太空碎片數(shù)以億計(jì)？神十九出發(fā)去給空間站裝“金鐘罩”

10月30日拂曉，蔡旭哲、宋令東、王浩澤乘坐神舟十九號(hào)載人飛船躍出蒼穹，并將在中午完成太空交會(huì)對(duì)接，進(jìn)入400公里高的中國(guó)空間站。

這個(gè)“龍馬組合”（蔡旭哲屬龍，宋令東、王浩澤屬馬）此行有個(gè)重要使命，就是要為空間站安裝空間碎片防護(hù)裝置。

“載人航天，人命關(guān)天?！痹?0月29日上午舉行的神十九新聞發(fā)布會(huì)上，中國(guó)載人航天工程新聞發(fā)言人林西強(qiáng)表示，針對(duì)空間碎片撞擊空間站可能造成泄露等威脅，不斷優(yōu)化應(yīng)急處置方案，與空間站運(yùn)行初期相比，航天員可用于應(yīng)急處置的時(shí)間提高了5倍，空間站與航天員的安全性大幅提升。

在極端情況下，航天員可搭乘在軌飛船提前返回，或發(fā)射待命的應(yīng)急飛船實(shí)施救援。

那么，什么才是極端情況呢？

2013年上映的電影《地心引力》開(kāi)頭，有這樣一個(gè)情節(jié)：兩名國(guó)際空間站的宇航員出艙執(zhí)行檢修任務(wù)時(shí)，突然遭遇一場(chǎng)“碎片雨”。像子彈一樣高速飛過(guò)的衛(wèi)星碎片，不僅把空間站和航天飛機(jī)組合體撞得七零八落，還差點(diǎn)讓兩名宇航員命喪太空。

可以從大銀幕上直觀地體會(huì)到，神十九乘組的這項(xiàng)任務(wù)——為空間站加上“金鐘罩”，使其免遭太空碎片的突襲——是絕對(duì)的性命攸關(guān)。

沒(méi)有清道夫的高速公路

“近地軌道可以理解成距離地球比較近的一條寬闊車(chē)道。人類(lèi)向太空發(fā)射的物體，包括空間站、人造衛(wèi)星、探測(cè)器、飛船等，大多都聚集在近地軌道上?！?/p>

南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院教授聞新打了一個(gè)比方：高速公路上出現(xiàn)事故，會(huì)有拖車(chē)把事故車(chē)拖走，但近地軌道這條“高速公路”已經(jīng)使用了60多年，卻沒(méi)有拖車(chē)清理車(chē)道。

太空碎片，涵蓋了航天飛船廢棄的助推器、退役的人造衛(wèi)星（超3000個(gè)）、航天器的各種零件（螺絲刀、螺母、螺栓等），還有各類(lèi)體積較小的垃圾，比如航天器外部因強(qiáng)烈的紫外線照射而脫落的油漆碎片等。

“近地軌道上的碎片數(shù)量正在急劇增長(zhǎng)?！甭勑赂嬖V潮新聞?dòng)浾撸?strong>地球軌道上尺寸大于10厘米的碎片約有3.6萬(wàn)個(gè)，尺寸在1-10厘米之間的碎片有上百萬(wàn)個(gè)，而尺寸小于1厘米的碎片更是多達(dá)上億個(gè)。

由于碎片數(shù)量龐大，且小到無(wú)法追蹤，沒(méi)有人能夠準(zhǔn)確知道太空里一共漂浮著多少垃圾。

10月21日，美國(guó)國(guó)際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）發(fā)出警告，波音公司為其制造的Intelsat 33e高軌衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障解體，已追蹤到57塊太空碎片，并提醒其他衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商注意潛在的碎片云碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

這種事并不稀奇。早在1996年，法國(guó)CERISE衛(wèi)星被一塊來(lái)自1970年代阿里安火箭殘骸的碎片擊中，衛(wèi)星的主要天線被損壞，直接影響了衛(wèi)星正常運(yùn)行。

到了2009年，發(fā)生了航天史上首次衛(wèi)星在軌碰撞事故，美國(guó)銥星33號(hào)與俄羅斯廢棄的宇宙2251號(hào)偵察衛(wèi)星相撞，產(chǎn)生了數(shù)千碎片。這些碎片至今仍在軌道上，以第一宇宙速度疾馳。

2022年初，一顆編號(hào)為49863的空間碎片與我國(guó)清華科學(xué)衛(wèi)星“擦肩而過(guò)”，最近距離僅為14.5米，十分驚險(xiǎn)。

馬斯克的SpaceX提交給美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)的文件聲稱(chēng)，2021年俄羅斯進(jìn)行反衛(wèi)星試驗(yàn)，產(chǎn)生超過(guò)1500塊碎片云。為躲避碎片，“星鏈”衛(wèi)星進(jìn)行了多達(dá)1700次避讓。

太空碎片要繞著地球飛，時(shí)速必然達(dá)到28000公里（約7800米/秒），而步槍子彈出膛的速度，大約只有這個(gè)速度的十分之一。即使是很小的碎片在如此高速下撞擊時(shí)，動(dòng)能也相當(dāng)于一輛疾馳的汽車(chē)，足以刺穿航天器的外殼或損壞關(guān)鍵系統(tǒng)，如太陽(yáng)能電池板、天線等。

由于技術(shù)發(fā)展與成本下降，進(jìn)軍太空變得越來(lái)越容易，衛(wèi)星也越做越小。

蘇聯(lián)“和平”號(hào)空間站太陽(yáng)能帆板被碎片撞擊成這幅樣子。圖源：中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)

數(shù)據(jù)顯示，在2012年之前人類(lèi)向太空發(fā)射的航天器每年不超過(guò)200個(gè)。然而，到了2020年，這個(gè)數(shù)字暴漲到1200，2021年則是約1800個(gè)。

2021年，SpaceX的獵鷹9號(hào)火箭“一箭143星”，刷新了世界紀(jì)錄。SpaceX的“星鏈”互聯(lián)網(wǎng)星座，計(jì)劃發(fā)射多達(dá)4.2萬(wàn)顆衛(wèi)星，目前在軌已超過(guò)了6000顆。

科學(xué)家估計(jì)，物體的數(shù)量增加一倍，碰撞幾率就會(huì)增加四倍。

1978年，美國(guó)科學(xué)家唐納德·凱斯勒提出“凱斯勒效應(yīng)”：近地軌道物體密度達(dá)到一定程度后，碎片之間相撞會(huì)形成更多的碎片，導(dǎo)致更多撞擊，惡性循環(huán)最終使近地軌道完全被太空垃圾覆蓋。

無(wú)論是載人航天器還是無(wú)人衛(wèi)星，都面臨著太空碎片的威脅。每年，航天器必須多次進(jìn)行軌道調(diào)整，以避免與這些高速飛行的碎片相撞。這種調(diào)整不僅消耗燃料，還影響航天任務(wù)的正常運(yùn)行。

躲開(kāi)碎片沒(méi)那么簡(jiǎn)單

想要躲開(kāi)太空碎片，就先得看見(jiàn)它們。

2023年9月21日，在“天宮課堂”第四課上，空間站里的景海鵬回答內(nèi)蒙古學(xué)生關(guān)于太空垃圾的提問(wèn)時(shí)說(shuō)，“我們經(jīng)常透過(guò)空間站的舷窗去看，甚至還用望遠(yuǎn)鏡去找，不過(guò)到目前為止，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)太空垃圾的蹤影。”

不過(guò)，看不到不代表沒(méi)有。某些碎片極其難以辨別，暗淡到只有14至15等星。當(dāng)星等降到15等，亮度約是肉眼可見(jiàn)恒星的1/1000。

林西強(qiáng)在昨天的新聞發(fā)布會(huì)上透露，與空間站運(yùn)行初期相比，航天員可用于應(yīng)急處置的時(shí)間提高了5倍，空間站與航天員的安全性大幅提升。

也就是說(shuō)，我們發(fā)現(xiàn)碎片的預(yù)警時(shí)間比以前長(zhǎng)了5倍，能讓我們很從容地加以應(yīng)對(duì)。這是怎么做到的呢？

這就不得不提我國(guó)2021年4月發(fā)射升空入軌的那顆衛(wèi)星——試驗(yàn)六號(hào)03星，這標(biāo)志著我國(guó)建成了首個(gè)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的天基空間環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)。

“試驗(yàn)六號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)主要用于空間環(huán)境探測(cè)，從而保護(hù)航天器安全。”試驗(yàn)六號(hào)總設(shè)計(jì)師、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副院長(zhǎng)胡海鷹介紹，“這些目標(biāo)碎片就像海洋中的魚(yú)，我們首先要確保看得到，能區(qū)分出它們是什么，追蹤其行跡，然后計(jì)算、預(yù)測(cè)其軌道，才能將它們‘管’起來(lái)?！甭勑赂嬖V潮新聞?dòng)浾撸覈?guó)的雷達(dá)電子技術(shù)近年來(lái)突飛猛進(jìn)，包括試驗(yàn)六號(hào)在內(nèi)的先進(jìn)探測(cè)技術(shù)獲得應(yīng)用，讓中國(guó)有了太空邊疆的“安全衛(wèi)士”。

“原來(lái)我們很難看清太空里1-10厘米尺寸的碎片，但是這種碎片的破壞力是不容小覷的。我們盡量讓航天器避開(kāi)太空碎片多的地方，就像我們刮風(fēng)下雨天盡量少出門(mén)一樣?！甭勑抡f(shuō)，現(xiàn)在預(yù)告精度提高了，我們對(duì)空間站和航天員的安全就放心多了。

一旦發(fā)現(xiàn)對(duì)空間站有威脅的碎片，怎么辦？景海鵬在《天宮課堂》上說(shuō)，會(huì)通過(guò)軌道機(jī)動(dòng)等措施進(jìn)行主動(dòng)規(guī)避。

那么，此次神十九要執(zhí)行的“安裝空間碎片防護(hù)裝置”的任務(wù)是怎么做的呢？據(jù)中國(guó)航天科技集團(tuán)專(zhuān)家李學(xué)東透露，艙外有一些電纜之類(lèi)的關(guān)鍵設(shè)備，要由航天員安裝防護(hù)板，將其保護(hù)起來(lái)。

“中國(guó)空間站為了保證安全采取了很多措施，主要是三種手段。”李學(xué)東介紹道。

手段之一：被動(dòng)防護(hù)。在艙外安裝一些防護(hù)裝置，來(lái)抵御微小碎片的撞擊。這種裝置在發(fā)射前就已經(jīng)安裝好了。但是鑒于如今空間碎片空前密集的惡劣的情況，神十八、神十九乘組要在艙外對(duì)裝置進(jìn)行加固，進(jìn)一步確?？臻g站的安全。

手段之二：主動(dòng)規(guī)避。對(duì)于空間碎片進(jìn)行預(yù)測(cè)、編目，通過(guò)軌道計(jì)算提前發(fā)現(xiàn)哪些空間碎片有與空間站發(fā)生交會(huì)的風(fēng)險(xiǎn)，讓空間站主動(dòng)變軌來(lái)規(guī)避來(lái)襲碎片。

手段之三：應(yīng)急處置。如果空間站真的因?yàn)樗槠矒魧?dǎo)致密封艙的泄露，航天員要火速堵漏，不能讓密封艙空氣繼續(xù)泄露。這對(duì)于航天員的心理素質(zhì)和應(yīng)急突發(fā)處置能力，是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

“小的碎片很難預(yù)報(bào)和觀測(cè)，通常我們采用硬扛的辦法，空間站表面有防護(hù)層。對(duì)于一些特別敏感的重要設(shè)備，還要進(jìn)行單獨(dú)的加固和防護(hù)?！眹?guó)際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)主席楊宇光告訴潮新聞?dòng)浾?，“一旦被撞，如果泄漏速度比較慢，還可以從容處置；如果泄露速度比較快，確實(shí)需要緊急撤離了。”

如果發(fā)現(xiàn)碎片實(shí)在避不開(kāi)，航天員可以緊急進(jìn)入非常堅(jiān)固的飛船返回艙，隨時(shí)準(zhǔn)備返回地球。近年來(lái)，國(guó)際空間站就曾發(fā)生過(guò)這一幕。

3月2日，在北京航天飛行控制中心拍攝的神舟十七號(hào)航天員湯洪波在空間站組合體艙外作業(yè)。圖源：新華社

如何保障航天員出艙活動(dòng)的安全？“出艙前，對(duì)于軌道上可能的隕石等碎片會(huì)進(jìn)行排查，一旦發(fā)現(xiàn)軌道重疊，就不在這個(gè)時(shí)間段出艙?！睏钣罟饨忉屨f(shuō)，“而且你看出艙航天服這么笨重，它本身就已經(jīng)考慮了抵抗就微小碎片的撞擊，保證航天員沒(méi)有生命危險(xiǎn)。”

清理垃圾考驗(yàn)人類(lèi)擔(dān)當(dāng)和責(zé)任

“此時(shí)此刻，長(zhǎng)征二號(hào)F遙二十運(yùn)載火箭與神舟二十號(hào)載人飛船正在酒泉發(fā)射中心總裝廠房?jī)?nèi)待命，一旦有必要，可以迅速轉(zhuǎn)入發(fā)射狀態(tài)，執(zhí)行空間站應(yīng)急救援任務(wù)，確保航天員生命安全?！痹?9日的發(fā)布會(huì)上，林西強(qiáng)這樣介紹。

火箭和飛船是如何待命的呢？楊宇光告訴潮新聞?dòng)浾?，在待命狀態(tài)下，它們只需要經(jīng)過(guò)組裝和簡(jiǎn)單的測(cè)試，而且能在不必大幅損失可靠性和安全性的情況下，組織發(fā)射。

“火箭和飛船都是非常復(fù)雜的產(chǎn)品，可靠性和飛行安全性都要依靠充分的測(cè)試去保證的。但測(cè)試就需要時(shí)間，測(cè)試的覆蓋性、全面性、徹底性，都會(huì)影響到飛行安全，這就產(chǎn)生了矛盾?！睏钣罟庹f(shuō)，“因此我們只能盡可能優(yōu)化測(cè)試過(guò)程，確保在不損失可靠性的前提下去盡量縮短測(cè)試時(shí)間，來(lái)贏得搶救航天員的時(shí)間?！?/p>

如何清理太空垃圾，變得迫在眉睫。多國(guó)已啟動(dòng)相關(guān)項(xiàng)目，來(lái)應(yīng)對(duì)太空垃圾問(wèn)題。

歐洲空間局（ESA）啟動(dòng)了一個(gè)ClearSpace項(xiàng)目，給太空碎片降速，使其慢于第一宇宙速度后，它就會(huì)墜入大氣層，與大氣摩擦燒毀。

由英國(guó)薩里大學(xué)主導(dǎo)的RemoveDEBRIS項(xiàng)目，于2018年分別試驗(yàn)了使用“網(wǎng)和魚(yú)叉”來(lái)清理垃圾。通過(guò)多次試驗(yàn)，“網(wǎng)和魚(yú)叉”都被證實(shí)是可行的清理手段。

“我認(rèn)為應(yīng)該加強(qiáng)協(xié)調(diào)機(jī)制，各國(guó)加強(qiáng)工作中航天器軌道的互相通報(bào)。尤其是經(jīng)過(guò)變軌后之前軌道無(wú)效了，更新的軌道要及時(shí)向其它各方進(jìn)行同步，這才是負(fù)責(zé)任的做法?！睏钣罟庹f(shuō)，“還有，就是共同加強(qiáng)對(duì)失效航天器和空間碎片的軌道預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)?！?/p>

楊宇光還提出了一個(gè)重要問(wèn)題——太空碎片的清除，技術(shù)非常復(fù)雜、成本很高，卻是一件自己看不到直接收益的事。

“到底誰(shuí)來(lái)做、誰(shuí)來(lái)買(mǎi)單，這是目前世界各國(guó)所面臨的一個(gè)共同課題。這不僅考驗(yàn)我們的技術(shù)和財(cái)力，也會(huì)考驗(yàn)全人類(lèi)的責(zé)任感和團(tuán)結(jié)程度?！睏钣罟庹f(shuō)。