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装科小私塾|飞网:捕获太空垃圾“清道夫”

时间:2021-02-08     作者:馨健康【转载】   来自:我们的太空   阅读

近日,欧洲航天局与“清洁太空”公司签订合同,将在2025年发射世界上第一颗太空垃圾清洁卫星——“清洁太空一号”。消息一经发布,太空垃圾清除问题再次成为人们关注的热点。


▲严峻的太空垃圾形势示意图


  多年来,面对太空垃圾影响在轨航天器安全和后续航天发射的问题,各国科学家们已尝试了多种手段,包括激光推进、机械臂抓捕等。有科学家从渔网捕鱼中受到启发,提出了专门用于捕获太空垃圾的飞网捕获系统设想,并初步付诸实践。


▲空间飞网捕获太空垃圾概念图


  今天,让我们一起了解一下,在浩瀚无垠的太空中,太空垃圾是如何产生的,又有哪些危害?面对这一威胁人类航天活动的共同问题,各国科研人员提出了哪些奇思妙想、做出了哪些大胆尝试?


太空垃圾无节制增长的“凯斯勒效应”

  随着航天技术迅猛发展,航天器发射越来越频繁。这给人类生活带来各种便利的同时,也不可避免地造成大量太空垃圾滞留在茫茫宇宙中,既对在轨运行的航天器和后续航天发射构成风险,又使空间轨道资源日益紧缺。

  太空垃圾,是指人类在太空活动中产生的废弃物及衍生物。其主要包括:航天发射的抛弃物、火箭末子级、火箭爆炸物、废弃航天器,以及飞行器解体产生的碎片等。太空垃圾密度超过一定数量,就会诱发“凯斯勒效应”:太空垃圾相互碰撞,产生的碎片又将诱发更多的碰撞。如此连锁反应,导致太空垃圾数量急剧增加。

  据欧洲航天局可跟踪空间目标数据库统计,截至2020年,尺寸大于10厘米的太空垃圾数量已超3.4万个,尚有数以万计的微小碎片未在编目之内。太空垃圾的质量从几克至几吨不等,尺寸在几毫米至数十米之间。有些太空垃圾个头不大,但飞行速度极快,达到每秒6至7公里,对航天发射、在轨卫星和载人航天器构成极大威胁。

  如果把航天器发射、在轨运行的轨道比作地球上的一条条高速公路,那么,在这些高速公路上,同样有各种车辆日夜穿梭、川流不息。不同的是,它没有警察、没有交通管制、没有道路维护和清扫人员。发生交通事故后,也没人处理和清理路障。

  航天发射如今日益频繁,进入太空门槛不断降低,大量航天器过期失效,太空垃圾不断增多,路上变得越来越拥挤、脏乱,到处充斥着“各种报废车辆、交通事故残片”等抛弃物。在这样的高速公路上行驶,即便是技术再过硬的司机,也难免发生交通事故。如2009年,美国“铱星33”卫星与俄罗斯失效的“宇宙2251”卫星相撞,引起世界航天领域极大关注。这让国际社会进一步认识到太空垃圾对航天器构成的严重威胁,清除太空垃圾成为一项迫在眉睫的世界性课题。


探索应对太空垃圾之策


  2020年12月8日6时59分,我国嫦娥五号上升器完成月球样本转移任务后,按照地面指令受控离轨,降落到月面经度0度、南纬30度附近的预定落点。这不仅是我国在减少太空垃圾数量、保持空间环境清洁领域的一次成功实践,更是对和平利用空间资源承诺的一次践行。

  目前,保持空间环境清洁,已成为负责任航天大国所达成的共识。为确保航天器发射、在轨运行安全和空间轨道资源的可持续性利用,科学家们面对“茫茫太空路,征途艰险多”的现实问题,在积极探索一系列应对太空垃圾的方法手段。主要有以下几种——

  首先是规避。即以轨道监测预测技术为基础,根据目前跟踪观测到的太空垃圾数据,在航天器发射时间和运行轨道选择上,尽量避开太空垃圾。这一预防性规避手段,只能是尽力而为,不能确保万无一失。还有一种主动性规避手段,即提升航天器的“驾驶技术”——通过航天器主动变轨来躲避轨道碎片碰撞。由于太空垃圾多且速度极快,要实现完全规避难度依然很大。

  其次是预防。即通过航天器前期任务规划,降低航天器自身成为太空垃圾的可能性,让它达到运行寿命或失效时自动驶离太空“高速公路”。这种预防措施,受太空环境、寿命周期等制约,实现起来也不容易。

  再者是防护。即让航天器穿上“铠甲”,通过在其外表加装铝板、高强度复合材料板等防护装置,以阻挡太空垃圾的“袭击”。这种手段可以防范规模较小的冲击损害,但不能有效阻止大形碎片的撞击,且“铠甲”会增加航天器重量,导致发射成本大幅增加。

  最后是清除。即通过太空捕获拖船进行“道路救援拖离”,降低太空垃圾轨道,使其进入大气层被烧毁,或者抬高太空垃圾的轨道,将其遗弃在不常用的轨道高度上。这项技术带来的问题是捕获难度大,特别对于运动状态未知的非合作航天器,或是极小航天碎片,更是无能为力。

  总的来说,以上手段虽能在一定程度上规避、清除或减少太空垃圾,但无法应对所有的太空垃圾,更无法从根本上抑制航天器间相互碰撞而产生更多的太空垃圾。国外一项研究表明,即使停止一切航天器发射任务,太空垃圾也会因为不断的连续碰撞而继续增加。要清除日益增多的太空垃圾,呼唤更先进的技术手段。


一“网”飞来可否打尽太空垃圾


  随着人类社会发展,网的捕获对象已从水中游弋的鱼类,逐步扩展到地面奔跑的野兽、空中飞行的鸟禽等。到了现代,网捕应用得到进一步拓展,出现了诸如警用网枪、飞机拦阻网等产品。

  2001年,欧洲航天局的科学家们受网捕应用拓展的启发,推出一种由发射器、系绳、飞网、收口机构等部件组成的太空柔性飞网捕获系统。其具体设想为:执行捕获任务时,发射一艘载有飞网捕获系统的太空拖船,发现并接近太空垃圾后,选择时机向捕获目标发射展开一张由柔性绳索编织而成的大型飞网,将太空垃圾包裹起来,再通过收口机构收紧网口完成捕获,最后由太空拖船将其拖离太空“高速公路”。

  与传统机械臂爪等刚性捕获方式相比,飞网的柔性可以有效减少捕获过程中可能发生的碰撞,通过对太空拖船的控制,让其在距捕获目标百米以外实施捕获,安全性能相对较高。飞网属于一种稀疏结构,使用很少的材料就可覆盖相当大的空间范围。质量3千克左右的飞网,捕获面积可达近千平方米,对太空垃圾的识别与测量、太空拖船制导控制的精度要求相对较低,非常适合自旋废弃卫星和大型空间碎片等太空垃圾的清除,具有安全性高、捕获面积大、控制精度要求低等特点。

  这一构想于2003年完成总体方案设计,2012至2014年先后进行了高空投放试验、抛物线飞行微重力试验、真空罐试验。2018年4月,成功完成了空间演示验证试验。

  当然了,要真正实现飞网捕获系统的应用,还面临一些技术难题。主要是——

  对飞网制作的材料性能要求高。必须具有高强度、低密度、耐高温低温、抗强辐射、耐热氧、柔软光滑等特性,能满足捕获任务和空间环境需求。

  应具备飞网折叠封贮技术。也就是需有合理的折叠封贮方法,保证飞网内部自我隔离和避免穿透、打结,并对飞网拉出网舱过程进行有效的时序控制,解决飞网缠绕等工程应用难题,保证飞网系统高可靠展开。

  应具备高可靠收口技术。飞网捕获到太空垃圾后,如何达到自适应触发、高可靠收口和有效收紧锁死网口,还有一系列关键技术需要突破。

  需对绳系复合体进行有效的离轨控制。飞网捕获系统是一个由拖船、系绳、飞网及捕获物构成的绳系复合体,在实施过程中,如何有效利用系绳张力实施目标消旋控制、复合体转向控制、拖曳离轨控制,最终将捕获的太空垃圾清除出太空“高速公路”,其涉及技术领域广泛且要求苛刻。

  有理由相信,在不久将来,人类一定能将飞网应用拓展至太空,在清除太空垃圾、和平利用太空方面有所作为,为缓解空间轨道资源日益紧缺的现状提供有力技术支撑。


来源:装备科技




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