11月14日，神舟二十號航天員乘組順利返回地面。他們搭乘的并非半年前送他們上天的神舟二十號載人飛船，而是剛把新“三人組”送到天宮的神舟二十一號。因為“神二十”返回艙舷窗玻璃疑似遭受空間微小碎片撞擊出現細微裂紋，無法滿足載人安全返回的放行條件。
為何小小空間碎片會導致一次“臨時換乘”？太空垃圾從何而來，又該如何應對與預防？本刊特邀全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩對此進行深度解讀。
在“天宮”多停留了9天后，神舟二十號航天員乘組臨時改乘神舟二十一號載人飛船，于11月14日順利返回地面。“借船”回家，這在中國航天史上還是頭一回。
這是因為已發現“神二十”載人飛船疑似遭到了空間微小碎片撞擊，無法滿足載人安全返回的放行條件。經綜合評估，為保證航天員的安全，決定實施“臨時改乘”方案，神舟二十號載人飛船則繼續留軌開展相關試驗。
自人類開展太空活動以來，已在地球周遭空間產生了大量尺寸不一的空間碎片。由于它們飛行速度極快，即使個頭再小，也可能給在軌工作的航天器帶來不可預測的威脅。就像這次，區區1毫米的空間微小碎片，直接導致了一次太空之旅的延誤。
不過，人們已經注意到空間碎片帶來的危害，開始想辦法減少此類太空垃圾的產生，同時也在積極尋找清除它們的辦法。
一旦形成“碎片云”，將徹底阻斷航天路
空間碎片也叫太空垃圾，指的是在地球軌道上運行的各種人造物體的碎片。由于空間碎片飛行速度很快，它們會對在軌運行的航天器產生巨大危害，甚至威脅到航天員的生命安全。
隨著人類發射的航天器越來越多，空間碎片也相應增加。據統計，目前至少有超過3000噸的空間碎片繞著地球飛奔，且數量正以每年2%至5%的速度增加。例如，2024年10月19日，國際通信衛星IS-33E在地球靜止軌道上發生意外解體，給地球同步軌道區域新增了至少500塊空間碎片。
由于空間碎片運動速度普遍在7—10千米/秒，而破壞力與速度的平方成正比，因此哪怕一個僅10克重的空間碎片，其太空撞擊能量不亞于一輛時速100千米的小汽車。當空間碎片的能量足夠大時，不僅會改變航天器軌道或打散其整個結構，甚至可導致航天器爆炸。
一般而言，毫米級碎片會劃傷航天器舷窗、太陽翼，導致透光率下降或供電效率受損。厘米級碎片可直接穿透航天器外殼，擊穿燃料箱、管線等關鍵部件，引發泄漏或爆炸；即使未完全穿透，其撞擊產生的沖擊波也可能震壞內部精密儀器，導致導航、通信等系統失靈。
空間碎片曾給國際空間站（ISS）留下多道“傷痕”。2016年，直徑幾微米的金屬碎屑在其舷窗上留下直徑7毫米的撞擊坑；2021年，一塊不在監控范圍內的空間碎片擊中ISS上的加拿大機械臂二號，留下一個直徑近10毫米的穿孔；2022年，停靠于ISS的聯盟MS-22飛船外殼出現一個0.8毫米的小孔，導致44公斤冷卻劑泄漏。
空間碎片更是時刻威脅著航天員的安全。在太空行走時，航天員對微小空間碎片幾乎沒有防護能力——即使是0.1毫米的超細空間碎片，也可能穿透航天服的防護層，使航天員受傷。若航天器因空間碎片撞擊失壓，也會直接威脅到艙內航天員的生命安全。
如今，空間碎片的數量已十分龐大，達到數十億量級。當低地球軌道空間碎片密度達到臨界值時，一次空間碎片撞擊產生的新碎片會引發更多撞擊，形成多米諾骨牌效應。最終，空間碎片可能在軌道上形成一層“碎片云”，徹底阻斷人類進入太空或使用衛星的通道，這將是長期災難性的影響。
此外，當空間碎片再入大氣層時，如果沒被燒毀，還會對地面的生命財產安全構成嚴重威脅。比如，上世紀七八十年代，蘇聯核動力衛星就曾因失控墜毀在加拿大，引發巨大恐慌。美國“天空實驗室”空間站也曾因失控墜毀砸壞地面居民的房子。
預留“太空垃圾桶”，設定“航天器墳場”
人造地球衛星、空間站等航天器，在壽終正寢或中途夭折后，就會變成太空垃圾。2009年2月10日，俄羅斯2251號衛星與美國銥星33號衛星以每秒11.64千米的相對速度碰撞，產生了2201個能夠被監測編目的空間碎片。
一般來說，距地300千米的空間碎片壽命約為一年，到了600千米高度就會飛上幾十年，4000千米以上則要飛上千年，再高的空間碎片幾乎會永遠飛下去。
所以，妥善處理廢舊航天器十分重要。廢舊航天器通常分為可控和不可控兩大類，根據軌道高低、航天器大小等采用不同方式處置。
當高軌運行的衛星出現故障或壽命到期時，一般通過遙控衛星上的發動機，使其變軌到更高的無用軌道上。這一方面因為地球靜止軌道資源寶貴，已“星”滿為患，必須讓廢舊衛星騰出空地；另一方面，廢舊衛星已成為空間碎片，必須將其存放到一個安全位置，不對其它航天器造成威脅。
不過，遙控衛星變軌的前提條件是衛星能夠受控，并有多余燃料。SpaceX號稱為其上萬顆“星鏈”衛星裝備了電推發動機，壽命到期后能主動降低軌道以更快再入大氣層，滿足25年內再入大氣層的規定。但是，2019年9月2日，歐洲航天局的“風神”衛星就曾為避免與一顆“星鏈”衛星相撞，而實施了一次機動避障。
當低軌運行的航天器報廢，對于小型航天器，一般可任其在大氣阻力下自行降低軌道，最終再入大氣層燒毀；而大型航天器的最佳處理方式則是通過地面遙控，使它墜毀在無人區。例如，17噸的美國“康普頓”γ射線空間望遠鏡、上百噸的俄羅斯和平號空間站，均通過人工控制，最終墜毀到南太平洋的“航天器墳場”。貨運飛船絕大部分器件會在再入大氣層的過程中燒蝕銷毀，少量殘骸落入南太平洋預定安全海域，我國“天舟”系列、俄羅斯“進步”系列等貨運飛船均是如此處理。不過，對于低軌運行且失控的大型航天器，目前還沒有成功回收的經驗。
建立太空“交規”，預防“凱斯勒綜合征”
當近地軌道的空間碎片超過一定數量，容易發生類似多米諾骨牌的連環碰撞事件，形成惡性循環，導致空間碎片多到無法跟蹤，這種現象稱為“凱斯勒綜合征”。為此，人類需要采取空間碎片減緩措施，如建立跟蹤預警機制、限制新碎片產生、主動移除軌道上的碎片、加強國際立法等。
目前，對付空間碎片最有效的方法是盡量減少其產生的數量，具體措施包括消能、系留和設置垃圾軌道等。同時，空間技術專家還在研究運載火箭和某些航天器的重復使用。美國已成功發射了可部分重復使用的火箭和飛船，正在研制可重復使用的“星艦”重型火箭和飛船。各國也在使用或研究在軌維修衛星、在軌加注燃料等技術，以減少廢舊航天器數量。
減少空間碎片還需制定相關太空法律法規。1995年6月，中國國家航天局正式加入“機構間空間碎片協調委員會”，與各國共同探討減少空間碎片的途徑和辦法，該委員會是目前研究和協調空間碎片的唯一國際組織。
近年來，小衛星的飛速發展，使空間飛行物數量猛增，其中不少衛星因功能低、壽命短，產生大量空間碎片。因此，小衛星立法已成為當前國際外空領域關注的熱點問題，有關國際機構正在研究針對小衛星管理的空間交通管理規則，這是解決小衛星在軌運行安全的根本途徑。
對于已有空間碎片究竟該如何應對？現在，人類已可對大于10厘米的空間碎片進行監測，在它們與正常工作的航天器發生碰撞前，通知航天器“躲避”。2021年，“天宮”曾為躲避美國“星鏈”衛星進行過兩次緊急變軌。
預報空間碎片撞擊風險的技術有多種，主要分為光學觀測和雷達監測兩大類。前者可分辨直徑10微米以上的微小碎片；后者具有全天候、遠距離探測能力，如美國的空間監視網絡可探測到直徑大于10厘米的碎片。此外，激光雷達、多傳感器融合、天基太空監視系統衛星等新技術也在用于這一領域。
事實上，所有航天器都可采用屏蔽防護結構來對付0.1—1厘米的碎片，但要對付1—10厘米的碎片則需通過特殊設計來實現。目前，我國航天員乘組已為“天宮”安裝了多個空間碎片防護裝置，它能抵御個頭不足1厘米、很難被監測到的巨量微小碎片。而一旦空間站出現5毫米的漏孔，天宮一號、二號可在約80分鐘內維持艙壓不小于70千帕，從而給航天員留出逃生時間。
對于無法躲避且難以對抗的空間碎片撞擊，只能實施在軌維修。據中國空間站專家的公開介紹，中國空間站在任務級安全措施上考慮了多重故障下的最壞情況，例如“神舟”飛船采用“備一打一”的滾動備份方式，始終保持每一次任務均有托底。
清除太空垃圾，更多新技術在路上
目前，空間碎片防控已成為航天器設計的核心理念之一，通過優化結構、采用防爆燃料貯箱、減少外露部件等方法，可從源頭上減少空間碎片產生。而在治理現有空間碎片方面，不少國家已在積極嘗試機械臂捕獲、太空拖網等新方法。
2016年6月，我國在長征七號火箭首次發射時，就曾將遨龍1號試驗載荷送入軌道，首次在世界上進行了空間碎片主動離軌試驗。它用一臺自帶機械臂模擬抓取空間碎片，為未來空間環境治理機器人等驗證清除空間碎片的關鍵技術。
日本則在研究電動系鏈系統移除技術。它適用于移除大型空間碎片，可裝在貨運飛船上，一旦系鏈發現目標，可依靠導航衛星逐漸靠近并抓取空間碎片。有專家認為，該技術難度較大、成本不低，且效率不高。
2028年，歐洲航天局計劃發射世界第一個在軌移除空間碎片任務——太空清潔一號航天器。這是一種新型四臂垃圾收集機器人，重量不到400千克，其體外裝有一個網狀或機器觸角狀的特殊設備，可抓住并抱緊空間碎片。它將在600多千米軌道上捕獲“織女星二次有效載荷適配器”，最終將其拖入大氣層燒毀。如果上述試驗獲得成功，將為未來在軌移除空間碎片任務鋪平道路。
上述嘗試均采用交會捕捉移除技術來抓捕空間碎片，該方法技術成熟、可靠，但成本較高。因此，各國還在嘗試用激光燒蝕、離子束偏轉、電磁吸附清除等技術來清除空間碎片。
燒毀是用大功率激光照射空間碎片，使其粉碎成微粒后從軌道上迅速衰落，或將小型太空垃圾直接燒毀汽化。但此法容易引起太空戰爭。
脫軌則是通過空間碎片自身推進、增加大氣阻力（如大面積帆板或充氣傘）或利用太陽光壓等方法降低其速度，使其脫離原來的運行軌道，墜入大氣層燒毀或轉移到一條短壽命軌道上去。
激光主動移除技術則通過高能脈沖激光束照射空間碎片表面，通過外噴等離子體的反向作用力降低空間碎片速度。此技術滿足主動移除空間碎片技術的各項要求，前景廣闊，現正進行關鍵技術攻關。
移除空間碎片技術不能產生更多的空間碎片，且必須以較低成本實現。目前，大部分技術還停留在“紙上談兵”階段，需要較長時間的深入探索、不斷試驗。比如，用泡沫金屬、木質材料制造航天器，使它在重返大氣時能迅速徹底燃燒化成氣體。
總之，空間碎片應對與防治是一項多學科綜合性長期工作，未來有望形成一個新產業。
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