避免太空碰撞！看看這些可能給太空帶來(lái)新面貌的小衛(wèi)星們！

一場(chǎng)可能的太空碰撞，我們能避免嗎？

為每顆衛(wèi)星配備推進(jìn)系統(tǒng)就能解決問(wèn)題嗎？或者我們可以用魚(yú)叉來(lái)?yè)炖?/p>

來(lái)源：NASA

1957年，蘇聯(lián)將第一顆人造衛(wèi)星送入軌道。這項(xiàng)任務(wù)被稱為Sputnik-1(俄語(yǔ)中的“衛(wèi)星”)，這是一顆設(shè)計(jì)用來(lái)廣播無(wú)線電脈沖的簡(jiǎn)單衛(wèi)星。在接下來(lái)的63年里，航天局和商業(yè)發(fā)射供應(yīng)商進(jìn)行了無(wú)數(shù)次太空發(fā)射。

到目前為止，這些發(fā)射中的絕大多數(shù)都是為了將衛(wèi)星部署到近地軌道(LEO)。這些衛(wèi)星的用途包括通信、科學(xué)研究、對(duì)地觀測(cè)、天氣跟蹤、軍事行動(dòng)和導(dǎo)航。

最初，這些衛(wèi)星只由政府機(jī)構(gòu)和武裝部隊(duì)使用，他們依靠衛(wèi)星提供重要服務(wù)。但近幾十年來(lái)，衛(wèi)星部署已經(jīng)變得由商業(yè)航天部門(mén)主導(dǎo)，其一直在利用新技術(shù)和更低的成本發(fā)射更多的衛(wèi)星。

自然，這導(dǎo)致人們?cè)絹?lái)越擔(dān)心軌道空間通道正變得過(guò)于擁擠。這在很大程度上是由于越來(lái)越多的無(wú)法操作的衛(wèi)星和軌道碎片（又被稱為太空垃圾）漂浮在上面。

隨著未來(lái)規(guī)劃了如此多的新衛(wèi)星，比如Starlink和其他寬帶互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星服務(wù)，隨著時(shí)間的推移，這個(gè)問(wèn)題只會(huì)變得更加緊迫。

一、一些發(fā)人深省的數(shù)字

衛(wèi)星和軌道上的其他物體由各種組織監(jiān)測(cè)，如位于德國(guó)達(dá)姆施塔特的歐洲空間行動(dòng)中心(ESOC)的歐洲航天局(ESA)空間碎片辦公室(SDO)。

NASA還負(fù)責(zé)通過(guò)天體材料研究與探索科學(xué)(ARES)軌道碎片計(jì)劃辦公室監(jiān)測(cè)軌道碎片。它還與國(guó)防部(DoD)聯(lián)合太空作戰(zhàn)中心(JSpOC)一起追蹤潛在的危險(xiǎn)。

還有機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)(IADC)，成立于1993年，作為一種手段，允許成員在與空間碎片有關(guān)的問(wèn)題上進(jìn)行協(xié)調(diào)?，F(xiàn)如今其包括美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)、歐空局(ESA)、俄羅斯航天局(Roscosmos)以及中國(guó)(CNSA)、加拿大(CSA)、日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)、韓國(guó)(KARI)、印度(ISRO)和烏克蘭(NSAU)的國(guó)家航天局。

截至2021年1月8日，歐空局空間碎片辦公室估計(jì)，近地軌道(LEO)上所有物體的總質(zhì)量為9200噸。就碎片而言，SDO估計(jì)有多達(dá)：

·34000件直徑大于10厘米(約4英寸)的物體。

·90萬(wàn)件尺寸在1厘米至10厘米(約0.4至4英寸)之間的物品。

·1.28億件尺寸在1毫米至1厘米之間的物體。

殘骸的數(shù)量相當(dāng)驚人。雖然有些人可能會(huì)認(rèn)為尺寸不超過(guò)一小塊污垢的物體沒(méi)有什么可擔(dān)心的，但他們可能需要三思了。由于地球的自轉(zhuǎn)速度，軌道碎片的速度最高可達(dá)56000公里/小時(shí)(34800英里/小時(shí))。

在這種速度下，即使是最微小的垃圾也能對(duì)運(yùn)行中的航天器、空間站或衛(wèi)星造成嚴(yán)重?fù)p害。麻省理工學(xué)院的研究人員通過(guò)向堅(jiān)硬的表面發(fā)射微粒，并用高速相機(jī)記錄結(jié)果，重現(xiàn)了宇航員可能看到的這些碎片的樣子。

他們發(fā)現(xiàn)，微小到10微米(0.01毫米)的顆粒，以每小時(shí)3600公里(2240英里)的速度移動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致金屬表面出現(xiàn)微小的凹陷，包括熔化和侵蝕。

與此同時(shí)，較大物體之間的碰撞可能會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)重大危險(xiǎn)——災(zāi)難性的解體，導(dǎo)致更多的碎片。這種現(xiàn)象被稱為……

二、凱斯勒綜合征

這種現(xiàn)象也被稱為凱斯勒效應(yīng)(Kessler Effect)，以唐·J·凱斯勒(Don J.Kessler)的名字命名。凱斯勒是一位美國(guó)天體物理學(xué)家，曾任美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)科學(xué)家，專門(mén)研究太空碎片。1978年，他發(fā)表了一篇題為“人造衛(wèi)星碰撞頻率：碎片帶的形成”的論文。

在這篇論文中，凱斯勒觀察到，一旦太空碎片在軌道上達(dá)到一定的臨界質(zhì)量，可能會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的連鎖反應(yīng)-碰撞產(chǎn)生更多的碎片，這將導(dǎo)致更多的碰撞，以此類(lèi)推。這將使LEO成為運(yùn)行衛(wèi)星和太空探索的危險(xiǎn)環(huán)境。

2009年，凱斯勒評(píng)述了他預(yù)測(cè)的這一現(xiàn)象將如何展開(kāi)：

“如果沒(méi)有足夠的保障措施，激進(jìn)的太空活動(dòng)可能會(huì)大大縮短兩次碰撞之間的時(shí)間，給未來(lái)的航天器帶來(lái)無(wú)法容忍的危險(xiǎn)。一些對(duì)環(huán)境危害最大的太空活動(dòng)包括大型星座，比如20世紀(jì)80年代中期由”戰(zhàn)略防御倡議“(Strategic Defense Initiative)最初提出的星座，像70年代末被考慮在地球軌道上建造太陽(yáng)能發(fā)電站的大型建筑，以及使用蘇聯(lián)、美國(guó)和中國(guó)在過(guò)去30年里測(cè)試過(guò)的系統(tǒng)的反衛(wèi)星戰(zhàn)爭(zhēng)。這種咄咄逼人的活動(dòng)可能會(huì)造成這樣一種情況，即一顆衛(wèi)星發(fā)生故障就可能導(dǎo)致級(jí)聯(lián)故障?！?/p>

時(shí)間確實(shí)證明了凱斯勒的部分預(yù)測(cè)是正確的。根據(jù)歐空局的數(shù)據(jù)，僅在過(guò)去五年里，低軌衛(wèi)星的碎片數(shù)量就增加了50%。自1957年以來(lái)，已經(jīng)發(fā)生了大約550起碎片化事件，僅2020年就發(fā)生了50多起。

三、立方體衛(wèi)星革命

部分問(wèn)題是衛(wèi)星在近地軌道(LEO)變得更加多產(chǎn)。隨著發(fā)射有效載荷的成本降低，太空探索和基于空間的研究變得容易得多。這不僅適用于規(guī)模較小的空間機(jī)構(gòu)，也適用于商業(yè)實(shí)體和非營(yíng)利組織。

這其中的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)力是電子、數(shù)字技術(shù)和電路的進(jìn)步，近幾十年來(lái)，這些進(jìn)步使得衛(wèi)星變得更小、更便宜。因此，一種被稱為立方體衛(wèi)星(CubeSat)的新型小型衛(wèi)星應(yīng)運(yùn)而生。

這個(gè)名字指的是尺寸為10x10x10厘米(1000立方厘米)-或大約60立方英寸(4x4x4英寸)-重量約1公斤(2.2磅)的衛(wèi)星。由于立方體衛(wèi)星的體積和質(zhì)量都很小，它們可以單獨(dú)使用，也可以堆疊在一起，創(chuàng)造出能夠執(zhí)行更多任務(wù)的更大的衛(wèi)星。

在2013年之前，大多數(shù)立方體衛(wèi)星是代表學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)發(fā)射的，用于進(jìn)行科學(xué)研究。然而，近年來(lái)，商業(yè)實(shí)體和私人組織已經(jīng)占據(jù)了市場(chǎng)的一半以上。

這在很大程度上是因?yàn)樗鼈儼l(fā)送到太空的成本要低得多，而且可以利用拼車(chē)計(jì)劃(在那里，它們是作為更大有效載荷的一部分發(fā)射的)。不幸的是，立方體衛(wèi)星和其他進(jìn)步帶來(lái)的可及性也增加了軌道混亂的整體問(wèn)題。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在太空中有更多的參與者將意味著留下的垃圾數(shù)量將變得更多，從而更有可能出現(xiàn)凱斯勒效應(yīng)。這個(gè)問(wèn)題迫切需要一個(gè)一錘定音的解決方案，這意味著在緩解和消除問(wèn)題的兩端都需要有策略。

在清除方面，目前正在探索一些選擇。這包括從裝有魚(yú)叉和網(wǎng)的衛(wèi)星，它們可以誘捕太空垃圾并使其脫離軌道，吸引磁性太空拖船，甚至激光！

在光譜的另一端，科學(xué)家們正在努力創(chuàng)造下一代衛(wèi)星，這種衛(wèi)星可以避免碰撞，并將自己從軌道上移走。在這種情況下，戰(zhàn)略包括新的推進(jìn)系統(tǒng)和工具，一旦它們不再可操作，它們就可以使自己脫離軌道。

聯(lián)合國(guó)外層空間事務(wù)辦公室也制定了減少碎片的指導(dǎo)方針，其中包括規(guī)劃軌道衛(wèi)星的報(bào)廢處理。簽署這些指南的國(guó)家和機(jī)構(gòu)的數(shù)量正在增加。最重要的是，發(fā)射到LEO的大約88%的小型有效載荷將自動(dòng)遵守空間碎片緩解措施，因?yàn)樗鼈兊暮０屋^低，這意味著它們將在壽命結(jié)束時(shí)在地球大氣層中解體。

據(jù)估計(jì)，出于同樣的原因，所有衛(wèi)星質(zhì)量(不涉及載人航天的衛(wèi)星)中有30%-60%遵守了報(bào)廢指南。

四、推進(jìn)系統(tǒng)的四個(gè)選項(xiàng)

傳統(tǒng)上，衛(wèi)星配備了與航天器相同的推進(jìn)技術(shù)-化學(xué)推進(jìn)器。這些系統(tǒng)依靠反應(yīng)性化學(xué)物質(zhì)(固體或液體)，然后被點(diǎn)燃以產(chǎn)生高溫膨脹氣體。然后，這些氣體通過(guò)噴嘴引導(dǎo)，產(chǎn)生推力。

這種方法從太空時(shí)代開(kāi)始就被用來(lái)提供姿態(tài)控制和機(jī)動(dòng)能力。化學(xué)推進(jìn)的主要好處是它的簡(jiǎn)單性。在這樣的系統(tǒng)中，活動(dòng)部件很少，所需能量也很小。

然而，它們也有自己的缺點(diǎn)，包括燃料容量有限，以及推進(jìn)劑往往有毒的事實(shí)。當(dāng)衛(wèi)星和廢棄的火箭在它們有機(jī)會(huì)耗盡燃料供應(yīng)之前就停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這就成了一個(gè)問(wèn)題。

當(dāng)這些物體與軌道上的其他物體相撞時(shí)，可能會(huì)發(fā)生爆炸，導(dǎo)致解體和大量碎片云。因此，為什么正在努力開(kāi)發(fā)替代的推進(jìn)方式。

冷氣推進(jìn)器：

冷氣推進(jìn)器依靠加壓容器中的惰性氣體(如氮?dú)?，然后通過(guò)噴嘴釋放產(chǎn)生推力。這樣做的直接好處是，它依賴于非爆炸性的推進(jìn)劑，而且(在大多數(shù)情況下)沒(méi)有腐蝕性或有毒。

這種方法還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是它是最簡(jiǎn)單的推進(jìn)技術(shù)，因?yàn)樗灰蕾嚨蜏乇４娴臍怏w和(通常)一個(gè)閥門(mén)。不幸的是，它們也有自己的缺點(diǎn)，其中最明顯的是低性能(與化學(xué)推進(jìn)相比)。

電力推進(jìn)：

這種方法依靠電力來(lái)加速推進(jìn)劑，推進(jìn)劑通常由惰性氣體組成。例如離子推進(jìn)器、霍爾效應(yīng)推進(jìn)器、脈沖等離子推進(jìn)器和電噴推進(jìn)器。在所有情況下，這些系統(tǒng)都使用電能來(lái)充電(電離)惰性氣體。

產(chǎn)生的電離粒子由磁室加速以產(chǎn)生推力。通常情況下，離子發(fā)動(dòng)機(jī)依賴氙氣作為燃料來(lái)源，但也有一些較新的概念也利用了其他元素(如碘)。

這項(xiàng)技術(shù)是有利的，因?yàn)樗哂袠O高的燃油效率，并且能夠隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生高比沖。然而，它也需要大量的電力，這就需要大型太陽(yáng)能電池或電池以及大型推進(jìn)劑油箱。

太陽(yáng)帆：

太陽(yáng)帆(又名。光帆/光子帆)依靠來(lái)自恒星的太陽(yáng)輻射壓力來(lái)推動(dòng)高反射和超薄材料的帆。這種方法的直接優(yōu)點(diǎn)是它們不需要推進(jìn)劑，并且它們產(chǎn)生的力是可擴(kuò)展的(基于帆本身的大小)。

另一方面，太陽(yáng)帆需要比衛(wèi)星更大，才能產(chǎn)生有用的推進(jìn)力。展開(kāi)和儲(chǔ)存這些帆還要求它們配備復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，增加衛(wèi)星的整體尺寸和質(zhì)量(并增加機(jī)械故障的可能性)。

五、水推進(jìn)救援？

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和其他太空機(jī)構(gòu)一直依賴液氫和液氧的組合作為推進(jìn)劑。這引發(fā)了對(duì)依賴水的發(fā)動(dòng)機(jī)的提議，要么是通過(guò)蒸發(fā)和排出水來(lái)產(chǎn)生推進(jìn)力，要么是通過(guò)一種稱為水電解的過(guò)程。

電解歸根結(jié)底是用電荷把水分離成氫和氧。NASA一直在研究這項(xiàng)技術(shù)為航天器提供動(dòng)力的潛力，但直到最近幾年，它才變得可行。這在很大程度上是由于引入了小衛(wèi)星(又名。立方體衛(wèi)星)，需要的推力要小得多。

多年來(lái)，NASA一直通過(guò)他們的小企業(yè)創(chuàng)新研究(SBIR)、小航天器技術(shù)(SST)、立方體衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃(CLI)和探路者技術(shù)演示(PTD)計(jì)劃來(lái)推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。

2017年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)展示了普渡大學(xué)(Purdue University)科學(xué)家開(kāi)發(fā)的水基推進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)被納入作戰(zhàn)和數(shù)據(jù)傳輸光通信和傳感器演示(OCSD)任務(wù)，該任務(wù)由兩顆立方體衛(wèi)星于2019年6月21日在LEO進(jìn)行協(xié)調(diào)機(jī)動(dòng)。

OCSD任務(wù)表面上的目的是測(cè)試新的光傳輸方法，以便更有效地將數(shù)據(jù)中繼回地球。然而，這次任務(wù)也證明了所涉及的推進(jìn)系統(tǒng)的有效性，這歸結(jié)為四個(gè)機(jī)載推進(jìn)器，這些推進(jìn)器依靠太陽(yáng)能將少量的水轉(zhuǎn)化為蒸汽。

2020年，總部位于華盛頓的Tether無(wú)限公司(Tui)開(kāi)發(fā)出了第一臺(tái)可用于小衛(wèi)星的水電解發(fā)動(dòng)機(jī)。從技術(shù)上講，“水電解推進(jìn)器”是一種化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，因?yàn)樗紵龤錃夂脱鯕狻?/p>

這種系統(tǒng)的直接優(yōu)勢(shì)之一是，它可以就地提供燃料，在太空中收集冰來(lái)補(bǔ)充推進(jìn)劑。今年1月早些時(shí)候，NASA宣布TUI的推進(jìn)器將包括在他們PTD計(jì)劃(PTD-1)的第一次任務(wù)中，該計(jì)劃于1月24日發(fā)射，是前往軌道的六顆立方體衛(wèi)星(Six CubeSat)的一部分。

另一項(xiàng)最近的創(chuàng)新是由Howe Industries開(kāi)發(fā)的ThermaSat發(fā)動(dòng)機(jī)，Howe Industries是一家總部位于亞利桑那州的公司，專門(mén)從事核技術(shù)、熱系統(tǒng)和太空推進(jìn)。與水電解發(fā)動(dòng)機(jī)相比，ThermaSat發(fā)動(dòng)機(jī)是“熱火箭”方法的一個(gè)例子。

這種發(fā)動(dòng)機(jī)依靠光學(xué)表面將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為熱量，在水從后噴嘴噴出之前的瞬間，熱量被用來(lái)將水轉(zhuǎn)化為過(guò)熱的蒸汽。這使得它可以進(jìn)行快速燃燒，從而使衛(wèi)星能夠快速部署，并在軌道上做出快速改變。

由于它依賴于水和太陽(yáng)能，它不包含腐蝕性、有毒或爆炸性的材料或燃料。因此，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相比，該系統(tǒng)提供了許多優(yōu)勢(shì)，其中最重要的是性價(jià)比和通用性。

它還有一個(gè)好處，那就是只有兩個(gè)活動(dòng)部件，這使得它比其他系統(tǒng)更簡(jiǎn)單、更緊湊。然而，它只需2.2磅(1公斤)的水就可以提供1800牛頓秒的總沖量(或203磅/秒的比沖量)。這足以在獅子座維持一顆立方體衛(wèi)星長(zhǎng)達(dá)五年。

這項(xiàng)技術(shù)在減輕軌道碎片方面也是有益的。正如豪工業(yè)公司(Howe Industries)創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官特洛伊·豪博士(Dr.Troy Howe)通過(guò)電子郵件告訴趣味工程公司(Interest Engineering)的那樣：

“ThermaSat的概念對(duì)解決空間碎片問(wèn)題很有吸引力，主要有兩個(gè)原因。第一個(gè)原因是，該系統(tǒng)非常通用和易于使用，幾乎可以為軌道上的每一次任務(wù)提供推進(jìn)能力。由于能夠在任務(wù)結(jié)束時(shí)最終脫離軌道，大多數(shù)碎片在完成操作后可以自行清除?！?/p>

“第二種能力是，ThermaSat可以提供高脈沖燒傷來(lái)避免碰撞。許多較大的碎片可以被追蹤到，或者可以提前看到它們向衛(wèi)星飛來(lái)，并且可以進(jìn)行微小的航向修正，以避免被攔截。它可能不會(huì)完全解決空間碎片的問(wèn)題，但它至少可以確保特定任務(wù)的安全。”

這些系統(tǒng)和其他系統(tǒng)不僅可以避免衛(wèi)星之間的碰撞。他們還將允許衛(wèi)星在服務(wù)期限結(jié)束時(shí)自行脫軌。當(dāng)他們的儀器最終發(fā)生故障，或者任務(wù)的燃料供應(yīng)接近尾聲時(shí)，配備了推進(jìn)系統(tǒng)的衛(wèi)星將能夠啟動(dòng)“天鵝之歌”協(xié)議。

這將包括顯著降低它們的高度，有效地潛入地球大氣層，這樣它們就會(huì)經(jīng)歷更多的空氣摩擦，它們的軌道衰減得更快。很快，它們就會(huì)在重返大氣層時(shí)燒毀，不會(huì)對(duì)未來(lái)的任務(wù)構(gòu)成威脅。有點(diǎn)詩(shī)意，如果你仔細(xì)想想的話！

六、“需要是發(fā)明之母”

我們今天看到的許多創(chuàng)新都是由緊迫的需求驅(qū)動(dòng)的。在氣候變化、人口增長(zhǎng)和不得不用更少的資源養(yǎng)活更多人的前景之間，研究人員正在提出提供解決方案的新技術(shù)和新想法。

當(dāng)談到避免軌道上潛在的災(zāi)難性連鎖反應(yīng)時(shí)，有各種各樣的建議-從創(chuàng)造性的到看似簡(jiǎn)單的。美國(guó)國(guó)家航空航天局艾姆斯研究中心PTD-1項(xiàng)目經(jīng)理大衛(wèi)·梅耶爾說(shuō)：

“我們有對(duì)小型航天器推進(jìn)系統(tǒng)的駕駛需求。這種需求有很多原因：到達(dá)目的地、保持軌道、圍繞太空中的其他物體機(jī)動(dòng)，或者加速脫離軌道，幫助航天器在生命末期成為日益混亂的空間環(huán)境的好管家。”

正如豪博士補(bǔ)充的那樣，這種情況需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案，包括為衛(wèi)星配備發(fā)動(dòng)機(jī)，使它們能夠避免碰撞：

“一般來(lái)說(shuō)，空間法沒(méi)有地球上的法律發(fā)達(dá)。低地球軌道(LEO)是所有可以在其中放置設(shè)備的國(guó)家共享的，過(guò)去，需要訴訟的民事案件很少。但隨著這一領(lǐng)域變得更受歡迎，空間碎片、通信干擾、隱私和其他問(wèn)題也變得更加普遍?！?/p>

“我們相信，在每顆衛(wèi)星上安裝推進(jìn)系統(tǒng)將使運(yùn)營(yíng)商有能力控制他們的航天器，并為太空開(kāi)發(fā)引入一定程度的責(zé)任。一顆沒(méi)有推進(jìn)的衛(wèi)星就像一輛沒(méi)有方向盤(pán)的汽車(chē)，如果每輛車(chē)都有方向盤(pán)，可能對(duì)每個(gè)人都是最好的?！?/p>

在接下來(lái)的幾年里，小衛(wèi)星市場(chǎng)有望以極快的速度增長(zhǎng)。由于數(shù)字技術(shù)的小型化和改進(jìn)，太空研究、探索和商業(yè)冒險(xiǎn)的機(jī)會(huì)將變得更加普遍。

再加上多家跨國(guó)公司提議發(fā)射互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座，以及電信和商業(yè)太空部門(mén)的增長(zhǎng)，很明顯，衛(wèi)星行業(yè)(以及近地軌道)很快就會(huì)變得非常擁擠！

BY: interestingengineering

FY: 羅導(dǎo)

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