NASA的Astrobees被用来测试卫星捕捉翻滚的太空垃圾的可行性

2022年03月15日 17:04 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

许多退役卫星的命运就是在失去控制的情况下翻滚着度过其最后几年。燃料管线可能会爆裂,或者太阳风可能会激增,或者可能有来自大气层外部的阻力--除非航天器被设计成某种方式来保持其自然稳定,否则很有可能它将开始翻转到底。

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这是一个问题,因为地球轨道正变得越来越拥挤。工程师们想把旧的太空垃圾集中起来,但是他们无法安全地到达它们,尤其是当它们不稳定的时候。欧空局表示,现在有大约30000个“碎片物体”在地球轨道上被追踪--废弃的卫星,废旧的火箭级,在太空中被撞飞的碎片。还可能有90万个较小的轨道碎片--从松动的螺栓到油漆斑点到绝缘体碎片,无所不包。它们可能不到10厘米长,但如果它们以轨道速度撞击,仍然可以摧毁一个健康的卫星。

麻省理工学院航空和航天学副教授Richard Linares说:“随着更多的卫星被发射,我们可能会遇到更多的情况,我们有一颗失效的卫星,占据了一个有价值的轨道。”他是一个名为TumbleDock/ROAM的美国和德国项目的一部分,研究如何将翻滚的卫星聚集起来并使其稳定,以便它们能够脱离轨道,或者在某些情况下,甚至可能被补充燃料或修理。

工程师已经忍受了几十年的轨道碎片,但Linares说情况正在发生变化。首先,卫星技术正变得越来越经济实惠--例如SpaceX,该公司今年到目前为止每周发射40颗卫星。另一方面,他说,这些卫星提供的经济利益--高速互联网、全球定位系统、气候和作物监测以及其他应用--如果撞击的风险不断增加,将会受到威胁。

Linares表示:“我认为在未来几年里,我们将拥有对空间碎片采取行动的技术。而且有经济驱动力,将激励公司去做这件事。”

TumbleDock/ROAM团队刚刚完成了在国际空间站舱内的一系列测试,使用美国宇航局(NASA)的机器人Astrobees来代替翻滚的卫星和被派去捕捉它的“追赶者”航天器。其目的是:找出算法,使“追赶者”能够找到其目标,确定其翻滚速度,并计算出最安全和最有效的方法。

“外面有大量的大型碎片,”麻省理工学院团队的博士生Keenan Albee说。“看看他们中的一些人,如果你的方法不正确,他们的大型太阳能电池板就会随时捶打你。”

研究人员很早就决定,追捕飞行器需要有足够的自主权,以便独自接近一颗失效的卫星。即使是最大的卫星,由于距离太远,地面跟踪站也无法精确地跟踪其姿态。“追赶者”航天器也许配备了导航相机、激光雷达和其他传感器,将需要实时地完成这项工作。

“卫星的翻滚运动可能相当复杂,”该项目的主要研究人员、来自德国航空航天中心(DLR)Roberto Lampariello说:“而如果你想确保你在接近接合点时不会与任何附属物相撞,拥有一种自主的引导方法,我认为是非常有吸引力的。”

Astrobee在空间站的测试表明,至少在原则上是可以做到的。每个Astrobee机器人都是一个立方体,边长约30厘米,配有导航相机、压缩空气推进器和骁龙处理器,很像你在智能手机中找到的东西。在上个月的最新测试中,美国宇航局宇航员Mark Vande Hei将两个Astrobees设置在相隔几米的地方。然后它们从地面上的Albee那里接受指令。他开始试运行,一个机器人翻滚,另一个试图与之会合。在过程中出现了一些故障;Astrobees需要帮助确定它们相对于空间站墙壁的精确位置。但测试的结果是有希望的。

研究人员表示,下一步是确定追赶的航天器如何最好地抓住它的目标,如果它是一块没有对接机制的碎片,这就特别困难。多年来的其他计划涉及大网或激光;TumbleDock/ROAM团队成员说,他们对利用原子之间的范德华力的抓取器很感兴趣,这可以帮助壁虎附着在一个陡峭的表面。

更大的问题是,如何将像这样的实验转化为实际的解决方案,以解决一个日益增长的的问题。低地球轨道已经足够拥挤,时间也足够长,卫星制造商在他们的飞行器上增加了屏蔽装置,空间机构不断扫描天空以防止发生险情。虽然目前只有少数卫星被实际粉碎的情况,但是这个问题已经变得越来越昂贵,而且在某些情况下还很危险。迄今为止,SpaceX已经发射了2000颗Starlink互联网卫星,可能还会发射30000颗,其他公司(如亚马逊)也在竞相追赶。他们看到了该领域的利润。

麻省理工学院的Linares 说,事实上,这就是值得弄清楚太空垃圾问题的原因。他说:“这些轨道有价值是有原因的。公司可能花费数十亿来发射新的卫星--不希望它们受到旧卫星的威胁。”

“如果你的公司从一个轨道带中受益,”他说,“那么你可能最好找人替你清理一下。”

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