成功着陆！神舟二十号航天员安全返回！此前耽误航天员回家的“罪魁祸首”究竟是啥？

镜花水月

11 月 14 日，载着神舟二十号航天员乘组的神舟二十一号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。神舟二十号航天员陈冬、陈中瑞、王杰全部安全顺利出舱，健康状态良好。

11月14日，载着神舟二十号航天员乘组的神舟二十一号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。新华社发（汪江波 摄）

前期，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，神舟二十号载人飞船返回舱舷窗玻璃出现细微裂纹，最大可能是受空间碎片外部冲击导致，不满足载人安全返回的放行条件，所以神舟二十号乘组搭乘二十一号飞船回了家。

那么问题来了，“空间碎片”是什么？它又为什么会对航天员和飞船构成威胁呢？

空间碎片是什么？

它们从何而来？

看似空空荡荡的太空，其实暗藏着不少“刺客”。除了天然的微流星体之外，还有许许多多空间碎片，由人类航天活动直接或间接产生。它们还有个更直白的称呼，叫做“太空垃圾”。

低地球轨道碎片状态示意图，图源：NASA
空间碎片包括失效卫星、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、隔热材料，甚至人类在舱外维修航天器时丢弃或遗失的工具等。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。
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，偶然返回大气层，还有许多早期空间碎片是反卫星武器试验的产品。
随着航天事业的发展，地球轨道上的空间碎片数量与日俱增。据欧洲空间局 2025 年 10 月 21 日发布的空间环境报告，截至 2024 年 8 月，可以追踪的尺寸超过 10 厘米的空间碎片已经超过 4.4 万个，1 厘米以上的 120 万个，“不在册”的小碎片更是不计其数。

图源：giphy

低轨道上的空间碎片会在极其稀薄的大气阻力影响下逐渐降轨陨落，并在大气层中烧毁。而如果轨道较高，就能存留很久。例如苏联在 1972 年发射失败的“宇宙-482”金星探测器的着陆舱，在地球身边转了 53 年后才坠回大气层。

空间碎片为何危害巨大？

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

美国航天飞机上的撞击坑

“慢悠悠飘荡”的假象，是因为航天员、空间站和各个设备的运行方向和速度完全一致造成的，就像并排行驶的汽车，乘客能摇下车窗说话一样（驾驶员不要！）。而如果两个物体的轨道稍有交叉，那么它们的相遇就会像路口撞车那样惨不忍睹。
除了对航天器或航天员造成致命伤害以外，还会产生更多的次级碎片。
空间碎片携带的动能与它的质量成正比，也与它速度的平方成正比。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，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。
对于太空行走的航天员来说，他们身着的舱外航天服是个精简版的迷你飞船，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，危及航天员生命。假如空间微小碎片破坏了飞船返回舱的防热涂层的完整性，也会给航天员的回家之路埋下重大隐患。

如何应对空间碎片？

现代航天器的设计正努力从源头减少空间碎片，例如采用防爆燃料贮箱，减少外露部件。航天器退役时，要主动变轨、再入大气层销毁或是改至遥远的“墓地”轨道。
对于已经存在的空间碎片，航天器的应对策略主要是看碎片的尺寸。目前，针对尺寸超过 10 厘米的较大碎片，航天器倾向于“躲”，主动实施轨道规避。轨道规避的前提是建立起完善的空间碎片监测预警系统，知道碎片在哪儿，几时几刻会到何地。通过高精度光学观测、图像处理技术和雷达技术，可以分辨空间碎片，探测其位置和速度，建立轨道跟踪信息。
更为棘手的是难以观测的大量小型空间碎片，一是不可预知，二是即使预知也不可能让航天器频频消耗燃料变轨躲避，这时“硬着头皮撞上去”就成了最佳应对手段。
对于长期驻人的空间站来说，打造一副坚不可摧的铠甲是非常必要的。以国际空间站为例，按照美国航空航天局的公开标准，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、二号采用的都是惠普尔防护罩。惠普尔防护罩，由 1 毫米的金属层、中间空隙和内层厚板组成。空间碎片高速撞击到外层金属薄板会将撞击物粉碎成大量细小碎片，这些碎片在通过中间空隙时会散开，能量也会大幅下降，从而难以贯穿内层厚板，达到保护航天器内部结构的目的。高速相撞会把空间碎片粉碎，让动能分散到内层板上。

左侧为模拟只加厚舱壁，而右侧则为加上惠普尔防护板的效果，图片来自 NASA
比起试验期的两代天宫来，中国空间站具有更长的在轨时间、更大的组装规模，因此也对其防护功能提出了更高的需求。它使用的是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。神舟二十号乘组的重要工作事项之一，也是继续安装空间碎片防护装置，为空间站“披甲”。
在这次意外小插曲中，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。从神舟十二号任务开始，我们的载人飞船发射均采用“发一备一”的滚动备份机制。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。


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作者丨曲炯 科普创作者
审核丨白鹏 航天科技集团十一院 研究员
策划丨张林林
责编丨丁崝、张林林、钟艳平
审校丨徐来、张林林

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神舟二十号航天员安全返回