国际空间站曙光舱现裂缝，疑受太空垃圾撞击！我国空间站另有绝招

8月30日俄罗斯能源火箭太空公司发布消息：国际空间站的组成部分俄罗斯“曙光”号太空舱发现多条非穿透性裂缝。而此前国际空间站上俄罗斯的“星辰”号舱曾出现多条穿透性裂缝，专家推测，太空舱少量漏气、舱段出现裂缝可能与微陨石或太空垃圾碎片撞击太空舱外壁有关。

太空垃圾怎么来的？威力有多大？

所谓的太空垃圾就是人类航天活动中在外太空产生的空间碎片垃圾，比如寿终正寝但仍然围着地球兜圈子的卫星、运载火箭的推进器残骸、宇航员丢弃的垃圾、航天器脱落的油漆，还有人造航天器太空碰撞产生的碎片等。它们往往在地球轨道上在轨运行或者无功能再入大气层。据统计，到2017年底，人类在地球轨道上跟踪监测到的空间碎片达到42000个，总重量7400吨，相当于几千台家用小轿车在地球轨道上自由飞翔，其中超过1/3的碎片集中在人类密集使用的200~2000公里的地球低轨空间内。

地球轨道中的空间碎片大小一般分为三个范围：大于10厘米的约23000个，1厘米~10厘米的约70万个，1毫米~1厘米的约为1亿个，小于1毫米的达到百亿量级。它们大都是铝合金、不锈钢及复合材料等，形状千奇百怪。

来源：太空垃圾监测网站

但看太空垃圾的个头，您可能觉得不起眼没什么。但是如果考虑到它们的速度，那就不能小瞧了。假如一个铝球直径1厘米，如果高速运动达到10公里/秒，撞击物体，效果会怎样？可别小瞧，它的能量大概与一辆80公里时速的2吨小轿车能量相当。不同撞击速度产生的撞击效果差别很大，而太空垃圾之所以能够待在地球轨道上兜圈子，它们需要达到第一宇宙速度7.8公里/秒，这个速度与刚才说的铝球实验撞击效果相当，都属于超高速撞击。

不仅如此，不同的太空垃圾碎片对航天器的破坏效果也不同。比如大于10厘米的大块空间碎片，撞上空间站的话，就会导致爆炸、解体，甚至完全失效，从此太空中又多了一个甚至若干个大号的太空垃圾；体型小一点的1厘米~10厘米的空间碎片，也能导致空间站等航天器部分组件损坏，严重的也会跟上面的一样整体报废；小于1厘米的会导致航天器部分组件故障或失效。所以空间站在轨长期有人值守，这绝对不是一个轻松的差事，而对于出舱活动那就更是“搏命”了。

最近的2021年5月，国际空间站例行检查中发现机械臂加拿大臂上发现一个直径约5至6厘米的小窟窿，很显然被高速碎片击中了，保温材料出现破损，好在机械臂还能正常运行。更早的2016年，国际空间站的穹顶舱玻璃窗遭遇了毫米级的碎片撞击，结果被砸出一个7毫米的小坑，这都算万幸了，还有国际空间站外的热防护毯、舷窗玻璃留下了众多的毫米级碎片撞击坑。

美国的航天飞机也遭受过类似的“袭击”困扰，比如阿特兰蒂斯号在执行一次任务时遭受最严重撞击，被一个毫米级碎片击中热控管路外壁，差一点点导致管路泄露。发现号在2000年的一次13天的飞行任务中，被撞了38次，简直倒霉透顶了。

国际空间站机械臂破洞

国际空间站穹顶舱玻璃被砸凹坑

还有更多不幸的。人类历史上首次发生的太空之中卫星与卫星相撞的大事故，发生在2009年2月11日，那一天美国的通信卫星铱星33与俄罗斯报废的宇宙2251号军用通信卫星，在太空玩起了碰碰车，撞击速度达到11.6公里/秒，这惊天一撞，仅10厘米以上的碎片就达到4400个，如今仍能跟踪监测还有2200个。2013年5月24日，厄瓜多尔飞马座卫星与前苏联一枚在太空飘荡多年的火箭燃料箱残骸侧面碰撞，结果卫星直接挂了。到2016年底有统计显示，国际上公开报道被碎片撞击失效或者异常的卫星超过15颗。

面对空间中众多的太空碎片，我们束手无策坐以待毙吗？当然不行。

首先说大于10厘米的太空垃圾，因为个头较大，易于观测，国际上已对它们进行编号跟踪记录，但是我们无法防护。虽然航天器碰撞的概率很小，但是确实可能发生，而且能量实在太大，空间站扛不住，咱惹不起还躲不起吗？学术上叫主动规避，比如2014年的时候，国际空间站就将轨道推高了半英里，以避免与老式欧洲火箭的碎片撞上。截至2017年底，国际空间站为了躲避10厘米以上的太空垃圾撞击，开展了24次主动机动规避，每次需要消耗推进剂大约30千克。有国际空间站的吃亏经验，我国的空间站也设计采用同样的机动规避方式，缺点就是消耗燃料，不过跟安全比起来，这种代价值得；还有提前预警不过这种概率不算高，截止目前还没见到天和核心舱有主动规避的报道。

对于小于1厘米的空间碎片，由于数量众多，尺度较小，既无法跟踪监测也无法编号管理，那怎么办？只能被动硬扛了，但是也要采取策略，不能把我们昂贵的空间直接暴露给太空垃圾。2007年5月国际空间站上的俄罗斯宇航员通过太空行走，为空间站安装了金属遮蔽罩，减少太空垃圾的威胁，每个遮蔽罩重9公斤，宽0.6米，长0.9米。我们在空间站关键舱段加装了防护结构进行被动防护，比如，在天和核心舱外面设置防护型的装备，即使发生撞击，小刮小蹭也没啥事，稍微严重点的，咱们的宇航员还能借助机械臂，出舱在轨维修更换损坏的设备。早在天宫一号时，我国就系统开展了空间碎片防护设计，采用了Whipple防护结构进行了高风险区重点防护，使得天宫一号实验舱的非失效概率达到0.6995，满足了设计指标。但是天宫一号全长才10.4米，最大直径3.35米，比现在的空间站天和核心舱规模小得多，再采用Whipple防护结构根本无法满足要求，在尝试了碳纤维织物、玻璃纤维织物、碳化硅毯、Kevlar纤维织物、二氧化硅纤维织物、PBO等几十种材料，经过多重筛选，在考虑成本、工艺等多种因素后，最终采用玄武岩填充式防护结构，性能可以满足总体设计指标。这与国际空间站上采用的Nextel填充式防护结构能力相当。

最让人苦恼的是1厘米~10厘米的空间碎片，虽然能监测但是并不精准，国际上也没有太有效的防护措施。我们一方面期待我国尽快提高空间碎片跟踪监测和技术，一方面也得盼着这些碎片不会撞到咱们空间站吧。

即使小坑小洼也不能忽视，有时小问题中也潜藏着隐患。我们发现国际空间站上很多被撞击的小坑小洼只能是在例行检查中发现，我们的空间站有没有更好更及时的办法呢？还真有！这也是我们的后发优势，那就是在天和核心舱的结构健康监测子系统中专门增设了“空间碎片撞击监测模块”，航天五院联合哈工大、513所等研发机构，早在2004年就开始着手研发了空间碎片撞击在轨感知技术，在空间站外布置了多个传感器，可以第一时间对发生在空间站外壁的超高速撞击进行判定、位置定位和结构损伤识别，这个模块就相当于空间站的“神经系统”，这样如果发生太空垃圾碰撞，不至于等到例行检查才发现，既能及时排除隐患，也把风险降到了最低。

感谢中国航天人的默默奉献，把我们的航天事业越做越大，结出更多丰硕的果实，服务国家的建设和提高人民生活水平。

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参考资料：

1、《小碎片，大问题》龚自正

2、《垃圾：不要把这些资源放错地方》冀海波

3、《固体力学原理》李海阳

4、《空间站空间碎片防护设计》闫军，郑世贵

特此感谢！

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