在中国空间站“披甲”中，航天器防止空间碎片的诀窍是什么？

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作家：林胤之

转身：中国航天报

3 月 21 日本，“神十九”第三次乘坐小组离开小组，完成了安装中国空间站空间碎片保护装置的任务。随着空间碎片威胁的日益严重，航天器有哪些应对措施？空间碎片保护装置有哪些亮点？未来有哪些新技术有望帮助航天器迎接“袭击者”，保证工作更加安全高效？

密切监测 及时规避

无论天然微流星体如何，空间碎片主要来自太空活动，包括无效卫星、废弃火箭末级、太空事故遗骸等。无论是航天器在轨道上爆炸或碰撞，还是航天器“无害”脱落螺栓、隔热材料等。，往往会产生成千上万的空间碎片。

在轨道上，航天器会产生大量的空间碎片。

伴随着航天事业的蓬勃发展，尤其是近几年低轨巨星加速建设，地球轨道上的空间碎片数量急剧增加。到目前为止 2024 2008年，可追踪的大空间碎片超过了 4.4 万只，尺寸大于 1 “潜在有害”的厘米空间碎片更是超过了 100 万只。它们通常以第一宇宙的速度运行，碰撞破坏力不可低估，因此加强对航天器的保护成为各国航天的焦点之一。

现在，针对超大尺寸 10 较大的空间碎片厘米，航天器侧重于主动实施路轨规避。

“躲藏”的前提是高精度监控和快速决策，尤其是构建完善的空间碎片监控和预警网络。目前，国际航天解决方案主要遵循 3 进行一个维度。

一是建立全天候、全球天地协同监控系统，包括空间望远镜、雷达、应用光子技术等新概念和方法。例如，俄罗斯光电监控系统采用三通道信息连接和角度扩展技术，显著提高了跟踪空间碎片的准确性。

若监控网络预报显示，空间碎片更有可能进入航天器“预警区”，航天器就能启动变轨程序。

就拿国际空间站来说，它的预警区域大概是 4 公里 × 50 公里 × 50 公里分为内外两层。如果空间碎片进入内层，必须避开国际空间站。如果空间碎片进入表面，宇航员和地面团队需要密切监控。

其次，在预警区域判断的基础上，引入冲击概率分析，结合轨道偏差模型，合理设置概率阀值，降低虚拟警率，提高航天器的规避效率。特别是当系统判断空间碎片与航天器有冲击风险时，预警系统应触发航天器变轨规避策略。

比如，2019 2008年，欧洲空间局通过太空跟踪和监控系统预测伽利略导航卫星将在很大概率内 2021 2008年与火箭残骸碰撞，所以及时调整卫星轨道，使碰撞概率降低到安全阀值以下。

第三，现代航天器设计充分贯彻空间碎片防控理念，优化结构，选择防爆燃料储罐，减少外露部件，从根本上减少空间碎片的产生。此外，航天器退役后需要自动变轨，或者在其他航天器的帮助下，前往“墓地”轨道。

国际合作将在空间碎片化监测领域发挥重要作用，包括监测设备的协调、信息共享和相关行业的应用合作，甚至可能催生前景广阔的航天市场。

构造加强 努力升级

航天器不可能消耗太多的燃料和时间来避免更多难以观察的小型、微型空间碎片，被动保护成为主要手段。

时不时的，国际空间站会面临空间碎片碰撞

按照美国宇航局的公开标准，国际空间站的防护结构要求能够承受 1.3 直径为厘米的铝球 7 公里 / 秒速垂直碰撞。

所以国际空间站使用了所谓的“惠普尔保护罩”。这一概念最早由美国天体物理学家弗雷德主义 · 惠普尔于 1947 2008年，航天器约定 2.5 在厘米厚表面的基础上，包裹 1 特殊金属层厚度为毫米。如果微型空间碎片的尺寸与金属层的厚度相似，高速碰撞会产生爆炸效应，发生汽化、电离等现象。同时，破碎空间碎片，至少消耗其动能，然后航天器的内层将尽可能减少碰撞的危害。

同时，航天器的保护结构遵循“区域分级保护”的理念。换句话说，航天器并不是所有的位置都设计“平等保护”，而是根据每个区域的关键性进行分级保护。例如，在空间站上，密封舱是航天员生命保护的核心区域，保护水平最高；推进系统、供电设备等。其次；太阳翼等部位范围广，很难完全保护，更多的是通过冗余设计降低风险。

事实上，空间碎片化保护装置的设计本质上是航天器在被动防御和主动避免之间寻找平衡的“艺术”。新一代空间站安装的空间碎片化保护装置进一步优化了材料选择和结构质量 , 采用多层复合结构，综合利用高强材料和能量吸收层。 , 不仅减轻了重量，而且提高了抗冲击性能。

冗余设计 现场维修

尽管航天器的机动变轨和保护装置的性能不断提高，但仍然不能保证清除所有空间碎片的威胁。因此，航天器有时只能依靠系统设计来最大限度地提高生存能力。比如航天器可以采用冗余线路布局，防止单点失效，同时分散布局关键设备，降低过度集中暴露的风险。

“神十九”航天员出舱工作

具体到空间站，可以优化供电系统，实现跨舱供电，防止整个空间站因为少量空间碎片而供电困难。为了保证宇航员的安全，空间站应在不止一个机舱内配置可再生生命保障系统，并提供冗余备份。

当受到碰撞威胁时，空间站将首先通过机舱传感器网络实时监测冲击力和压力变化。当空间碎片碰撞达到阈值时，结构健康监测系统立即报警，并通过N2分压监测区分正常波动和异常危险。

接下来，系统将尽快定位空间站损坏的泄漏位置，综合选择超声波检测和舱段封闭隔离方法，准确定位毫米级损伤，快速评估泄漏情况。

随后，天地系统将分层次开始决策:冷静安排修复细微损伤，可能不会要求宇航员尽快进行高强度工作；协助宇航员处理中等损伤，包括佩戴氧气面罩；如果泄漏超过安全阀值，系统会立即隔离损坏部分；在极端情况下，宇航员不得不撤离载人飞船。简而言之，整个处理过程不仅依赖于空间站设备的快速响应，还要求宇航员克服压力，准确操作，这也考验了路面指挥系统对风险等级的实时判断和决策。

值得一提的是，航天员在轨维护也是载人航天器保护系统的重要组成部分。据媒体公开报道，“神十七”乘坐小组完成了中国航天第一次舱外维护任务，“神十九”乘坐小组安装空间站保护装置时，同时对舱外设施设备进行了检查。

考虑到任务的成本和风险，无人航天器很难具备这种“动态加固”能力，除了哈勃空间望远镜等极少数项目。

技术革新 方案优化

总的来说，保护空间碎片的技术手段正在朝着避免、预防和修复的综合应用方向发展，既有传统的战略优化，也有前沿的技术突破。

然而，随着空间碎片密度的快速增加，传统保护方法的效果逐渐接近物理极限。有人认为，未来 10 在这一年里，空间碎片主动清除技术有机会产品化，进一步提高了航天器的安全性。

航天器释放电磁网捕捉空间碎片效果图

虽然空间碎片主动清除技术一般处于论证和实验阶段，但激光烧蚀、太空拖网、机械臂捕捉、离子束偏移、电磁吸附清除等技术路线已经逐渐清晰。

其中，激光烧蚀法要求航天器保证能源供应水平，发射高能激光束，使空间碎片局部汽化或变轨，最终整体消退，或加速坠入大气层烧伤。

一些航天器可以释放飞网捕获系统，理论上适合去除大范围内不规则的自旋运动空间碎片。日本航天检测了电磁捕获技术，但缺点是失败，但积累了大量的经验数据。

机械臂捕捉技术依托航天器的高精度姿势控制系统，捕捉卫星发动机喷嘴等特定结构，对于处理较大的空间残片和航天器遗骸具有实用价值。

事实上，随着人类太空活动的时间越来越长，飞向目的地的距离越来越远，空间碎片保护不再是一个纯粹的技术问题，而是一个关系到载人航天可持续发展的战略问题。国际合作与竞争在这一领域并存，各国不仅支持共享统计数据，降低航天器撞击风险，而且竞争技术制高点。未来，太空安全将依靠更精密的监控网络，更智能的航天器保护系统，以及更深入的国际合作。

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