如今，中國空間站已在軌安全運行一年多，經(jīng)受住惡劣空間環(huán)境的嚴峻考驗，保障了航天員安全順利出艙，成功完成多項空間科學(xué)任務(wù)——這些，都離不開(kāi)航天科技集團五院總體設計部空間碎片防護設計團隊。20年來(lái)，該團隊通過(guò)不懈探索與努力，打造出固若金湯的防護“鎧甲”，為中國空間站長(cháng)期在軌安全運行提供了強大的空間碎片防護能力。

　　“空間碎片行動(dòng)計劃”的源起

　　宇宙無(wú)垠，空間軌道資源卻并非無(wú)限。最具應用價(jià)值的地球軌道主要集中在2000公里以下的軌道區域，而這里也成為空間碎片的“集散地”。

　　空間碎片是指人類(lèi)空間活動(dòng)的產(chǎn)物，包括完成任務(wù)的火箭箭體和衛星本體、火箭的噴射物、在執行航天任務(wù)過(guò)程中的拋棄物、空間物體之間碰撞產(chǎn)生的碎塊等，是空間環(huán)境的主要污染源。

　　“載人飛船是典型的低軌道航天器，其軌道所處區域空間碎片密度較大，碎片的撞擊對飛船運行的可靠性和安全性構成嚴重威脅。特別是當航天員進(jìn)行艙外活動(dòng)時(shí)，由于失去了艙壁的保護，碎片撞擊的危害會(huì )更加嚴重，甚至直接威脅到航天員的生命安全。”航天科技集團五院動(dòng)力學(xué)專(zhuān)家曲廣吉介紹。

　　1993年，全世界主要航天國家發(fā)起成立了機構間空間碎片協(xié)調委員會(huì )（IADC），空間碎片問(wèn)題正式進(jìn)入世界航天領(lǐng)域的研究范疇。2000年，在國家財政的支持下，國防科工委組織實(shí)施了“空間碎片技術(shù)研究”專(zhuān)項，并制定了“空間碎片行動(dòng)計劃”。

　　從無(wú)到有，天宮一號經(jīng)受住考驗

　　從2002年起，航天科技集團五院總體設計部曲廣吉、楊雷、閆軍等專(zhuān)家敏銳地察覺(jué)到空間碎片領(lǐng)域對未來(lái)載人航天的重要性，迅速開(kāi)始組建團隊，逐漸形成以航天科技集團五院動(dòng)力學(xué)專(zhuān)業(yè)研發(fā)副總師閆軍研究員為帶頭人、老中青技術(shù)骨干為主的技術(shù)力量，全面啟動(dòng)了空間碎片領(lǐng)域的技術(shù)儲備進(jìn)程。

　　當時(shí)，國內有空間碎片防護概念的人寥寥無(wú)幾，相關(guān)技術(shù)資料也屈指可數。于是，在每周一次的技術(shù)討論會(huì )上，大家暢所欲言，分享最新獲得的信息，表達自己的感悟和困惑，讓思想的火花在交流碰撞中盡情迸發(fā)。短短幾年，團隊完成一系列相關(guān)課題項目，突破數學(xué)建模、編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)、編程算法推演等多項關(guān)鍵技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出“空間碎片風(fēng)險評估與防護設計軟件”，相關(guān)成果得到國際同行的認可。

　　2005年，在天宮一號初樣設計之際，團隊多次匯報空間碎片的危害及對策。型號總指揮、總設計師經(jīng)過(guò)慎重考慮，決定在天宮一號上率先開(kāi)展空間碎片防護設計，并指定由他們來(lái)承擔天宮一號空間碎片評估及防護設計的全部工作。

　　面對空間碎片防護技術(shù)的首次工程應用，團隊成員們如履薄冰，多次向總體設計師、結構設計師、熱控設計師們請教與溝通，深入了解總體和分系統設計需求。為了盡量減少重量，他們通過(guò)大量試驗，大膽提出利用輻射器擔當部分防護功能的思路，充分利用艙外原有的輻射器作為防護板，在只增加支撐柱重量的情況下，把艙體防護能力提高了3倍多。同時(shí)，通過(guò)把輻射器管路更改為內藏式設計，顯著(zhù)減小了輻射器管路的單點(diǎn)失效概率。在航天科技集團五院新飛船試驗船技術(shù)負責人楊雷看來(lái)，天宮一號的防護設計，“完美結合了超高速撞擊防護理念與工程中簡(jiǎn)單、經(jīng)濟、可靠等原則”。

　　2011年9月29日，天宮一號發(fā)射成功。作為我國首個(gè)使用空間碎片防護設計的航天器，天宮一號于在軌四年半的時(shí)間里經(jīng)受住空間碎片環(huán)境的考驗，表明我國空間碎片防護技術(shù)取得重大突破。

　　防護設計新進(jìn)程全面啟動(dòng)

　　在天宮一號防護工程實(shí)踐快要收官時(shí)，該團隊又開(kāi)始著(zhù)眼我國載人航天三期工程，針對空間站更長(cháng)的在軌時(shí)間、更大的組裝規模、更苛刻的防護需求，全面啟動(dòng)了防護設計新進(jìn)程。

　　他們以自主可控和可持續發(fā)展為宗旨，提出“材料立足國內、指標對標國際”的研發(fā)原則，決定開(kāi)發(fā)性能更先進(jìn)的復合材料填充式防護結構。

　　第一關(guān)要攻克材料問(wèn)題。“我們獨辟蹊徑提出了‘基于沖擊壓力的防護材料評估方法’，定量評估材料防護性能，從國內幾十種復合材料中篩選出具有防護潛力的兩種材料，后續撞擊試驗與前期評估結果完全吻合。”閆軍說(shuō)。

　　關(guān)鍵的第一關(guān)突破后，他們又通過(guò)數百次數值仿真計算和試驗，掌握了復合材料的重量和位置等參數對防護性能的影響規律。后續，設計師就可以根據需求輕松設計出擁有最優(yōu)性能的防護結構。“目前，先進(jìn)防護結構已成功應用于天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗艙和夢(mèng)天實(shí)驗艙的防護，我國空間站防護結構的性能指標達到國際先進(jìn)水平。”閆軍表示。

　　　　（光明日報北京9月18日電）