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卫星通信
2022/7/6 14:22

英国计划用激光追踪卫星位置并阻止其相撞:在今夏发射第一颗测试卫星

新浪科技  -

英国将使用最新的激光技术来追踪环绕地球运行的卫星的位置,并阻止它们相撞。按照计划,第一颗测试卫星将在今年夏天晚些时候于康沃尔太空港发射升空

▲ 英国将于今年夏季晚些时候发射一颗测试卫星,用于测试利用激光追踪地球轨道卫星运动的技术

该激光追踪系统由英国初创公司 Lumi Space 开发,其工作原理是从地球向太空物体发射激光脉冲,并计算光线反射所需的时间。据该公司的宣传,这是一种“利用激光跟踪卫星的简单而强大的方法”,其目标是发出精确的碰撞警告,以应对太空碎片可能带来的威胁。

该系统由英国初创公司Lumi Space开发,其工作原理是从地球向太空中的物体发射激光脉冲,并计算光线反射回来所需的时间

▲ 该系统由英国初创公司 Lumi Space 开发,其工作原理是从地球向太空中的物体发射激光脉冲,并计算光线反射回来所需的时间

今年 9 月,一颗携带这项新技术的小型测试卫星将与其他几颗卫星一起,由维珍集团旗下的小型卫星发射公司维珍轨道(Virgin Orbit)发射升空,这可能是在英国本土进行的首次火箭发射,具有历史性的意义。

据估计,目前地球轨道上约有 3.3 亿块太空碎片,其中包括 3.65 万个大于 10 厘米的物体,包括废弃的卫星和火箭体等,甚至还有宇航员丢弃的工具。太空碎片可以在地球轨道上停留数百年,对每年快速增加的新卫星构成潜在威胁。随着技术的发展,越来越多的卫星正在为我们提供着各种重要的服务,包括通信和气候变化监测等。

这颗测试卫星由太空科技初创公司 Space Forge 在威尔士建造,安装了 Lumi Space 公司开发的逆反射器设备,能够将光线反射回原处。根据激光往返该卫星所需的时间,就可以计算出它的运行路线。

该系统将搭载Space Forge公司的测试卫星(如图),由该卫星对其光线反射回地面的过程进行监测

▲ 该系统将搭载 Space Forge 公司的测试卫星(如图),由该卫星对其光线反射回地面的过程进行监测

这项技术的难点在于,激光束必须从地球上瞄准,其精度必须达到 2 角秒。与此同时,卫星正以每小时近 2.9 万公里的速度飞行。当然,这样的技术并不新奇。在阿波罗任务期间,美国国家航空航天局(NASA)就在月球上安装了逆反射器,用于精确测量近月卫星与地球的距离。

不过,Lumi Space 公司的新系统预计将比目前的方法精确数百倍,并将是首个向私营太空公司提供的系统。该系统将搭载 Space Forge 的卫星或“平台”进入太空,然后由地面接收其穿过上大气层反射回来的光信号。Lumi Space 公司的希拉 维尔迪说:“这能为我们提供有关太空物体位置的信息,其准确性是其他信息来源的 500 到 1000 倍。这可以称得上是太空态势感知的黄金标准。”

“随着未来十年所计划的大量任务陆续开展,对近地轨道的可持续管理迫在眉睫,而了解物体在太空中的确切位置是其中的关键部分,”维尔迪补充道,“我们正致力于开发新的技术,为卫星运营商提供高精度的定位信息,以此填补市场空白。”

Lumi Space 公司希望将卫星碰撞警告的误报率降至 5% 以下。Space Forge 公司的联合创始人兼首席技术官安德鲁 培根表示:“为了确保我们的 Forge Star 平台能够准确返回地球,并根据需要获得微重力,我们需要 Lumi Space 正在开发的那些创新技术。追踪一颗以每秒近 8 公里的速度移动的小型卫星将是一项令人印象深刻的壮举,我们迫不及待地想利用这些数据来提高我们对在高层大气中飞行方式的理解。”

Space Forge 公司的终极目标是在太空中建造工厂,以生产地球上无法生产的材料。“英国在太空的可持续利用方面处于领先地位,因此,看到两家富有创新精神的英国公司展开合作,将卫星追踪技术纳入 Space Forge 公司的核心业务,是一件非常棒的事情。”英国航天局的伊恩 安尼特说,“我们正处在一个历史性的时刻,从英国本土发射的第一颗卫星将引发新一轮的创新浪潮。”

什么是太空垃圾?

据估计,人类的各项太空任务所留下的“太空垃圾”大约有 1.7 亿块,大如废弃的火箭级,小如油漆碎片。与这些垃圾一起在地球轨道上运行的,是价值约 7000 亿美元的各种太空基础设施

太空碎片可以在地球轨道上停留数百年,对每年快速增加的新卫星构成潜在威胁

▲ 太空碎片可以在地球轨道上停留数百年,对每年快速增加的新卫星构成潜在威胁

然而,我们目前只能追踪到 2.7 万块太空碎片,而且这些碎片能以超过 2.7 万公里 / 小时的速度飞行,即使是极其微小的碎片也可能严重损坏甚至摧毁卫星。

那么,我们要如何处理这些太空垃圾?传统的抓取方法在太空中不起作用,因为吸盘无法在真空中正常工作,而且太空中的温度对胶带和胶水等物质而言太低了。基于磁铁的夹持器也没有用,因为地球轨道上的大多数太空碎片是没有磁性的。

目前,大约有50万块人造太空碎片环绕在我们的星球周围,包括废弃的卫星、航天器碎片和火箭残骸等

▲ 目前,大约有 50 万块人造太空碎片环绕在我们的星球周围,包括废弃的卫星、航天器碎片和火箭残骸等

目前提出的大多数解决方案,包括“太空鱼叉”等,要么需要较强的外力,要么会导致较强的相互作用,都可能会将这些碎片推向意想不到的、不可预测的方向。

专家指出,在绝大多数对地观测卫星、测地卫星和空间站所采用的近地轨道,以及通信、气象和监测卫星所处的地球静止轨道上,太空碎片的威胁尤为突出。

地球轨道上有多少物体?

自 1957 年以来的火箭发射次数:6200 次;

进入轨道的卫星数量:13100 颗;

仍在太空中的卫星数量:8410 颗;

仍在运行的卫星数量:5800 颗;

碎片物体数量:31500 块;

分解、爆炸等事件:630 次;

轨道上物体的质量:9900 吨。

利用统计模型预测轨道上的碎片数量

大于 10 厘米:36500;

1 至 10 厘米:100 万;

1 毫米至 1 厘米:1.3 亿。

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