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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2019-11-14 16:53:25

(照片:美国宇航局)

一项新的研究发现,如果太空碎片的灾难性连锁反应最终使地球充满破坏性的弹片和最先进的红外摄像机,那么凝胶推进剂驱动的火箭可能有助于未来的卫星避开太空碎片。

空间碎片听起来并不危险,但据美国宇航局称,空间碎片漂浮在低地球轨道(约2000公里高)上,可以以每小时约36000公里的平均速度碰撞。以这种速度,即使是微小的空间碎片也会造成破坏性的破坏。

与太空碎片的碰撞造成了数百万美元的损失。例如,2009年2月10日,一颗名为铱33的美国通信卫星被一颗建于20世纪60年代的俄罗斯报废卫星宇宙2251撞毁。

此外,这样的空间灾难也会产生更多的碎片,从而摧毁轨道上更多的物体。这一系列的损害最终可能会在地球周围形成一个碎片带。最糟糕的连锁反应被称为“凯斯勒效应”或“凯斯勒综合征”,这是美国宇航局科学家唐纳德·凯斯勒在1978年提出的。

大型卫星群的崛起

根据美国宇航局的估计,目前地球轨道上大约有500,000个大理石大小的碎片和超过1亿个1毫米或更小的碎片。此外,由于制造和发射卫星的成本比以往任何时候都低,spacex、亚马逊、oneweb和telesat等公司正计划在未来几年将“巨型卫星群”发射到低地球轨道,每个卫星群将由数百颗微型卫星组成。

2017年的一项研究表明,与这样巨大的卫星群相撞会大大增加凯斯勒效应的风险。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“卫星链”发生潜在碰撞。

为了应对凯斯勒效应的可能性,科学家们分析了当空间碎片主宰低地球轨道时,卫星应该如何继续存在和运行。

“现在许多公司提议发射巨大的卫星群,将数以千计的卫星填满地球到地球的轨道。亚利桑那大学的航空工程师杰坎·坦格夫劳坦说:“碰撞和连锁反应的发生只是时间问题。Thangavelautham是这项关于空间碎片的新研究的资深作者。他和他的同事在9月18日夏威夷举行的毛伊岛光学和空间监视技术高级会议上介绍了这项研究。

避免凯斯勒综合征

先前的研究表明卫星可以被称为惠普尔防护罩的防御装置保护。

这些防御装置包括一个覆盖航天器主壁的薄盖,它可以分解撞击碎片并分散撞击压力,这将把撞击能量分散到更大的区域,使航天器更容易受到碎片撞击。然而,研究人员说惠普尔防护罩只能保护航天器免受0.4英寸(1厘米)宽或更小的碎片的伤害。

对于大块空间碎片,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。通过这种方式,科学家可以以最佳的机动方式引导卫星避免碰撞。然而,新的研究指出,这种“远程回避”策略也有其局限性,因为美国宇航局和国防部不能跟踪小于2英寸(5厘米)的物体。

科学家们关注的是无法从地面追踪但足以穿透惠普尔防护罩的空间碎片。他们认为,机载热红外相机可以帮助卫星在没有地面输入帮助的情况下,快速探测到几十英里外这些中型空间碎片的微量热量。

然而,考虑到轨道碎片的速度,即使卫星能探测到几十英里外的空间碎片,卫星也只有几秒钟的时间来避免碰撞。研究人员建议使用固体推进剂火箭,因为它们推力大、重量轻、可靠,而且可以在瞬间发射——所有这些都可以更快、更好地推动卫星脱离危险。

空间垃圾避免立方体卫星

为了测试他们的想法,科学家们提议开发一颗立方体卫星。他们建议用16个固体推进剂推进剂、一个热红外照相机和一个陶瓷惠普尔屏蔽(对红外线透明)来制造一颗面包大小的立方体卫星,其大小相当于3颗普通的立方体卫星。

Thangavelautham说:“我们希望保持设计基本简单,因为系统不需要花很多钱。”

最常见的固体推进剂火箭只能使用一次。研究人员提出的回避系统有多个推进器,部分原因是它可以帮助卫星在必要时避免多重潜在碰撞。

此外,火箭还可以使用固体凝胶作为推进剂,这样火箭可以发射多次——“这可以增加卫星避开空间碎片的次数,”thangavelautham说。

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