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嗖！嗖！嗖！面对微流星体和空间碎片，航天器该怎么样应付

时间：2024-09-22 10:25来源：www.nousuan.com作者：未知点击：

2022年12月，就在俄罗斯航天员谢尔盖·普罗科皮耶夫和德米特里·佩特林正筹备开始进行预定的舱外活动时，国际空间站俄罗斯舱段上对接的网盟MS-22“康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基”号的推进舱被发现有液体泄露，并且液体以相当快的速度从泄漏点喷射而出，并持续了好几个小时……

网盟 MS-22 正在泄露冷却剂

俄罗斯航天员正在用接驳在科学号舱段上的欧洲机械臂对网盟号 MS-22 进行检查

一个不可以在太空修理的问题

在泄露结束后，航天员安娜·基基娜操作连接于科学号舱段上的欧洲机械臂进行了探查，在其他舱段上的加拿大臂2也加入了检查。后来依据地面职员和航天员们的判断，其被认定为网盟号推进舱内部的冷却管道由于某种缘由发生了冷却剂泄露。该冷却系统不只负责将降低模块的内部维持在合适乘员的舒适温度，还负责冷却深埋在里面的飞行计算机和其他设施。

非常遗憾，这不是一个可以在太空修理的问题。2023年3月27日，网盟MS-22号飞船携带218公斤科学实验结果和用于剖析或重复用的空间站设施返回地球。后据媒体报道，网盟MS-22飞船因被微流星体击中出现热调节系统泄漏问题。

微流星体碰撞航天器并不是初次。2006年9月9日，阿特兰蒂斯号航天飞机起飞实行STS-115号任务，这次任务主如果为了给国际空间站出货两个新桁架P3和P4，计划于9月21日返回地球。在检修时，修理职员在航天飞机右边有效载荷舱门的内侧的散热器上，发现了一个直径约有2.7毫米、穿深约有12毫米的洞。这个洞接近氟利昂循环冷却剂回路。航天飞机上有两个如此的冷却回路，假如两个回路中的一个被刺穿，致使氟利昂的泄露并迫使它关闭，可能意味着航天飞机被迫提前返回。

航天飞机 STS-115 有效载荷舱门的内侧的散热器被击中

而航天飞机在更早之前也被微流星体击中过。1995年的STS-73任务期间，当时一颗微流星体穿透了哥伦比亚号航天飞机的有效载荷舱门上的外部隔热层。据统计，航天飞机至少遭受过20次撞击，其中有航天发射导致的铝碎片，也有微流星体。不止是航天飞机，截止到2022年末，国际空间站大约12603平米的表面被击中了上千次，并在各处留下了痕迹。

近些年来，伴随火箭发射次数的逐年增长和卫星数目的迅速增长，大家对空间碎片的关注度正在变得愈加高。2022年也发生了疑似空间碎片致使卫星解体的事情。那样，什么是微流星体和空间碎片？它们会对航天器导致什么影响？大家对它们有哪些办法应付？

何谓微流星体和空间碎片？

流星体是漂浮在太阳系的一些陨石碎片，它们大小不等，有的小如灰尘或者砂砾，有的则大如一辆大卡车。流星是它们坠入地球大方层时，使得包围它们的空气产生电离而发生的亮光，而陨石则是降落到了地面的流星体。

人类对于流星并很熟悉。大家的地球每一天都在迎接来自宇宙的物质。据统计，每年大约有1000万千克的流星体即将来临地球，其中有一些则会撞击在地面上形成陨石坑并保存较为完好。而微流星体则是指流星体中尺寸在1厘米以下的碎片，这类碎片非常可能已经围绕着太阳漂浮了几亿年。太阳系中的微流星体主如果由在太阳系形成早期每个不同大小的小行星互相碰撞致使的。在太阳系形成早期的混乱中，小行星之间不断碰撞、凝聚，渐渐形成了如地球、火星如此的固态行星，而那些碰撞致使的碎屑就是微流星体的主要来源。它们中的不少在太阳系渐渐稳定下来后并没消失，而是在太阳引力范围内进行着不规则的运动。

除去小行星碰撞，还有一种威胁就是彗星。当产生流星体的母体彗星向地球回归时，地球及地球轨道航天器附近流星体数目会剧烈增加，对航天器构成非常大威胁。

空间碎片是人类太空活动产生的。虽然人类的航天史还不到百年，但因为人类太空活动正在逐年扩大，空间碎片的进步速度极为飞速。由于这类碎片源自人造物体，所以其主要在航天器主要分布的轨道，诸如1000千米以下的近地轨道，地球同步轨道和中地球轨道等等。因此，空间碎片对于人类的高价值太空资产，譬如空间站、通信卫星、网络星座、导航卫星、遥感卫星等等都有着很大的威胁。

空间碎片是由人类活动导致的。主要来源是废弃的在轨航天器，废弃的火箭箭体，用于离别阶段和整流罩的爆炸螺栓，火箭上的线缆和线路板，飞行过程中产生的金属碎片，油漆碎片，火箭的推进系统碎片，固体发动机在飞行过程中产生的三氧化二铝颗粒和熔渣，卫星或者火箭级段在轨过程中因为某些缘由致使的爆炸导致的碎片，或者是从有效载荷上意料之外离别的部件，譬如热防护层上的涂层掉落等。

除去以上这类缘由，还有一种空间碎片来源就是人为进行的反卫星实验，即通过发射反卫星导弹的方法击毁坐落于轨道上靶子卫星来对自己建设的反卫星系统进行测试。每一次反卫星实验都会致使很多的空间碎片产生。这类空间碎片不会只停留在原卫星的轨道上，伴随引力和大方的影响，这类碎片会渐渐扩散到每个高度和倾角的轨道上，在一段时间后形成包裹着整个地球的稀疏空间碎片云，随时可能威胁处于每个轨道上的航天器。

碎片会对航天器导致什么影响？

微流星体和空间碎片对航天器导致的碰撞损害可依据对航天器的影响程度而分为三类。以下微流星体和空间碎片合并称为碎片以便于说明。

灾难性碰撞。这是最为紧急的碎片碰撞事故，具体场面像电影《地心引力》中被很多反卫星实验产生的碎片袭击的国际空间站的场景，大量的碎片直接摧毁了空间站并同时摧毁了对接的航天飞机。这种等级的碰撞会导致航天器的完全失能并同时产生更多的碎片。现在这种等级的碰撞事件不多。

可恢复性碰撞。这是较为紧急的碎片碰撞事故。碰撞导致航天器暂时性功能丧失或部分功能丧失。譬如碰撞可能导致航天器飞行姿态失稳，需要通过调节姿态才能继续正常工作；又譬如太阳能电池帆板被袭击后，需要通过关闭某些设施才能保持电源系统正常工作等。

积累性效应碰撞。这是相对来讲比较轻微的碎片碰撞事故。一般导致这种碰撞的碎片都不大，一般为毫米或微米级，这种碰撞一般不会对航天器导致紧急损伤。但正所谓积沙成塔，聚沙成塔，碎片虽然单个导致的伤害有限，但其在轨数目十分庞大，因此其与航天器的碰撞几率非常高。这种长期的碰撞会对航天器会产生十分可观的积累伤害，特别对航天器外部材料、暴露光学仪器、太阳翼的性能退化影响更紧急。现在的国际空间站，就是一个遭到积累性效应碰撞的最好例子。

1984年4月7日，挑战者号航天飞机在轨道上放置了一个特殊的物体，其名字为LDEF，它是美国宇航局用于研究各种仪器、材料在太空环境中会遭遇何种影响的研究平台，全名是“长期暴露设施”，在轨道上滞留了69个月。1990年1月20日，LDEF由哥伦比亚号航天飞机带回地面。研究职员发现，受空间碎片和微流星体的撞击，其表约130平米面积的表面上发现了约34000个小撞击坑，最大的坑直径为6毫米，直径大于0.3毫米的坑有5000多个，其余均小于0.3毫米。碎片对温控涂层多次小的撞击导致的溅射，使5%的涂料从表面离别。这就是积累性效应碰撞所导致的伤害。

长期暴露设施，用于研究各种仪器、材料在太空环境中会遭遇何种影响的研究平台

从具体方面看，碎片的影响还可以分为对于载人航天器的威胁；对于航天器要紧部件的威胁；对于航天器表面材料性能的影响和对于航天器产生的污染影响等。

对于载人航天器的威胁十分好理解。譬如航天员正在进行太空行走，此时一大群小碎片向着空间站高速飞来，这种高速总是会达到每秒十几千米，这种碎片一旦击中了航天员身着的航天服大概致使击穿，对航天员的身体导致紧急威胁。因此，在航天员进行太空行走前都会对轨道环境进行评估，空间站也会有意识地去躲避一些可以被观测到的碎片。不过也有防不胜防的时候，譬如在航天飞机STS-118任务中，一个碎片击中了航天员用于太空行走的把手，而砸出来的坑十分锋利，直接把航天员的手套割出来了一个口子，进而致使那一次太空行走被迫提前结束。后来，员工专门对航天服的手套做了更好的防割处置。

碎片击中航天员移动把手

被划伤的航天服手套

对于航天器要紧部件的威胁则是一个比较大的话题，由于航天器的要紧部件有很多。譬如航天器的结构损伤，碎片击中航天器的面板后会致使其部分扭曲变形危及结构板的局部稳定性，破坏金属镶嵌物附近环氧树脂封装结构的完整性，导致仪器设施松动，影响仪器的正常工作。

假如击中了重压容器，譬如航天器燃料罐和调姿用的气罐，其在被穿透时将向外喷出物质产生推力，进而导致航天器姿态失去控制，足够大的推力可能导致航天器某些薄弱环节变形或断裂，甚至会发生爆炸。

对于卫星和空间站太阳电池帆板来讲，碰撞损伤或许会导致短路，供电能力降低。碎片假如对定向和驱动机构的碰撞导致了损毁，或许会致使帆板指向偏离太阳光方向，进而减少太阳能帆板供电能力，影响卫星和空间站的用电。假如碰撞到了卫星或者空间站的电池组，则会使电池供电能力丧失。

碎片击中国际空间站太阳电池帆板

假如碎片碰撞到了外置于航天器外部的天线，损伤会导致天线变形，性能降低，假如天线定向和驱动机构损害会使天线指向偏离，影响飞行任务甚至致使航天器失效。

碎片还会对航天器的表面材料导致影响。譬如对天或者对地的光学器件，这类器件对于多次微小碰撞引起的表面损伤非常敏锐，光线散射程度会急剧增加，而碰撞导致的污染粒子，还会使仪器光学性能降低。对于航天器在外部包裹的保温材料，譬如卫星表面包裹的聚酰亚胺材料等，多次微小碰撞会引起这类保温薄膜的的保温能力衰衰退化，热吸收系数变大，并且这类薄膜受微小碎片多次碰撞，可能导致紧急破损，减少隔热性能，假如直接击穿了表面材料，让一些不可以直接与外部接触的仪器与外面接触，会致使仪器失效。

国际空间站俄罗斯舱段希望号舱段保温毯被碎片击中

在这次网盟号MS-22冷却液泄露事故中，因为害怕泄露而出的冷却液接触到舱壁导致污染，地面职员需要空间站上的航天员关闭窗户以免污染物沾染。碎片击中表面材料后，或许会在航天器表面产生溅射、汽化、电离、等离子体云、二次碎片云等，会对航天器表面产生紧急污染。当然在太空中，除去碎片的存在，还有如原子氧、紫外线等会损伤航天器材料的原因。

STS-7 任务中航天飞机窗户被碎片击中

国际空间站星辰号核心舱的窗户被碎片击中

对碎片有哪些办法应付？

面对轨道中漂浮的很难计数的碎片，为了尽量减少它们对于航天器的威胁，现在有几个应付办法，如对轨道上的碎片进行追踪；采取减缓碎片增长的手段；为航天器做好防护；主动去捕获碎片等。

碎片追踪已经进行了不少年。依据欧洲空间局空间碎片办公室的数据，截止至2022年12月22日，有大约36500个尺寸大于10厘米的空间碎片，100万个1厘米~10厘米的空间碎片，1.3亿个1毫米~1厘米的空间碎片。但在这其中并不包含无数很难被地面雷达与望远镜察看到的尺寸极小的碎片，因此这种办法只可以用来对一些威胁较大、尺寸较大的碎片的轨道进行提前预测，并让空间站和卫星进行提前避免。

空间碎片围绕地球示意图

减缓碎片数目增长现在已经成为国际上的共识。可以减缓碎片增长的操作有不少，譬如通过释放残留推进剂对火箭二三级进行钝化。火箭二三级总是因为其离别时的速度和轨道已经没办法回到地球而被直接丢弃到太空，这个时候可以通过排空储箱中的燃料来对其进行钝化，让其不会在太空中爆炸产生碎片。而对于卫星，对那些已经很难回到大方层的、寿命已经到期的卫星，地面可通过一系列的机动将它调离现有些轨道，让出宝贵的轨道资源，使其前往一个超地球同步轨道，即大家熟悉的“坟墓轨道”。

航天器现在已经有很多办法可以去抵挡碎片的侵袭。譬如已经在国际空间站和一些深空探测器上使用了惠普尔盾。惠普尔盾本质上是几张以中间留有空隙的方法堆叠的金属板，金属可以是不锈钢或者硬质铝合金，中间可以填充譬如凯夫拉等用于防弹背心和头盔的纤维。以国际空间站欧洲哥伦布舱，节点舱2和节点舱3上用的一种惠普尔盾为例，其从外到内分别是：2毫米厚的306不锈钢，2毫米厚6061T-6铝合金，110毫米厚凯夫拉纤维防弹层，50毫米厚2219铝合金，最后是隔热层。

主动捕获现在是一种比较新颖的应付碎片的方法。2016年，日本向国际空间站发射了HTV-6补给飞船，其中有一个碎片采集器，可以通过放出绳网的方法去拦截捕获碎片，但最后因为并没成功放出绳网，任务失败。虽然现在各国都有用各种办法，譬如激光、绳网的方法去清理碎片的计划，但现在仍都没落地。不过，虽然针对碎片的清理仍无效果，但针对废弃卫星的清理实验已经成功进行。

美国宇航局教授唐纳德·凯斯勒于在1978年提出了一个效应，即因为低地球轨道的空间碎片污染已经很紧急，碎片与碎片、碎片与航天器之间的碰撞或许会致使级联反应，每次碰撞都会产生更多的碎片，而更多的碎片会进一步增加碰撞的可能性。这种设想被叫做“凯斯勒效应”。

在最坏的状况下，因为碎片已经完全笼罩了地球的每个轨道，人类将在非常长一段时间内没办法借助轨道资源，直到这类碎片自然回落到大方层内；但离大方层越远的碎片耗时就会越久，甚至可能花上成千上万年。这样的情况的出现并不是不可能，现在的地球轨道上正在存在着愈加多的卫星。在将来，上万颗低轨卫星将会在地球的近地轨道上运行，碎片碰撞的几率也会大大增加，碎片对于航天器的威胁也愈加大。为了一个更干净的轨道，参与航天活动的各方都需要一同努力，为清理太空环境作出贡献。

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