中國空間站“披甲”，航天器防範空間碎片有哪些招數？

3月21日，“神十九”乘組第三次出艙，完成了中國空間站空間碎片防護裝置安裝等任務。隨着空間碎片威脅日益嚴峻，航天器有哪些招數應對？空間碎片防護裝置有哪些亮點？未來，哪些新技術有望幫助航天器迎擊“來襲者”，確保工作更加安全高效？ 

密切監測 及時規避

不考慮天然微流星體，空間碎片主要來自航天活動，包括失效衞星、廢棄火箭末級、航天意外事故殘骸等。無論是航天器在軌爆炸或相撞，還是航天器“無害”脱落螺栓、隔熱材料等，往往會產生數以千計的空間碎片。

航天器在軌解體會產生大量空間碎片

隨着航天事業蓬勃發展，特別是近年來低軌巨型星座加速建設，地球軌道上空間碎片數量激增。截至2024年，可追蹤的較大空間碎片超過4.4萬個，尺寸大於1釐米的“潛在有害”空間碎片更是超過100萬個。它們普遍以第一宇宙速度運行，撞擊破壞力不可低估，因此加強保護航天器成為各國航天關注焦點之一。

目前，針對尺寸超過10釐米的較大空間碎片，航天器傾向於主動實施軌道規避。

“躲”的前提是高精度監測與快速決策，尤其是建立起完善的空間碎片監測、預警網絡。當前，國際航天解決方案主要沿着3個維度展開。

其一，建立全天候、全球性天地協同監測體系，監測手段包括空間望遠鏡、雷達以及應用光子技術等新概念方法。例如，俄羅斯光電監測系統採用三通道信息連接和視角擴大技術，顯著提升了追蹤空間碎片的精度。

如果監測網絡預報顯示，空間碎片較大概率會進入航天器“預警區域”，航天器就可以啓動變軌程序。

以國際空間站為例，其預警區域範圍大概為4公里×50公里×50公里，分為內外兩層。如果空間碎片進入內層，國際空間站必須實施規避。如果空間碎片進入外層，航天員與地面團隊需密切監控。

其二，引入碰撞概率分析，結合軌道誤差模型，在預警區域判定的基礎上，合理設置概率閾值，減少虛警率，提高航天器規避效率。特別是系統判斷空間碎片存在與航天器碰撞風險時，預警系統應觸發航天器變軌規避策略。

例如，2019年歐空局通過太空跟蹤與監視系統，預測伽利略導航衞星大概率將在2021年與火箭殘骸相撞，因此及時調整衞星軌道，使碰撞概率降到安全閾值以下。

其三，現代航天器設計充分貫徹空間碎片防控理念，優化結構，採用防爆燃料貯箱，減少外露部件，從源頭上減少空間碎片產生。此外，航天器退役後需自動變軌，或在其他航天器輔助下，前往“墓地”軌道。

國際合作將在空間碎片監測領域發揮重要作用，涉及監測設備協調工作、數據共享與相關產業應用合作等，甚至有可能催生前景廣闊的航天市場。

結構強化 努力升級

面對更多難以觀測的小型、微型空間碎片，航天器不可能消耗過多的燃料和時間進行躲避，被動防護成為主要手段。

國際空間站不時會遭遇空間碎片撞擊

根據美國宇航局公開標準，國際空間站的防護結構要求能夠經受住1.3釐米直徑的鋁球以7公里/秒的速度垂直撞擊。

為此，國際空間站採用了所謂“惠普爾防護罩”。該理念最早由美國天體物理學家弗雷德·惠普爾於1947年提出，在航天器約2.5釐米厚外壁的基礎上，包裹1毫米厚的特殊金屬層。如果微型空間碎片的尺寸與金屬層厚度相差不大，兩者高速相撞會產生爆炸效應，併發生氣化、電離等現象，從而將空間碎片擊碎，至少消耗其動能，再由航天器內層儘量降低撞擊的危害。

同時，航天器防護結構遵循“區域分級防護”理念。也就是説，航天器並非所有部位均設計“均等防護”，而是根據各區域的關鍵性進行分級防護。例如，在空間站上，密封艙作為航天員的生命保障核心區，防護層級最高；推進系統、供電設備等次之；太陽翼等部件面積大，難以完全防護，更多借助冗餘設計降低風險。

其實，空間碎片防護裝置設計本質上是航天器在被動防禦與主動規避之間尋求平衡的“藝術”。新一代空間站安裝的空間碎片防護裝置在材料選擇和結構質量上實現了進一步優化，採用多層複合結構，綜合應用高強度材料和能量吸收層， 既減輕了重量，又提升了抗衝擊性能。

冗餘設計 現場維修

儘管航天器機動變軌和防護裝置性能不斷改善，仍不能確保消除所有空間碎片威脅。因此，航天器有時候只能通過系統設計儘量提升生存能力。比如，航天器可以採用冗餘線路佈局，避免單點失效，同時分散佈置關鍵設備，減少過於集中暴露的風險。

“神十九”航天員出艙作業

具體到空間站，可以優化供電系統，做到跨艙段供電，避免少量空間碎片引發整個空間站供電危機。為了保障航天員安全，空間站應當在不止一個艙段內配備再生式生命保障系統，提供冗餘備份。

遭遇撞擊威脅時，空間站首先會通過艙體傳感器網絡即時監測衝擊力與壓力變化。當空間碎片撞擊影響達到閾值時，結構健康監測系統立即報警，並藉助氮氣分壓監測手段，區分正常波動與異常險情。

接下來，系統將盡快定位空間站受損泄漏部位，綜合採用超聲波探測與艙段封閉隔離方法，可以精準定位毫米級損傷，快速評估泄漏狀況。

然後，天地系統將分層級啓動決策：從容安排修補微小損傷，有可能不會第一時間要求航天員開展高強度作業；輔助航天員處置中等損傷，包括佩戴氧氣面罩作業；假如泄漏狀況超過安全閾值，系統會立即隔離受損艙段；極端情況下，航天員不得不撤離到載人飛船內。總之，整個處置流程既依賴空間站設備快速響應，又要求航天員克服壓力、精準操作，更考驗了地面指揮系統對風險等級的即時判斷與決策。

值得一提的是，航天員在軌維修同樣是載人航天器防護體系的重要一環。據媒體公開報道稱，“神十七”乘組完成中國航天首次艙外維修任務，而“神十九”乘組安裝空間站防護裝置時，同步開展艙外設施設備巡檢。

考慮到任務成本和風險，除了哈勃空間望遠鏡等極少數項目外，無人航天器難以具備這種“動態補強”能力。

技術創新 方案優化

總體來看，防護空間碎片的科技手段正在朝着躲、防、修綜合應用的方向發展，既有傳統策略優化，也涉及前沿技術突破。

不過，隨着空間碎片密度持續快速提升，傳統防護手段的效果逐漸接近物理極限。有觀點認為，未來10年間，空間碎片主動清除技術有機會實用化，進一步改善航天器安全性。

航天器釋放電磁網捕獲空間碎片效果圖

儘管空間碎片主動清除技術總體上處於論證和試驗階段，但激光燒蝕、太空拖網、機械臂捕獲、離子束偏轉、電磁吸附清除等技術路線已逐漸清晰。

其中，激光燒蝕方法要求航天器確保供能水平，發射高能激光束，使空間碎片局部氣化或變軌，最終整體消散，或加速墜入大氣層燒蝕。

某些航天器可以釋放飛網捕捉系統，在理論上適合清除較大範圍內不規則自旋運動的空間碎片。日本航天曾測試電磁捕網技術，遺憾失敗，但積累了不少經驗數據。

機械臂捕獲技術則依託航天器高精度姿控系統，抓取衞星發動機噴管等特定結構，對於處置較大的空間碎片和航天器殘骸具有實用價值。

事實上，隨着人類的太空活動時間越來越長，飛向目的地越來越遠，空間碎片防護已不再是純粹的技術課題，它正在演變為關乎載人航天可持續性發展的戰略問題。在此領域，國際合作與競爭並存，各國既支持共享監測數據，來降低航天器碰撞風險，又競相爭奪技術制高點。未來，太空安全將依賴於更精密的監測網絡、更智能的航天器防護系統與更深入的國際合作。

來源/《中國航天報·飛天科普週刊》，原標題《空間碎片來襲，航天器如何轉危為安？》

文/林胤之