太空碰撞：我们能避免一场灾难吗？

避免太空碰撞！看看这些可能给太空带来新面貌的小卫星们！

一场可能的太空碰撞，我们能避免吗？

为每颗卫星配备推进系统就能解决问题吗？或者我们可以用鱼叉来捡垃圾？

来源：NASA

1957年，苏联将第一颗人造卫星送入轨道。这项任务被称为Sputnik-1(俄语中的“卫星”)，这是一颗设计用来广播无线电脉冲的简单卫星。在接下来的63年里，航天局和商业发射供应商进行了无数次太空发射。

到目前为止，这些发射中的绝大多数都是为了将卫星部署到近地轨道(LEO)。这些卫星的用途包括通信、科学研究、对地观测、天气跟踪、军事行动和导航。

最初，这些卫星只由政府机构和武装部队使用，他们依靠卫星提供重要服务。但近几十年来，卫星部署已经变得由商业航天部门主导，其一直在利用新技术和更低的成本发射更多的卫星。
自然，这导致人们越来越担心轨道空间通道正变得过于拥挤。这在很大程度上是由于越来越多的无法操作的卫星和轨道碎片（又被称为太空垃圾）漂浮在上面。

随着未来规划了如此多的新卫星，比如Starlink和其他宽带互联网卫星服务，随着时间的推移，这个问题只会变得更加紧迫。

一、一些发人深省的数字

卫星和轨道上的其他物体由各种组织监测，如位于德国达姆施塔特的欧洲空间行动中心(ESOC)的欧洲航天局(ESA)空间碎片办公室(SDO)。

NASA还负责通过天体材料研究与探索科学(ARES)轨道碎片计划办公室监测轨道碎片。它还与国防部(DoD)联合太空作战中心(JSpOC)一起追踪潜在的危险。

还有机构间空间碎片协调委员会(IADC)，成立于1993年，作为一种手段，允许成员在与空间碎片有关的问题上进行协调。现如今其包括美国国家航空航天局(NASA)、欧空局(ESA)、俄罗斯航天局(Roscosmos)以及中国(CNSA)、加拿大(CSA)、日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)、韩国(KARI)、印度(ISRO)和乌克兰(NSAU)的国家航天局。

截至2021年1月8日，欧空局空间碎片办公室估计，近地轨道(LEO)上所有物体的总质量为9200吨。就碎片而言，SDO估计有多达：

·34000件直径大于10厘米(约4英寸)的物体。

·90万件尺寸在1厘米至10厘米(约0.4至4英寸)之间的物品。

·1.28亿件尺寸在1毫米至1厘米之间的物体。

残骸的数量相当惊人。虽然有些人可能会认为尺寸不超过一小块污垢的物体没有什么可担心的，但他们可能需要三思了。由于地球的自转速度，轨道碎片的速度最高可达56000公里/小时(34800英里/小时)。

在这种速度下，即使是最微小的垃圾也能对运行中的航天器、空间站或卫星造成严重损害。麻省理工学院的研究人员通过向坚硬的表面发射微粒，并用高速相机记录结果，重现了宇航员可能看到的这些碎片的样子。

他们发现，微小到10微米(0.01毫米)的颗粒，以每小时3600公里(2240英里)的速度移动，会导致金属表面出现微小的凹陷，包括熔化和侵蚀。

与此同时，较大物体之间的碰撞可能会导致另一个重大危险——灾难性的解体，导致更多的碎片。这种现象被称为……
二、凯斯勒综合征

这种现象也被称为凯斯勒效应(Kessler Effect)，以唐·J·凯斯勒(Don J.Kessler)的名字命名。凯斯勒是一位美国天体物理学家，曾任美国国家航空航天局(NASA)科学家，专门研究太空碎片。1978年，他发表了一篇题为“人造卫星碰撞频率：碎片带的形成”的论文。

在这篇论文中，凯斯勒观察到，一旦太空碎片在轨道上达到一定的临界质量，可能会发生灾难性的连锁反应-碰撞产生更多的碎片，这将导致更多的碰撞，以此类推。这将使LEO成为运行卫星和太空探索的危险环境。

2009年，凯斯勒评述了他预测的这一现象将如何展开：

“如果没有足够的保障措施，激进的太空活动可能会大大缩短两次碰撞之间的时间，给未来的航天器带来无法容忍的危险。一些对环境危害最大的太空活动包括大型星座，比如20世纪80年代中期由”战略防御倡议“(Strategic Defense Initiative)最初提出的星座，像70年代末被考虑在地球轨道上建造太阳能发电站的大型建筑，以及使用苏联、美国和中国在过去30年里测试过的系统的反卫星战争。这种咄咄逼人的活动可能会造成这样一种情况，即一颗卫星发生故障就可能导致级联故障。”

时间确实证明了凯斯勒的部分预测是正确的。根据欧空局的数据，仅在过去五年里，低轨卫星的碎片数量就增加了50%。自1957年以来，已经发生了大约550起碎片化事件，仅2020年就发生了50多起。
三、立方体卫星革命

部分问题是卫星在近地轨道(LEO)变得更加多产。随着发射有效载荷的成本降低，太空探索和基于空间的研究变得容易得多。这不仅适用于规模较小的空间机构，也适用于商业实体和非营利组织。

这其中的一个主要驱动力是电子、数字技术和电路的进步，近几十年来，这些进步使得卫星变得更小、更便宜。因此，一种被称为立方体卫星(CubeSat)的新型小型卫星应运而生。

这个名字指的是尺寸为10x10x10厘米(1000立方厘米)-或大约60立方英寸(4x4x4英寸)-重量约1公斤(2.2磅)的卫星。由于立方体卫星的体积和质量都很小，它们可以单独使用，也可以堆叠在一起，创造出能够执行更多任务的更大的卫星。

在2013年之前，大多数立方体卫星是代表学术机构发射的，用于进行科学研究。然而，近年来，商业实体和私人组织已经占据了市场的一半以上。

这在很大程度上是因为它们发送到太空的成本要低得多，而且可以利用拼车计划(在那里，它们是作为更大有效载荷的一部分发射的)。不幸的是，立方体卫星和其他进步带来的可及性也增加了轨道混乱的整体问题。

从长远来看，在太空中有更多的参与者将意味着留下的垃圾数量将变得更多，从而更有可能出现凯斯勒效应。这个问题迫切需要一个一锤定音的解决方案，这意味着在缓解和消除问题的两端都需要有策略。

在清除方面，目前正在探索一些选择。这包括从装有鱼叉和网的卫星，它们可以诱捕太空垃圾并使其脱离轨道，吸引磁性太空拖船，甚至激光！

在光谱的另一端，科学家们正在努力创造下一代卫星，这种卫星可以避免碰撞，并将自己从轨道上移走。在这种情况下，战略包括新的推进系统和工具，一旦它们不再可操作，它们就可以使自己脱离轨道。

联合国外层空间事务办公室也制定了减少碎片的指导方针，其中包括规划轨道卫星的报废处理。签署这些指南的国家和机构的数量正在增加。最重要的是，发射到LEO的大约88%的小型有效载荷将自动遵守空间碎片缓解措施，因为它们的海拔较低，这意味着它们将在寿命结束时在地球大气层中解体。

据估计，出于同样的原因，所有卫星质量(不涉及载人航天的卫星)中有30%-60%遵守了报废指南。
四、推进系统的四个选项

传统上，卫星配备了与航天器相同的推进技术-化学推进器。这些系统依靠反应性化学物质(固体或液体)，然后被点燃以产生高温膨胀气体。然后，这些气体通过喷嘴引导，产生推力。

这种方法从太空时代开始就被用来提供姿态控制和机动能力。化学推进的主要好处是它的简单性。在这样的系统中，活动部件很少，所需能量也很小。

然而，它们也有自己的缺点，包括燃料容量有限，以及推进剂往往有毒的事实。当卫星和废弃的火箭在它们有机会耗尽燃料供应之前就停止运转时，这就成了一个问题。

当这些物体与轨道上的其他物体相撞时，可能会发生爆炸，导致解体和大量碎片云。因此，为什么正在努力开发替代的推进方式。

冷气推进器：

冷气推进器依靠加压容器中的惰性气体(如氮气)，然后通过喷嘴释放产生推力。这样做的直接好处是，它依赖于非爆炸性的推进剂，而且(在大多数情况下)没有腐蚀性或有毒。

这种方法还有一个优点，那就是它是最简单的推进技术，因为它只依赖低温保存的气体和(通常)一个阀门。不幸的是，它们也有自己的缺点，其中最明显的是低性能(与化学推进相比)。

电力推进：

这种方法依靠电力来加速推进剂，推进剂通常由惰性气体组成。例如离子推进器、霍尔效应推进器、脉冲等离子推进器和电喷推进器。在所有情况下，这些系统都使用电能来充电(电离)惰性气体。

产生的电离粒子由磁室加速以产生推力。通常情况下，离子发动机依赖氙气作为燃料来源，但也有一些较新的概念也利用了其他元素(如碘)。

这项技术是有利的，因为它具有极高的燃油效率，并且能够随着时间的推移产生高比冲。然而，它也需要大量的电力，这就需要大型太阳能电池或电池以及大型推进剂油箱。

太阳帆：

太阳帆(又名。光帆/光子帆)依靠来自恒星的太阳辐射压力来推动高反射和超薄材料的帆。这种方法的直接优点是它们不需要推进剂，并且它们产生的力是可扩展的(基于帆本身的大小)。

另一方面，太阳帆需要比卫星更大，才能产生有用的推进力。展开和储存这些帆还要求它们配备复杂的机械设备，增加卫星的整体尺寸和质量(并增加机械故障的可能性)。
五、水推进救援？

自20世纪60年代以来，美国国家航空航天局(NASA)和其他太空机构一直依赖液氢和液氧的组合作为推进剂。这引发了对依赖水的发动机的提议，要么是通过蒸发和排出水来产生推进力，要么是通过一种称为水电解的过程。

电解归根结底是用电荷把水分离成氢和氧。NASA一直在研究这项技术为航天器提供动力的潜力，但直到最近几年，它才变得可行。这在很大程度上是由于引入了小卫星(又名。立方体卫星)，需要的推力要小得多。

多年来，NASA一直通过他们的小企业创新研究(SBIR)、小航天器技术(SST)、立方体卫星发射计划(CLI)和探路者技术演示(PTD)计划来推动这项技术的发展。

2017年，美国国家航空航天局(NASA)展示了普渡大学(Purdue University)科学家开发的水基推进系统。该系统被纳入作战和数据传输光通信和传感器演示(OCSD)任务，该任务由两颗立方体卫星于2019年6月21日在LEO进行协调机动。

OCSD任务表面上的目的是测试新的光传输方法，以便更有效地将数据中继回地球。然而，这次任务也证明了所涉及的推进系统的有效性，这归结为四个机载推进器，这些推进器依靠太阳能将少量的水转化为蒸汽。

2020年，总部位于华盛顿的Tether无限公司(Tui)开发出了第一台可用于小卫星的水电解发动机。从技术上讲，“水电解推进器”是一种化学推进系统，因为它燃烧氢气和氧气。

这种系统的直接优势之一是，它可以就地提供燃料，在太空中收集冰来补充推进剂。今年1月早些时候，NASA宣布TUI的推进器将包括在他们PTD计划(PTD-1)的第一次任务中，该计划于1月24日发射，是前往轨道的六颗立方体卫星(Six CubeSat)的一部分。

另一项最近的创新是由Howe Industries开发的ThermaSat发动机，Howe Industries是一家总部位于亚利桑那州的公司，专门从事核技术、热系统和太空推进。与水电解发动机相比，ThermaSat发动机是“热火箭”方法的一个例子。

这种发动机依靠光学表面将太阳辐射转化为热量，在水从后喷嘴喷出之前的瞬间，热量被用来将水转化为过热的蒸汽。这使得它可以进行快速燃烧，从而使卫星能够快速部署，并在轨道上做出快速改变。

由于它依赖于水和太阳能，它不包含腐蚀性、有毒或爆炸性的材料或燃料。因此，与传统发动机技术相比，该系统提供了许多优势，其中最重要的是性价比和通用性。

它还有一个好处，那就是只有两个活动部件，这使得它比其他系统更简单、更紧凑。然而，它只需2.2磅(1公斤)的水就可以提供1800牛顿秒的总冲量(或203磅/秒的比冲量)。这足以在狮子座维持一颗立方体卫星长达五年。

这项技术在减轻轨道碎片方面也是有益的。正如豪工业公司(Howe Industries)创始人兼首席执行官特洛伊·豪博士(Dr.Troy Howe)通过电子邮件告诉趣味工程公司(Interest Engineering)的那样：

“ThermaSat的概念对解决空间碎片问题很有吸引力，主要有两个原因。第一个原因是，该系统非常通用和易于使用，几乎可以为轨道上的每一次任务提供推进能力。由于能够在任务结束时最终脱离轨道，大多数碎片在完成操作后可以自行清除。”

“第二种能力是，ThermaSat可以提供高脉冲烧伤来避免碰撞。许多较大的碎片可以被追踪到，或者可以提前看到它们向卫星飞来，并且可以进行微小的航向修正，以避免被拦截。它可能不会完全解决空间碎片的问题，但它至少可以确保特定任务的安全。”

这些系统和其他系统不仅可以避免卫星之间的碰撞。他们还将允许卫星在服务期限结束时自行脱轨。当他们的仪器最终发生故障，或者任务的燃料供应接近尾声时，配备了推进系统的卫星将能够启动“天鹅之歌”协议。

这将包括显著降低它们的高度，有效地潜入地球大气层，这样它们就会经历更多的空气摩擦，它们的轨道衰减得更快。很快，它们就会在重返大气层时烧毁，不会对未来的任务构成威胁。有点诗意，如果你仔细想想的话！
六、“需要是发明之母”

我们今天看到的许多创新都是由紧迫的需求驱动的。在气候变化、人口增长和不得不用更少的资源养活更多人的前景之间，研究人员正在提出提供解决方案的新技术和新想法。

当谈到避免轨道上潜在的灾难性连锁反应时，有各种各样的建议-从创造性的到看似简单的。美国国家航空航天局艾姆斯研究中心PTD-1项目经理大卫·梅耶尔说：

“我们有对小型航天器推进系统的驾驶需求。这种需求有很多原因：到达目的地、保持轨道、围绕太空中的其他物体机动，或者加速脱离轨道，帮助航天器在生命末期成为日益混乱的空间环境的好管家。”

正如豪博士补充的那样，这种情况需要创新的解决方案，包括为卫星配备发动机，使它们能够避免碰撞：

“一般来说，空间法没有地球上的法律发达。低地球轨道(LEO)是所有可以在其中放置设备的国家共享的，过去，需要诉讼的民事案件很少。但随着这一领域变得更受欢迎，空间碎片、通信干扰、隐私和其他问题也变得更加普遍。”

“我们相信，在每颗卫星上安装推进系统将使运营商有能力控制他们的航天器，并为太空开发引入一定程度的责任。一颗没有推进的卫星就像一辆没有方向盘的汽车，如果每辆车都有方向盘，可能对每个人都是最好的。”
在接下来的几年里，小卫星市场有望以极快的速度增长。由于数字技术的小型化和改进，太空研究、探索和商业冒险的机会将变得更加普遍。

再加上多家跨国公司提议发射互联网卫星星座，以及电信和商业太空部门的增长，很明显，卫星行业(以及近地轨道)很快就会变得非常拥挤！

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