俄反卫星试验威胁中国空间站，碎片速度10倍于子弹，该如何防御？

　　近日俄罗斯的一次反卫星试验让美国人跳起了脚，这次试验击毁了一颗老旧的俄罗斯卫星，很可能是几十年前发射的＂宇宙1408＂电子信号侦察卫星，据估计产生了约1500个可跟踪的较大碎片，以及数万个无法跟踪的小碎片。
　　俄罗斯反导拦截弹发射（资料图）
　　被击毁的宇宙1408卫星就长这样
　　美国声称本次试验形成的碎片云与国际空间站接近，威胁到了宇航员的安全。由于短时间内无法规避，7名宇航员被迫进入联盟MS-19飞船和载人龙飞船中躲避，以便能随时返回地球。一次反卫星试验为什么会对国际空间站造成了这么大的影响？原因很简单：这几万块太空碎片个个都是难以防范的高速杀手！
　　国际空间站
　　天下武功，唯快不破！由于这些碎片来自于近地轨道的卫星，运行速度稍小于第一宇宙速度，一般在7000米/秒左右。一秒7公里是个啥概念？著名的卡拉什尼科夫AK47步枪，子弹出膛速度是710米/秒，空间碎片的速度相当于它的10倍，相当恐怖。
　　再举个例子，现代主战坦克在发射动能穿甲弹时，炮口初速大约是1600米/秒，空间碎片的速度达到了穿甲炮弹的4~5倍！这还没完，当太空碎片与航天器相遇时，二者的轨道并不一致，速度可能会叠加，达到比7000米/秒更夸张的数值，有可能超过10千米/秒。动能与速度的平方成正比，因此携带的能量极高。
　　观测到的空间碎片
　　如此一来，太空碎片就像一颗颗高速袭来的超级穿甲弹，对在轨的航天器造成了巨大的威胁。随着人类航天活动越来越频繁，地球周围的太空垃圾和碎片也越来越多，废弃的火箭、卫星到处都是，而一些卫星在轨道上电池自爆的事件也时有发生，而制造太空碎片最有效率的还是反卫星试验，这种直接的撞击一下子就能造出来几万甚至几十万个大大小小的碎片。
　　这些碎片的轨道不一，有很多会慢慢下降直至落入大气层烧毁，但还有相当多的碎片会长期甚至永远在太空中运行，并且不断散开，成为卫星、载人飞船和空间站的梦魇。现在的太空中，国际空间站和我国的天宫空间站是最大的两个载人航天器，一个有7人，一个有3人。
　　目前的天宫空间站形态
　　宇宙1408卫星位于极地轨道，高度为472~497.5公里，而国际空间站轨道高度为417~421公里，天宫则为389.5~395公里。由于同属近地轨道且轨道倾角有一定交叉范围，理论上并不能完全保证两个空间站与俄罗斯卫星碎片不遭遇，那么它们在受到碎片威胁时，都采用了哪些手段来自保呢？
　　一些个头超过10厘米的大块碎片，不管撞上多么坚固的航天器，都是＂神挡杀神，佛挡杀佛＂，就是真把坦克开上天也未必撑得住，只能想办法躲避，给它让路。国际空间站和我国天宫空间站都带有发动机，可临时进行机动变轨，躲开向它们袭来的碎片。
　　国际空间站、我国空间站与卫星碎片云的轨道
　　要想做到这一点，必须首先发现这些碎片并准确计算出它们的轨道，做到提前预警。在这方面美国有着比较大的优势，它拥有许多太空监视卫星，通过光学和雷达等手段严密地监视着地球周围的一举一动，再辅以地面观测，可以很快判断出哪块碎片构成了威胁。
　　当然，只有那些比较大的碎片才能被看到，例如等效直径大于10厘米，据说一些先进的雷达能观察到2厘米的碎片。多大的碎片能被观测到，与它的轨道高度也有一定关系。
　　宇宙1408号的轨迹
　　美国这次用极短的时间就指出俄罗斯进行了反卫星试验，并且计算出了碎片云的参数，显示了它非常强的太空监视能力，这方面的差距还是应该承认的。不过由于留给国际空间站的反应时间太短，无法及时进行变轨操作，宇航员只好关闭一些舱门并躲进了飞船，随时准备撤。
　　国际空间站避险状态下宇航员只能蓝色部分活动
　　不过我国空间站也有自己的优势，它的体量较小，变轨机动比庞大的国际空间站更容易。而且它还装备了霍尔电推发动机来进行轨道维持，能节省大量化学燃料，这些燃料可以留给姿轨控发动机使用，增加了变轨的底气。
　　另外在神舟十三号的航天员乘组在轨期间，如果出现紧急情况，不仅可以乘坐神舟十三号撤离，还有第二种选择：神舟十四号。神舟十四号飞船和火箭目前一直处于待命状态，可在出现情况后8.5天内发射，这对航天员来说也是一种保障。
　　我国空间站与神舟十三号飞船
　　但是，对于一些比较小的碎片，例如直径在1厘米以下的，就基本上无法探测了，而这样的碎片数量又比大块碎片多得多，撞上空间站的概率也大得多。无论是国际空间站还是我国的空间站，都要在太空中服役很多年，这样一来，被一颗小直径太空碎片撞击，就成了大概率事件，基本上是无法避免的。
　　例如在2021年5月12日，NASA和加拿大航天局在例行检查中发现：国际空间站的加拿大机械臂2号出现了一个直径5毫米的小孔，判定为受到了轨道碎片的撞击，好在并没有影响到机械臂的运作。
　　加拿大机械臂被撞出小孔
　　航天飞机舷窗被碎片袭击的痕迹
　　既然小碎片没法躲，那就只能硬扛。好在小碎片的动能比大碎片小，还是能防住的，办法就是给空间站穿上＂装甲＂。这种装甲可不是坦克上那种厚重的钢制或贫铀装甲，毕竟把物体发射到太空中的成本太高，每一公斤都要花费成千上万美元，如果要上几十吨重的装甲，那就没法玩了。
　　不过有意思的是，航天器的防碎片装甲与坦克装甲还是有共通之处的，很像是＂间隙装甲＂或＂复合装甲＂，但使用了更特殊的材料。以美国NASA为例，它为航天飞机、国际空间站等载人航天器配备了多种防御结构，主要包括Wipple结构、填充式Wipple结构，多层冲击防护结构、网状双层缓冲防护结构、蜂窝结构、金属泡沫层等等。
　　Wipple结构是最经典的一种碎片防护结构，是美国天文学家Fred Whipple发明的。它的构成很简单，就是两层板：外面一层是缓冲墙，里面一层是后墙，缓冲墙与后墙之间有一定间隙。缓冲墙一般用铝或钛材料制成，它的作用并不是挡住碎片，而是使其破碎，形成碎片云，并扩大与后墙的接触面积，这样后墙材料就能挡住碎片云的撞击。
　　第一排左为Wipple结构，右为填充式Wipple结构，碎片穿过缓冲屏，但未能穿过后板
　　在Wipple的基础上，又研制出了填充式Wipple结构，是在缓冲墙与后墙之间又加了两层材料，前面是陶瓷纤维层，后面是凯夫拉层，可以更有效地粉碎入射的碎片，使其更难穿过后墙。实践下来发现，填充式Wipple结构的防碎片效果很好，因此航天飞机和国际空间站大多采用了这种结构，可以防御直径在1厘米左右的碎片，这已经相当了不起了。
　　不过，不管怎样选择防护材料，都会有一定重量，如果把巨大的空间站用这种材料全包起来，增加的重量将相当可观，难以承受，因此对太空碎片的防御也是有重点的，会根据空间碎片的分布规律以及自身的结构布局，划定需要受撞击概率大的要害区域，并安装防护结构，这样可以用最小的成本获得最大的收益。
　　需根据空间碎片的分布规律划定重点防御区域
　　根据公开发表的学术论文介绍，我国空间站自天宫一号试验舱开始，同样安装了太空碎片防护结构。现在的天和核心舱，重点区域安装的就是前面所说的填充式Wipple结构，而且天和的防护结构选用的是与国际空间站不同的材料，却也达到了与其相当的防护效果，说明我们在这方面已经达到了国际先进水平。
　　其实，就算是空间站被击穿了，只要破孔不太大，还可以用胶来堵漏。所以，虽然这次俄罗斯的反卫星试验动静很大，形成的碎片很多，但我们的天宫还是能防住的，大家尽可以放心！