北京
近日，神舟十九号航天员乘组在第三次出舱活动中完成了空间站碎片防护装置安装。近年来，随着各国低轨卫星互联网的建设，导致近地轨道空间碎片数量大幅增加，存在空间碎片碰撞空间站的风险。在历次飞行任务出舱活动中，航天员也开展过多次空间站碎片防护相关操作。
神舟十九号航天员乘组开展第三次出舱活动
空间站应该如何应对空间碎片的撞击？空间站对碎片威胁采取躲防结合的对策：对可观测、跟踪并预报的碎片，尽可能提前变轨规避；同时加强自身防护措施，对不可观测的碎片具备一定的防护能力。
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可见可测的碎片——规避
尺寸较大、可观测的碎片，大多外形不规则且姿态失控，对其进行轨道测定和外推存在较大误差，外推时间越长误差越大。进行碎片撞击预警时必须考虑这些误差因素，预判尽可能准确以免动辄虚警，还要尽可能早地得到足够精度的判定，给空间站执行变轨规避留足时间，因此判定方法需简单方便。工程上常用的方法有两种：
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Box区域判定
碎片的测轨、定轨和轨道预报都存在误差，根据误差大小选择适当尺度的Box区域作为判定依据。具体地说，就是在空间站周围定义一大一小两个长方体空间，大的作为预警区域，小的作为规避区域。
国际空间站“披萨盒”碎片预警区域示意
（图源：NASA）
当预报结果表明碎片将进入预警区域时，发出警报，空间站进行变轨准备，地面密切跟踪该碎片并根据新测定的数据持续外推碎片轨道。后续预报如果表明碎片不再进入预警区域，则警报解除；若在预期交会时刻足够近（例如空间站实施一次变轨所需时间）时预报结果显示碎片仍将进入碰撞区域，则决策空间站变轨规避。
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碰撞概率判定
将测、定轨和预报误差按概率定义，则可以得到碰撞发生概率。Box区域法只以交会距离作为判据，而碰撞概率分析包含了轨道相对关系、定位和预报误差模型的因素，对Box区域判断形成有益的补充。在选择适当概率阈值的情况下，可以进行综合判断。
特别注意的是，规避方案需要保证空间站实施轨道机动后，在新的轨道上也不会与其他碎片发生碰撞。因此，在进行碰撞预警的同时要制定空间站变轨方案，并且要对轨控后的新轨道进行仿真，分析是否有其他碎片产生新的碰撞风险。如果有，则需调整变轨方案，直到选出短期内无碰撞风险的新轨道作为轨控目标。
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“看不见”的碎片——防护
以目前大多数国家对空间碎片的观测和跟踪能力，小于10cm尺度的碎片很难被有效观测、稳定跟踪，只能根据空间碎片环境模型进行估计和开展数值模拟。无法观测跟踪，也就无法对这些碎片可能造成的撞击进行预警，空间站要时刻准备着被这类碎片撞击。
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为应对不可避免的碰撞，空间站在设计时也需要通过多种方式对关键部位进行防护。保证人员安全总是第一位的，因此密封舱是最关键的保护区域，其次是关键设备如推进贮箱、管路、重要电子设备、主干电缆、电源驱动机构等。无论哪个部位被碎片击中，防护结构都应尽量减小撞击对空间站的损害。
01
专用防护结构研制：从材料级到部件级
从材料级到部件级长期飞行的载人航天器都在碎片防护上做了相应的设计和评估。为了在获得有效防护的同时尽可能减轻防护结构的重量，空间站专门设计了高效率的防护结构，结合飞行器需求优化防护结构并筛选了防护区域。
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整体防护设计：从系统级到任务级
装上防护结构的“盔甲”，航天器就部分具备与碎片正面较量的能力了。但空间站有些关键部位无法防护甚至无法局部维修，如大型太阳翼的远端；某些设备设施太重要，即便被碎片击坏的概率很小也“赌”不起，如供电主母线短路以及各种气液泄漏。这些情况都需要系统设计从源头消解风险。
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防护评估与验证：麻绳易从细处断
空间站的设计状态确定后需开展仿真评估，得到特定时间段内组合体被碎片击穿/击坏的概率，进而从高概率部位识别出防护薄弱环节并研究对策。
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及时维修补强：人在现场的优势
人在太空现场，是载人航天独有的优势。如果碎片撞击对空间站产生损伤，航天员可以设法对受损设备进行维修，并在长期飞行中持续补强防护设施。
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因此，空间碎片防护一方面要加强观测能力，降低可观测的下限；另一方面要不断增强防护能力，抬高可防护的上限。上下努力压缩残余风险对应的“中间尺寸”，直至观测和防护能力衔接。
参考文献
[1]王翔.击水中流：载人空间站针对空间碎片的设计[J].航天器工程,2024,33(S1):51-65.
编辑/吴馥桐
本文转载自公众微信号：中国载ren
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