中国空间站应对太空碎片的多重防护措施

中国空间站应对太空碎片的多重防护措施

随着太空活动的日益频繁，太空碎片已成为威胁空间资源可持续利用的重大问题。中国空间站作为我国载人航天事业的重要里程碑，其安全运行面临着严峻挑战。本文将为您详细介绍中国空间站应对太空碎片的多重防护措施，以及国际社会在太空治理方面的合作努力。

正如加勒特·哈丁所揭示的“公地悲剧”现象，太空作为一种公共资源，越来越多的国际关系行为体都想增加自己的“羊群”——卫星，频繁的空间活动带来了越来越多的空间碎片，严重影响空间资源的可持续利用，而“牧区”——太空，却承载不了这么多的羊，近年碰撞事故剧烈增加，若不及时采取防护措施，最后难免产生悲剧。因此，太空治理的问题逐渐得到国际社会的重视。

空间碎片是指人类在航天活动中遗弃在太空的废弃物，也称太空垃圾。这些废弃物主要是指完成使命的运载火箭的上面级、废弃的卫星；航天器表面材料的脱落物，如航天器表面涂层老化掉下来的油漆斑块；逸出的材料，如火箭燃料剩余的液滴、核动力源的冷却液；载人航天活动中航天员的废弃物等。此外还有火箭和航天器爆炸、碰撞过程中产生的碎片。这些太空垃圾长期留在太空中，日夜不停地围绕着地球飞行着，只能依靠轨道自然衰减，最后坠入大气层。

太空碎片对宇航员的生命和太空飞行器都造成了巨大的安全威胁。一颗迎面而来的直径为0.5mm的金属微粒，足以戳穿航天员密封的航天服; 在低轨道 ( 2000千米高度以内)上，一个体积为1立方厘米、速度为15km/s的微小碎片若撞上运行中的人造卫星，可能造成的破坏等同于一枚手榴弹的威力。任何微小的太空碎片都可能是致命的隐患。2009年2月11日，美国通信卫星 “铱星 33”号与俄罗斯废弃卫星“宇宙 2251 号”在西伯利亚上空高度788km的空域相撞。此次碰撞产生的大于 10 cm 的碎片数量可能超过数千个，1cm以上的碎片则会高达数万个。目前，太空中废弃的卫星和火箭残体大约有4000件，超过直径10cm的在轨物体有26000件，1－10cm的在轨物体超过50000件，绝大部分是太空垃圾，占据了大量的太空轨道，同时对正在使用和还未开发的太空轨道制造了巨大的威胁，严重降低了可用卫星轨道的数量。

我国航天专家认为，减缓太空垃圾的影响，需要国际社会的共同努力，对于地面可观测并编目的大块垃圾需实施在轨机动规避操作；对于毫米级的垃圾需要在航天器上采取一定的被动防护措施；此外，还必须从源头上控制和减少太空垃圾的产生。

中国空间站对碎片的防护

主动避让或改变轨道

太空碎片威胁日益严重，给空间站的运行和安全带来了巨大挑战。对此，中国空间局提出了两种解决方案：主动避让和改变轨道。

主动避让，顾名思义，是指在探测到太空碎片迎面飞来时，通过改变空间站的飞行方向和速度，以避开碎片的轨迹，从而减少碰撞的风险。

这种方法需要在太空站周围设置精密的传感器和控制系统，以便及时探测到远距离的太空碎片，并进行计算和预测飞行路径。一旦探测到碎片有可能与空间站相撞，就会通过调整空间站的推进器和姿态控制系统来避开碎片，确保航天员的安全。

改变轨道，是指当空间站面临太空碎片较集中的区域时，通过改变空间站的轨道和位置，以远离有威胁的碎片区域。

这种方法需要精确的导航和控制系统，能够计算和调整空间站的轨道，使其避开碎片飞行的路径。

改变轨道需要耗费大量的能源和时间，而且可能会对原有航天任务的进度和安排产生一定影响。但是，相对于主动避让，改变轨道的方法更具有长期的可行性和安全性。

使用防护板或护盾进行防御

使用防护板或护盾可以为中国空间站提供物理屏障，避免太空碎片对空间站的直接撞击。

这种技术可在太空站的关键部位或表面进行安装，形成一道坚固的防御墙，以减轻太空碎片带来的冲击和破坏。防护板可以采用特殊合金，具有高强度和耐撞性，确保太空站的结构完整性，并增加了宇航员的安全保障。

使用防护板或护盾也有助于提高太空碎片监测与预警系统的精度和效率。通过与现有的太空监测设备相结合，这些防护装置可以更及时地检测到太空碎片的位置和速度，并进行预警。预警系统还可以提供更准确的信息，使得推进器发动机可以及时调整姿势，以避开碎片进一步保护空间站。Whipple就是一种典型被动防护结构，其前板起着缓冲的作用，也被称为缓冲屏，它的整体配置是将缓冲屏设置在飞船舱壁前方一定距离处，当弹丸以超高速撞击缓冲屏时，弹丸和缓冲屏超高速碰撞产生碎片云，当速度足够大时还会发生溶化、气化等现象。空间碎片的高破碎性和动能的耗散降低了空间碎片对航天器的损伤。Whipple 防护结构如下图所示。

我国长期在轨载人航天器“天宫一号”和“天宫二号”的部分防护就采用Whippie防护结构。我国空间站则采用了填充玄武岩加芳纶的先进防护结构,比同等质量Whipple结构防护能力提高50%以上。

利用激光或电磁场进行碎片清除

中国科学家们曾提出利用激光或者电磁场进行碎片清除的方案以应对太空碎片。

激光碎片清除技术是利用激光束对太空碎片进行照射，使碎片受到能量的瞬时增加，从而导致其表面温度升高并发生蒸发。通过这一过程，碎片的速度会因种种复杂的因素而退化，最终使碎片重新进入大气层并烧毁。这种技术快速且高效。

中国科学家在这一领域的研究中取得了显著的进展，开发出了一种具有大功率出力、短脉冲宽度的激光器，该激光器可以迅速瞄准并击中太空中的碎片。激光碎片清除技术能够有效地避免碎片进一步破坏其他航天器和空间站。

运用离轨帆清理太空碎片

离轨帆，即利用大面积展开薄膜帆面增加气动阻力,加速航天器的离轨过程，是一种适用于低轨航天器的简易、无源的离轨方式，具有使用便利、成本低等优势。这就像给航天器带了一把“伞”，在完成使命后，伞面打开，阻力增加，航天器便减速实现离轨。

中国航天科技集团八院自主研制的国内目前面积最大、国际首次运用于火箭舱段的离轨帆，首次成功在轨顺利展开，把完成任务的火箭末子级带回地球大气层烧毁。

加强国际合作，制定相关规则

中国不仅努力寻找应对太空碎片的解决方案，同样致力于加强国际合作，推动各国共同努力保护太空环境的安全，减少太空碎片的产生和扩散。

中国和俄罗斯为制定新的国际法律规范太空行为而努力，提出了针对防止外空军备竞赛的系列草案、规则和条约，呼吁国际社会继续加强太空军控管制、太空安全治理。2006年,俄罗斯和中国向联合国大会共同提交了有关太空TCBMs的草案（太空透明与信任机制），致力于推动各国携手共建太空空间，应对太空碎片等问题，提升太空安全。

我国也在努力把握机遇，抓住产业技术革命的浪潮，通过人工智能、太空大数据等与太空安全紧密相关的技术，致力于宣传人类命运共同体在太空治理中的引导作用，推动太空安全治理有效开展，促进和平利用勘探太空资源。

当下,对各国政府和商业空间部门来说，空间碎片增长仍是一个日益严峻的问题，需要采取包括以上措施在内的综合手段来减缓太空碎片和清理太空垃圾等。而国际太空治理也需要各国政府、私营公司和非政府组织的合作，共同维护太空安全，防止太空过度的资源和军事开发，建立、完善全球太空制度，太空作为一个全新的各个领域，需要创新的政策解决方案。

参考资料：
《中国航天报》、期刊《国防科技》等