来自 科技中心 2019-07-19 05:14 的文章
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激光万岁!NASA 美洲杯冠军竞猜:研发 5kW 太空垃

的艾姆斯研究中心提出了用激光来扫除垃圾的想法,基本上是用一架五瓩输出的激光以低角度打向太空垃圾,用激光的动能将其减速(嗄,不是真接蒸发掉喔

=),直到垃圾无法维持轨道,落入太气层焚毁。目前的估计是这种系统每天可以从天上打下十块垃圾 -- 不多,但少一块垃报就少一点危险啊!

来源:北京日报

太空或许是个无垠无涯的地方,但事实是在我们的蓝色小弹珠和太空之间,目前有 200,000 块大大小小的太空垃圾在飘着。平均除下来轨道还是挺空的(至少不到瓦力的那种程度),但因为这些太空垃圾的速率高,因此携带着大量的动能,如果撞到任何不是垃圾的东西 -- 其他人造卫星、太空站、甚至是航天员 -- 都有可能造成极大的危害。为了解决这个问题,NASA

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航天器使用网状结构捕获太空垃圾的示意

OSCaR捕获和移除太空垃圾的方法,和“遨龙一号”与“清理碎片”计划基本类似,其最大的特点在于自动化和低成本。在发射入轨并指定任务后,地面控制人员就不再对OSCaR实施控制操作,之后一系列清除太空垃圾的必要动作都由OSCaR通过内置的程序自动完成。同时,OSCaR这样的微小卫星,体积小、重量轻,制造和发射成本都相对较低,即便在清除太空垃圾的过程中与太空垃圾一同焚毁,也不会使清理任务耗费过于巨大的成本。

政治和法律层面还有待解问题

根据欧空局数据,截至今年1月,太空中的大碎片数量已达3.4万个以上,危险碎片的数量更是高达约90万个。这些碎片给航天器的运行带来了巨大的潜在威胁。航天飞机的挡风玻璃和外壳上的设备曾受到过太空垃圾的撞击,国际空间站也曾经调整轨道规避太空垃圾的威胁。2009年2月11日,美国通信卫星“铱星33”与已经报废多年的俄罗斯卫星“宇宙2251”在西伯利亚上空发生激烈碰撞,酿成了人类历史上首次卫星相撞的重大事故。2013年5月23日,发射还不到一个月的厄瓜多尔首颗人造卫星“飞马座”因受到俄罗斯火箭碎片的撞击而失效。如果太空垃圾无节制地继续增长,将会引发“凯斯勒效应”——空间碎片在太空中进入连环撞击的状态,轨道资源因为太空垃圾的污染而枯竭,人类再也无法将航天器发射到特定轨道上去。

除了技术方面的问题外,太空垃圾清理工作在政治和法律层面也有许多与太空垃圾有关的议题急需解决。清理太空垃圾必然要产生大量的费用,这些费用的分摊方案可能需要联合国和平利用外空委员会等国际组织进行协调,促使各国达成框架性的协议。同时,由于清理太空垃圾的航天器也能用于攻击其他国家正常工作的卫星,因此如何在各个国家间建立互信机制,使和平目的的太空清扫工作能够展开,是摆在各国政治家面前的一个课题。

无论激光从卫星还是从地面上发射,激光清理太空垃圾的方法都要攻克两个技术难题。首先,要研制大功率、高稳定性的激光器,系统的体积、重量、功耗等参数还要与任务的实际相匹配。其次,对于表面形状不一、成分各异的碎片,激光束照射的持续时间、照射能量、光斑大小等,都需要细致的计算,才能实现理想的变轨效果。如果对这些参数把握得不准确,激光束有可能使较大的太空垃圾碎裂成几片,非但没有完成清理任务,还会增加空间碎片的数量。

除了先捕获再清除太空垃圾的方法外,另一种比较有前景的太空垃圾清除方式为激光清除法。应用这种方法时,从地面或太空的飞行器中射出的强激光束将对太空垃圾进行照射,使得太空垃圾表面的物质变成等离子体并向外喷出。等离子体喷流对太空垃圾产生的反作用力可以改变太空垃圾的轨道,使太空垃圾进入坟墓轨道或快速坠入大气层焚毁。

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此外,技术人员们还提出了清除太空垃圾的其他理论设想。例如,有人设计将充气气球或薄膜帆等装置附着在碎片上,利用这些装置面积较大的特点,使碎片受到的大气阻力增大,轨道迅速降低,提早坠入大气层焚毁。这种方式的优点在于成本低、效率高,但太空垃圾离轨过程中,张开的气球或薄膜帆有可能套住其他太空垃圾,影响离轨的正常完成。还有人设想,将一根较长的电动力绳索连接到废弃的卫星上,利用缆绳切割电磁场时产生的力使其再入大气层。

卫星发射激光清除太空垃圾的设想图

体积最大的太空垃圾,一般来源于失效的航天器本身。例如,卫星在到达寿命后,如果没有采取离轨措施,就会成为滞留在轨道上的“死星”。而在火箭发射过程中,将卫星送入轨道的火箭最后一级,一般也会漂浮在太空之中。同时,失效或仍在工作的航天器,如果在太空中爆炸或相互碰撞,则会产生尺寸更小但数量更多的太空垃圾。此外,航天器上脱落的部件、油漆片,甚至是航天员出舱活动时不小心弄丢的扳手等工具,也都会成为太空垃圾。

目前,主动抓取太空垃圾后带离轨道,是比较成熟的太空垃圾清除方法。在清除过程中,清理太空垃圾的航天器首先根据地面设施对太空垃圾的监测数据调整自己的轨道,接近到距离目标几公里的位置。之后,利用自身搭载的极光雷达、红外相机等检查确认目标的状态,进一步接近到距离目标几十米的地方。在向太空垃圾“下手”之前,一般还要使用光学相机等设备对目标进行巡视,确定捕获点后,再接近捕获太空垃圾。之后,清理太空垃圾的航天器会将太空垃圾携带进坟墓轨道或者很快坠入大气层焚毁的轨道释放,完成太空垃圾的清理。

据报道,美国仁斯利尔理工大学的工程师团队正在研发一种名为OSCaR的小卫星,以较为低廉的成本搜寻和收集轨道上的空间碎片,为应对日益严重的太空垃圾问题提供新的解决方案。

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