2022年12月，就在俄羅斯航天員謝爾蓋·普羅科皮耶夫和德米特里·佩特林正準(zhǔn)備開始進(jìn)行預(yù)定的艙外活動(dòng)時(shí)，國際空間站俄羅斯艙段上對(duì)接的聯(lián)盟MS-22“康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基”號(hào)的推進(jìn)艙被發(fā)現(xiàn)有液體泄露，并且液體以相當(dāng)快的速度從泄漏點(diǎn)噴射而出，并持續(xù)了好幾個(gè)小時(shí)……
△聯(lián)盟MS-22 正在泄漏冷卻劑
△俄羅斯航天員正在使用接駁在科學(xué)號(hào)艙段上的歐洲機(jī)械臂對(duì)聯(lián)盟號(hào)MS-22進(jìn)行檢查
一個(gè)不能在太空維修的故障
在泄露結(jié)束后，航天員安娜·基基娜操作連接于科學(xué)號(hào)艙段上的歐洲機(jī)械臂進(jìn)行了探查，在其他艙段上的加拿大臂2也加入了檢查。后來根據(jù)地面人員和航天員們的判斷，其被認(rèn)定為聯(lián)盟號(hào)推進(jìn)艙內(nèi)部的冷卻管道因?yàn)槟撤N原因發(fā)生了冷卻劑泄露。該冷卻系統(tǒng)不僅負(fù)責(zé)將下降模塊的內(nèi)部保持在適合乘員的舒適溫度，還負(fù)責(zé)冷卻深埋在里面的飛行計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備。
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很遺憾，這不是一個(gè)能夠在太空維修的故障。2023年3月27日，聯(lián)盟MS-22號(hào)飛船帶著218公斤科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和用于分析或重復(fù)使用的空間站設(shè)備返回地球。后據(jù)媒體報(bào)道，聯(lián)盟MS-22飛船因被微流星體擊中出現(xiàn)熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)泄漏問題。
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微流星體碰撞航天器并非首次。2006年9月9日，阿特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)起飛執(zhí)行STS-115號(hào)任務(wù)，這次任務(wù)主要是為了給國際空間站交付兩個(gè)新桁架P3和P4，計(jì)劃于9月21日返回地球。在檢修時(shí)，維修人員在航天飛機(jī)右側(cè)有效載荷艙門的內(nèi)側(cè)的散熱器上，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)直徑約有2.7毫米、穿深約有12毫米的洞。這個(gè)洞接近氟利昂循環(huán)冷卻劑回路。航天飛機(jī)上有兩個(gè)這樣的冷卻回路，如果兩個(gè)回路中的一個(gè)被刺穿，導(dǎo)致氟利昂的泄露并迫使它關(guān)閉，可能意味著航天飛機(jī)被迫提前返回。
△航天飛機(jī)STS-115有效載荷艙門的內(nèi)側(cè)的散熱器被擊中
而航天飛機(jī)在更早之前也被微流星體擊中過。1995年的STS-73任務(wù)期間，當(dāng)時(shí)一顆微流星體穿透了哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)的有效載荷艙門上的外部隔熱層。據(jù)統(tǒng)計(jì)，航天飛機(jī)至少遭受過20次撞擊，其中有航天發(fā)射造成的鋁碎片，也有微流星體。不僅是航天飛機(jī)，截止到2022年末，國際空間站大約12603平方米的表面被擊中了上千次，并在各處留下了痕跡。
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近些年來，隨著火箭發(fā)射次數(shù)的逐年上升和衛(wèi)星數(shù)量的快速增長，人們對(duì)空間碎片的關(guān)注度正在變得越來越高。2022年也發(fā)生了疑似空間碎片導(dǎo)致衛(wèi)星解體的事情。那么，什么是微流星體和空間碎片？它們會(huì)對(duì)航天器造成什么影響？我們對(duì)它們有什么方法應(yīng)對(duì)？
何謂微流星體和空間碎片？
流星體是漂浮在太陽系的一些隕石碎片，它們大小不等，有些小如灰塵或者砂礫，有些則大如一輛大卡車。流星是它們墜入地球大氣層時(shí)，使得包圍它們的空氣產(chǎn)生電離而發(fā)生的亮光，而隕石則是降落到了地面的流星體。
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人類對(duì)于流星并不陌生。我們的地球每一天都在迎接來自宇宙的物質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年大約有1000萬千克的流星體降臨地球，其中有一些則會(huì)撞擊在地面上形成隕石坑并保存較為完好。而微流星體則是指流星體中尺寸在1厘米以下的碎片，這些碎片很可能已經(jīng)圍繞著太陽漂浮了幾億年。太陽系中的微流星體主要是由在太陽系形成早期各個(gè)不同大小的小行星互相碰撞導(dǎo)致的。在太陽系形成早期的混亂中，小行星之間不斷碰撞、凝聚，逐漸形成了如地球、火星這樣的固態(tài)行星，而那些碰撞導(dǎo)致的碎屑就是微流星體的主要來源。它們中的很多在太陽系逐漸穩(wěn)定下來后并沒有消失，而是在太陽引力范圍內(nèi)進(jìn)行著不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。
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除了小行星碰撞，還有一種威脅就是彗星。當(dāng)產(chǎn)生流星體的母體彗星向地球回歸時(shí)，地球及地球軌道航天器附近流星體數(shù)量會(huì)劇烈增加，對(duì)航天器構(gòu)成很大威脅。
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空間碎片是人類太空活動(dòng)產(chǎn)生的。雖然人類的航天史還不到百年，但是由于人類太空活動(dòng)正在逐年擴(kuò)大，空間碎片的發(fā)展速度極為迅速。因?yàn)檫@些碎片來源于人造物體，所以其主要在航天器主要分布的軌道，諸如1000千米以下的近地軌道，地球同步軌道和中地球軌道等等。因此，空間碎片對(duì)于人類的高價(jià)值太空資產(chǎn)，比如空間站、通信衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)星座、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星等等都有著極大的威脅。
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空間碎片是由人類活動(dòng)造成的。主要來源是廢棄的在軌航天器，廢棄的火箭箭體，用于分離階段和整流罩的爆炸螺栓，火箭上的線纜和線路板，飛行過程中產(chǎn)生的金屬碎片，油漆碎片，火箭的推進(jìn)系統(tǒng)碎片，固體發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行過程中產(chǎn)生的三氧化二鋁顆粒和熔渣，衛(wèi)星或者火箭級(jí)段在軌過程中由于某些原因?qū)е碌谋ㄔ斐傻乃槠?，或者是從有效載荷上意外分離的部件，比如熱防護(hù)層上的涂層脫落等。
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除了以上這些原因，還有一種空間碎片來源就是人為進(jìn)行的反衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)，即通過發(fā)射反衛(wèi)星導(dǎo)彈的方式擊毀位于軌道上靶子衛(wèi)星來對(duì)自身建設(shè)的反衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行測試。每一次反衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)都會(huì)導(dǎo)致大量的空間碎片產(chǎn)生。這些空間碎片不會(huì)只停留在原衛(wèi)星的軌道上，隨著引力和大氣的影響，這些碎片會(huì)逐漸擴(kuò)散到各個(gè)高度和傾角的軌道上，在一段時(shí)間后形成包裹著整個(gè)地球的稀疏空間碎片云，隨時(shí)可能威脅處于各個(gè)軌道上的航天器。
碎片會(huì)對(duì)航天器造成什么影響？
微流星體和空間碎片對(duì)航天器造成的碰撞損害可根據(jù)對(duì)航天器的影響程度而分為三類。以下微流星體和空間碎片合并稱為碎片以便于說明。
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災(zāi)難性碰撞。這是最為嚴(yán)重的碎片碰撞事故，具體場面類似于電影《地心引力》中被大量反衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的碎片襲擊的國際空間站的場景，海量的碎片直接摧毀了空間站并同時(shí)摧毀了對(duì)接的航天飛機(jī)。這種等級(jí)的碰撞會(huì)造成航天器的完全失能并同時(shí)產(chǎn)生更多的碎片。目前這類等級(jí)的碰撞事件不多。
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可恢復(fù)性碰撞。這是較為嚴(yán)重的碎片碰撞事故。碰撞造成航天器暫時(shí)性功能喪失或部分功能喪失。比如碰撞可能造成航天器飛行姿態(tài)失穩(wěn)，需要通過調(diào)節(jié)姿態(tài)才能繼續(xù)正常工作；又比如太陽能電池帆板被襲擊后，需要通過關(guān)閉某些設(shè)備才能維持電源系統(tǒng)正常工作等。
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積累性效應(yīng)碰撞。這是相對(duì)來說比較輕微的碎片碰撞事故。一般造成這種碰撞的碎片都不大，一般為毫米或微米級(jí)，這種碰撞一般不會(huì)對(duì)航天器造成嚴(yán)重?fù)p傷。但正所謂積少成多，聚沙成塔，碎片雖然單個(gè)造成的傷害有限，但是其在軌數(shù)量十分龐大，因此其與航天器的碰撞幾率很高。這種長時(shí)間的碰撞會(huì)對(duì)航天器會(huì)產(chǎn)生十分可觀的積累傷害，尤其對(duì)航天器外部材料、暴露光學(xué)儀器、太陽翼的性能退化影響更嚴(yán)重。目前的國際空間站，就是一個(gè)受到積累性效應(yīng)碰撞的最好例子。
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1984年4月7日，挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)在軌道上放置了一個(gè)特殊的物體，其名稱為LDEF，它是美國宇航局用于研究各種儀器、材料在太空環(huán)境中會(huì)遭遇何種影響的研究平臺(tái)，全稱是“長期暴露設(shè)施”，在軌道上滯留了69個(gè)月。1990年1月20日，LDEF由哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)帶回地面。研究人員發(fā)現(xiàn)，受空間碎片和微流星體的撞擊，其表約130平方米面積的表面上發(fā)現(xiàn)了約34000個(gè)小撞擊坑，最大的坑直徑為6毫米，直徑大于0.3毫米的坑有5000多個(gè)，其余均小于0.3毫米。碎片對(duì)溫控涂層多次小的撞擊造成的濺射，使5%的涂料從表面分離。這就是積累性效應(yīng)碰撞所造成的傷害。
△長期暴露設(shè)施，用于研究各種儀器、材料在太空環(huán)境中會(huì)遭遇何種影響的研究平臺(tái)
從具體方面看，碎片的影響還可以分為對(duì)于載人航天器的威脅；對(duì)于航天器重要部件的威脅；對(duì)于航天器表面材料性能的影響和對(duì)于航天器產(chǎn)生的污染影響等。
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對(duì)于載人航天器的威脅十分好理解。比如航天員正在進(jìn)行太空行走，此時(shí)一大群小碎片向著空間站高速飛來，這種高速往往會(huì)達(dá)到每秒十幾千米，這種碎片一旦擊中了航天員身著的航天服很有可能導(dǎo)致?lián)舸?，?duì)航天員的身體造成嚴(yán)重威脅。因此，在航天員進(jìn)行太空行走前都會(huì)對(duì)軌道環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，空間站也會(huì)有意識(shí)地去躲避一些能夠被觀測到的碎片。不過也有防不勝防的時(shí)候，比如在航天飛機(jī)STS-118任務(wù)中，一個(gè)碎片擊中了航天員用于太空行走的把手，而砸出來的坑十分鋒利，直接把航天員的手套割出來了一個(gè)口子，進(jìn)而導(dǎo)致那一次太空行走被迫提前結(jié)束。后來，工作人員專門對(duì)航天服的手套做了更好的防割處理。
△碎片擊中航天員移動(dòng)把手
△被劃傷的航天服手套
對(duì)于航天器重要部件的威脅則是一個(gè)比較大的話題，因?yàn)楹教炱鞯闹匾考性S多。比如航天器的結(jié)構(gòu)損傷，碎片擊中航天器的面板后會(huì)導(dǎo)致其部分扭曲變形危及結(jié)構(gòu)板的局部穩(wěn)定性，破壞金屬鑲嵌物附近環(huán)氧樹脂封裝結(jié)構(gòu)的完整性，造成儀器設(shè)備松動(dòng)，影響儀器的正常工作。
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如果擊中了壓力容器，比如航天器燃料罐和調(diào)姿用的氣罐，其在被穿透時(shí)將向外噴出物質(zhì)產(chǎn)生推力，進(jìn)而造成航天器姿態(tài)失控，足夠大的推力可能造成航天器某些薄弱環(huán)節(jié)變形或斷裂，甚至?xí)l(fā)生爆炸。
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對(duì)于衛(wèi)星和空間站太陽電池帆板來說，碰撞損傷可能會(huì)造成短路，供電能力下降。碎片如果對(duì)定向和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞造成了損壞，可能會(huì)導(dǎo)致帆板指向偏離太陽光方向，進(jìn)而降低太陽能帆板供電能力，影響衛(wèi)星和空間站的用電。如果碰撞到了衛(wèi)星或者空間站的電池組，則會(huì)使電池供電能力喪失。
△碎片擊中國際空間站太陽電池帆板
如果碎片碰撞到了外置于航天器外部的天線，損傷會(huì)造成天線變形，性能下降，如果天線定向和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)損害會(huì)使天線指向偏離，影響飛行任務(wù)甚至導(dǎo)致航天器失效。
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碎片還會(huì)對(duì)航天器的表面材料造成影響。比如對(duì)天或者對(duì)地的光學(xué)器件，這些器件對(duì)于多次微小碰撞引起的表面損傷很敏感，光線散射程度會(huì)急劇增加，而碰撞造成的污染粒子，還會(huì)使儀器光學(xué)性能下降。對(duì)于航天器在外部包裹的保溫材料，比如衛(wèi)星表面包裹的聚酰亞胺材料等，多次微小碰撞會(huì)引起這些保溫薄膜的的保溫能力衰減退化，熱吸收系數(shù)變大，并且這些薄膜受微小碎片多次碰撞，可能造成嚴(yán)重破損，降低隔熱性能，如果直接擊穿了表面材料，讓一些不能直接與外部接觸的儀器與外界接觸，會(huì)導(dǎo)致儀器失效。
△國際空間站俄羅斯艙段曙光號(hào)艙段保溫毯被碎片擊中
在這次聯(lián)盟號(hào)MS-22冷卻液泄露事故中，由于害怕泄露而出的冷卻液接觸到艙壁造成污染，地面人員要求空間站上的航天員關(guān)閉窗戶以免污染物沾染。碎片擊中表面材料后，可能會(huì)在航天器表面產(chǎn)生濺射、汽化、電離、等離子體云、二次碎片云等，會(huì)對(duì)航天器表面產(chǎn)生嚴(yán)重污染。當(dāng)然在太空中，除了碎片的存在，還有如原子氧、紫外線等會(huì)損傷航天器材料的因素。
△STS-7任務(wù)中航天飛機(jī)窗戶被碎片擊中
△國際空間站星辰號(hào)核心艙的窗戶被碎片擊中
對(duì)碎片有什么方法應(yīng)對(duì)？
面對(duì)軌道中漂浮的難以計(jì)數(shù)的碎片，為了盡可能降低它們對(duì)于航天器的威脅，目前有幾個(gè)應(yīng)對(duì)方法，如對(duì)軌道上的碎片進(jìn)行追蹤；采取減緩碎片增長的措施；為航天器做好防護(hù)；主動(dòng)去捕獲碎片等。
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碎片追蹤已經(jīng)進(jìn)行了很多年。根據(jù)歐洲空間局空間碎片辦公室的數(shù)據(jù)，截止至2022年12月22日，有大約36500個(gè)尺寸大于10厘米的空間碎片，100萬個(gè)1厘米~10厘米的空間碎片，1.3億個(gè)1毫米~1厘米的空間碎片。但是在這其中并不包括無數(shù)難以被地面雷達(dá)與望遠(yuǎn)鏡觀察到的尺寸極小的碎片，因此這種方法只能用來對(duì)一些威脅較大、尺寸較大的碎片的軌道進(jìn)行提前預(yù)測，并讓空間站和衛(wèi)星進(jìn)行提前規(guī)避。
△空間碎片圍繞地球示意圖
減緩碎片數(shù)量增長目前已經(jīng)成為國際上的共識(shí)?？梢詼p緩碎片增長的操作有很多，比如通過釋放殘留推進(jìn)劑對(duì)火箭二三級(jí)進(jìn)行鈍化?；鸺?jí)往往由于其分離時(shí)的速度和軌道已經(jīng)無法回到地球而被直接遺棄到太空，這時(shí)可以通過排空儲(chǔ)箱中的燃料來對(duì)其進(jìn)行鈍化，讓其不會(huì)在太空中爆炸產(chǎn)生碎片。而對(duì)于衛(wèi)星，對(duì)那些已經(jīng)難以回到大氣層的、壽命已經(jīng)到期的衛(wèi)星，地面可通過一系列的機(jī)動(dòng)將其調(diào)離現(xiàn)有的軌道，讓出寶貴的軌道資源，使其前往一個(gè)超地球同步軌道，即人們熟知的“墓地軌道”。
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航天器目前已經(jīng)有許多方法可以去抵擋碎片的侵襲。比如已經(jīng)在國際空間站和一些深空探測器上采用了惠普爾盾。惠普爾盾本質(zhì)上是幾張以中間留有空隙的方式堆疊的金屬板，金屬可以是不銹鋼或者硬質(zhì)鋁合金，中間可以填充比如凱夫拉等用于防彈背心和頭盔的纖維。以國際空間站歐洲哥倫布艙，節(jié)點(diǎn)艙2和節(jié)點(diǎn)艙3上使用的一種惠普爾盾為例，其從外到內(nèi)分別是：2毫米厚的306不銹鋼，2毫米厚6061T-6鋁合金，110毫米厚凱夫拉纖維防彈層，50毫米厚2219鋁合金，最后是隔熱層。
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主動(dòng)捕獲目前是一種比較新穎的應(yīng)對(duì)碎片的方式。2016年，日本向國際空間站發(fā)射了HTV-6補(bǔ)給飛船，其中有一個(gè)碎片收集器，可以通過放出繩網(wǎng)的方式去攔截捕獲碎片，但是最終由于并沒有成功放出繩網(wǎng)，任務(wù)失敗。雖然目前各國都有用各種方法，比如激光、繩網(wǎng)的方式去清理碎片的計(jì)劃，但是目前仍都沒有落地。不過，雖然針對(duì)碎片的清理仍無收效，但是針對(duì)廢棄衛(wèi)星的清理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成功進(jìn)行。
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美國宇航局教授唐納德·凱斯勒于在1978年提出了一個(gè)效應(yīng)，即由于低地球軌道的空間碎片污染已經(jīng)非常嚴(yán)重，碎片與碎片、碎片與航天器之間的碰撞可能會(huì)導(dǎo)致級(jí)聯(lián)反應(yīng)，每次碰撞都會(huì)產(chǎn)生更多的碎片，而更多的碎片會(huì)進(jìn)一步增加碰撞的可能性。這種設(shè)想被稱為“凱斯勒效應(yīng)”。
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在最壞的情況下，由于碎片已經(jīng)完全籠罩了地球的各個(gè)軌道，人類將在很長一段時(shí)間內(nèi)無法利用軌道資源，直到這些碎片自然回落到大氣層內(nèi)；但是離大氣層越遠(yuǎn)的碎片耗時(shí)就會(huì)越久，甚至可能花上成千上萬年。這種情況的出現(xiàn)并非不可能，目前的地球軌道上正在存在著越來越多的衛(wèi)星。在未來，上萬顆低軌衛(wèi)星將會(huì)在地球的近地軌道上運(yùn)行，碎片碰撞的幾率也會(huì)大大增加，碎片對(duì)于航天器的威脅也越來越大。為了一個(gè)更干凈的軌道，參與航天活動(dòng)的各方都需要共同努力，為清理太空環(huán)境作出貢獻(xiàn)。
來源：《太空探索》雜志2023年第2期
轉(zhuǎn)載時(shí)間：2024.9.23
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