雷淼

11月14日，神舟二十号乘组改乘神舟二十一号飞船平安降落在东风着陆场，航天员陈冬、陈中瑞、王杰顺利出舱，健康状态良好。据中国载人航天办公室消息，在拍照判读、设计复核、仿真分析和风洞试验的基础上，经综合评估，原计划11月5日实施的神舟二十号返回任务因飞船返回舱舷窗玻璃出现细微裂纹而推迟，裂纹最大可能是受空间碎片外部冲击所致，不满足载人安全返回的放行条件，神舟二十号载人飞船将继续留轨开展相关试验。

那么，小小的空间碎片对于航天任务的影响为何如此之大？对于太空存在的意外风险，我们又有哪些应急预案？

　　11月14日，神舟二十一号载人飞船与天宫空间站组合体成功分离（视频截图）。 中国载人航天工程办公室

神舟二十一号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。

1 空间碎片为何那么多

看似空无一物的太空其实是个熙熙攘攘的世界，地球身边更加热闹。这是因为人类的航天活动直接或间接地产生了许多空间碎片，它们有个更直白的称呼，叫作“太空垃圾”。

空间碎片是空间环境的主要污染源，包括失效卫星、废弃火箭末级、未烧尽的燃料颗粒、航天事故残骸，从航天器上脱落的小零件和隔热材料，以及人类在舱外维护航天器时丢弃或遗失的工具、在空间站产生的日常生活垃圾等。碎片与航天器、碎片与碎片之间发生碰撞，又会产生更多更细小的次级碎片。

美国和苏联在执行舱外活动时曾经丢失过不少东西，包括手套、摄像机、扳手、工具包等，和平号空间站和国际空间站也常年往太空中丢弃生活垃圾。比如，美国宇航员斯科特·凯利在驻国际空间站工作的近一年间，其排泄物就制造了约80公斤的“臭”流星。日本于2016年发射的ASTRO-H X射线天文卫星，上天后一个多月即告失联，调查发现，由于姿态控制软件设计错误，让卫星陷入越来越快的翻滚，最终解体成至少10枚碎片，直至今日，依然能用双筒望远镜看到这颗卫星的主体碎片飞速旋转造成的周期性闪烁。

有些空间碎片是人类在航天时代早期有意散布的。20世纪60年代，美国执行过“西福特计划”，将4.3亿根长1.78厘米、直径25.4微米的铜质针状偶极天线散布到高度3500公里以上的轨道上，形成辅助远程通信的云状环。直至今日，仍有数目可观的铜针残留在轨道上，偶有铜针返回大气层。还有许多早期空间碎片是反卫星武器试验的结果，随着人们认识到空间碎片的危害，这类试验很久以前就不再主动进行了，但俄罗斯在2021年用导弹摧毁过一颗废弃军事侦察卫星，产生了上千枚可追踪的碎片，可能还有几十万枚较小的碎片。

随着各国航天事业的迅猛发展，地球轨道上的空间碎片数量与日俱增。欧洲空间局2025年10月21日发布的空间环境报告显示，截至2024年8月，可以追踪的尺寸大于10厘米的空间碎片已经超过4.4万个，1厘米以上的逾120万个，更加细小的“不在册”碎片可达数亿量级。

在极其稀薄的大气阻力影响下，运行在低轨道上的空间碎片会逐渐降低轨道高度，最终在大气层中陨落烧毁，而轨道较高的空间碎片能存留很久。例如苏联在1972年发射失败的“宇宙-482”金星探测器，围着地球转了53年后，才于今年5月重返大气层，坠落在印度洋深处。

2 碎片威胁源于速度赛“炮弹”

小小的空间碎片为何能阻碍神舟二十号的回家之路？它们的破坏力从何而来？答案是速度极快。

平时看航天员出舱活动的视频，大家会感觉那是个失重的地方，周围的一切都在慢悠悠地飘荡，怎么能撞坏东西呢？实际上，“慢悠悠飘荡”的假象是航天员、空间站和各个设备的运行方向和速度完全一致造成的。如果拿地球作为参考，那么包括航天员在内，这些物体都在围着地球以第一宇宙速度（接近每秒8公里）疾驰，是步枪子弹速度的10倍。想象一下，一只手套若以这个速度迎面而来，用“炮弹”来形容它的威力都过于保守了。

空间碎片携带的动能和其速度的平方成正比。大个儿的空间碎片可能击碎航天器的外壳或控制系统，使航天器爆炸、解体、姿态翻转或偏离轨道；稍小一点的空间碎片也能造成撞击坑，损伤航天器表面器件、太阳能帆板或供电线路。对于在太空行走的航天员来说，他们穿的舱外航天服实际上也可以看作一艘精简版的迷你飞船，对空间碎片的防护能力更弱，即使是毫米级以下的细小碎片，也能击穿舱外服的防护层，危及航天员的生命。假如微小空间碎片破坏了飞船返回舱防热涂层的完整性，或者像这次神舟二十号飞船那样被击中舷窗，形成一个承力薄弱点，都会给航天员的回家之路埋下重大隐患。

首例确认的空间碎片撞击事件发生在1983年的美国航空航天局STS-7任务期间，一块涂料击中挑战者号航天飞机右侧的一个舷窗，留下了直径3.8毫米、深0.43毫米的撞击坑，并在周围产生了大量细微裂纹。值得一提的是，这次任务发射时曾经发生过可追溯的首例隔热泡沫脱落事件，而同类事故在20年后导致了哥伦比亚号航天飞机解体的悲剧。尽管这两次隔热泡沫脱落事件都发生在地面起飞阶段，但它同样可以在太空中由空间碎片引发。

除了对航天器或航天员造成直接伤害以外，空间碎片事故还会产生更多的次级碎片，进而引发更多碰撞。当空间碎片密度达到某个临界值时，有可能会像雪崩一样产生“凯斯勒效应”，这是美国科学家唐纳德·K·凯斯勒在1978年提出的一种理论假设：密密麻麻的空间碎片在短时间内彻底封锁近地轨道，让人类无法执行更多空间计划。2013年上映的科幻电影《地心引力》就是基于这一理论编剧拍摄的，主角所在的航天飞机被空间碎片摧毁，不得不在被陆续摧毁的航天器之间一路奔逃，最后借助中国天宫空间站和神舟飞船才得以平安返回地球。

3 对付碎片有时“避让”有时“硬撞”

要想应对空间碎片，首先要知道它们在哪里，这就需要建立起空间碎片的数据库和轨道跟踪、预警系统。目前，主要有两种技术。

一是光学观测：使用望远镜和相机捕捉空间碎片反射的太阳光。这种方法只能在夜晚进行，再加上低轨道碎片会被地球阴影掩蔽，所以光学观测适用于离地球很远的高轨道碎片的探测。高精度光学系统结合图像处理技术，可以分辨10微米以上的微小碎片。

二是雷达监测：通过发射电磁波并接收反射信号，来探测空间碎片的位置和速度。由于电磁波的波长可以穿过云层，而且不会被太阳光干扰，所以这种方法可以全时段、全天候使用。其缺点是雷达电磁波波长较长，遇到小尺寸的空间碎片会直接绕射过去。这种技术只适用于直径大于10厘米的碎片。

应对空间碎片，从航天器还在地面时就开始了。所有航天发射任务都必须事先进行空间环境预测，如果在发射及入轨途中与已知的空间碎片存在较大碰撞风险，就要调整发射时间、微调入轨参数甚至取消发射计划。对于载人飞行任务而言，放行条件就更加苛刻。

到了太空里，对于早已存在的空间碎片，航天器的应对策略主要与碎片的尺寸有关。目前，对于尺寸超过10厘米的高破坏力碎片，航天器倾向于主动变轨进行避让。而对于难以观测的大量小型空间碎片来说，预警机制本身就覆盖不到，并且即使预知也不可能让航天器消耗宝贵的燃料去频频变轨躲避，最佳应对手段就是硬撞。

所以，长期驻人的空间站都各自打造了一副坚不可摧的铠甲。按照公开标准，空间站的防护结构要能经受直径1.3厘米的铝球以每秒7公里的速度垂直撞击。为此，国际空间站和中国的天宫一号、二号都采用了惠普尔防护罩，在航天器约2.5厘米厚的外壁基础上，再包裹1毫米厚的特殊金属层。如果金属层的厚度与空间碎片的尺寸相差不大，高速相撞会产生微型爆炸，击碎空间碎片，使动能分散到内层板上，从而避免更大的破坏。

比起试验期的两代天宫，中国空间站具有更长的在轨时间、更大的组装规模，因此对其防护功能提出了更高的要求。它使用复合材料填充式防护结构，综合应用高强度材料和能量吸收层, 既减轻了重量，又提升了抗冲击性能，目前已成功应用于空间站天和核心舱，以及问天、梦天两大实验舱，为空间站和航天员筑起了固若金汤的堡垒。

空间站并非所有部位都均等防护，而是根据各部分的关键性进行区域分级。例如，作为航天员生命保障核心区的密封舱，其防护层级最高；推进系统、供电设备等次之；太阳翼等部件面积大，难以完全防护，更多的是借助冗余设计来降低撞击带来的风险。

航天员在轨维修同样是载人航天器防护体系的重要一环。此前，神舟十七号乘组完成了中国航天首次舱外维修任务，神舟十八号、十九号乘组在安装空间站防护装置时，还同步开展了舱外设施设备巡检。此次凯旋的神舟二十号乘组驻站期间的一项重要工作，也是继续安装空间碎片防护装置，为空间站“披甲”。

4 探索新技术从源头减少空间碎片

扬汤止沸不如釜底抽薪，有什么办法可以让已有的空间碎片不断减少，或者从源头上尽量杜绝新的空间碎片产生？

多国科学家以及航天机构已经着手进行这方面的研究，探索多种主动清除空间碎片的技术。目前所知可行性较好的手段有激光烧蚀、太空拖网、机械臂捕获、离子束偏转、电磁吸附等。值得一提的是，我国2021年10月发射的实践二十一号卫星，以已经退役的北斗二号G2卫星为目标，验证了从地球同步轨道上移除空间碎片的技术。在发射两个月后，实践二十一号卫星与目标对接成功，次月启动发动机，把这颗退役卫星带到了赤道上方约36000公里的“墓地轨道”，并在抛下退役卫星后，成功返回地球同步轨道。

现代航天器的设计也正在努力从源头减少空间碎片，或者提高失效航天器的完整性，使空间碎片更加利于跟踪与规避（例如采用防爆燃料贮箱，减少外露部件，都是切实可行的具体措施）。航天器退役时，不能弃之不管，而要利用最后的燃料主动变轨，让低轨的再入大气层销毁，让高轨的去往“墓地轨道”。如今，已经形成成熟航天产业且对空间活动具有重大依赖的航天强国，从自身战略利益出发，纷纷倡导通过开展国际合作，制定国际法律规则，切实有效地加大对空间碎片的减控力度，以保障空间活动的安全。

在神舟二十号载人飞船遭遇的这次意外事件中，我们要盛赞中国载人航天严谨的安全意识和高效可靠的应急方案。从发现疑似撞击痕迹到多方面研判决策，再到航天员平安归来，总共只用了9天时间。此外，从神舟十二号任务开始，中国载人飞船发射均采用“发一备一”的滚动备份机制。就在神舟二十一号发射升空的同时，神舟二十二号飞船和长征二号F火箭早已在酒泉卫星发射中心进入“应急值班”状态。因此，即使没有现成停靠在空间站的神舟二十一号飞船，在地面待命的神舟二十二号飞船也可以随时升空，把我们的航天英雄接回家。

太空是人类共同拥有的宝贵资源。从通信交流到导航定位，从天气预报到矿产勘探，我们如今拥有的现代化生活离不开天上默默运行的卫星。但凡事都有两面性，人们也同样要关注隐藏巨大风险的空间碎片，这关系到现代生活的安全与人类文明的未来。处理空间碎片是全世界航天人的责任，需要全球协作、技术创新，因为只有维护好太空环境，才能确保后代继续探索浩渺宇宙。（作者为中国科普作家协会会员）

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