微流星體和空間碎片對航天器的影響

文/湯川學

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·佩特林正準備開始進行預定的艙外活動時，國際空間站俄羅斯艙段上對接的聯(lián)盟MS-22“康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基”號的推進艙被發(fā)現(xiàn)有液體泄露，并且液體以相當快的速度從泄漏點噴射而出，并持續(xù)了好幾個小時……

▲聯(lián)盟MS-22正在泄露冷卻劑

▲ 俄羅斯航天員正在使用接駁在科學號艙段上的歐洲機械臂對聯(lián)盟號MS-22進行檢查

一個不能在太空維修的故障

在泄露結束后，航天員安娜·基基娜操作連接于科學號艙段上的歐洲機械臂進行了探查，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，其被認定為聯(lián)盟號推進艙內(nèi)部的冷卻管道因為某種原因發(fā)生了冷卻劑泄露。該冷卻系統(tǒng)不僅負責將下降模塊的內(nèi)部保持在適合乘員的舒適溫度，還負責冷卻深埋在里面的飛行計算機和其他設備。

很遺憾，這不是一個能夠在太空維修的故障。雖然冷卻劑已經(jīng)泄露完，但是目前艙內(nèi)的溫度仍然處于合理范圍內(nèi)，會采取措施保證該飛船的安全性。美國宇航局表示，國際空間站的所有航天員都沒有因泄漏而面臨任何危險。

俄羅斯航天局官方聲明如下：12月15日，聯(lián)盟MS-22航天器熱管理系統(tǒng)的散熱器外部回路出現(xiàn)了減壓現(xiàn)象。在制造過程中對散熱器的技術損壞猜想沒有得到證實。根據(jù)現(xiàn)有證據(jù)證明，散熱器管道因微流星體撞擊而受損，漏洞的直徑小于1毫米。

專家們已經(jīng)得出結論：聯(lián)盟MS-22將在沒有乘員的情況返回地球。聯(lián)盟MS-23計劃于2023年2月20日以無人駕駛模式發(fā)射到國際空間站。

這次泄露事故是否真的由微流星體造成，目前無法通過檢查來確定。這次出現(xiàn)泄露事故的推進艙也無法被帶回地面進行更加細致的檢查，因為在“聯(lián)盟號”返回時，除了返回艙以外的軌道艙和推進艙都會在大氣層內(nèi)被燒毀。此次泄露事故在“聯(lián)盟號”差不多半個世紀的運行歷史中尚屬首次。

微流星體碰撞航天器卻并非首次。2006年9月9日，阿特蘭蒂斯號航天飛機起飛執(zhí)行STS-115號任務，這次任務主要是為了給國際空間站交付兩個新桁架P3和P4，計劃于9月21日返回地球。在檢修時，維修人員在航天飛機右側有效載荷艙門的內(nèi)側的散熱器上，發(fā)現(xiàn)了一個直徑約有2.7毫米、穿深約有12毫米的洞。這個洞接近氟利昂循環(huán)冷卻劑回路。航天飛機上有兩個這樣的冷卻回路，如果兩個回路中的一個被刺穿，導致氟利昂的泄露并迫使它關閉，可能意味著航天飛機被迫提前返回。

而航天飛機在更早之前也被微流星體擊中過。1995年的STS-73任務期間，當時一顆微流星體穿透了哥倫比亞號航天飛機的有效載荷艙門上的外部隔熱層。據(jù)統(tǒng)計，航天飛機至少遭受過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，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。

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，人們對空間碎片的關注度正在變得越來越高。2022年也發(fā)生了疑似空間碎片導致衛(wèi)星解體的事情。那么，什么是微流星體和空間碎片？它們會對航天器造成什么影響？我們對它們有什么方法應對？

▲ 航天飛機STS-115有效載荷艙門的內(nèi)側的散熱器被擊中

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，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。

人類對于流星并不陌生。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，每年大約有1000萬千克的流星體降臨地球，其中有一些則會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不同大小的小行星互相碰撞導致的。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)進行著不規(guī)則的運動。

除了小行星碰撞，還有一種威脅就是彗星。當產(chǎn)生流星體的母體彗星向地球回歸時，地球及地球軌道航天器附近流星體數(shù)量會劇烈增加，對航天器構成很大威脅。

空間碎片是人類太空活動產(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正在逐年擴大，空間碎片的發(fā)展速度極為迅速。因為這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，空間碎片對于人類的高價值太空資產(chǎn)，比如空間站、通信衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)星座、導航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星等等都有著極大的威脅。

空間碎片是由人類活動造成的。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，火箭的推進系統(tǒng)碎片，固體發(fā)動機在飛行過程中產(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，比如熱防護層上的涂層脫落等。

除了以上這些原因，還有一種空間碎片來源就是人為進行的反衛(wèi)星實驗，即通過發(fā)射反衛(wèi)星導彈的方式擊毀位于軌道上靶子衛(wèi)星來對自身建設的反衛(wèi)星系統(tǒng)進行測試。每一次反衛(wèi)星實驗都會導致大量的空間碎片產(chǎn)生。這些空間碎片不會只停留在原衛(wèi)星的軌道上，隨著引力和大氣的影響，這些碎片會逐漸擴散到各個高度和傾角的軌道上，在一段時間后形成包裹著整個地球的稀疏空間碎片云，隨時可能威脅處于各個軌道上的航天器。

▲STS-7任務中航天飛機窗戶被碎片擊中

▲空間碎片圍繞地球示意圖

碎片會對航天器造成什么影響？

微流星體和空間碎片對航天器造成的碰撞損害可根據(jù)對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。

災難性碰撞。這是最為嚴重的碎片碰撞事故，具體場面類似于電影《地心引力》中被大量反衛(wèi)星實驗產(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摧毀了對接的航天飛機。這種等級的碰撞會造成航天器的完全失能并同時產(chǎn)生更多的碎片。目前這類等級的碰撞事件不多。

可恢復性碰撞。這是較為嚴重的碎片碰撞事故。碰撞造成航天器暫時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，需要通過關閉某些設備才能維持電源系統(tǒng)正常工作等。

積累性效應碰撞。這是相對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，這種碰撞一般不會對航天器造成嚴重損傷。但正所謂積少成多，聚沙成塔，碎片雖然單個造成的傷害有限，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。這種長時間的碰撞會對航天器會產(chǎn)生十分可觀的積累傷害，尤其對航天器外部材料、暴露光學儀器、太陽翼的性能退化影響更嚴重。目前的國際空間站，就是一個受到積累性效應碰撞的最好例子。

▲ 國際空間站星辰號核心艙的窗戶被碎片擊中

▲長期暴露設施，用于研究各種儀器、材料在太空環(huán)境中會遭遇何種影響的研究平臺

1984年4月7日，挑戰(zhàn)者號航天飛機在軌道上放置了一個特殊的物體，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)境中會遭遇何種影響的研究平臺，全稱是“長期暴露設施”，在軌道上滯留了69個月。1990年1月20日，LDEF由哥倫比亞號航天飛機帶回地面。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，其余均小于0.3毫米。碎片對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。這就是積累性效應碰撞所造成的傷害。

從具體方面看，碎片的影響還可以分為對于載人航天器的威脅；對于航天器重要部件的威脅；對于航天器表面材料性能的影響和對于航天器產(chǎn)生的污染影響等。

對于載人航天器的威脅十分好理解。比如航天員正在進行太空行走，此時一大群小碎片向著空間站高速飛來，這種高速往往會達到每秒十幾千米，這種碎片一旦擊中了航天員身著的航天服很有可能導致?lián)舸瑢教靻T的身體造成嚴重威脅。因此，在航天員進行太空行走前都會對軌道環(huán)境進行評估，空間站也會有意識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候，比如在航天飛機STS-118任務中，一個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口子，進而導致那一次太空行走被迫提前結束。后來，工作人員專門對航天服的手套做了更好的防割處理。

對于航天器重要部件的威脅則是一個比較大的話題，因為航天器的重要部件有許多。比如航天器的結構損傷，碎片擊中航天器的面板后會導致其部分扭曲變形危及結構板的局部穩(wěn)定性，破壞金屬鑲嵌物附近環(huán)氧樹脂封裝結構的完整性，造成儀器設備松動，影響儀器的正常工作。

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，其在被穿透時將向外噴出物質(zhì)產(chǎn)生推力，進而造成航天器姿態(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，甚至會發(fā)生爆炸。

對于衛(wèi)星和空間站太陽電池帆板來說，碰撞損傷可能會造成短路，供電能力下降。碎片如果對定向和驅(qū)動機構的碰撞造成了損壞，可能會導致帆板指向偏離太陽光方向，進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，則會使電池供電能力喪失。

如果碎片碰撞到了外置于航天器外部的天線，損傷會造成天線變形，性能下降，如果天線定向和驅(qū)動機構損害會使天線指向偏離，影響飛行任務甚至導致航天器失效。

碎片還會對航天器的表面材料造成影響。比如對天或者對地的光學器件，這些器件對于多次微小碰撞引起的表面損傷很敏感，光線散射程度會急劇增加，而碰撞造成的污染粒子，還會使儀器光學性能下降。對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，會導致儀器失效。

在這次聯(lián)盟號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閉窗戶以免污染物沾染。碎片擊中表面材料后，可能會在航天器表面產(chǎn)生濺射、汽化、電離、等離子體云、二次碎片云等，會對航天器表面產(chǎn)生嚴重污染。當然在太空中，除了碎片的存在，還有如原子氧、紫外線等會損傷航天器材料的因素。

▲碎片擊中航天員移動把手

對碎片有什么方法應對？

面對軌道中漂浮的難以計數(shù)的碎片，為了盡可能降低它們對于航天器的威脅，目前有幾個應對方法，如對軌道上的碎片進行追蹤；采取減緩碎片增長的措施；為航天器做好防護；主動去捕獲碎片等。

碎片追蹤已經(jīng)進行了很多年。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個尺寸大于10厘米的空間碎片，100萬個1厘米~10厘米的空間碎片，1.3億個1毫米~1厘米的空間碎片。但是在這其中并不包括無數(shù)難以被地面雷達與望遠鏡觀察到的尺寸極小的碎片，因此這種方法只能用來對一些威脅較大、尺寸較大的碎片的軌道進行提前預測，并讓空間站和衛(wèi)星進行提前規(guī)避。

▲ 被劃傷的航天服手套

▲碎片擊中國際空間站太陽電池帆板

減緩碎片數(shù)量增長目前已經(jīng)成為國際上的共識?？梢詼p緩碎片增長的操作有很多，比如通過釋放殘留推進劑對火箭二三級進行鈍化。火箭二三級往往由于其分離時的速度和軌道已經(jīng)無法回到地球而被直接遺棄到太空，這時可以通過排空儲箱中的燃料來對其進行鈍化，讓其不會在太空中爆炸產(chǎn)生碎片。而對于衛(wèi)星，對那些已經(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動將其調(diào)離現(xiàn)有的軌道，讓出寶貴的軌道資源，使其前往一個超地球同步軌道，即人們熟知的“墓地軌道”。

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)點艙2和節(jié)點艙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。

▲國際空間站俄羅斯艙段曙光號艙段保溫毯被碎片擊中

主動捕獲目前是一種比較新穎的應對碎片的方式。2016年，日本向國際空間站發(fā)射了HTV-6補給飛船，其中有一個碎片收集器，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劃，但是目前仍都沒有落地。不過，雖然針對碎片的清理仍無收效，但是針對廢棄衛(wèi)星的清理實驗已經(jīng)成功進行。

美國宇航局教授唐納德·凱斯勒于在1978年提出了一個效應，即由于低地球軌道的空間碎片污染已經(jīng)非常嚴重，碎片與碎片、碎片與航天器之間的碰撞可能會導致級聯(lián)反應，每次碰撞都會產(chǎn)生更多的碎片，而更多的碎片會進一步增加碰撞的可能性。這種設想被稱為“凱斯勒效應”。

在最壞的情況下，由于碎片已經(jīng)完全籠罩了地球的各個軌道，人類將在很長一段時間內(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)；但是離大氣層越遠的碎片耗時就會越久，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)星將會在地球的近地軌道上運行，碎片碰撞的幾率也會大大增加，碎片對于航天器的威脅也越來越大。為了一個更干凈的軌道，參與航天活動的各方都需要共同努力，為清理太空環(huán)境作出貢獻。