磁力“吸尘器” 现已加入太空“大扫除”工具箱-美剧天堂 - 磁力“吸尘器” 现已加入太空“大扫除”工具箱-美剧天堂

来源:   发布时间:2021-04-20 10:11:47   浏览次数:210

  磁力“吸尘器” 现已加入太空“大扫除”工具

视觉中国供图

  相较于逐一清除垃圾碎片个体的方法,探寻批量、成片、成区域清理太空垃圾的技术需求更加紧迫。

  中国科学院国家天文台研究员

  平劲松

  近日,日本Astroscale公司发射的ELSA-d卫星成功进入550公里近地轨道,它由175千克的卫星主体和17千克的靶标两部分组成。卫星主体上配备有磁对接系统,将在太空中释放靶标并进行捕捉,以此模拟太空垃圾的回收。

  相关报道介绍,靶标将被释放3次。在最后一次实验中卫星主体将在大范围内搜索靶标,飞行至同步旋转状态后对其进行捕捉。如果实验成功,将来有可能在卫星上推广磁对接系统,以便清理太空垃圾,保护空间轨道安全。

  通过磁力捕捉回收太空垃圾是否可行?4月18日,科技日报记者采访了中国科学院国家天文台平劲松研究员。

  磁力对接不失为一种有益尝试

  通常情况下,两个空间飞行器在飞行轨道上交叉会合,进而受控连接成为一个整体,这项技术多用于航天飞机、空间站模块、载人载货地—空运输转移空间舱之间的各类对接拼接业务。平劲松在接受科技日报记者采访时表示,该项技术在我国嫦娥五号探测器采样返回任务中对接上升舱和返回舱体时得到完美应用。作为一种基本的航天飞控技术,将其用于空间抓捕——两个飞行物体一方受控一方自由飞行,在二者非常接近时受控物体对自由飞行物体实施物理捕获——是一种有效的应用拓展。

  对接捕获的方式各不相同,一个通用的方式是在密接的逼近和抓捕阶段,通过适用于近距离导航测量的光学成像敏感器或者激光雷达诱导方式逐步抵近或接触目标,进而抛物抓捕。抛出的抓捕端可以是刚性锚或链锚、柔性绳网、伸展机械臂等。而此次日本Astroscale公司采取的磁对接方法则是一种另类的抛物抓捕“技术练习”。平劲松表示,卫星主体上带有光学标记的铁磁对接板可以对靶标实施抓捕,并且可以多次释放、抓捕靶标,以提升技术水平。

  平劲松强调,这次也同时验证了铁磁对接板在空间吸附微小碎片的能力,可以针对含有铁、镍等可磁化物质的空间碎片使用该方法。

  批量处理太空垃圾的技术需求迫切

  废弃的卫星和不受控空间金属碎片是太空垃圾的主要“家族成员”。它们运动速度快、冲击力强,极可能撞上甚至撞毁在轨卫星、火箭、宇宙空间站,对人类的太空活动构成了极大威胁。

  特别是近年来不断新增的低轨道导航通信增强星座,以近10%的短期快速失效率淘汰卫星设备,进一步增加了太空垃圾的数量。因此,采取低成本、有效方式清理太空垃圾,是未来人类空间活动的必要过程。

  Astroscale公司将要进行的第三次捕捉,是主体卫星进行的一次真实抓捕操作的全过程模拟演练——主体卫星模拟了远距离搜索碎片,并对目标碎片进行主动定位和抵近交会,最后予以捕获。

  平劲松对此波操作给出的评价是,这种方法在控制自身规避被碎片直接撞击的风险前提下对目标垃圾碎片进行捕捉,是一种比较靠谱的手段。原因在于,对于使用磁铁吸附捕获的碎片,捕获成功后可以通过主体变轨坠入大气进行销毁。“相较于逐一清除垃圾碎片个体的方法,探寻批量、成片、成区域清理太空垃圾的技术需求更加紧迫。”平劲松补充说。

  太空垃圾商业化清理未来可期

  Astroscale公司的这次大胆尝试,正式开启了太空垃圾清理的商业化大门。

  伴随着商业航天和商业卫星技术的迅猛发展,现今拥有一颗卫星的技术门槛越来越低。平劲松表示,在相关政府和大型航天机构买单的前提下,类似Astroscale公司这样,以清理太空垃圾为主营业务的商业公司必将以低费效比的模式赢得商机,并且把这项业务逐步发展为太空产业的一个重要分支。

  为此,人们有理由期待下一个典型的太空垃圾清理业务——欧空局采购的“清洁太空一号”商业卫星将于2025年清理2013年发射升空的“维斯帕”航天器的上面级。

  按照计划,“清洁太空一号”将由“织女星-C”火箭发射升空,先被部署到500公里高度的轨道上进行一系列的测试。当卫星的状态确认正常后,将会逐步调高轨道,开始进行捕捉“维斯帕”航天器上面级的工作。

  平劲松介绍,在此过程中,卫星将以自动化的方式完成大部分工作,但在一些关键的状态点,仍然需要人工介入,确认能否继续。成功捕获目标后,“清洁太空一号”将会和太空垃圾一起进入破坏性轨道,通过与大气层相互作用的方式燃烧殆尽。

  “清洁太空一号”捕捉“维斯帕”航天器上面级的方式就像“吃豆人”。平劲松表示,它装备有4个机械臂,当靠近目标时,张开的机械臂向中央合抱,完成捕获过程。因“维斯帕”航天器上面级的运动状态具有很大的不确定性和随机性,因此“清洁太空一号”必须利用基于视觉的人工智能等技术,准确判断目标的位置和状态,才能成功完成捕获。

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  人类为减少太空垃圾操碎了心

  此前,人类处理太空垃圾的常用手段有很多,早期的无奈之举是弃之不用,任其长期存在于轨道飞行。也就是把即将失效的地球同步轨道卫星移入更高的“坟墓轨道”,通过关闭或自毁卫星的工作功能,抛弃地球同步轨道卫星。

  针对低轨道的卫星,人们则采用主动、半主动和被动方式进一步降低卫星运行轨道。在大气阻尼作用下轨道高度衰减,卫星坠入大气销毁。这类操作的典型事例包括载人空间站任务结束后的处置,以及绕月球和深空探测器任务结束后的受控硬“着陆”等。

  平劲松告诉科技日报记者,随着太空垃圾增多,多国国营和商业航天公司在尝试新方法清理太空垃圾。日本的国际空间站货运飞船,尝试了释放金属导索吸附微小太空垃圾,通过放电让吸附的垃圾减速并降低高度,进而坠入大气层烧毁。

  针对不受控的小型空间垃圾碎片,多国航天公司主张使用吸附、抓捕、网捕的提议和尝试较多,其中一个提议是使用“太空鱼叉”将其击碎,碎片的一部分会坠入大气,另一部分就按照小型垃圾碎片处理。

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