微流星体和空间碎片对航天器的影响

文/汤川学

2022年12月，就在俄罗斯航天员谢尔盖·普罗科皮耶夫和德米特里·佩特林正准备开始进行预定的舱外活动时，国际空间站俄罗斯舱段上对接的联盟MS-22“康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基”号的推进舱被发现有液体泄露，并且液体以相当快的速度从泄漏点喷射而出，并持续了好几个小时……

▲联盟MS-22正在泄露冷却剂

▲ 俄罗斯航天员正在使用接驳在科学号舱段上的欧洲机械臂对联盟号MS-22进行检查

一个不能在太空维修的故障

在泄露结束后，航天员安娜·基基娜操作连接于科学号舱段上的欧洲机械臂进行了探查，在其他舱段上的加拿大臂2也加入了检查。后来根据地面人员和航天员们的判断，其被认定为联盟号推进舱内部的冷却管道因为某种原因发生了冷却剂泄露。该冷却系统不仅负责将下降模块的内部保持在适合乘员的舒适温度，还负责冷却深埋在里面的飞行计算机和其他设备。

很遗憾，这不是一个能够在太空维修的故障。虽然冷却剂已经泄露完，但是目前舱内的温度仍然处于合理范围内，会采取措施保证该飞船的安全性。美国宇航局表示，国际空间站的所有航天员都没有因泄漏而面临任何危险。

俄罗斯航天局官方声明如下：12月15日，联盟MS-22航天器热管理系统的散热器外部回路出现了减压现象。在制造过程中对散热器的技术损坏猜想没有得到证实。根据现有证据证明，散热器管道因微流星体撞击而受损，漏洞的直径小于1毫米。

专家们已经得出结论：联盟MS-22将在没有乘员的情况返回地球。联盟MS-23计划于2023年2月20日以无人驾驶模式发射到国际空间站。

这次泄露事故是否真的由微流星体造成，目前无法通过检查来确定。这次出现泄露事故的推进舱也无法被带回地面进行更加细致的检查，因为在“联盟号”返回时，除了返回舱以外的轨道舱和推进舱都会在大气层内被烧毁。此次泄露事故在“联盟号”差不多半个世纪的运行历史中尚属首次。

微流星体碰撞航天器却并非首次。2006年9月9日，阿特兰蒂斯号航天飞机起飞执行STS-115号任务，这次任务主要是为了给国际空间站交付两个新桁架P3和P4，计划于9月21日返回地球。在检修时，维修人员在航天飞机右侧有效载荷舱门的内侧的散热器上，发现了一个直径约有2.7毫米、穿深约有12毫米的洞。这个洞接近氟利昂循环冷却剂回路。航天飞机上有两个这样的冷却回路，如果两个回路中的一个被刺穿，导致氟利昂的泄露并迫使它关闭，可能意味着航天飞机被迫提前返回。

而航天飞机在更早之前也被微流星体击中过。1995年的STS-73任务期间，当时一颗微流星体穿透了哥伦比亚号航天飞机的有效载荷舱门上的外部隔热层。据统计，航天飞机至少遭受过20次撞击，其中有航天发射造成的铝碎片，也有微流星体。不仅是航天飞机，截止到2022年末，国际空间站大约12603平方米的表面被击中了上千次，并在各处留下了痕迹。

近些年来，随着火箭发射次数的逐年上升和卫星数量的快速增长，人们对空间碎片的关注度正在变得越来越高。2022年也发生了疑似空间碎片导致卫星解体的事情。那么，什么是微流星体和空间碎片？它们会对航天器造成什么影响？我们对它们有什么方法应对？

▲ 航天飞机STS-115有效载荷舱门的内侧的散热器被击中

何谓微流星体和空间碎片？

流星体是漂浮在太阳系的一些陨石碎片，它们大小不等，有些小如灰尘或者砂砾，有些则大如一辆大卡车。流星是它们坠入地球大气层时，使得包围它们的空气产生电离而发生的亮光，而陨石则是降落到了地面的流星体。

人类对于流星并不陌生。我们的地球每一天都在迎接来自宇宙的物质。据统计，每年大约有1000万千克的流星体降临地球，其中有一些则会撞击在地面上形成陨石坑并保存较为完好。而微流星体则是指流星体中尺寸在1厘米以下的碎片，这些碎片很可能已经围绕着太阳漂浮了几亿年。太阳系中的微流星体主要是由在太阳系形成早期各个不同大小的小行星互相碰撞导致的。在太阳系形成早期的混乱中，小行星之间不断碰撞、凝聚，逐渐形成了如地球、火星这样的固态行星，而那些碰撞导致的碎屑就是微流星体的主要来源。它们中的很多在太阳系逐渐稳定下来后并没有消失，而是在太阳引力范围内进行着不规则的运动。

除了小行星碰撞，还有一种威胁就是彗星。当产生流星体的母体彗星向地球回归时，地球及地球轨道航天器附近流星体数量会剧烈增加，对航天器构成很大威胁。

空间碎片是人类太空活动产生的。虽然人类的航天史还不到百年，但是由于人类太空活动正在逐年扩大，空间碎片的发展速度极为迅速。因为这些碎片来源于人造物体，所以其主要在航天器主要分布的轨道，诸如1000千米以下的近地轨道，地球同步轨道和中地球轨道等等。因此，空间碎片对于人类的高价值太空资产，比如空间站、通信卫星、互联网星座、导航卫星、遥感卫星等等都有着极大的威胁。

空间碎片是由人类活动造成的。主要来源是废弃的在轨航天器，废弃的火箭箭体，用于分离阶段和整流罩的爆炸螺栓，火箭上的线缆和线路板，飞行过程中产生的金属碎片，油漆碎片，火箭的推进系统碎片，固体发动机在飞行过程中产生的三氧化二铝颗粒和熔渣，卫星或者火箭级段在轨过程中由于某些原因导致的爆炸造成的碎片，或者是从有效载荷上意外分离的部件，比如热防护层上的涂层脱落等。

除了以上这些原因，还有一种空间碎片来源就是人为进行的反卫星实验，即通过发射反卫星导弹的方式击毁位于轨道上靶子卫星来对自身建设的反卫星系统进行测试。每一次反卫星实验都会导致大量的空间碎片产生。这些空间碎片不会只停留在原卫星的轨道上，随着引力和大气的影响，这些碎片会逐渐扩散到各个高度和倾角的轨道上，在一段时间后形成包裹着整个地球的稀疏空间碎片云，随时可能威胁处于各个轨道上的航天器。

▲STS-7任务中航天飞机窗户被碎片击中

▲空间碎片围绕地球示意图

碎片会对航天器造成什么影响？

微流星体和空间碎片对航天器造成的碰撞损害可根据对航天器的影响程度而分为三类。以下微流星体和空间碎片合并称为碎片以便于说明。

灾难性碰撞。这是最为严重的碎片碰撞事故，具体场面类似于电影《地心引力》中被大量反卫星实验产生的碎片袭击的国际空间站的场景，海量的碎片直接摧毁了空间站并同时摧毁了对接的航天飞机。这种等级的碰撞会造成航天器的完全失能并同时产生更多的碎片。目前这类等级的碰撞事件不多。

可恢复性碰撞。这是较为严重的碎片碰撞事故。碰撞造成航天器暂时性功能丧失或部分功能丧失。比如碰撞可能造成航天器飞行姿态失稳，需要通过调节姿态才能继续正常工作；又比如太阳能电池帆板被袭击后，需要通过关闭某些设备才能维持电源系统正常工作等。

积累性效应碰撞。这是相对来说比较轻微的碎片碰撞事故。一般造成这种碰撞的碎片都不大，一般为毫米或微米级，这种碰撞一般不会对航天器造成严重损伤。但正所谓积少成多，聚沙成塔，碎片虽然单个造成的伤害有限，但是其在轨数量十分庞大，因此其与航天器的碰撞几率很高。这种长时间的碰撞会对航天器会产生十分可观的积累伤害，尤其对航天器外部材料、暴露光学仪器、太阳翼的性能退化影响更严重。目前的国际空间站，就是一个受到积累性效应碰撞的最好例子。

▲ 国际空间站星辰号核心舱的窗户被碎片击中

▲长期暴露设施，用于研究各种仪器、材料在太空环境中会遭遇何种影响的研究平台

1984年4月7日，挑战者号航天飞机在轨道上放置了一个特殊的物体，其名称为LDEF，它是美国宇航局用于研究各种仪器、材料在太空环境中会遭遇何种影响的研究平台，全称是“长期暴露设施”，在轨道上滞留了69个月。1990年1月20日，LDEF由哥伦比亚号航天飞机带回地面。研究人员发现，受空间碎片和微流星体的撞击，其表约130平方米面积的表面上发现了约34000个小撞击坑，最大的坑直径为6毫米，直径大于0.3毫米的坑有5000多个，其余均小于0.3毫米。碎片对温控涂层多次小的撞击造成的溅射，使5%的涂料从表面分离。这就是积累性效应碰撞所造成的伤害。

从具体方面看，碎片的影响还可以分为对于载人航天器的威胁；对于航天器重要部件的威胁；对于航天器表面材料性能的影响和对于航天器产生的污染影响等。

对于载人航天器的威胁十分好理解。比如航天员正在进行太空行走，此时一大群小碎片向着空间站高速飞来，这种高速往往会达到每秒十几千米，这种碎片一旦击中了航天员身着的航天服很有可能导致击穿，对航天员的身体造成严重威胁。因此，在航天员进行太空行走前都会对轨道环境进行评估，空间站也会有意识地去躲避一些能够被观测到的碎片。不过也有防不胜防的时候，比如在航天飞机STS-118任务中，一个碎片击中了航天员用于太空行走的把手，而砸出来的坑十分锋利，直接把航天员的手套割出来了一个口子，进而导致那一次太空行走被迫提前结束。后来，工作人员专门对航天服的手套做了更好的防割处理。

对于航天器重要部件的威胁则是一个比较大的话题，因为航天器的重要部件有许多。比如航天器的结构损伤，碎片击中航天器的面板后会导致其部分扭曲变形危及结构板的局部稳定性，破坏金属镶嵌物附近环氧树脂封装结构的完整性，造成仪器设备松动，影响仪器的正常工作。

如果击中了压力容器，比如航天器燃料罐和调姿用的气罐，其在被穿透时将向外喷出物质产生推力，进而造成航天器姿态失控，足够大的推力可能造成航天器某些薄弱环节变形或断裂，甚至会发生爆炸。

对于卫星和空间站太阳电池帆板来说，碰撞损伤可能会造成短路，供电能力下降。碎片如果对定向和驱动机构的碰撞造成了损坏，可能会导致帆板指向偏离太阳光方向，进而降低太阳能帆板供电能力，影响卫星和空间站的用电。如果碰撞到了卫星或者空间站的电池组，则会使电池供电能力丧失。

如果碎片碰撞到了外置于航天器外部的天线，损伤会造成天线变形，性能下降，如果天线定向和驱动机构损害会使天线指向偏离，影响飞行任务甚至导致航天器失效。

碎片还会对航天器的表面材料造成影响。比如对天或者对地的光学器件，这些器件对于多次微小碰撞引起的表面损伤很敏感，光线散射程度会急剧增加，而碰撞造成的污染粒子，还会使仪器光学性能下降。对于航天器在外部包裹的保温材料，比如卫星表面包裹的聚酰亚胺材料等，多次微小碰撞会引起这些保温薄膜的的保温能力衰减退化，热吸收系数变大，并且这些薄膜受微小碎片多次碰撞，可能造成严重破损，降低隔热性能，如果直接击穿了表面材料，让一些不能直接与外部接触的仪器与外界接触，会导致仪器失效。

在这次联盟号MS-22冷却液泄露事故中，由于害怕泄露而出的冷却液接触到舱壁造成污染，地面人员要求空间站上的航天员关闭窗户以免污染物沾染。碎片击中表面材料后，可能会在航天器表面产生溅射、汽化、电离、等离子体云、二次碎片云等，会对航天器表面产生严重污染。当然在太空中，除了碎片的存在，还有如原子氧、紫外线等会损伤航天器材料的因素。

▲碎片击中航天员移动把手

对碎片有什么方法应对？

面对轨道中漂浮的难以计数的碎片，为了尽可能降低它们对于航天器的威胁，目前有几个应对方法，如对轨道上的碎片进行追踪；采取减缓碎片增长的措施；为航天器做好防护；主动去捕获碎片等。

碎片追踪已经进行了很多年。根据欧洲空间局空间碎片办公室的数据，截止至2022年12月22日，有大约36500个尺寸大于10厘米的空间碎片，100万个1厘米~10厘米的空间碎片，1.3亿个1毫米~1厘米的空间碎片。但是在这其中并不包括无数难以被地面雷达与望远镜观察到的尺寸极小的碎片，因此这种方法只能用来对一些威胁较大、尺寸较大的碎片的轨道进行提前预测，并让空间站和卫星进行提前规避。

▲ 被划伤的航天服手套

▲碎片击中国际空间站太阳电池帆板

减缓碎片数量增长目前已经成为国际上的共识。可以减缓碎片增长的操作有很多，比如通过释放残留推进剂对火箭二三级进行钝化。火箭二三级往往由于其分离时的速度和轨道已经无法回到地球而被直接遗弃到太空，这时可以通过排空储箱中的燃料来对其进行钝化，让其不会在太空中爆炸产生碎片。而对于卫星，对那些已经难以回到大气层的、寿命已经到期的卫星，地面可通过一系列的机动将其调离现有的轨道，让出宝贵的轨道资源，使其前往一个超地球同步轨道，即人们熟知的“墓地轨道”。

航天器目前已经有许多方法可以去抵挡碎片的侵袭。比如已经在国际空间站和一些深空探测器上采用了惠普尔盾。惠普尔盾本质上是几张以中间留有空隙的方式堆叠的金属板，金属可以是不锈钢或者硬质铝合金，中间可以填充比如凯夫拉等用于防弹背心和头盔的纤维。以国际空间站欧洲哥伦布舱，节点舱2和节点舱3上使用的一种惠普尔盾为例，其从外到内分别是：2毫米厚的306不锈钢，2毫米厚6061T-6铝合金，110毫米厚凯夫拉纤维防弹层，50毫米厚2219铝合金，最后是隔热层。

▲国际空间站俄罗斯舱段曙光号舱段保温毯被碎片击中

主动捕获目前是一种比较新颖的应对碎片的方式。2016年，日本向国际空间站发射了HTV-6补给飞船，其中有一个碎片收集器，可以通过放出绳网的方式去拦截捕获碎片，但是最终由于并没有成功放出绳网，任务失败。虽然目前各国都有用各种方法，比如激光、绳网的方式去清理碎片的计划，但是目前仍都没有落地。不过，虽然针对碎片的清理仍无收效，但是针对废弃卫星的清理实验已经成功进行。

美国宇航局教授唐纳德·凯斯勒于在1978年提出了一个效应，即由于低地球轨道的空间碎片污染已经非常严重，碎片与碎片、碎片与航天器之间的碰撞可能会导致级联反应，每次碰撞都会产生更多的碎片，而更多的碎片会进一步增加碰撞的可能性。这种设想被称为“凯斯勒效应”。

在最坏的情况下，由于碎片已经完全笼罩了地球的各个轨道，人类将在很长一段时间内无法利用轨道资源，直到这些碎片自然回落到大气层内；但是离大气层越远的碎片耗时就会越久，甚至可能花上成千上万年。这种情况的出现并非不可能，目前的地球轨道上正在存在着越来越多的卫星。在未来，上万颗低轨卫星将会在地球的近地轨道上运行，碎片碰撞的几率也会大大增加，碎片对于航天器的威胁也越来越大。为了一个更干净的轨道，参与航天活动的各方都需要共同努力，为清理太空环境作出贡献。