神秘的天外来客
天外来客3I/Altlas的浪漫造访让很多人对太空产生了无限遐想。
然而一个小不点很快抢了风头。它本应该默默无闻地绕着地球一圈又一圈，但不巧来到了神舟二十号飞船的轨道，与外舷窗玻璃撞个满怀。
返回任务推迟，航天员滞留太空。一时间，他们能否顺利返回牵动着人们焦急的神经。
01
小不点大威力
引发撞击的空间微小碎片，推测是人类留在太空的“垃圾”，可能是废弃卫星或火箭残骸、解体产生的碎片，甚至是脱落的零件或油漆片。
影视剧中各类空间碎片惹的“祸”（图源网络）
它们很小，但很快。7km/s的速度，比出膛的步枪子弹还要快10倍。由于破坏动能与速度的平方成正比，所以1克重的碎片（约一粒黄豆大小）所释放的动能相当于时速100公里/小时的汽车所具有的撞击能量。
欧洲航天局（ESA）《2025年太空环境报告》显示，各类空间监测网络能够追踪的目标约有4万个，其中约1.1万个为在轨工作的有效载荷。但事实上，尺寸超过1厘米（足以造成灾难性破坏）的空间碎片数量估计已超过120万，其中尺寸大于10厘米的碎片超过5万。
02
返回舱的超高速撞击仿真
想要知道空间碎片的破坏力，需要做实验。但如此极端的环境，很难复刻，幸好有“仿真”。
简单说，超高速撞击仿真是在电脑里推演“碎片撞击的全过程”，用以模拟超高速撞击作用下结构和材料的动力学行为。
我们基于伏图-物质点法引擎（Simdroid-MPM）建立了某返回舱模型（高4.5m，宽2.5m），并采用耦合物质点-有限元方法设置了6个直径3cm的铝制球形碎片，模拟它们以7km/s的速度分别从侧壁和底部撞击返回舱的动力学过程。
仿真结果显示，撞击首先会形成与碎片尺寸相近的孔洞，随后在冲击能量与舱体动能的共同作用下，损伤面积显著扩大。侧壁撞击造成的损伤面积达1243.72cm²，约为碎片总横截面积的30倍；底部撞击则为770.32cm²，约为20倍。
空间碎片的撞击听起来很危险，实际上一点也不安全。即便是小碎片也可能造成远大于其尺寸的破坏，且不同部位抗撞能力存在差异，因此也需进行针对性加固。
只不过现实中如果真有尺寸较大或破坏力较强的碎片，光学观测和雷达监测就会预警，航天器可以主动调整姿态进行避让——撞不过就躲。此外，通过提升返回舱结构的吸能能力，促使更少的冲击能量转化为舱体动能，也是提高安全性的重要方向。
03
给航天器穿上“防护服”
面对破坏力不大的微小碎片，主动调整姿态躲避会消耗宝贵燃料，因此航天器通常选择“硬扛”。
然而，简单增大航天器的外壳厚度并非高效的做法。一方面，厚重的外壳将消耗火箭更多的燃料并损失有效发射载荷；此外，仅靠厚外壳抵御超高速撞击将可能导致层裂现象，试验观察和Simdroid-MPM的仿真结果均可直观捕捉到该复杂的极端变形过程。
在现实的航天工程中，人们设计了另一种盾牌——惠普尔屏蔽结构（Whipple shield）。
前置的硬质防护屏让碎片解体成微粒云，中间多孔介质让高速微粒云减速并扩散，柔韧的内层材料抵御撞击动能，从而保护舱内结构。
通过“躲闪”与“硬扛”相结合的策略，我们正为航天器在充满碎片的太空环境中航行，提供着越来越坚实的保障。
04
仿真精度校核与航天应用案例
为验证Simdroid-MPM求解超高速撞击问题的仿真精度，我们基于文献[4]的试验参数做了仿真求解。铅弹丸以6.58km/s超高速撞击铅靶，t=30.6μs时刻，碎片云分布的结果对比见下图：
通过对比我们可以看出，数值计算结果与试验值吻合较好，表明Simdroid-MPM求解超高速撞击问题时满足工程计算的精度要求。
借助物质点法在超高速撞击问题中高效高精度的仿真能力，工程师可进一步将Simdroid-MPM应用于飞船舷窗玻璃的冲击破碎过程仿真、舱外航天服的抗冲击防护设计等航天工程场景。
(a) 试验观测（b）MPM仿真结果
左：试验观测；右：MPM仿真结果
05
凯斯勒效应发出的警告
2025年11月14日，神舟二十号乘组宇航员乘坐神舟二十一号飞船安全返回地球，有惊无险。但空间碎片问题应该引起人们足够的重视。正如前苏联科学家齐奥尔科夫斯基在给《航空评论》杂志的信中写下的名言：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮里。”
在空间碎片威胁与日俱增的当下，无论是神舟二十号的紧急救援，还是凯斯勒效应（Kessler Syndrome）发出的严厉警告：如果任由无序的空间管理、掠夺式航天发射的现状继续，未来的地球将被我们制造的碎片牢笼所困，那么，人类是否还能够走出“摇篮”？
参考文献
[1] 汤靖师, 程昊文. 空间碎片问题的起源、现状和发展[J]. 物理, 50(5): 317-323, 2021.
[2] 马上. 冲击爆炸问题的物质点无网格法研究[D]. 北京: 清华大学, 2009.
[3] W. W. GONG et al. Numerical investigation on dynamical response of aluminum foam subject to hypervelocity impact with material point method. CMES 83(5): 527-545, 2012.
[4] M. Povarnitsyn et al. Hypervelocity impact modeling with different equations of state. International Journal of Impact Engineering, 33(1-12):625-633, 2006.
[5] P. Huang et al. Shared memory OpenMP parallelization of explicit MPM and its application to hypervelocity impact. CMES, 38(2):119-148, 2008.
[6] Z. P. Ye et al. A material point method model and ballistic limit equation for hypervelocity impact of multi-layer fabric coated aluminum plate. International Journal of Mechanics and Materials in Design, 14(4): 511-526, 2018.
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