耽誤航天員回家的“罪魁禍?zhǔn)住保：Φ降子卸啻螅?/h1>
2025-11-15 00:00:00付毅飛
科學(xué)大觀園 2025年22期
據(jù)中國(guó)載人航天工程辦公室消息，神舟二十號(hào)載人飛船疑似遭空間微小碎片撞擊，正在進(jìn)行影響分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。為確保航天員生命健康安全和任務(wù)圓滿成功，經(jīng)研究決定，原計(jì)劃11月5日實(shí)施的神舟二十號(hào)返回任務(wù)將推遲進(jìn)行。
這些耽誤航天員回家的“罪魁禍?zhǔn)住薄臻g碎片，它們從哪兒來(lái)，危害有多大，有什么辦法可以預(yù)防和處理？全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩向科技日?qǐng)?bào)記者進(jìn)行了介紹。
第一問(wèn)：空間碎片從哪兒來(lái)？
空間碎片由人類航天活動(dòng)直接產(chǎn)生或間接衍生。
龐之浩介紹，廢棄航天器及相關(guān)部件是空間碎片最主要、最直接的來(lái)源，占比超過(guò)40%，包括退役衛(wèi)星、火箭殘骸、航天器解體殘骸等。
其次是航天活動(dòng)中的操作廢棄物。這類碎片多為航天任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中有意或無(wú)意丟棄的物品，尺寸雖小但數(shù)量龐大。包括：功能性拋棄物，如衛(wèi)星分離時(shí)的固定螺栓、火箭的保護(hù)罩、宇航員出艙活動(dòng)時(shí)遺落的工具等；微小脫落物，如航天器表面老化脫落的涂層碎片、太陽(yáng)能電池板的微小碎片、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的殘?jiān)取?/p>
另一類是航天器碰撞與爆炸產(chǎn)生的次生碎片，這是碎片數(shù)量不斷增加的關(guān)鍵原因。歷史上曾發(fā)生過(guò)衛(wèi)星與碎片、衛(wèi)星與衛(wèi)星的主動(dòng)碰撞，并產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，一次碰撞或爆炸產(chǎn)生的新碎片，會(huì)繼續(xù)撞擊其他航天器，形成“碎片雪崩”，導(dǎo)致軌道碎片密度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。
第二問(wèn)：空間碎片的危害有多大？
別小看空間碎片的威力。龐之浩說(shuō)，即使是直徑小于1厘米的空間微小碎片，憑借極高速度帶來(lái)的巨大動(dòng)能，也能對(duì)航天器造成致命損傷。
他介紹，空間碎片的運(yùn)動(dòng)速度普遍為每秒7至10公里，這種高速撞擊會(huì)產(chǎn)生極端破壞效果。毫米級(jí)碎片會(huì)劃傷航天器舷窗、太陽(yáng)翼，導(dǎo)致透光率下降或供電效率受損；厘米級(jí)碎片可直接穿透航天器外殼，擊穿燃料箱、管線等關(guān)鍵部件，引發(fā)泄漏或爆炸。即使未完全穿透，撞擊產(chǎn)生的沖擊波也可能震壞內(nèi)部精密儀器，導(dǎo)致導(dǎo)航、通信等系統(tǒng)失靈。
當(dāng)?shù)偷厍蜍壍浪槠芏冗_(dá)到臨界值時(shí)，一次碎片撞擊產(chǎn)生的新碎片，會(huì)引發(fā)更多撞擊，形成“多米諾骨牌效應(yīng)”，最終可能在軌道上形成一層“碎片云”，徹底阻斷人類進(jìn)入太空或使用衛(wèi)星的通道，對(duì)太空活動(dòng)造成長(zhǎng)期災(zāi)難性影響。
對(duì)于在太空行走的航天員來(lái)說(shuō)，他們對(duì)空間碎片幾乎沒(méi)有防護(hù)能力。哪怕是直徑0.1毫米的超細(xì)碎片，也可能穿透航天服的防護(hù)層，造成航天員受傷。即便置身于航天器內(nèi)，如果航天器被碎片撞擊失壓，艙內(nèi)航天員的生命安全也將直接受到威脅。
第三問(wèn)：目前有哪些技術(shù)可以應(yīng)對(duì)空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)？
一直以來(lái)，人類都在探索空間碎片的應(yīng)對(duì)辦法。龐之浩說(shuō)，目前預(yù)報(bào)空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)主要依靠監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析模型，處理風(fēng)險(xiǎn)則通過(guò)主動(dòng)規(guī)避、被動(dòng)防護(hù)以及碎片清除等多種手段相結(jié)合。
預(yù)報(bào)空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)主要有兩類。一是光學(xué)觀測(cè)技術(shù)，利用望遠(yuǎn)鏡和相機(jī)捕捉碎片反射的太陽(yáng)光，這適用于高軌道碎片的探測(cè)；高精度光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合圖像處理技術(shù)，可分辨直徑10微米以上的微小碎片，通過(guò)多站聯(lián)合觀測(cè)，能綜合分析碎片軌跡，減少軌道不確定性，提升預(yù)警準(zhǔn)確性。
二是雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)發(fā)射電磁波并接收反射信號(hào)，探測(cè)空間碎片的位置和速度。該技術(shù)具有全天候、遠(yuǎn)距離探測(cè)能力。高分辨率雷達(dá)系統(tǒng)可提供厘米級(jí)探測(cè)精度，有效識(shí)別不同尺寸的碎片，例如美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，可探測(cè)到直徑大于10厘米的碎片。
近年來(lái)，一些新技術(shù)不斷出現(xiàn)，例如激光雷達(dá)技術(shù)可以提供高時(shí)間分辨率，實(shí)時(shí)更新碎片位置，結(jié)合自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，還能克服大氣干擾，提升夜間或復(fù)雜氣象條件下的探測(cè)性能；多傳感器融合技術(shù)可以整合雷達(dá)、光學(xué)和激光雷達(dá)等數(shù)據(jù)，形成互補(bǔ)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法，消除單一傳感器的局限性，提高碎片識(shí)別和跟蹤的準(zhǔn)確性，同時(shí)支持三維空間重構(gòu)，實(shí)時(shí)生成碎片分布圖，為碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供直觀依據(jù)；碰撞概率分析技術(shù)可以結(jié)合軌道誤差模型，在預(yù)警區(qū)域判定的基礎(chǔ)上合理設(shè)置概率閾值，減少虛警率，提高航天器規(guī)避效率。
處理空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)也有多種。龐之浩說(shuō)，對(duì)于尺寸超過(guò)10厘米的較大空間碎片，航天器傾向于主動(dòng)實(shí)施軌道規(guī)避。面對(duì)難以觀測(cè)的小型、微型空間碎片，航天器主要采用被動(dòng)防護(hù)手段。科學(xué)家也在不斷探索激光燒蝕、太空拖網(wǎng)、機(jī)械臂捕獲、離子束偏轉(zhuǎn)、電磁吸附清除等碎片清除技術(shù)。
此外，現(xiàn)代航天器也在設(shè)計(jì)上充分貫徹空間碎片防控理念，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。
◎ 來(lái)源|科技日?qǐng)?bào)
據(jù)中國(guó)載人航天工程辦公室消息，神舟二十號(hào)載人飛船疑似遭空間微小碎片撞擊，正在進(jìn)行影響分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。為確保航天員生命健康安全和任務(wù)圓滿成功，經(jīng)研究決定，原計(jì)劃11月5日實(shí)施的神舟二十號(hào)返回任務(wù)將推遲進(jìn)行。
這些耽誤航天員回家的“罪魁禍?zhǔn)住薄臻g碎片，它們從哪兒來(lái)，危害有多大，有什么辦法可以預(yù)防和處理？全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩向科技日?qǐng)?bào)記者進(jìn)行了介紹。
第一問(wèn)：空間碎片從哪兒來(lái)？
空間碎片由人類航天活動(dòng)直接產(chǎn)生或間接衍生。
龐之浩介紹，廢棄航天器及相關(guān)部件是空間碎片最主要、最直接的來(lái)源，占比超過(guò)40%，包括退役衛(wèi)星、火箭殘骸、航天器解體殘骸等。
其次是航天活動(dòng)中的操作廢棄物。這類碎片多為航天任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中有意或無(wú)意丟棄的物品，尺寸雖小但數(shù)量龐大。包括：功能性拋棄物，如衛(wèi)星分離時(shí)的固定螺栓、火箭的保護(hù)罩、宇航員出艙活動(dòng)時(shí)遺落的工具等；微小脫落物，如航天器表面老化脫落的涂層碎片、太陽(yáng)能電池板的微小碎片、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的殘?jiān)取?/p>
另一類是航天器碰撞與爆炸產(chǎn)生的次生碎片，這是碎片數(shù)量不斷增加的關(guān)鍵原因。歷史上曾發(fā)生過(guò)衛(wèi)星與碎片、衛(wèi)星與衛(wèi)星的主動(dòng)碰撞，并產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，一次碰撞或爆炸產(chǎn)生的新碎片，會(huì)繼續(xù)撞擊其他航天器，形成“碎片雪崩”，導(dǎo)致軌道碎片密度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。
第二問(wèn)：空間碎片的危害有多大？
別小看空間碎片的威力。龐之浩說(shuō)，即使是直徑小于1厘米的空間微小碎片，憑借極高速度帶來(lái)的巨大動(dòng)能，也能對(duì)航天器造成致命損傷。
他介紹，空間碎片的運(yùn)動(dòng)速度普遍為每秒7至10公里，這種高速撞擊會(huì)產(chǎn)生極端破壞效果。毫米級(jí)碎片會(huì)劃傷航天器舷窗、太陽(yáng)翼，導(dǎo)致透光率下降或供電效率受損；厘米級(jí)碎片可直接穿透航天器外殼，擊穿燃料箱、管線等關(guān)鍵部件，引發(fā)泄漏或爆炸。即使未完全穿透，撞擊產(chǎn)生的沖擊波也可能震壞內(nèi)部精密儀器，導(dǎo)致導(dǎo)航、通信等系統(tǒng)失靈。
當(dāng)?shù)偷厍蜍壍浪槠芏冗_(dá)到臨界值時(shí)，一次碎片撞擊產(chǎn)生的新碎片，會(huì)引發(fā)更多撞擊，形成“多米諾骨牌效應(yīng)”，最終可能在軌道上形成一層“碎片云”，徹底阻斷人類進(jìn)入太空或使用衛(wèi)星的通道，對(duì)太空活動(dòng)造成長(zhǎng)期災(zāi)難性影響。
對(duì)于在太空行走的航天員來(lái)說(shuō)，他們對(duì)空間碎片幾乎沒(méi)有防護(hù)能力。哪怕是直徑0.1毫米的超細(xì)碎片，也可能穿透航天服的防護(hù)層，造成航天員受傷。即便置身于航天器內(nèi)，如果航天器被碎片撞擊失壓，艙內(nèi)航天員的生命安全也將直接受到威脅。
第三問(wèn)：目前有哪些技術(shù)可以應(yīng)對(duì)空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)？
一直以來(lái)，人類都在探索空間碎片的應(yīng)對(duì)辦法。龐之浩說(shuō)，目前預(yù)報(bào)空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)主要依靠監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析模型，處理風(fēng)險(xiǎn)則通過(guò)主動(dòng)規(guī)避、被動(dòng)防護(hù)以及碎片清除等多種手段相結(jié)合。
預(yù)報(bào)空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)主要有兩類。一是光學(xué)觀測(cè)技術(shù)，利用望遠(yuǎn)鏡和相機(jī)捕捉碎片反射的太陽(yáng)光，這適用于高軌道碎片的探測(cè)；高精度光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合圖像處理技術(shù)，可分辨直徑10微米以上的微小碎片，通過(guò)多站聯(lián)合觀測(cè)，能綜合分析碎片軌跡，減少軌道不確定性，提升預(yù)警準(zhǔn)確性。
二是雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)發(fā)射電磁波并接收反射信號(hào)，探測(cè)空間碎片的位置和速度。該技術(shù)具有全天候、遠(yuǎn)距離探測(cè)能力。高分辨率雷達(dá)系統(tǒng)可提供厘米級(jí)探測(cè)精度，有效識(shí)別不同尺寸的碎片，例如美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，可探測(cè)到直徑大于10厘米的碎片。
近年來(lái)，一些新技術(shù)不斷出現(xiàn)，例如激光雷達(dá)技術(shù)可以提供高時(shí)間分辨率，實(shí)時(shí)更新碎片位置，結(jié)合自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，還能克服大氣干擾，提升夜間或復(fù)雜氣象條件下的探測(cè)性能；多傳感器融合技術(shù)可以整合雷達(dá)、光學(xué)和激光雷達(dá)等數(shù)據(jù)，形成互補(bǔ)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法，消除單一傳感器的局限性，提高碎片識(shí)別和跟蹤的準(zhǔn)確性，同時(shí)支持三維空間重構(gòu)，實(shí)時(shí)生成碎片分布圖，為碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供直觀依據(jù)；碰撞概率分析技術(shù)可以結(jié)合軌道誤差模型，在預(yù)警區(qū)域判定的基礎(chǔ)上合理設(shè)置概率閾值，減少虛警率，提高航天器規(guī)避效率。
處理空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)也有多種。龐之浩說(shuō)，對(duì)于尺寸超過(guò)10厘米的較大空間碎片，航天器傾向于主動(dòng)實(shí)施軌道規(guī)避。面對(duì)難以觀測(cè)的小型、微型空間碎片，航天器主要采用被動(dòng)防護(hù)手段。科學(xué)家也在不斷探索激光燒蝕、太空拖網(wǎng)、機(jī)械臂捕獲、離子束偏轉(zhuǎn)、電磁吸附清除等碎片清除技術(shù)。
此外，現(xiàn)代航天器也在設(shè)計(jì)上充分貫徹空間碎片防控理念，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。
◎ 來(lái)源|科技日?qǐng)?bào)
