(The Conversation)——谈到太空碎片，上去的东西如今更频繁地掉下来——而且掉得并不安全。
航天器发射时，一些组成部分，包括不可重复使用的火箭助推器，会被抛弃以减轻重量，让它们在重返大气层时有意烧毁。卫星在其寿命结束时也会进入大气层，按理说会烧毁。但在许多情况下，它们 并没有像预期的那样烧毁。
部分烧毁的航天器部件和卫星重返地球大气层时产生的碎片可能 对地面人员和建筑物构成风险。发射数量的激增，主要由 SpaceX等私营企业 推动，正在将一个曾经遥远的风险变成日益严重的威胁。
我们在威斯康星大学斯托特分校的 材料研究小组 正在研究能让重返碎片存留下来的材料。我们寻找方法，安全地改变它们卓越的耐热性能，使它们在大气层重返时更安全。
碎片降落地球
自2021年以来，重返碎片 多次 坠落在世界各地的 私人和公共财产 上。其中一些最引人注目的事件涉及SpaceX Dragon飞船碳纤维货舱的碎片，该货舱在返回舱重返大气层前数小时一直与其相连。这些货舱比一辆15座面包车还大，用于存放货物。
来自国际空间站Crew 7任务的飞船尾部碎片已 降落在北卡罗来纳州，而Crew 1任务的碎片则 降落在澳大利亚新南威尔士州。同样，Axiom 3任务的碎片也 降落在加拿大萨斯喀彻温省。
除了飞船尾部碎片外，用于容纳加压气体以调整航天器姿态的碳纤维组件也在回收到的再入碎片中占很大比例。其中一些最近的回收物发现于 澳大利亚、阿根廷和波兰。
大多数再入大气层的碎片都会燃烧殆尽，那么为什么这些碎片却能落到地球表面呢？
大气层再入
像 SpaceX的星链卫星这样的卫星位于低地球轨道，通常在地球表面上方190至1240英里（300至2000公里）的高度。要在那里停留，它们需要以大约 每小时17,000英里（27,000公里）的速度高速飞行。要达到这个速度，一枚载有百万磅燃料的火箭必须将其加速，而这部分能量的一部分仍然包含在卫星的动量中。
发射的物体和有效载荷越多，再入大气层的事件就越多。卫星运营商须在25年内将退役卫星移出轨道，以遵守国际委员会制定的规定。包括美国联邦通信委员会在内的全球多个组织一直在推动将脱离轨道的时间窗口缩短至五年。由于这些指导方针，最近这些发射所产生的再入碎片事件的全部涌入，还要再等10年或更久才能感受到。
今天发射的物体和制定的政策将对未来的安全产生持久影响。
碳纤维
随着世界技术的进步，将物品发射到太空的效率也在提高。
由于碳纤维增强塑料和新型金属等材料，卫星和航天器变得越来越轻、越来越坚固、越来越耐热。这些坚固的材料因其轻质而备受青睐，但它们也可能使脱轨碎片能够承受再入大气层时的高温。
碳纤维以前只用在航天技术上，现在也出现在自行车车架、赛车车身这类日常用品里。在制造航天器部件所需的高强度、低重量材料中，碳纤维依然是黄金标准。这些部件包括火箭机身、级间段（就是火箭各级之间的保护壳），还有要承受极端温度和高机械应力、应变的压力容器。
铝、钢这类简单金属会熔化烧掉；而像碳纤维这种复杂材料，是在高达5,000 华氏度（3,000 摄氏度）下造出来的，烧毁方式难以预料。这改变了被丢弃部件再入大气层时的解体方式。
从本世纪初开始，回收到的太空碎片大多含有碳纤维增强塑料部件，或者用碳纤维包裹的金属部件。碳纤维可能会无意中为更重、更有害的碎片充当隔热罩。
“为解体而设计”是一个重要的研究领域，专注于降低再入碎片的风险。航天器部件的设计不再依赖受控且精确计时的脱轨操作（即在寿命结束时将能经受再入考验的部件送入海洋），而是确保其在穿过大气层脱轨过程中完全解体。
为焚毁而设计可以有多种形式。 这些方式包括 改用更不耐热的材料，把难烧毁的部件移到再入时温度更高的航天器部位，或者使用在高温下会分解的连接件，将结构分离成更小的部件以帮助它们烧毁。
过去造航天器一直强调用最轻、最结实、最耐热的材料，因此刻意让某些材料变弱似乎有违常理。关键是要让材料变“聪明”，让它们在任务中保持强度，但一到再入高温就变弱。
热门跟贴