飛船中去，做好隨時逃難的準(zhǔn)備。2011年，“聯(lián)盟號”就立了一次大功，當(dāng)時發(fā)現(xiàn)太空碎片過晚，連最后的躲避方案也沒能生效，空間站中的所有人只好躲到了“聯(lián)盟號”里面去。最后那枚碎片就在距離空間站僅725米的上方掠過，一場危機(jī)有驚無險地落幕了。

“天宮”的躲貓貓新招

隨著太空越來越擁擠，國際空間站需要移動躲避的時候越來越多。2020年1-9月間，空間站已移動了三次，其中一次宇航員們還躲入了“聯(lián)盟號”中，而往年移動避險的次數(shù)不足兩次，甚至一次也沒有。這種情況對2020年開始建造的中國空間站“天宮”也是不小的挑戰(zhàn)。

為了應(yīng)對太空垃圾，中國工程師們想出了一些方法。與美俄相似，中國也建立了專門的預(yù)警機(jī)制，不間斷地監(jiān)控太空碎片，隨時準(zhǔn)備緊急避險。萬一遇到危險，技術(shù)人員會在地面向“天宮”發(fā)出指令，改變其飛行軌道及速度，避開危險物后，再回到預(yù)定的軌道繼續(xù)飛行。

此外，工程師們還給“天宮”打造了一副“鋼筋鐵骨”，即通過優(yōu)選表面材料、改變結(jié)構(gòu)和增加厚度來提高航天器抵御太空碎片撞擊的能力，還在太空站的薄弱部位安裝了防護(hù)板，可以遮擋微小碎片對它的撞擊，將脆弱經(jīng)不起撞擊的關(guān)鍵部件安置在中心地帶中，處于層層保護(hù)之下。當(dāng)然還有更先進(jìn)的，比如把航天器防護(hù)屏幕做成了網(wǎng)狀，并在防護(hù)屏外涂了一層特殊材料。當(dāng)碎片與其發(fā)生碰撞時，碰撞產(chǎn)生的能量能與太空垃圾發(fā)生爆炸式的化學(xué)反應(yīng)，促使碎片變成粉末。

最后，“天宮”系列還配備了完美的“自殺”方案，確保退役的飛行器不會產(chǎn)生新的太空垃圾。“天宮一號”是中國首個太空空間實(shí)驗(yàn)室，2018年，在完成使命后，“天宮一號”主動離軌，絕大部分器件在空中分解并燒蝕銷毀，剩余殘骸隕落在了南太平洋中部海域，既沒有對地面造成任何威脅，也沒有制造太空垃圾。

地球的高空正在變得越來越擁擠，在這里“躲貓貓”的難度也越來越大，希望科學(xué)家們能早日想出更好的辦法應(yīng)對太空垃圾問題。