历史上和今天的载人空间站ღ✿，都运行在近地轨道ღ✿。这里是大多数人类航天器与有效载荷工作的地方ღ✿，但轨道上可见的物体中大约70%为空间碎片ღ✿。空间碎片与高真空ღ✿、极端温度ღ✿、宇宙射线等要素一起ღ✿，构成了载人航天器的空间环境ღ✿。

　　早期的载人航天器设计重点在于克服真空和高低温ღ✿，获得人所需的大气环境——包括适宜的温度ღ✿、湿度和大气成分ღ✿，因此主结构都设计为类似压力容器的“罐子”即密封舱ღ✿，舱内靠温湿度控制和生命保障设备营造一个满足载人条件的小环境ღ✿。这个金属罐子同时也具备了一定的屏蔽空间辐射环境和带电粒子的能力ღ✿。为了均衡技术难度和研制成本ღ✿，对空间环境适应性强的设备设施配置到密封舱外ღ✿，按功能和工作需求集成为类似人造卫星的非密封舱段ღ✿，与密封舱共同组成完整的载人航天器ღ✿。

　　随着人类航天活动愈加频繁ღ✿，空间碎片问题凸显ღ✿。近年来ღ✿，卫星不乏被空间碎片击中受损ღ✿、失效甚至解体的案例ღ✿，中外载人空间站在主动规避碎片的情况下仍然发生过被击中的情况ღ✿。

　　国际社会制定了相应准则ღ✿，敦促各国在航天器设计ღ✿、发射和运行中采取措施ღ✿，减少空间碎片的产生ღ✿。一些航天团队提出了机械臂抓取ღ✿、飞网捕获ღ✿、激光推移ღ✿、离子束推方法等移除空间碎片的方案ღ✿，但这些技术都处于概念阶段ღ✿，大规模应用为时尚早ღ✿。空间碎片仍然是载人航天器重要设备ღ✿、尤其是密封舱面临的首要破坏性威胁ღ✿，碰撞几乎是不可避免的ღ✿。

　　作为确保载人安全性的重要方面ღ✿，空间站针对空间碎片威胁进行了专门设计ღ✿。这些设计覆盖材料ღ✿、部件ღ✿、系统和任务层面ღ✿，承载了航天器与空间环境相互作用的载人航天工程系统理念ღ✿。这些设计为空间站提供了有效应对碎片的盾牌与法则ღ✿，并将进一步挖掘空间站主动作为ღ✿、降低碎片撞击风险的潜力ღ✿。

　　人类早期太空活动需要提防的撞击ღ✿，主要来自宇宙天体自然形成的微小流星ღ✿。对于广阔的地球轨道空间而言ღ✿，流星体的数量密度并不大而当时的航天器数量极少ღ✿，流星体击中在轨运行航天器的可能性很小ღ✿。而且ღ✿，绝大多数流星体都是迅疾地“擦肩而过”ღ✿，极少会有被地球引力俘获而长时间停留在地球轨道上的情况ღ✿。因此ღ✿，航天器被天然流星体击中的概率基本可忽略ღ✿。

　　今天ღ✿，对航天器形成撞击威胁的主要是人造天体形成的空间碎片ღ✿。有资料表明ღ✿，随着人造物体入轨数量的增加以及碎片自身解体与相互碰撞破碎博九线上官网ღ✿，地球轨道上人类制造的空间碎片从1960年代末的数百片已经激增到目前的上亿个ღ✿。根据欧洲航天局空间碎片办公室（ESAs Space Debris Office）2023年提供的估算数据ღ✿，地球轨道上尺寸在10cm以上空间碎片约有36500个,1～10cm之间的约100万个,1mm～1cm之间的约1.3亿个ღ✿。在讨论碰撞及其影响时ღ✿，微流星和轨道碎片（micro-meteoroid & orbital debris/MMOD)可以被归为一类ღ✿，统称为空间碎片ღ✿。

　　北美防空司令部(NORAD)自1957年苏联发射第一颗人造卫星普特尼克一号（Sputnik 1）起开始对空间目标进行编号和跟踪ღ✿。ESA所属空间碎片办公室（Space Debris Office）公开的资料表明ღ✿，2021年美国空间监视网（Space Surveillance Networks）保持跟踪ღ✿、编目的在轨碎片约28600个ღ✿。

　　此外ღ✿，卫星特别是微小卫星的增多和大型ღ✿、巨型星座的建设运行ღ✿，导致大量机动能力有限且相互之间完全“陌生”的卫星形成了又一类碰撞危险源ღ✿，同样产生与“空间碎片”等效甚至更为严重的影响ღ✿。

　　失效卫星ღ✿、火箭末级和碰撞或爆炸形成的星箭残骸ღ✿，是真正意义上的“碎片”ღ✿。这类不受控的碎片形态各异ღ✿、姿态紊乱ღ✿，即使观测到了也很难ღ✿、或者说不可能准确预测其飞行轨道ღ✿，只能获得有一定偏差量的预估数值ღ✿。

　　在300~500km高度ღ✿，大气对航天器产生的阻力是可观的ღ✿，例如空间站每隔2~3个月需要进行轨道维持机动ღ✿，才能始终保持在一定高度ღ✿。这些无控的碎片受大气阻力影响ღ✿，轨道高度在整体趋势上会逐渐衰减ღ✿。但也因如此ღ✿，更高轨道的碎片也会逐渐降轨到造成更大威胁的高度层ღ✿。

　　碎片还会因意外事件突然产生和增多ღ✿，比如在轨卫星解体ღ✿。最近的此类事件发生在今年6月26日ღ✿，一颗已经退役的俄罗斯卫星在轨解体ღ✿，地面观测到它突然产生了100多块碎片ღ✿。国际空间站上的9名航天员按避险程序紧急撤离到飞船中躲避了约一个小时ღ✿，碰撞警报解除后才回到空间站恢复正常起居和工作ღ✿。

　　碎片撞击本身也是大量新碎片产生的原因ღ✿。2009年2月ღ✿，已退役报废14年的宇宙2251卫星和在役的铱星33相撞ღ✿。这一世界上首起两颗在轨卫星发生碰撞的事件导致两颗卫星全毁ღ✿，产生的新碎片超过2200枚ღ✿。美国科学家唐纳德‧J‧凯斯勒（Donald J. Kessler）1978年提出的“凯斯勒效应”（Kessler Syndrome）即在轨物体碰撞引发的连锁效应成为现实ღ✿，似乎已并不遥远ღ✿。

　　近年来微小卫星入轨数量激增ღ✿，尤其是利用电推进作为动力的小卫星主动变轨博九线上官网ღ✿、迅速机动的能力是非常有限的ღ✿。有些试验性的立方星甚至完全没有变轨能力ღ✿，在其短暂的试验周期结束后即形成无控的太空垃圾ღ✿。

　　更重要的是ღ✿，空间站和卫星之间ღ✿、卫星与卫星之间ღ✿，互相是不知晓对方的ღ✿。而且这些航天器的控制权分属不同国家不同部门ღ✿，待地面监控发现碰撞危险ღ✿，还需通过各种协调手续甚至外交渠道ღ✿，才能让各自的控制中心相互配合ღ✿，制定协调的规避方案（比如双方都机动或一方动另一方不动）并实施避让ღ✿。

　　天上卫星的运行不会等待地面漫长的协调过程ღ✿。2019年ღ✿，一颗法国卫星与一颗星链卫星有相撞风险ღ✿，协调未果ღ✿，法国卫星最终主动避让ღ✿。也有协调成功的案例ღ✿：2021年3 月 30 日ღ✿，一颗星链卫星和 一颗OneWeb卫星运行接近ღ✿，经两家公司协商达成一致ღ✿，由OneWeb卫星实施机动ღ✿，成功避让ღ✿。

　　“新航天”催生了大规模卫星星座的部署ღ✿，星座卫星数量从铱星的数十到OneWeb的数千ღ✿、直至星链的数万ღ✿。全球主要大型星座计划部署的卫星数量ღ✿，甚至超过了目前的空间碎片编目数量ღ✿。

　　由于操作失误ღ✿，航天员将一些物品遗落在了太空中ღ✿。1965年6月3日ღ✿，美国第一次（也是世界第二次）出舱活动中ღ✿，双子星4号航天员爱德华·怀特（Edward White）刚开舱门就掉落了一只备用手套ღ✿。2008 年和2017年ღ✿，国际空间站都有过航天员在舱外作业中遗失工具的情况ღ✿。最近报道的一次发生在2023年11 月 2 日ღ✿，NASA航天员茉莉・莫格贝利（Jasmin Moghbeli）和洛拉尔・奥哈拉（Loral O’Hara）在进行舱外维修时不慎让一个工具包漂到了太空中ღ✿。

　　一些废弃设备被有意丢弃在轨道上ღ✿。早期的太空飞行似乎没有环保概念ღ✿，毕竟那时的太空是线号第3次出舱活动中ღ✿，航天员都曾扔掉废弃设备ღ✿。

　　随着航天活动的发展ღ✿，出于技术难度考虑ღ✿，一些空间活动产生的废弃物没有靠飞行器回收ღ✿，而是受控丢弃ღ✿。1979年8月15日ღ✿，礼炮6号的苏联航天员弗拉基米尔·利亚霍夫（Vladimir Lyakhov）和瓦列里·柳明（Valeri Ryumin）的出舱任务是丢弃KRT-10射电望远镜蝶形天线号航天员列奥尼德·齐兹米（Leonid Kizim）和弗拉基米尔・索洛维约夫（Vladimir Solovyov）在更换了空间站太阳电池阵后ღ✿，将新太阳阵的包装箱和旧太阳阵都扔到了轨道上ღ✿，并专门选择释放方向以控制丢弃物的轨道ღ✿，防止与空间站相撞ღ✿。最近引起关注的在太空有意扔垃圾事件发生在2021年3月ღ✿，国际空间站上2.9吨重的旧电池及其托盘被丢弃ღ✿。这个庞然大物倒是没有伤害到在轨飞行器ღ✿，但它再入大气层后残余的一枚重约1kg的金属块今年3月8日撞穿了美国佛罗里达州一所房子的屋顶和两层楼ღ✿。

　　还有些特殊的人造物体被有意释放ღ✿。2006年11月ღ✿，俄罗斯航天员米哈伊尔•秋林（Mikhail Tyurin）为了执行俄罗斯航天局的广告项目ღ✿，在国际空间站外打出一杆太空高尔夫球ღ✿。这个特制的高尔夫球内部安装了定位系统以便地面观测跟踪ღ✿，就像是一颗微型卫星ღ✿。这是最简单的“环保措施”ღ✿，即设法让人造天体“可见”ღ✿，使其至少可被跟踪监视ღ✿，而不是成为看不见的危险源ღ✿。对1U立方星的使用限制和要求也是出于这种考虑ღ✿。

　　2013年的好莱坞电影《地心引力》以空间碎片撞毁国际空间站的场景开头星际赛车ღ✿，去年上映的俄罗斯电影《挑战》也设置了航天员因空间碎片受伤ღ✿、需要地面派医生上天的故事背景ღ✿。

　　实际上ღ✿，空间碎片袭击空间站造成的损伤已经真实发生在各国载人飞行任务中ღ✿，其危险程度并不亚于文艺作品ღ✿。

　　在星链这样的巨型星座部署之前ღ✿，地面可观测编目的空间目标（绝大多数是空间碎片）有大约3/4分布在300km~1600km的轨道范围ღ✿。300km以下大气阻力大ღ✿，碎片会迅速坠落ღ✿；1600km以上则即将进入并非卫星常用轨道的范艾伦辐射带（Van Allen radiation belts）ღ✿，自然也不会产生太多碎片ღ✿。再高的碎片集中区就是半地球同步轨道的20000km和地球同步轨道的36000km附近了ღ✿。

　　SpaceX星链的入轨方案是先用火箭将卫星送到300km附近高度轨道ღ✿，完成测试ღ✿、确认健康后再通过电推进抬升轨道ღ✿，最终进入约550km的工作轨道ღ✿。这样ღ✿，那些未能通过测试ღ✿、尤其是推进系统发生故障的卫星ღ✿，很快就会因大气阻力造成轨道衰减ღ✿，再入大气层烧毁ღ✿。对所有太空探索者来说ღ✿，失效卫星不会滞留太空成为空间碎片ღ✿；而对太空探索者公司SpaceX而言ღ✿，失效卫星的坠落为健康卫星腾出了宝贵的轨道资源ღ✿，不影响组网ღ✿。

　　空间站之所以选择350km~450km的轨道高度ღ✿，是因为载人飞行要尽量避开南大西洋上空的辐射带ღ✿，不宜过高ღ✿；为方便地面测控和返回ღ✿，又希望轨道具有一定的回归特性ღ✿。这个高度正好位于碎片密集区间的下缘ღ✿，虽然密度不是最大ღ✿，但大部分自然衰减的碎片会经过空间站的工作区间ღ✿，而星链卫星向上爬升也会穿过这一范围ღ✿。因此ღ✿，空间站面临的空间碎片环境是很复杂的ღ✿。

　　而且ღ✿，大多数无人飞行器在任意方向投影面积上的关键设备/要害部位只是若干局部区域ღ✿，而载人空间站的主体结构为密封舱ღ✿，整个投影面积都是危险区ღ✿，任何一个点的泄漏都将带来全局性的危险ღ✿。加之密封舱被打穿这样的损伤很难修复ღ✿，被迫放弃或隔离受损舱段的代价都是非常高昂的ღ✿。因此ღ✿，空间站密封舱在碎片撞击这类威胁面前呈现出特有的“脆弱性”ღ✿。

　　卫星和无人飞行器若有故障或损伤ღ✿，可以采取降级使用等方式继续任务ღ✿。但对于空间站ღ✿，一旦存在涉及航天员安全性的风险博九线上官网ღ✿，后果是不可接受的ღ✿，处置是不容权衡的ღ✿。

　　特别是在出舱活动中ღ✿，航天员的唯一保护手段即航天服ღ✿，但资料显示速度10km/sღ✿、尺寸0.5mm的碎片即可穿透标准航天服ღ✿。再加上泄复压安全性ღ✿、太空辐射等对人体的影响ღ✿，出舱活动虽然技术成熟ღ✿，仍被各航天国家定义为高风险任务ღ✿：高度关注空间碎片ღ✿，且非必要不出舱ღ✿。

　　自航天飞机时代始ღ✿，空间碎片对载人飞行的影响直接可见ღ✿。返回地面的航天飞机外表多有被碎片击中的痕迹ღ✿。

　　挑战者号STS-7任务中舷窗被碎片击中（左）和奋进号STS-118中散热器被碎片击中（右）（图源ღ✿：NASA）

　　近年来国际空间站公布了很多被碎片撞击的情况ღ✿，从重要设备到载人飞船都有被击伤甚至打坏失效的情况ღ✿。

　　2021年5月12日的例行检查中ღ✿，加拿大2机械臂的臂杆被发现一处损伤ღ✿。所幸空间碎片未击中要害ღ✿，只是打穿了结构外壳ღ✿，不影响机械臂性能ღ✿。

　　停靠在国际空间站的两艘俄罗斯飞船疑似先后两次被碎片击中ღ✿，直接导致整船重要功能性能损失ღ✿，后果比机械臂严重得多ღ✿。

　　2022年12月14日ღ✿，联盟MS-22载人飞船热控流体回路泄漏ღ✿，散热能力失效ღ✿，飞船失去载人返回能力ღ✿，后不得不发射一艘新飞船将航天员接回ღ✿。俄罗斯航天局分析认为是碎片撞击导致ღ✿，这一判断也得到NASA认可ღ✿。2023年2月11日ღ✿，进步MS-21货运飞船也被发现冷却剂泄漏ღ✿。这次事件尚无明确证据表明是碎片撞击所致ღ✿，但其发生时间距离联盟MS-22受损不到两个月且现象类似ღ✿，新闻报道总是将两次事故联系在一起ღ✿，不排除碎片嫌疑ღ✿。

　　空间碎片撞击能量大ღ✿，飞行器若硬抗需要非常“结实”的结构ღ✿，代价不菲ღ✿。而大多数空间碎片只要能够观测ღ✿，其运行规律即可循ღ✿。因此ღ✿，空间站对碎片威胁采取躲防结合的对策ღ✿：对可观测ღ✿、跟踪并预报的碎片ღ✿，尽可能提前变轨规避ღ✿；同时加强自身防护措施ღ✿，对不可观测的碎片具备一定的防护能力ღ✿。

　　规避ღ✿。以当前的技术能力ღ✿，特征尺度≥10cm的碎片可以被地面观测ღ✿、编目并预报飞行轨迹ღ✿。结合空间站飞行轨道及轨控计划ღ✿，可以提前预警碎片与空间站的交会风险ღ✿。空间站变轨机动ღ✿，躲开来袭碎片ღ✿。

　　防护ღ✿。空间站通过系统设计和防护结构的配置ღ✿，能够抵御约1cm尺寸或更小碎片的直接撞击9博体育ღ✿，ღ✿，不会产生灾难性后果ღ✿。主要航天国家这方面能力相当ღ✿。根据NASA标准ღ✿，国际空间站的防护结构要求能够经受住1.3cm铝制球体以7km/s速度且垂直于表面的撞击ღ✿。

　　应急ღ✿。对于无法观测又防不住的碎片ღ✿，空间站要有一系列的专门设计应对破坏性撞击ღ✿，包括感知撞击ღ✿、重点设备冗余和备份ღ✿、系统降级进入安全模式ღ✿、航天员参与定位密封舱漏点并堵漏ღ✿、航天员紧急撤离和事后恢复受损设备ღ✿、舱体等ღ✿。

　　尺寸较大ღ✿、可观测的碎片ღ✿，大多外形不规则且姿态失控ღ✿，对其进行轨道测定和外推存在较大误差ღ✿，外推时间越长误差越大ღ✿。进行碎片撞击预警时必须考虑这些误差因素ღ✿，预判尽可能准确以免动辄虚警ღ✿，还要尽可能早地得到足够精度的判定ღ✿，给空间站执行变轨规避留足时间ღ✿，因此判定方法需简单方便ღ✿。工程上常用的方法有两种ღ✿：

　　1）Box区域判定ღ✿：碎片的测轨ღ✿、定轨和轨道预报都存在误差ღ✿，根据误差大小选择适当尺度的Box区域作为判定依据ღ✿。具体地说ღ✿，就是在空间站周围定义一大一小两个长方体空间ღ✿，大的作为预警区域ღ✿，小的作为规避区域ღ✿。当预报结果表明碎片将进入预警区域时ღ✿，发出警报ღ✿，空间站进行变轨准备ღ✿，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ღ✿。后续预报如果表明碎片不再进入预警区域ღ✿，则警报解除ღ✿；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ღ✿，则决策空间站变轨规避ღ✿。

　　2）碰撞概率判定ღ✿：将测ღ✿、定轨和预报误差按概率定义ღ✿，则可以得到碰撞发生概率ღ✿。Box区域法只以交会距离作为判据ღ✿，而碰撞概率分析包含了轨道相对关系ღ✿、定位和预报误差模型的因素ღ✿，对Box区域判断形成有益的补充ღ✿。在选择适当概率阈值的情况下ღ✿，可以进行综合判断ღ✿。

　　特别注意的是ღ✿，规避方案需要保证空间站实施轨道机动后ღ✿，在新的轨道上也不会与其他碎片发生碰撞ღ✿。因此在进行碰撞预警的同时要制定空间站变轨方案ღ✿，并且要对轨控后的新轨道进行仿真ღ✿，分析是否有其他碎片产生新的碰撞风险ღ✿。如果有ღ✿，则需调整变轨方案ღ✿，直到选出短期内无碰撞风险的新轨道作为轨控目标ღ✿。

　　国际空间站主动规避碎片是常规动作ღ✿。根据2022年12月NASA空间碎片报告ღ✿，国际空间站1999年以来实施了32次轨道机动ღ✿，以避开卫星和可追踪的空间碎片ღ✿。这一功能同时分解到了对保障飞行器的要求中星际赛车ღ✿，如欧洲货运飞船ATV的功能需求就包含对接上国际空间站后能为空间站规避碎片提供轨控推力ღ✿。

　　有轨控能力的卫星也采取同样的措施ღ✿。SpaceX今年7月1日向美国联邦通信委员会（FCC）提交的《半年度星座状态报告》显示ღ✿，过去6个月内星链卫星进行了近50000次碰撞规避机动ღ✿。规避次数多的原因一方面是星多ღ✿、避让目标多ღ✿，另一方面也是因为这段时间里SpaceX为提升安全系数ღ✿，将规避机动阈值又降低了一个量级ღ✿，即碰撞概率仅为百万分之一时就会避让ღ✿。这个阈值比行业标准低了100倍ღ✿，因此规避机动会更频繁ღ✿。

　　以目前大多数国家对空间碎片的观测和跟踪能力ღ✿，小于10cm尺度的碎片很难被有效观测ღ✿、稳定跟踪ღ✿，只能根据空间碎片环境模型进行估计和开展数值模拟ღ✿。无法观测跟踪ღ✿，也就无法对这些碎片可能造成的撞击进行预警ღ✿，空间站要时刻准备着被这类碎片撞击ღ✿。换言之ღ✿，即使在观测-预警-规避都完美实施的最理想情况下ღ✿，空间站也一定会被小于10cm尺度的空间碎片撞击ღ✿。利用空间碎片环境模型ღ✿，结合空间站的几何构型ღ✿、飞行轨道及姿态ღ✿、飞行时间等ღ✿，可以对站上各部位遭受不同尺度碎片撞击的概率做出量化评估ღ✿。

　　为应对不可避免的碰撞ღ✿，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ღ✿。保证人员安全总是第一位的ღ✿，因此密封舱是最关键的保护区域ღ✿，其次是关键设备如推进贮箱ღ✿、管路ღ✿、重要电子设备ღ✿、主干电缆ღ✿、电源驱动机构等ღ✿。无论哪个部位被碎片击中ღ✿，防护结构都应尽量减小撞击对空间站的损害ღ✿。

　　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ღ✿。为了在获得有效防护的同时尽可能减轻防护结构的重量ღ✿，空间站专门设计了高效率的防护结构ღ✿，结合飞行器需求优化防护结构并筛选了防护区域ღ✿。

　　1947年ღ✿，美国天体物理学家弗雷德·惠普尔（Fred Whipple）提出一种微流星防护结构ღ✿，即在距离飞行器外壁1英寸的周围包上一层1mm厚的金属片作为“流星防护罩”（meteor bumper）博九线上官网ღ✿。当流星体的尺寸与这层金属片厚度相当时ღ✿，二者的高速相撞会产生爆炸效应ღ✿，流星体和金属片的材料都会在极高温度下气化和电离ღ✿。根据动量和能量守恒原理ღ✿，此时耗散的能量将比流星体的穿透能量大数倍ღ✿。

　　试验证明了Whipple的理论和设计ღ✿。NASA试验表明ღ✿，对于超高速的微流星和轨道碎片ღ✿，多层的防护结构可以提供更高效的防护ღ✿。下面第一张图是7km/s高速铝球对单层结构的撞击效果ღ✿，穿透深度达到了球体直径的4倍ღ✿。第二张图是Whipple类结构ღ✿，多层结构能够以小于铝球直径的总厚度防住超高速撞击ღ✿。航天器出于降低发射重量的需求ღ✿，通常使用铝这类轻质材料制造结构ღ✿，并且厚度不会很大ღ✿。因此ღ✿，材料利用效率极高的Whipple结构显然是非常适合用作防护层的ღ✿。

　　采用Whipple结构并利用整流罩内空间尽可能将外层防护罩支高ღ✿、远离舱体一定距离ღ✿，是非常有效的碎片防护手段ღ✿。当碎片打中防护罩产生爆炸效应后ღ✿，碎片和被破坏的防护罩都碎裂为更细小的颗粒ღ✿，伴随着熔化和气化形成微粒碎片云继续膨胀ღ✿，并最终作用在航天器舱壁上ღ✿。

　　从此ღ✿，这类被定名为Whipple结构的防护结构以及源于此原理的各种优化和改良方案成为航天器青睐的高效防护装置ღ✿。下图左为标准Whipple结构ღ✿；中为高强度纤维填充式Whipple结构ღ✿；右为适应充气式展开舱段的柔性多层结构ღ✿。当然也有硬质的多层防护结构ღ✿。

　　填充式Whipple结构是目前应用较为成熟的一类ღ✿。它充分利用现代高强度纤维如陶瓷纤维布（Nextel）和高强度复合材料纤维布（Kevlar）的力学与结构特性ღ✿，在重量ღ✿、成本ღ✿、制造难度和防护效果等方面的性能都比较均衡ღ✿，易于工程实现ღ✿。它的基本原理是ღ✿，来袭物体撞击外层防护罩爆炸破碎形成的微粒碎片云受到填充层阻挡ღ✿，Nextel陶瓷纤维布能够在高温下保持强度和韧性ღ✿，进一步耗散碎片云团的能量ღ✿，而Kevlar纤维布的比强度高于铝ღ✿，可有效减缓碎片云速度ღ✿。另外ღ✿，这两种填充材料的纤维直径都很小ღ✿，自身破碎后也小于均质金属产生的碎片ღ✿。综合这些优势ღ✿，该结构最终更有效地减小了来袭物体对舱壁的冲击和侵彻ღ✿。

　　其他的Whipple改进型结构原理相近ღ✿，都是将应对来袭整块碎片撞击的“硬抗”转化为更有效处理高能量碎片云团的各种方法ღ✿，提升总的材料利用效率ღ✿，或者说达到在实现同样防护效果的条件下总重量最轻ღ✿。

　　空间站普遍采用Whipple类型的防护结构ღ✿，因各国工业与技术基础不同而在设计上略有差别ღ✿。下图所示为国际空间站上不同国家舱段基于填充式Whipple结构的个性化设计ღ✿。

　　空间站进行系统设计时ღ✿，同时对各舱段的防护能力提出设计要求ღ✿，来访飞行器也要对指标进行分析确认ღ✿，因为组合体中任何一个密封段的泄漏都会影响整个空间站的载人环境ღ✿。

　　下图中红点所示的分片外壳ღ✿，为国际空间站Node2（后命名为Harmony/和谐号节点舱）舱外的陨石碎片防护系统MDPS（Meteorite Debris Protection System）ღ✿。2007年10月23日随发现号航天飞机发射升空的该节点舱星际赛车ღ✿，将美国命运号实验舱和欧空局哥伦布号实验舱ღ✿、日本希望号实验舱连接在一起ღ✿。

　　国际空间站上的穹顶舱（Cupola）为保护大幅窗户不被碎片破坏ღ✿，安装了可开合的防护机构ღ✿。在穹顶舱不开展对地观测活动时ღ✿，合拢机构盖住窗户ღ✿。

　　国际空间站上的柔性充气舱BEAM也利用了Whipple结构原理ღ✿，选择多层柔性材料适应充气式舱体ღ✿，柔性层之间以开孔泡沫保持间距ღ✿。下图可见穹顶舱防护机构合拢的状态（黄色箭头处）和BEAM舱的碎片防护层及其结构ღ✿。

　　装上防护结构的“盔甲”9博体育(中国)官网ღ✿，ღ✿，航天器就部分具备与碎片正面较量的能力了ღ✿。但空间站有些关键部位无法防护甚至无法局部维修ღ✿，如大型太阳翼的远端ღ✿；某些设备设施太重要ღ✿，即便被碎片击坏的概率很小也“赌”不起ღ✿，如供电主母线短路以及各种气液泄漏ღ✿。这些情况都需要系统设计从源头消解风险ღ✿。

　　碎片撞击造成的损伤是局部的ღ✿，而系统设计的目标就是避免局部损伤造成全局损失ღ✿。合理布局能让重要设备得到尽可能多的保护ღ✿，系统冗余则可避免“鸡蛋放在同一个篮子里”ღ✿。空间站的空间足ღ✿、体量大ღ✿，特别有利于分布式的布局和系统冗余ღ✿。

　　电源与供配电ღ✿：太阳电池片串并联ღ✿，任意一片损伤或一小串失效不影响整翼发电供电ღ✿；主母线的正负线拉开间距走线ღ✿，不会被一个碎片打短路ღ✿；每个舱的一对太阳翼可以分别独立供电ღ✿。中国空间站还特别针对跨舱段供电做了专门设计ღ✿：正常情况下ღ✿，如载荷需要可跨舱段调配能源ღ✿，均衡负载ღ✿；应急情况下ღ✿，不仅可以动用舱段间供电能力ღ✿，还能够由天舟货运飞船向核心舱输电ღ✿，保证整站的安全供电ღ✿。

　　热控流体回路ღ✿：前文提到的俄罗斯联盟MS-22飞船舱外只有一条热控循环回路ღ✿，一旦被碎片击穿发生工质泄漏ღ✿，就无法继续工作散热ღ✿，进而导致飞船无法按高功率状态飞行ღ✿，被迫放弃载人返回ღ✿。空间站体量比飞船大得多博九线上官网ღ✿，舱外散热可以多回路并联ღ✿，任何一路泄漏只要及时隔离都不会造成整体失效ღ✿，只是性能下降ღ✿，损失部分散热能力ღ✿。中国空间站在这方面同样设计了跨舱段连通回路ღ✿，与供电（即热耗）调配相协调ღ✿，还可以应对某个舱段辐射器散热能力下降的情况ღ✿。

　　载人环境ღ✿：若某个密封舱段被碎片击穿泄漏ღ✿，可以关闭舱门将漏气舱段隔离ღ✿，这是多舱段空间站必备的能力ღ✿。中国空间站进一步加强了环境控制设备冗余ღ✿，在天和核心舱和问天实验舱各配置一套再生生保系统ღ✿。这样的配置不仅能满足应急需求ღ✿，而且与非再生ღ✿、消耗式生保系统相比能够在更长期地保持稳定的载人环境ღ✿，为舱段损伤后的修复争取了更好的条件ღ✿。

　　以系统工程理念设计的中国空间站ღ✿，三舱一体化设计ღ✿，统一分配功能ღ✿，三舱中有两个具备完整的平台功能ღ✿，第三个舱仍然备份控制器ღ✿、计算机等关键设备ღ✿。若核心舱完全失效或被隔离ღ✿，问天实验舱可以完全接管空间站控制权ღ✿。三舱中任何一个被隔离ღ✿，整站仍然能安全飞行并保持工作和长期驻留航天员的能力ღ✿。

　　空间站运行是体系工程ღ✿，在应对空间碎片威胁上同样也有“托底”的任务级措施ღ✿，停靠在站上的载人飞船和地面的应急救援船就是保证人安全的底线ღ✿。空间站上的飞船停靠原则是有多少人就要有多少个飞船座位ღ✿，因此所有送人上去的飞船都要停靠等待ღ✿，与客轮上的救生艇角色一致ღ✿。在停靠过程中ღ✿，如果需要调整对接口ღ✿，相应飞船的航天员要回到该飞船ღ✿，随同飞船一起重新对接ღ✿，防止因对接失败造成救生座位少于总人数的危险情形ღ✿。

　　若天上停靠的救生艇出了问题ღ✿，地面需要尽快发射救援飞船ღ✿。前述俄罗斯联盟MS-22飞船遭碎片撞击热控工质泄漏后失去载人返回能力ღ✿，最终以低功耗热耗的无人状态返回ღ✿。地面调整了飞行任务ღ✿，将原本执行下一个乘组发射任务的联盟MS-23以无人状态提前发射ღ✿，对接上国际空间站ღ✿。天上有了完好的救生艇ღ✿，返回就不那么急迫了ღ✿。原MS-22乘组在轨飞行时间最终延长了6个月ღ✿，乘组中的NASA航天员弗兰克·卢比奥（Frank Rubio）还因此创造了单次飞行371天的美国新纪录ღ✿。

　　中国空间站在任务级安全措施上考虑了多重故障下的最坏情况ღ✿，神舟飞船采取滚动备份方式ღ✿，备一打一ღ✿。发射场的下一艘飞船具备发射救援状态后ღ✿，前一发才能执行飞行任务ღ✿，始终保持任务有托底ღ✿。

　　值得一提的是ღ✿，今年6月5日波音公司新飞船星际快车（Starliner）发射后出现故障ღ✿，原定10天的飞行计划被延迟到60天以上ღ✿，至今仍停靠在国际空间站上ღ✿，尚未确认是否能够安全返回ღ✿。这艘飞船滞留天上期间ღ✿，承担着载人龙飞船发射任务的猎鹰9号火箭罕见地因为卫星发射失败停飞ღ✿，直到故障调查完成后才复飞ღ✿。两起意外事件的叠加ღ✿，使得国际空间站在7月11日至27日期间出现了天上救生船不可用ღ✿、地面无救援船（除非专门购买俄罗斯联盟号座位）的空白地带ღ✿，事实上已经违背了空间站载人飞行安全原则ღ✿。这种非常危险的状态ღ✿，可以说是任务级安全措施的反面例子ღ✿。

　　空间站的设计状态确定后需开展仿真评估ღ✿，得到特定时间段内组合体被碎片击穿/击坏的概率ღ✿，进而从高概率部位识别出防护薄弱环节并研究对策ღ✿。

　　几乎是在国际空间站启动在轨组装建设的同时ღ✿，美国国家研究委员会（National Research Council）应NASA要求成立了一个专业委员会ღ✿，研究流星体和轨道碎片对国际空间站的影响以及空间站的防护措施ღ✿。他们评估认为ღ✿，较早时期研制的俄罗斯星辰号（Zvezda）服务舱和联盟号（Soyuz）载人飞船ღ✿、进步号（Progress）货运飞船的防护能力偏弱ღ✿。

　　国际空间站的第三个舱段——星辰号2000年发射入轨ღ✿，但其基本框架结构来自上世纪80年代中期苏联计划建造的“和平号-2”（Mir-2）空间站的核心舱ღ✿，因时代限制并未充分考虑空间碎片防护需求ღ✿。联盟和进步两型飞船的设计研制更早ღ✿，为1960~1970年代定型的产品ღ✿。

　　这几个俄罗斯舱段的暴露面积只占当时空间站总表面积的15%ღ✿，但对击穿概率的贡献却是86%ღ✿。于是ღ✿，该研究项目提出了为其碎片防护能力在轨补强的方案建议ღ✿。

　　其中ღ✿，星辰号的补救方案是以两个可展开的防护翼对舱体进行保护ღ✿，并安装23块补强防护板ღ✿。但这样的补救方案是难以兼顾多功能的ღ✿：防护翼可保护的方向有限并且约束了帆板转动角度ღ✿，对发电能力可能造成影响ღ✿。

　　如果在辐射器设计阶段就考虑碎片防护问题ღ✿，辐射器的面板完全可以充当Whipple结构的外防护罩ღ✿，其下敷设纤维填充层ღ✿，并设计好辐射器面板和填充层距离密封舱壁的高度ღ✿，则可以兼顾散热和防护功能ღ✿。在此基础上ღ✿，将流体管路和电缆尽可能布局在辐射器底下ღ✿，在填充层之下紧贴舱壁走线ღ✿，不仅可以获得良好的碎片防护效果ღ✿，温度环境也能更加稳定ღ✿。然而ღ✿，这些都未能纳入星辰号的原始设计ღ✿，导致大面积辐射器及其覆盖范围事后没有好的补强办法ღ✿。

　　值得注意的是ღ✿，这项评估完成之后的大约20年间ღ✿，国际空间站没有发生过永久舱段被击穿或击坏的情况ღ✿。到了2022年和2023年ღ✿，恰恰是停靠其上的进步号和联盟号飞船——评估中的高风险模块——先后发生碎片撞击导致破坏性后果的事件ღ✿。这20年中ღ✿，国际空间站的构型发生了变化ღ✿，空间碎片环境也更加恶劣ღ✿。当时的评估在量化概率的绝对值上不一定多么准确ღ✿，但在同等条件下的相对值是有意义的ღ✿，当时的仿真结果也是合理并值得参考的ღ✿。

　　人在太空现场博9彩票ღ✿。ღ✿，是载人航天独有的优势ღ✿。如果碎片撞击对空间站产生损伤ღ✿，航天员可以设法对受损设备进行维修ღ✿，并在长期飞行中持续补强防护设施ღ✿。

　　根据中国载人航天官方发布ღ✿，神舟17号和18号两个乘组已经连续4次完成了碎片撞击维修相关的出舱活动——

　　2023年12月21日和2024年3月2日ღ✿，神舟17号乘组进行了两次时长分别为7.5小时和8小时的出舱活动ღ✿，完成了天和核心舱太阳翼维修工作ღ✿，消除了前期因太空微小颗粒撞击产生的影响ღ✿，太阳翼发电性能恢复正常ღ✿。这是我国航天员首次完成在轨航天器舱外设施的维修任务ღ✿。航天员汤洪波在返回地面接受媒体采访时表示ღ✿，太阳翼维修要避开阳照发电阶段ღ✿，因此很多操作必须在阴影区进行ღ✿，整个维修时间相对较长ღ✿。

　　2024年5月28日和2024年7月3日ღ✿，神舟18号乘组分别通过8.5小时和6.5小时的出舱活动为空间站的部分舱外管路ღ✿、电缆及关键设备安装了空间碎片防护装置ღ✿，并进行了舱外设备设施巡检ღ✿。

　　这些在轨工作表明我国载人航天已经进入较高水平的应用飞行阶段ღ✿，但同时也说明空间碎片对长期飞行空间站的影响不容忽视ღ✿。

　　思考1ღ✿：飞船的碎片防护ღ✿。对于每条船而言ღ✿，飞行和停靠的时间是比较短的ღ✿，大多数任务在半年左右ღ✿，飞行中和停靠空间站期间被碎片击中的概率很低ღ✿。但空间站组合体始终有飞船停靠ღ✿，如果飞船的防护水平弱ღ✿，则意味着组合体始终有能力薄弱的舱段存在ღ✿；一旦发生问题ღ✿，大概率出现在这些短板部分ღ✿。这是空间站长期飞行需要系统考虑的问题ღ✿。

　　思考2ღ✿：返回式飞行器的难题ღ✿。不论是飞船使用的烧蚀材料还是航天飞机用的防热陶瓷ღ✿，因为有气动外形的要求ღ✿，都难以进行大面积的直接防护ღ✿；一旦在轨受损ღ✿，又没有可行的修复方法ღ✿。好在停靠期间如果出现问题且被发现ღ✿，可以采取地面应急发射救生船这样的任务级安全措施ღ✿。飞船返回飞行时间很短ღ✿，只要确保返回前状态良好ღ✿，风险是可接受的ღ✿。正因此ღ✿，国际空间站和中国空间站都要在飞船返回前利用图像等手段确认其状态ღ✿，中国空间站还会以机械臂辅助检查飞船外观ღ✿，确认是否有碎片撞击损伤情况ღ✿。

　　思考3ღ✿：结构与载荷的发射质量分配ღ✿。出舱活动补强防护结构是可行和有效的ღ✿，但显然代价高昂ღ✿，并且舱外活动终究是高风险任务ღ✿。根据传统的航天器设计思路ღ✿，发射时的飞行器平台ღ✿、尤其是结构需要尽可能减轻重量ღ✿，尽量多装载荷设备ღ✿。但空间站的独有特点和优势是可以不断上行ღ✿、安装各类设备设施ღ✿。相对而言ღ✿，安装载荷设备ღ✿、尤其是舱内设备是容易的ღ✿，风险也小ღ✿；补强结构是困难的ღ✿，而且必须由航天员出舱进行ღ✿，动用机械臂天地协同ღ✿，其风险ღ✿、代价和任务组织难度都很大ღ✿。在空间碎片日益增多的今天ღ✿，空间站设计应改变策略ღ✿，将发射重量更多地分配给平台ღ✿，打造足够结实的结构ღ✿，载荷设备则交给后续货运航班来补充ღ✿。

　　不论是碰撞预警后的规避ღ✿，还是被碎片击中后的防护ღ✿，都是事发后的应对ღ✿。那么对于潜在的“碎片”ღ✿，是否可以防患于未然？

　　随着大规模星座部署带来的卫星数量剧增ღ✿，在役卫星由于相互之间不知晓或来不及规避造成的碰撞概率加大ღ✿，且后果比普通“碎片”更为严重ღ✿。不过ღ✿，可控的飞行器只要及时沟通并且采取协调一致的规避措施ღ✿，总是比应对非合作的空间碎片要容易ღ✿。换言之ღ✿，这类问题的难度不在技术ღ✿，而在协调机制ღ✿。

　　2021年3月18日ღ✿，NASA宣布与SpaceX签署飞行安全协调协议ღ✿，不仅确定了双方在太空安全协调与数据ღ✿、信息共享方面的协同关系ღ✿，而且在技术上充分利用了星链星座的轨道规划和自主定轨ღ✿、变轨能力ღ✿：星链卫星配有GPS接收器用于定轨ღ✿，带离子推进系统和自主机动能力ღ✿；根据协议ღ✿，SpaceX同意其星链卫星将自动或通过地面控制实施主动避让ღ✿，以确保NASA的科学卫星和其他任务能够不间断运行ღ✿。

　　空间碎片是可以预防ღ✿、预警ღ✿、规避的ღ✿，但世界上总有防不胜防的意外ღ✿。一旦真的被威胁较大的碎片击中ღ✿、甚至被击穿密封舱ღ✿，空间站将按事件时序和撞击的严重程度逐步开展下列工作ღ✿：

　　对于比较严重的撞击ღ✿，即时感知到是非常重要的ღ✿，能为后续处置赢得宝贵时间ღ✿。有效的感知来自对冲击力和漏气的实时监测ღ✿。

　　中国空间站密封舱结构上专门配置了撞击感知和结构健康监测系统ღ✿，全时监测整舱结构状态ღ✿。碎片对舱壁的冲击力达到阈值后ღ✿，传感器立即知晓撞击事件的发生9Bღ✿！ღ✿。根据传感器分布及响应ღ✿，可粗略确定撞击部位ღ✿。

　　撞击发生时不一定击穿舱壁ღ✿，因此舱内压力需要持续监测ღ✿。对于大的泄漏ღ✿，以大气总压力作为泄漏判据ღ✿。若发生微小泄漏ღ✿，以氮气分压作为判据ღ✿，氮分压异常下降则触发泄漏预警ღ✿。这是因为空间站内航天员总在消耗氧气ღ✿、产生二氧化碳ღ✿，电解制氧系统也在工作ღ✿，大气总压力始终是波动的ღ✿，但空气中的氮气是不消耗的ღ✿。

　　只有撞击没有压力下降ღ✿，说明撞击虽严重但未造成密封舱壁贯穿ღ✿。但只要舱压报警ღ✿，无论是否感知到撞击ღ✿，都需要尽快定位具体漏点ღ✿。

　　如果有撞击且有泄漏ღ✿，根据撞击传感器的粗略定位ღ✿，可以直接到定位范围附近寻找漏点ღ✿。密封舱内空气外泄到真空中ღ✿，会在漏孔附近产生超声波ღ✿。国际空间站配置了超声波检测仪ღ✿，用于寻找准确的漏气位置ღ✿。

　　如果仅有泄漏并未感知到撞击ღ✿，就要立即关闭各舱段间舱门ღ✿，将整站连通的大空间隔断为若干密封段ღ✿，通过观察各密封段的压降判定泄漏位置ღ✿。国际空间站多次因故障和结构老化出现舱内气压下降问题ღ✿，都是以这种方式先定位到泄漏舱段ღ✿，再仔细寻找具体泄漏点ღ✿。

　　一旦发现泄漏ღ✿，就要立即根据漏气的速率并结合剩余气压以及存贮的气体评估空间站可以坚持的时间ღ✿。这一评估结果将用于决策是按部就班寻找漏点并维修ღ✿，还是需要动用储备气瓶补气并同时紧急抢修ღ✿，亦或隔离并暂时放弃受损舱段ღ✿。

　　这项工作与漏点定位同步进行ღ✿。一旦漏率被判定大于阈值ღ✿，则触发最高优先级的决策ღ✿，终止寻找漏点及堵漏ღ✿，撤出人员并隔离漏气舱段ღ✿，避免局部损伤将整站陷于灾难之中ღ✿。当然ღ✿，漏率小就可以近似“正常”地处置了ღ✿。例如国际空间站2018年8月29日发现微小泄漏ღ✿，时值美国时间夜里ღ✿，空间站上的航天员们都在睡觉ღ✿。地面判断泄漏率很小ღ✿，于是决定不打扰航天员休息ღ✿，直到他们第二天正常起床才告知他们并组织寻找漏点ღ✿，颇有点艺高人胆大之风ღ✿。

　　完全找到结构上的泄漏点并进行处置ღ✿，需要拆除附近设备ღ✿。因此空间站在设计时就要考虑设备断电和维修状态下的布局问题ღ✿，确保舱内壁任一部位都可以在有限时间内由航天员使用配备工具“清理”出来ღ✿。航天员根据漏孔的具体情况选择堵漏方法ღ✿，完成后再恢复设备安装状态ღ✿。

　　前面提到的2018年8月29日国际空间站泄漏事件ღ✿，通过舱段隔离确定问题出在联盟MS-09飞船ღ✿，随后成功找到了一个2mm的漏孔ღ✿。航天员们拆除轨道舱隔板后露出了漏孔ღ✿，然后用环氧树脂ღ✿、纱布和特殊胶水将漏孔堵死ღ✿。

　　在压力泄漏较大的情况下ღ✿，需要用站上存贮的高压气瓶向舱内补气ღ✿，维持足够的压力ღ✿，保证人可以在此环境中工作ღ✿。航天员甚至可以戴上氧气面罩进行抢修——这实际上是权衡安全风险ღ✿，在保证人员安全的前提下尽可能地挽救空间站ღ✿。

　　如果漏率过大ღ✿，即使补气也没有足够时间让航天员完成抢修ღ✿，这时必须决策放弃受损舱段ღ✿。对于多舱段的空间站ღ✿，可以关闭舱段间的密封门ღ✿，将受损段隔离ღ✿，人撤离到完好的舱段ღ✿。

　　这是最极端的情况ღ✿。在封闭舱段也无效的情况下ღ✿，航天员可以撤离到救生艇——停靠空间站的载人飞船上ღ✿，启动紧急分离与撤离程序ღ✿。若受损的是飞船本身则不需要紧急撤离ღ✿，但需要地面发射救生飞船来接人ღ✿，如联盟MS-23ღ✿。

　　前文所述让碎片话题显得有些紧张ღ✿，似乎我们即便开展了再多未雨绸缪的工作ღ✿，仍然可能遭遇不知道何时到来的碎片撞击ღ✿。面对充满不确定性的太空环境ღ✿，空间站真的只能适应环境而无力主动作为吗？不是的ღ✿。

　　执行任务过程中星际赛车ღ✿，空间站本身会因有意无意的行为产生空间垃圾碎片ღ✿。这些恰好位于同高度轨道的碎片会威胁空间站自身安全ღ✿，大件废弃物（如国际空间站的电池）还可能因为无控陨落伤及地面ღ✿，因此空间站首先能为太空环境做的工作就是“保护环境ღ✿，从我做起”ღ✿。

　　日常工作ღ✿、尤其是出舱活动中的工具ღ✿、设备需要进行防掉落设计ღ✿，避免工具等小件物品遗失ღ✿。气闸舱内加强设备设施固定ღ✿，清理控制多余物ღ✿，避免开舱门后物品漂出舱外ღ✿。

　　空间站的功能设计要便于废弃物收集整理ღ✿，并合理管理上下行物资ღ✿，充分利用货运飞船装载废弃物ღ✿。在这方面ღ✿，半开放和全开放式货运飞船是有必要的ღ✿，既可以上行大型设备ღ✿，也可装载大件废弃设施（如电池组ღ✿、更换下来的太阳翼等）ღ✿，带着它们受控离轨ღ✿。

　　空间站规模都在百吨以上ღ✿，再入陨落过程中很难完全在大气层烧蚀干净博九线上官网ღ✿，残留物体掉落地面无疑是安全风险ღ✿。空间站这样的复杂构型在大气中自然衰减ღ✿、无控再入的理论落点偏差是以千公里计的ღ✿，其运行轨道倾角对应的南北纬度之间地区理论上都可能是坠落点ღ✿。不仅如此ღ✿，庞大的空间站在再入过程中解体后ღ✿，最终到达地面的残骸可能分布在数千公里的范围ღ✿。因此ღ✿，为了避免空间站退役后自身成为碎片危险源ღ✿，必须进行受控离轨设计ღ✿。

　　2001年3月23日ღ✿，和平号空间站按设计参数和任务计划ღ✿，在约5个小时中执行了3次制动点火ღ✿，最终所有碎片坠落到预定的南太平洋空旷海域ღ✿。和平号的建造开创了多舱段组合式空间站的新纪元ღ✿，其运行充分发挥人的作用ღ✿，不仅取得大量科研成果ღ✿，而且将运行时间从5年设计寿命延长到了15年ღ✿。它的退役又成功验证ღ✿、实施了大型航天器安全干净的离轨处置ღ✿，寿终正寝ღ✿，善始善终ღ✿。

　　单体飞行器的受控陨落是空间站受控离轨的基础ღ✿，如我国每年1~2艘货运飞船积累了很好的工程实践经验ღ✿。但对于多舱段复杂构型的空间站ღ✿，仍然需要进行专门设计ღ✿。

　　NASA已签发一份价值8.43亿美元的合同ღ✿，由SpaceX开发名为“美国离轨航天器”（USDV）的飞行器用于国际空间站离轨ღ✿。根据目前披露的消息ღ✿，USDV质量估计超过30吨ღ✿，包括16吨推进剂ღ✿；接受离轨操作的国际空间站总重约460吨ღ✿。USDV到达国际空间站并检查完毕后ღ✿，空间站轨道自然衰减至330公里ღ✿，最后一批宇航员就会返回地球ღ✿。之后轨道继续衰减大约6个月星际赛车ღ✿，空间站在USDV帮助下受控离轨ღ✿。NASA估计它再入大气层后仍未燃尽的碎片尺寸可能从微波炉到轿车大小不等ღ✿，最后坠入一片长约2000公里的狭窄海域ღ✿。

　　世界上已有航天机构发射了用于空间碎片在轨监测的卫星ღ✿。而空间站作为长期在轨飞行的太空基地ღ✿，天然具备保障相关监测设备在轨运行ღ✿、为空间碎片观测提供有益帮助的条件ღ✿。

　　空间碎片监测分为地基和天基两种模式ღ✿，观测手段包括雷达和光学ღ✿。地基主要依靠各种地面站ღ✿，优势是技术成熟ღ✿、成本相对较低9博体育app官网入口ღ✿，ღ✿，而且在地面保障条件下对设备尺寸ღ✿、功率等的制约较小ღ✿。但地基观测的弱点也是明显的ღ✿：只有全球布站才可能实现较好的连续监视ღ✿、跟踪和精确测量ღ✿，光学观测更是只有当测站所在地处于晨昏时段才能获得好的观测效果ღ✿，并且还会受到大气和气象条件的干扰ღ✿。因此ღ✿，地面站的观测效率是相对比较低的ღ✿。

　　与地面观测受到的地域ღ✿、观测时间时机限制相比星际赛车ღ✿，天基观测覆盖范围要广得多ღ✿，完全没有大气影响ღ✿，而且可以从不同方位对目标进行观测ღ✿。加上现在的卫星都有全球定位与导航设备ღ✿，实时精确定轨对观测定位碎片非常有利ღ✿。我国地面站多在国土范围内星际赛车ღ✿，天基观测是很好的补充ღ✿。

　　传统的天基观测系统受卫星规模限制ღ✿，用于观测和信息处理及传输的资源有限ღ✿，要获得好的观测效果需要很大投入ღ✿。美国自20世纪90年代开始研制ღ✿、部署天基空间态势感知卫星ღ✿，2010年开始建设天基太空监视系统（Space Based Space Surveillance/SBSS）ღ✿，空间目标监测进入天基时代ღ✿。据称SBSS系统可将美国空间目标监测能力提高50%ღ✿，覆盖中高低各类轨道或弹道目标ღ✿，并具有目标特性探测能力ღ✿。

　　到目前ღ✿，美国已经建立了空ღ✿、天ღ✿、地一体的全域覆盖监测网ღ✿，在服务军事目的同时也致力于获取完整准确的空间碎片编目及模型ღ✿。ESA和加拿大等也开展了相关研究ღ✿，并发射了观测卫星ღ✿。

　　如前文所述ღ✿，空间站对看得见的大尺寸碎片进行规避ღ✿，对看不见的小碎片只能防护ღ✿。问题在于ღ✿，这两个对策目前并不闭合ღ✿：看得见的碎片尺寸在10cm以上ღ✿，而防得住的碎片只达到1cm尺寸或更小量级ღ✿；从1cm到10cm的“中间尺寸”ღ✿，实际上成了只能靠概率“听天由命”的残余风险ღ✿。

　　因此ღ✿，空间碎片防护一方面要不断增强防护能力ღ✿，抬高可防护的上限ღ✿；另一方面加强观测能力ღ✿，降低可观测的下限ღ✿。对于后者ღ✿，空间站可以贡献力量ღ✿，上下努力压缩残余风险对应的“中间尺寸”ღ✿，直至观测和防护能力衔接ღ✿。

　　空间站可利用各舱段的载荷适配器安装不同观测方向的多个碎片监测设备ღ✿，构建一个天基观测站ღ✿。这个观测站支持监测技术和设备的飞行验证ღ✿，也可以直接参与空间碎片监测任务ღ✿。其工作模式包括ღ✿：

　　利用空间站上的观测信息补充地基观测的不足ღ✿。例如发现地基观测不到的碎片ღ✿，补充编目ღ✿；对在编碎片积累观测数据ღ✿，补充完善相关信息ღ✿，进一步提高观测精度和目标特性准确度ღ✿。

　　1993年ღ✿，NASA约翰逊航天中心（Johnson Space Center）和洛克希德工程与科学公司（Lockheed Engineering and Sciences Company）的研究者们曾提出一个有意思的方案ღ✿：在国际空间站（当时还叫“自由”号ღ✿，Space Station Freedom/SSF）上安装天基雷达形成电磁篱笆ღ✿；地面雷达提供碎片的轨道预测信息ღ✿，空间站上（沿轨道面）的电磁篱笆在预测位置探测碎片实际穿越轨道面的时间ღ✿、俯仰角ღ✿、距离及距离变化率等数据并传回地面ღ✿，计算处理出更新更精确的碎片轨道ღ✿，最后据此生成空间站规避预警信息ღ✿。

　　该方案现在不一定适用了ღ✿，但这种天地配合ღ✿、协同一体的工作模式是值得探讨的ღ✿。以现在的天地通信能力和计算处理水平ღ✿，大量数据的实时交互与计算分析比30年前要强大和便捷得多ღ✿。空间站和地面站的数据及其中的有效信息不仅是简单叠加ღ✿，而且是可以迭代增强的ღ✿。

　　为了更加全面观测空间碎片ღ✿，很多研究也提出了用多个观测平台组网工作的设计ღ✿，包括同高度和不同高度的多观测点组网ღ✿。

　　空间站可以与观测卫星组网ღ✿。作为观测网的一个节点ღ✿，空间站不仅可以提供多方向的观测数据ღ✿，而且可以利用自身的信息处理及天地通信能力成为观测数据汇集ღ✿、处理和中转的信息节点ღ✿，提高监测效率ღ✿。

　　1）保障资源丰富ღ✿。与卫星平台相比ღ✿，空间站能支持尺寸ღ✿、重量ღ✿、功耗都大得多的观测设备ღ✿，可以设计并配置多台设备对多个方向多个角度同时进行观测ღ✿，还可以进行微波ღ✿、可见光ღ✿、红外等不同体制的同步观测ღ✿。此外ღ✿，空间站的高性能天地数据链路也是非常有力的保障ღ✿。

　　2）长期稳定飞行ღ✿。一般的中低轨道卫星由于轨道衰减等因素ღ✿，寿命通常在8年左右ღ✿。空间站则可以通过推进剂补加连续飞行15年甚至更长时间ღ✿，从而获得长期的观测数据积累ღ✿。

　　3）人在现场ღ✿。空间站上的设备可维护ღ✿、可维修ღ✿、可升级ღ✿、可替换ღ✿、可增配ღ✿，这对于电子信息等迅速发展的设备是非常有利的ღ✿。利用这一优势ღ✿，很多技术和产品还可以先开展验证ღ✿，改进更替后再正式服役ღ✿。

　　空间站的劣势也是有的ღ✿，其最大弱项是不可能为了碎片观测去设计和改变轨道ღ✿；相比专门用于观测的卫星ღ✿，效率无法达到最高ღ✿。另外ღ✿，如果空间站要承担星座节点作用ღ✿，也需要增加星-站之间的直接通信能力ღ✿。

　　钱学森在1962年出版的《星际航行概论》中提出“星际航行码头”构想ღ✿，即把人造卫星或空间站作为人类深空探索和星际旅行的起点或中转站博九线上官网ღ✿。当人类空间站承担起这一使命ღ✿，未来载人航天与今天空间站所面临的空间碎片环境又不同了ღ✿。

　　首先ღ✿，空间环境中基本没有人造物体和碎片了ღ✿，航天器面对的将是真正的微流星体ღ✿。其撞击概率会比近地碎片小得多ღ✿，但因为飞行器和微流星体相对速度更高ღ✿，且深空飞行路径上的探测预警能力远低于近地空间ღ✿，撞击后果可能更为严重ღ✿。其次ღ✿，脱离了地球磁场保护ღ✿，再加上以月和年计的飞行时间ღ✿，载人飞行器对防辐射的要求大大高于近地空间站ღ✿，这就要求飞行器的防护结构需要有足够的密度ღ✿。

　　综合考虑对微流星体和宇宙辐射的防护ღ✿，深空载人飞行器的设计将与近地空间站有非常大的差异ღ✿，以至于很多业内同行怀疑现有的飞行器结构形式根本无法在几个月到一两年的深空飞行中有效保护航天员免受过量辐射危害ღ✿。在讨论辐射防护时ღ✿，一位同行朋友曾提出一个设想ღ✿：俘获一颗小行星ღ✿，将其装上控制系统和推进装置ღ✿，挖个洞作为人的庇护所星际赛车ღ✿，以改造后的这颗小行星充当星际飞行器ღ✿。这样的飞行器当然兼顾了宇宙辐射和微流星的防护ღ✿。

　　到了实现星际移民的那一天ღ✿，我们的子孙在回首太空探索艰险历程时也许会想起中国人熟悉的一句诗词ღ✿：