泛滥成灾!科学家研发出新型卫星技术躲避太空垃圾

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  (图片:NASA)

  一项新的研究发现,如果灾难性的太空垃圾连锁反应最终使得地球周围充满毁灭性弹片和最先进的红外摄像机的话,那么以凝胶推进剂作为动力的火箭可能有助于未来的卫星躲避这些太空垃圾。

  太空碎片可能听起来并不危险,但据美国国家航空航天局称,这些太空垃圾就飘浮在近地轨道上(高度约为2000公里),并且可以以大约36000公里/小时的平均速度相撞。在这样的速度下,即使是很小的太空碎片也能造成毁灭性的破坏。

  与太空碎片的碰撞已经造成了数百万美元的损失。例如,在2009年2月10日,美国一颗名为“铱星33号”的通信卫星被一颗20世纪60年代建造的俄罗斯报废卫星“宇宙2251号”撞毁。

  此外,这样的太空灾难还会产生更多的碎片,进而摧毁在轨道上的更多物体,这一连串的破坏最终可能会在地球周围形成一个碎片带。这种最糟糕的连锁反应被称为“凯斯勒效应”或“凯斯勒综合症”,由美国宇航局科学家唐纳德·凯斯勒(Donald Kessler)在1978年提出。

  大型卫星群的崛起

  据美国国家航空航天局(NASA)估计,目前地球轨道上大约有50万块大理石大小的碎片,以及1亿多个1毫米或以下的碎片。此外,由于现在制造和发射卫星的成本比以往任何时候都要低,SpaceX、亚马逊、OneWeb和Telesat等公司正计划在未来几年内向近地轨道发射“巨型卫星群”,每个卫星群都将会由数百颗微型卫星组成。

  2017年的一项研究表明,与这样的巨型卫星群相撞可能会大大加剧凯斯勒效应的风险。事实上,早在9月2日,欧洲航天局就不得不转移其“风神”地球观测卫星,以避免与SpaceX的一颗“星链”卫星发生潜在碰撞。

  为了应对凯斯勒效应发生的可能性,科学家们分析了当太空垃圾在近地轨道上占据主导地位时,卫星应该如何继续生存和运行。

  “现在很多公司都提出要发射巨型卫星群,这将会使地地轨道充满成千上万的卫星,发生碰撞,造成连锁反应只是早晚的事情,”亚利桑那大学的航空航天工程师Jekan Thangavelautham说。Thangavelautham是这篇太空碎片新研究的资深作者,他和他的同事于9月18日在夏威夷举行的毛伊岛光学和太空监视技术高级会议上发表了这项研究。

  避免凯斯勒综合症

  先前的研究已经表明,卫星可以通过被称为Whipple shields的防御装置得到保护。

  这些防御装置包括一个覆盖在航天器主壁上的薄覆盖物,这个覆盖物可以分解撞击的碎片和分散撞击带来的压力,这将使冲击的能量扩散到更大的区域,使航天器更容易承受碎片撞击。然而,研究人员说,Whipple shields只能保护航天器免受0.4英寸(1厘米)宽或更小的碎片所造成的的影响。

  而对于大块的太空碎片,地面雷达和望远镜可以远程跟踪它们的运动,帮助科学家预测它们的轨迹。这样,科学家们就可以指导卫星,以最佳的机动方式去避免撞击。然而,新的研究指出,这种“远程躲避”策略也有着其局限性,因为美国宇航局和国防部无法追踪小于2英寸(5厘米)的物体。

  科学家们关注的重点是那些无法从地面跟踪,但又大到足以穿透Whipple shields的太空碎片。他们认为,机载热红外摄像机可以帮助卫星在没有任何地面输入帮助的情况下,在几十英里外快速探测到这些中等大小太空碎片所发出的微量热量。

  但考虑到轨道碎片的运动速度,即使卫星能够在几十英里外探测到太空垃圾,卫星也只有几秒钟的时间来躲避碰撞。研究人员建议采用使用固体推进剂的火箭,因为这些火箭的推力高、重量轻、可靠,并且可以在瞬间启动——所有的这些都可以将卫星更快,更好地推离危险。

  太空垃圾躲避立方体卫星

  为了验证他们的想法,科学家们提议开发一种立方体卫星。他们建议,用16个固体推进剂推进器和一个热红外摄像机,以及一个陶瓷Whipple shield(对红外线透明)制造一个面包大小的立方体卫星,其大小相当于3个普通的立方体卫星。

  Thangavelautham说:“我们想让设计从根本上保持简单,因为这个系统不需要花很多钱。”

  最常见的固体推进火箭只能使用一次。研究人员提出的避免系统之所以拥有多个推进器,部分原因是如果有必要的话,它可以帮助卫星避免多次潜在的碰撞。

  此外,火箭也可以使用固体凝胶作为推进剂,这样的话火箭就可以多次发射——“这可以增加卫星躲避太空碎片的次数,”Thangavelautham说。

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