神秘的天外來客
天外來客3I/Altlas的浪漫造訪讓很多人對太空產生了無限遐想。
然而一個小不點很快搶了風頭。它本應該默默無聞地繞著地球一圈又一圈，但不巧來到了神舟二十號飛船的軌道，與外舷窗玻璃撞個滿懷。
返回任務推遲，航天員滯留太空。一時間，他們能否順利返回牽動著人們焦急的神經。
01
小不點大威力
引發撞擊的空間微小碎片，推測是人類留在太空的“垃圾”，可能是廢棄衛星或火箭殘骸、解體產生的碎片，甚至是脫落的零件或油漆片。
影視劇中各類空間碎片惹的“禍”（圖源網絡）
它們很小，但很快。7km/s的速度，比出膛的步槍子彈還要快10倍。由于破壞動能與速度的平方成正比，所以1克重的碎片（約一粒黃豆大小）所釋放的動能相當于時速100公里/小時的汽車所具有的撞擊能量。
歐洲航天局（ESA）《2025年太空環境報告》顯示，各類空間監測網絡能夠追蹤的目標約有4萬個，其中約1.1萬個為在軌工作的有效載荷。但事實上，尺寸超過1厘米（足以造成災難性破壞）的空間碎片數量估計已超過120萬，其中尺寸大于10厘米的碎片超過5萬。
02
返回艙的超高速撞擊仿真
想要知道空間碎片的破壞力，需要做實驗。但如此極端的環境，很難復刻，幸好有“仿真”。
簡單說，超高速撞擊仿真是在電腦里推演“碎片撞擊的全過程”，用以模擬超高速撞擊作用下結構和材料的動力學行為。
我們基于伏圖-物質點法引擎（Simdroid-MPM）建立了某返回艙模型（高4.5m，寬2.5m），并采用耦合物質點-有限元方法設置了6個直徑3cm的鋁制球形碎片，模擬它們以7km/s的速度分別從側壁和底部撞擊返回艙的動力學過程。
仿真結果顯示，撞擊首先會形成與碎片尺寸相近的孔洞，隨后在沖擊能量與艙體動能的共同作用下，損傷面積顯著擴大。側壁撞擊造成的損傷面積達1243.72cm2，約為碎片總橫截面積的30倍；底部撞擊則為770.32cm2，約為20倍。
空間碎片的撞擊聽起來很危險，實際上一點也不安全。即便是小碎片也可能造成遠大于其尺寸的破壞，且不同部位抗撞能力存在差異，因此也需進行針對性加固。
只不過現實中如果真有尺寸較大或破壞力較強的碎片，光學觀測和雷達監測就會預警，航天器可以主動調整姿態進行避讓——撞不過就躲。此外，通過提升返回艙結構的吸能能力，促使更少的沖擊能量轉化為艙體動能，也是提高安全性的重要方向。
03
給航天器穿上“防護服”
面對破壞力不大的微小碎片，主動調整姿態躲避會消耗寶貴燃料，因此航天器通常選擇“硬扛”。
然而，簡單增大航天器的外殼厚度并非高效的做法。一方面，厚重的外殼將消耗火箭更多的燃料并損失有效發射載荷；此外，僅靠厚外殼抵御超高速撞擊將可能導致層裂現象，試驗觀察和Simdroid-MPM的仿真結果均可直觀捕捉到該復雜的極端變形過程。
在現實的航天工程中，人們設計了另一種盾牌——惠普爾屏蔽結構（Whipple shield）。
前置的硬質防護屏讓碎片解體成微粒云，中間多孔介質讓高速微粒云減速并擴散，柔韌的內層材料抵御撞擊動能，從而保護艙內結構。
通過“躲閃”與“硬扛”相結合的策略，我們正為航天器在充滿碎片的太空環境中航行，提供著越來越堅實的保障。
04
仿真精度校核與航天應用案例
為驗證Simdroid-MPM求解超高速撞擊問題的仿真精度，我們基于文獻[4]的試驗參數做了仿真求解。鉛彈丸以6.58km/s超高速撞擊鉛靶，t=30.6μs時刻，碎片云分布的結果對比見下圖：
通過對比我們可以看出，數值計算結果與試驗值吻合較好，表明Simdroid-MPM求解超高速撞擊問題時滿足工程計算的精度要求。
借助物質點法在超高速撞擊問題中高效高精度的仿真能力，工程師可進一步將Simdroid-MPM應用于飛船舷窗玻璃的沖擊破碎過程仿真、艙外航天服的抗沖擊防護設計等航天工程場景。
(a) 試驗觀測（b）MPM仿真結果
左：試驗觀測；右：MPM仿真結果
05
凱斯勒效應發出的警告
2025年11月14日，神舟二十號乘組宇航員乘坐神舟二十一號飛船安全返回地球，有驚無險。但空間碎片問題應該引起人們足夠的重視。正如前蘇聯科學家齊奧爾科夫斯基在給《航空評論》雜志的信中寫下的名言：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠生活在搖籃里。”
在空間碎片威脅與日俱增的當下，無論是神舟二十號的緊急救援，還是凱斯勒效應（Kessler Syndrome）發出的嚴厲警告：如果任由無序的空間管理、掠奪式航天發射的現狀繼續，未來的地球將被我們制造的碎片牢籠所困，那么，人類是否還能夠走出“搖籃”？
參考文獻
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