未来可能会带来精确的轨道交付

自太空时代开始以来,运载火箭取得了长足的进步。从单级到多级火箭和航天飞机,再到可重复使用的运载火箭,我们已经非常擅长向太空发送有效载荷。但是当谈到将有效载荷返回地球时,我们的方法实际上根本没有太大变化。大约 70 年后,我们仍然经常依靠空气摩擦、隔热板和降落伞并在海上着陆。

幸运的是,NASA 和商业航天公司目前正在研究许多解决方案。例如,SpaceWorks Enterprises, Inc (SEI) 目前正在研究一种称为再入装置 (RED) 胶囊的轨道输送系统。在 NASA 的支持下,他们正准备在今年 10 月进行一次试运行,届时他们的一个太空舱将从 30 公里(19 英里)的高度坠落。

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现在有一个加油站......在太空中!

根据 忧思科学家联盟 (UCS),目前有超过 4,000 颗运行中的卫星在环绕地球的轨道上运行。根据一些估计,这个数字预计会高达 到本十年末将达到 100,000,包括电信、互联网、研究、导航和地球观测卫星。作为本世纪预期的低地球轨道(LEO)“商业化”的一部分,如此多卫星的存在将创造新的机会(以及危险)。

这些卫星的存在将需要大量的缓解(以防止碰撞)、维修和维护。例如,位于旧金山的初创公司 轨道工厂 正在努力为卫星轨道加油服务创造所有必要的技术。为了帮助实现这一目标,行业巨头洛克希德马丁公司 最近宣布 他们正在投资 Orbit Fab 的“太空加油站™”加油技术。

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太空垃圾的解决方案:蘑菇制成的卫星?

根据欧空局太空碎片办公室(SDO)的最新数据,大约有 6,900颗人造卫星 在轨道上。由于预计将发射许多电信、互联网和小型卫星,这种情况将在未来几年内呈指数级拥挤。这造成了对碰撞风险和空间碎片的各种担忧,更不用说环境问题了。

出于这个原因,工程师、设计师和卫星制造商正在寻找重新设计卫星的方法。进入 最大正义,网络安全专家,前海军陆战队员,以及在太空行业工作多年的“网络农民”。目前,他正在研究一种由菌丝纤维制成的新型卫星。这种坚韧、耐热且环保的材料可能会引发蓬勃发展的卫星行业的一场革命。

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一种捕获太空碎片高分辨率图像的新方法

“你不能打你看不到的东西”是体育运动中的常用词,最初是用来描述棒球投手的 沃尔特·约翰逊 快球。但是对于旋转更严重的事物也是如此,例如漂浮的数百万碎片中的一些 在近地轨道 (狮子座)。现在,一组研究人员提出了一种新的成像系统,该系统将使机构和政府能够密切跟踪一些杂乱无章的 LEO 并可能危及人类未来向恒星扩张的碎片。

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即将进行的欧空局任务将从轨道上移除一块太空垃圾

1970 年代在美国宇航局约翰逊航天中心工作时,天体物理学家唐纳德凯斯勒预测,随着空间碎片在环绕地球轨道的密度增加,空间碎片之间的碰撞将变得越来越普遍——从而产生级联效应。自 2005 年以来,轨道上的碎片数量呈指数增长曲线,这证实了凯斯勒的预测。

鉴于这个问题在未来几年只会变得更糟,因此对能够清除空间碎片的技术的需求不断增长。经过竞争的过程, 欧空局最近签约 瑞士创业公司 今日清空 创造世界上第一个清除碎片的太空任务。这个任务被称为 ClearSpace-1,预计将于 2025 年发射,并将有助于为更多的碎片清除任务铺平道路。

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使用气球发射火箭

自世纪之交以来,由于商业航天(又名 NewSpace)的空前兴起,太空探索发生了巨大变化。为了利用新技术并降低将有效载荷发射到太空的成本,一些真正具有创新性和新颖性的想法正在被提出。这包括使用气球将火箭运送到非常高的高度,然后将有效载荷发射到所需轨道的想法。

也被称为“Rockoons”,这个概念已经告知 利奥宇航完全自主和完全可重复使用的发射系统——由一个高空浮空器(气球)和一个火箭发射平台组成。随着第一次商业发射定于明年,该公司计划在未来几年使用该系统为微型卫星(又名立方体卫星)市场提供定期发射服务。

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印度展示其宇航员将在 2022 年使用的宇航服

自世纪之交以来,印度空间研究组织 (ISRO) 取得了巨大进步。从 1975 年到 2000 年间将卫星送入轨道的卑微开始,ISRO 于 2008 年 10 月向月球发送了他们的第一次任务( 月船一号 轨道器),然后是他们的第一次火星任务—— 火星轨道飞行器任务 (MOM) – 2013 年 11 月。

在未来几年,ISRO 打算成为第四个将宇航员送入太空的航天机构。这样做时,他们将加入一个仅由俄罗斯、美国和中国组成的太空机构专属俱乐部。上周(2018年9月7日)组织 推出宇航服 他们的宇航员在进行这次历史性旅程时将穿着。

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带有鱼叉、网和拖帆以捕获太空垃圾的卫星正在轨道上运行,并将很快进行测试

经过近七十年的航天飞行,太空碎片已经成为一个相当严重的问题。这种漂浮在低地球轨道 (LEO) 中的垃圾由废弃的第一级火箭和失效的卫星组成,对像 国际空间站 以及未来的太空发射。并且根据公布的数字 空间碎片办公室欧洲空间运营中心 (ESOC),问题只会越来越严重。

此外,航天机构和私营航空航天公司希望在未来几年内以卫星和太空栖息地的方式发射更多。因此,美国宇航局已经开始试验清除太空碎片的革命性新想法。它被称为 RemoveDebris 航天器,其中 最近部署 从国际空间站进行一系列主动碎片清除 (ADR) 技术演示。

这颗卫星是由 萨里卫星技术有限公司.和 萨里航天中心 (在英国萨里大学)并包含由多家欧洲航空航天公司提供的实验。它的一侧长约 1 米(3 英尺),重约 100 公斤(220 磅),是迄今为止部署到国际空间站的最大卫星。

清除碎片 航天器的目的是展示碎片网和鱼叉在从轨道捕获和清除空间碎片方面的有效性。正如 SSTL 首席执行官 Martin Sweeting 爵士在一份声明中所说的那样 最近的声明:

“SSTL 在设计和建造低成本小型卫星任务方面的专业知识是 RemoveDEBRIS 成功的基础,RemoveDEBRIS 是一个具有里程碑意义的主动碎片清除任务技术演示器,将开启地球轨道上空间垃圾清理的新时代。”

除了萨里航天中心和 SSTL,RemoveDebris 航天器背后的财团还包括世界第二大航天公司空中客车防务与航天公司、空中客车赛峰发射器、太空创新解决方案 (ISIS)、CSEM、Inria 和斯泰伦博斯大学。根据萨里航天中心的说法,这艘航天器 网站, 包括以下内容:

“该任务将包括一个主卫星平台(约 100 公斤),一旦进入轨道,该平台将部署两个立方体卫星作为人造碎片目标,以展示一些技术(网络捕获、鱼叉捕获、基于视觉的导航、拖帆离轨)。该项目由欧盟委员会和项目合作伙伴共同资助,由英国萨里大学萨里航天中心 (SSC) 领导。”

为了演示,“母舰”将部署两个立方体来模拟两块太空垃圾。在第一个实验中,其中一个 CubeSats(指定为 DebrisSat 1)将为其机载气球充气,以模拟更大的垃圾块。然后,RemoveDebris 航天器将部署它的网来捕获它,然后将其引导到地球大气层中,在那里网将被释放。

第二颗 CubeSat 名为 DebrisSat 2,将用于测试母舰的跟踪和测距激光器、算法以及基于视觉的导航技术。第三个实验将测试鱼叉捕获轨道空间碎片的能力,定于明年 3 月进行。出于法律原因,鱼叉不会在实际卫星上进行测试,而是由母舰伸出手臂,末端有一个目标。

然后鱼叉将以每秒 20 米(45 英里/小时)的速度发射到系绳上以测试其准确性。在 4 月 2 日发射回空间站后,这颗卫星于 6 月 20 日由空间站的加拿大机械臂从国际空间站的日本 Kibo 实验室模块部署。正如萨里航天中心主任吉列尔莫·阿列蒂 (Guillermo Aglietti) 在接受采访时解释的那样 立即太空飞行 在航天器被发射到国际空间站之前:

“作为捕捉碎片的一种方式,网是一种非常灵活的选择,因为即使碎片在旋转,或者形状不规则,与……使用机械臂相比,用网捕捉它的风险相对较低,因为如果碎片旋转得非常快,而你试图用机械臂捕捉它,那么显然有问题。此外,如果您要使用机械臂或抓手捕捉碎片,您需要在某个地方可以抓住碎片,而不会只折断其中的一大块。”

网络实验目前定于 2018 年 9 月进行,而第二个实验定于 10 月进行。当这些实验完成后,母舰将展开其拖帆作为制动装置。这种可膨胀的帆将与地球外层大气中的空气分子发生碰撞,逐渐降低其轨道,直到它进入地球大气层的密集层并燃烧殆尽。

这次航行将确保航天器在部署后的八周内脱离轨道,而不是估计自然发生需要两年半的时间。在这方面,RemoveDebris 航天器将证明它有能力解决空间碎片问题,同时又不增加空间碎片问题。

最后,RemoveDebris 航天器将测试一些旨在使轨道碎片清除尽可能简单和具有成本效益的关键技术。如果证明有效,国际空间站可能会在未来接收多个 RemoveDebris 航天器,然后可以逐渐部署这些航天器,以清除威胁空间站和运行卫星的较大空间碎片。

Conor Brown 是 Nanoracks LLC 的外部有效载荷经理,该公司开发了 Kibo 实验室模块上的 Kaber 系统,以适应从国际空间站部署的越来越多的微型卫星。正如他在一篇文章中所表达的 最近的声明:

“能够帮助推动这项开创性的使命真是太好了。 RemoveDebris 展示了一些非常令人兴奋的主动碎片清除技术,这些技术可能会对我们管理空间碎片的方式产生重大影响。该计划是小型卫星能力如何发展以及空间站如何作为这种规模任务的平台的一个很好的例子。我们都很高兴看到实验结果以及该项目在未来几年可能产生的影响。”

除了 RemoveDebris 航天器外,国际空间站最近还收到了一个 探测空间碎片的新工具.这被称为 空间碎片传感器 (SDS),一种安装在空间站外部的校准撞击传感器,用于监测小尺度空间碎片造成的撞击。再加上旨在清理空间碎片的技术,改进的监测将确保低地轨道的商业化(甚至可能是殖民化)可以开始。

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中国计划用激光清理太空垃圾

轨道碎片(又名太空垃圾)是当今航天机构面临的最大问题之一。在向太空发射火箭、助推器和卫星 60 年后,低地球轨道(LEO)的情况变得相当拥挤。考虑到轨道上的碎片可以移动的速度有多快,即使是最微小的碎片也可能对地球构成重大威胁。 国际空间站 并威胁仍然活跃的卫星。

难怪为什么地球上的主要航天机构都致力于监测轨道碎片并为其制定对策。到目前为止,提案范围从 巨型磁铁 and 网和鱼叉 到激光。鉴于它们在太空中的存在越来越大,中国也在考虑开发巨型太空激光器,作为对抗轨道垃圾的一种可能手段。

作为一项名为“天基激光站轨道要素对小尺度空间碎片清除的影响“,最近出现在科学杂志上 光学。 该研究由中国空军工程大学信息与导航学院研究员权文牵头,并得到了中国电子装备系统工程公司研究所的帮助。

显示当前环绕地球的空间碎片云的图形。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心/JSC

为了他们的研究,该团队进行了数值模拟,以查看具有高功率脉冲激光的轨道站是否可以在轨道碎片中产生凹痕。根据他们对太空垃圾的速度和轨迹的评估,他们发现具有与碎片本身相同的升交点赤经 (RAAN) 的轨道激光可以有效地清除它。正如他们在论文中所述:

“模拟结果表明,碎片去除受倾角和RAAN的影响,与碎片相同倾角和RAAN的激光站去除效率最高。为天基激光站的部署和天基激光清除空间碎片的进一步应用提供了必要的理论依据。”

这并不是第一次将定向能视为清除空间碎片的可能手段。然而,中国正在研究定向能以清除碎片这一事实表明该国在太空中的存在越来越大。这似乎也很合适,因为在生产太空垃圾方面,中国被认为是最严重的罪犯之一。

后退 in 20010 月 7 日,中国进行了一次反卫星导弹试验,产生了 3000 多块危险碎片。这个碎片云是有史以来追踪到的最大的碎片云,对俄罗斯卫星造成了重大损坏 2013年.这些碎片中的大部分将在轨道上停留数十年,对卫星、国际空间站和 LEO 中的其他物体构成重大威胁。

国际空间站冲天炉窗口中的芯片,由宇航员蒂姆·皮克拍摄。图片来源:ESA/NASA/Tim Peake

当然,也有人担心将激光部署到低地球轨道将意味着太空军事化。根据 1966 外层空间条约,旨在确保太空探索不会成为冷战的最新战线,所有签署国都同意“不将核武器或其他大规模杀伤性武器放置在轨道或天体上,也不会将它们放置在任何地方的外层空间。其他方式。”

1980 年代,中国被加入该条约,因此受其条款的约束。但早在 2017 年 3 月,美国将军约翰海顿在接受采访时表示 CNN 中国试图开发天基激光阵列可能违反该条约:

“他们一直在制造武器,测试武器,制造在太空中从地球运行的武器,干扰武器,激光武器,而且他们没有保守秘密。他们正在建立这些能力来挑战美利坚合众国,挑战我们的盟友……我们不能允许这种情况发生。”

这种担忧非常普遍,并且在空间定向能平台的使用方面是一个绊脚石。虽然轨道激光器不受大气干扰,从而使它们在清除空间碎片方面更加有效,但它们也会导致人们担心这些激光器在发生战争时可能会转向敌方卫星或电台。

与往常一样,太空受制于地球的政治。同时,也提供了合作互助的机会。由于空间碎片是一个普遍问题,威胁到任何和所有太空探索和低地球轨道殖民计划,解决它的合作努力不仅是可取的,而且是必要的。

 

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