空間站正在太空中“躲貓貓”

連升

地球高空范圍很大，但是垃圾也很多，棄用后仍漂浮在大氣層中的人造航天器碎片高達(dá)50萬件，它們的速度達(dá)到2. 8萬千米/小時(shí)——是子彈速度的10倍。被碎片擊中一次，還在使用的航天器基本就報(bào)廢了。在這樣危險(xiǎn)的環(huán)境下，漂浮著一臺人類歷史上造過的最昂貴的機(jī)械裝置：國際空間站。這個(gè)總重量達(dá)460噸的龐然大物要如何在“槍林彈雨”中生存呢？

看清每一顆“子彈”

要想避開每一顆來襲的子彈，就要看清楚子彈的前進(jìn)路線，這樣才能在它到來之前預(yù)先躲避。

國際空間站不獨(dú)屬于哪個(gè)國家，它是國際合作的產(chǎn)物，美國、蘇聯(lián)、加拿大、日本、巴西和歐洲航天局等共16個(gè)國家和地區(qū)的宇航局參與研制。美俄宇航員扛著各種零件，在天地之間往返近百次才終于組裝成了現(xiàn)在這個(gè)模樣的空間站。因此，保證空間站的安全和正常運(yùn)營也是各國的共同責(zé)任，美國空軍和俄羅斯宇航局共同負(fù)責(zé)碎片的監(jiān)視工作。

在美國戰(zhàn)略司令部的空軍基地中，記錄著一份《宇宙垃圾名錄》，里面記載著所有直徑超過10厘米的太空垃圾的名字。每天，工作人員會在早中晚不同時(shí)間，將這些太空垃圾的運(yùn)行軌道和空間站的軌道進(jìn)行對比，總共約進(jìn)行40萬次核對，用于判斷空間站被“擊中”的風(fēng)險(xiǎn)有多大。通過比對和計(jì)算，如果判斷出碎片即將進(jìn)入空間站的安全距離（距離空間站上下各1.6千米，兩邊長24千米的區(qū)域），空軍基地就會向美國宇航局發(fā)出警報(bào)。

每年宇航局都會接到幾十到上百次的碰撞警告，但不是每一次警告都需要做出閃避的決定，美國宇航局的專家們進(jìn)一步計(jì)算碰撞的可能性并與俄羅斯的專家們共同決定空間站是否需要閃避。如果碰撞幾率有十萬分之一，除非和太空任務(wù)有沖突，否則空間站就必須避開。一旦碰撞幾率達(dá)到萬分之一時(shí)，即使需要中止太空任務(wù)，空間站也必須移動。

最驚險(xiǎn)的“躲貓貓”

之所以要提前預(yù)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，是因?yàn)榭臻g站每做出一次閃避的動作都需要至少30個(gè)小時(shí)的執(zhí)行時(shí)間。

最耗時(shí)的是溝通工作。為了計(jì)算合適的推進(jìn)量，美國宇航局的工作人員需要精確計(jì)算空間站的質(zhì)量，包括?？吭诳臻g站上的飛船和宇航員。接著，還要與俄羅斯的彈道專家一起決定空間站躲閃動作的各項(xiàng)參數(shù)。在進(jìn)行移動前，美國宇航局會再次與碎片追蹤員核對，保證空間站不會撞上其它碎片。方案確定后，專家們將通過計(jì)算機(jī)遙控空間站。

別看空間站這么重，事實(shí)上它是個(gè)相當(dāng)靈活的“胖子”?？臻g站由四個(gè)控制力矩陀螺儀來調(diào)控受力方向和大小，可以改變軌道高度和運(yùn)動方向?？臻g站還有幾組推進(jìn)器，可以做出翻滾和騰挪的動作。在進(jìn)行躲避動作時(shí)，陀螺儀是首要的“方向盤”。

除此以外，彈道專家們還將使用附在空間站上的飛船推進(jìn)系統(tǒng)來改變位置。前來運(yùn)送補(bǔ)給的太空船也可以幫忙，推上一把空間站。2015年，彈道專家們就利用來送貨的“進(jìn)步號”飛船的推進(jìn)器將空間站的軌道提升了約1千米，成功避開一枚火箭碎片。在這一系列的躲閃操作后，空間站會以0.5～1米每秒的速度移動。

以上的一切是在提前數(shù)天發(fā)出預(yù)警，有充足的反應(yīng)時(shí)間的情況下做出的應(yīng)對，如果專家們直到最后一刻才發(fā)現(xiàn)碎片來襲怎么辦？如果這種情況發(fā)生，他們只能啟動名為“碎片來襲的預(yù)定躲避特技”的方案，即省略前期所有溝通環(huán)節(jié)，不管不顧地啟動推進(jìn)器，以0.5米每秒的高速向前沖，讓空間站到達(dá)另一個(gè)地點(diǎn)。

當(dāng)然，這個(gè)方案本身已經(jīng)是很危險(xiǎn)的保底方法了，不僅不一定奏效，還可能撞上前方的其他碎片。而一旦被碎片擊中，不僅空間站可能墜毀，里面的宇航員和實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)家也會喪命。因此，在加速計(jì)劃執(zhí)行時(shí)，空間站中的人員需要躲到附屬的“聯(lián)盟號”太空飛船中去，做好隨時(shí)逃難的準(zhǔn)備。2011年，“聯(lián)盟號”就立了一次大功，當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)太空碎片過晚，連最后的躲避方案也沒能生效，空間站中的所有人只好躲到了“聯(lián)盟號”里面去。最后那枚碎片就在距離空間站僅725米的上方掠過，一場危機(jī)有驚無險(xiǎn)地落幕了。

“天宮”的躲貓貓新招

隨著太空越來越擁擠，國際空間站需要移動躲避的時(shí)候越來越多。2020年1-9月間，空間站已移動了三次，其中一次宇航員們還躲入了“聯(lián)盟號”中，而往年移動避險(xiǎn)的次數(shù)不足兩次，甚至一次也沒有。這種情況對2020年開始建造的中國空間站“天宮”也是不小的挑戰(zhàn)。

為了應(yīng)對太空垃圾，中國工程師們想出了一些方法。與美俄相似，中國也建立了專門的預(yù)警機(jī)制，不間斷地監(jiān)控太空碎片，隨時(shí)準(zhǔn)備緊急避險(xiǎn)。萬一遇到危險(xiǎn)，技術(shù)人員會在地面向“天宮”發(fā)出指令，改變其飛行軌道及速度，避開危險(xiǎn)物后，再回到預(yù)定的軌道繼續(xù)飛行。

此外，工程師們還給“天宮”打造了一副“鋼筋鐵骨”，即通過優(yōu)選表面材料、改變結(jié)構(gòu)和增加厚度來提高航天器抵御太空碎片撞擊的能力，還在太空站的薄弱部位安裝了防護(hù)板，可以遮擋微小碎片對它的撞擊，將脆弱經(jīng)不起撞擊的關(guān)鍵部件安置在中心地帶中，處于層層保護(hù)之下。當(dāng)然還有更先進(jìn)的，比如把航天器防護(hù)屏幕做成了網(wǎng)狀，并在防護(hù)屏外涂了一層特殊材料。當(dāng)碎片與其發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞產(chǎn)生的能量能與太空垃圾發(fā)生爆炸式的化學(xué)反應(yīng)，促使碎片變成粉末。

最后，“天宮”系列還配備了完美的“自殺”方案，確保退役的飛行器不會產(chǎn)生新的太空垃圾?！疤鞂m一號”是中國首個(gè)太空空間實(shí)驗(yàn)室，2018年，在完成使命后，“天宮一號”主動離軌，絕大部分器件在空中分解并燒蝕銷毀，剩余殘骸隕落在了南太平洋中部海域，既沒有對地面造成任何威脅，也沒有制造太空垃圾。

地球的高空正在變得越來越擁擠，在這里“躲貓貓”的難度也越來越大，希望科學(xué)家們能早日想出更好的辦法應(yīng)對太空垃圾問題。