空間碎片，巨型衛星星座：地球軌道緊急情況
– 2019年4月18日的新聞
地球軌道上有成千上萬的空間碎片
人類已經能夠將衛星送入軌道超過60年。它的太空活動一直是寶貴的科學發現和歷史上的偉大時刻的源泉。我們在20世紀60年代和70年代有很高的發射率，隨後在冷戰結束時放緩。幾年來，軌道發射次數再次上升。到2018年，已向地球軌道或更遠的地方發射了100多枚火箭。近三十年來，我們沒有看到這種活動水平。空間部門的良好健康狀況顯然讓太空愛好者興奮不已，但這不應掩蓋空間活動對環境的影響。
60多年的軌道飛行在地球附近留下了數以萬計的人造碎片。衛星到達他們生命的盡頭，火箭階段和各種碎片在所有高度和令人難以置信的速度下徘徊。在28,000公里/小時，一個簡單的螺栓是一種致命的武器。目前，即使發生了一些事故，這些空間碎片的影響也很小。 1996年，一枚法國軍用衛星成為與空間碎片相撞的第一個官方傷員。十年前發射的阿麗亞娜1號火箭的第三階段負責。從那以後，已經報導了六起類似的事故。其中最嚴重的發生在2009年。銥星座衛星在與廢棄的蘇聯衛星相撞時被摧毀。這兩顆衛星都被摧毀，並加入了許多其他微空間碎片。
空間碎片的起源很多
美國，中國或最近印度進行的反衛星導彈試驗也產生了大量的太空微碎片。目前，地球的軌道仍然是一個巨大的空間，最大的空間碎片被雷達跟踪。然而，越來越頻繁地，衛星需要燃燒其寶貴的燃料以遠離碰撞過程。例如，去年夏天，ESA的CLIOSAT衛星正在進行碰撞。它越來越頻繁。每天，美國陸軍都發出大約20次有關地球軌道碰撞風險的警告。在大多數情況下，這只是一個警惕的呼籲，但展望未來，前景並不樂觀。
發射不僅越來越多，而且每枚火箭都攜帶越來越多的衛星。這是Smallsats革命的負面影響之一。在全世界範圍內，初創企業正在籌集資金，以運行數十，數百甚至數千顆這類小型衛星的星座。 OneWeb，SpaceX，亞馬遜和許多其他公司可能在未來十年內發射數万顆衛星。這些對象必須在充滿電的環境中找到自己的位置。
緊急情況是處理低軌道的空間碎片
現在，低軌道是最擁擠的。 目前約有16,000個人造物體處於低軌道，也就是說海拔低於2000公里。 地球靜止軌道上也已擠滿了近3000個人體物體。 在這兩個高度之間，1500顆衛星和其他空間碎片在不同的路徑上移動。 主要問題是所有這些物體的軌跡都不准確。 因此，根據俄羅斯或美國的數據來源，空間碎片的軌道可能不同。
當只有國家能夠進入太空時，情況變得複雜，但是將衛星送入軌道現在已經成為許多大學和創業公司所能及的，其中一些人對監管並不十分謹慎。 2017年底，一家公司在沒有任何政府授權的情況下發射了四顆微型衛星。 如果每個人都開始做同樣的事情，地球的軌道可能變成一個真正的狂野西部。
空間碎片和衛星星座的管理必須是全球性的
避免碰撞的工作的很大一部分是將物體放入軌道的各種組織之間的合作。自1990年代初以來，許多空間機構加入了機構間空間碎片協調委員會（IADC），該委員會正在製定一系列指導方針，以試圖解決這一問題。因此，該委員會建議對已經達到其使用壽命的衛星的所有容器進行減壓，這樣可以避免意外爆炸，這種風險不應掉以輕心。最近幾天，互聯網上發布了一顆正在發生不受控制的爆炸的Intelsat衛星圖像。燃料洩漏將成為問題。該委員會還建議在不到25年的時間內將其軌道充分降低到大氣中燃燒。遺憾的是，這些指導原則並沒有對不尊重它的組織提供製裁。到目前為止，只有一半的任務符合這一框架。
空間碎片是一個很好的例子，可以從全球解決方案中受益。在最壞的情況下，人類可能完全失去對地球軌道的使用。這就是凱斯勒綜合症，其中軌道中物體數量的增加會增加碰撞次數，每次碰撞都會產生大量新的空間碎片，從而增加碰撞的機會。因此存在鍊式反應的風險，這可能使一些軌道完全無法通過。 GPS或衛星通信等某些服務可能會消失。
所有軌道都不以相同的方式管理。最低的軌道通過大氣的殘餘層定期清潔。但一些專家認為，海拔900公里至1200公里之間的層很快就會飽和。這個高度是OneWeb星座的衛星以及Starlink星座中超過4,000顆衛星的目標。幸運的是，OneWeb和Starlink應該面臨比機構間空間碎片協調委員會（IADC）制定的更嚴格的限制。 OneWeb宣布其衛星將在其壽命結束僅五年後被殺死。他們的一些燃料將保留用於此任務。 Starlink星座的衛星也應該具備這種能力。
有解決方案可以減少空間碎片的數量
但是，這可能還不夠。只需要一次事故就可以增加數千個雷達無法跟踪的空間微觀碎片。這就是為什麼有些人已經在準備主動清理軌道的策略。這項任務似乎很難，因為使成千上萬的危險空間碎片脫軌將需要投入大量資源。但是，我們可以通過專注於最大的空間碎片來巧妙地採取行動，因為如果它爆炸，它們最有可能引起連鎖反應。目前，只進行測試。
一年前，移除碎片衛星被送入軌道，並表明它可以用網和魚叉捕獲小目標。一旦收集完成，它將用大帆增加其大氣阻力，以加速其返回大氣。歐洲航天局在這一領域也特別活躍。通過其清潔技術倡議，歐空局正在考慮使用機器人網或手臂將舊衛星脫軌，這將是世界上第一個。這項測試最早可能在2023年進行。其他組織正在考慮專門從事衛星維修和加油的航天器。延長其使用壽命意味著減少對新發布的需求。中國提議在軌道上使用高功率激光來偏轉一些空間碎片並加速它們重新進入大氣層。這些解決方案既緩慢又昂貴，但至少它們存在。
人類的空間活動也對地球大氣層產生影響
航天工業也是造成地球大氣污染的原因。儘管使用的一些發動機僅釋放水蒸氣，但其他發動機釋放出非常有毒的燃燒廢物。例如，俄羅斯的質子發射器是導致這種大氣污染的原因。發射對大氣層的影響仍然鮮為人知。每年發射一百次，影響可能非常小。但是，如果要加速火災，就必須處理它。例如，亞軌道大規模旅遊可能對大氣產生重大影響。
必須補充空間碎片的大氣層。空間碎片不會神奇地消失，它們會在大氣中燃燒，這些燃燒的後果直接在大氣中發現。航天工業使用各種異國材料，其中一些是放射性的。發生了RTG甚至核反應堆進入大氣層的事件，引發了長時間和昂貴的去污操作。
2019年可能是管理太空中人造物體的關鍵一年
像所有人類活動一樣，航天工業對環境產生影響。 60年來，人類已經將相當數量的人造物體投入軌道。 絕大多數這些對像不再有用，並且存在風險。 2019年將是大型衛星星座時代的開始，這將成為這個問題的一部分。 讓我們希望能夠對衛星壽命終結進行智能管理。 我們必須非常警惕避免碰撞和可能的凱斯勒綜合症。 量化火箭發射活動對溫室效應或臭氧層的影響也很有意義。 人類對月球或火星的冒險不得以犧牲藍色星球為代價。
空间碎片清洁公司证明了自己
– 2018年11月6日的新闻 –
RemoveDebris是一项欧洲计划，旨在测试空间碎片的脱轨技术。卫星的实验将在2019年继续进行。第一批结果是确凿的。 9月，RemoveDebris设法用网捕获卫星。这次示威可以为空间碎片的真正脱轨服务铺平道路。但是逐个处理碎片可能会非常昂贵。似乎没有其他选择。 DARPA的一项研究表明，清理地球轨道将不可避免地成为将操作风险保持在可接受水平的必要条件，并且自2011年以来前景不佳。
几天前，埃隆马斯克说他正在努力加速Starlink星座，星座应由数百或数千颗小型卫星组成。 SpaceX开始部署，到明年年中，星座可以爬升到12,000颗卫星。其他公司也有雄心勃勃的计划。
据报道，10月31日，日本公司Astroscale已获得5000万美元的资金。 Astroscale致力于空间碎片的管理。该公司希望开发能够进行轨道交会演习的卫星。然后，他们可以在生命结束时获取卫星，然后将它们带到大气层。 Astroscale认为，随着卫星星座的推出，一个巨大的市场正在开放。 Starlink，OneWeb和其他卫星星座项目将对地球轨道产生这样的影响，法律应该发展以反映这一点。即使成本很高，公共当局和私营运营商也必须考虑到这个问题。
因此，Astroscale希望能够在技术和经济上提供可行的解决方案。这笔5000万美元的资金也是日本私人航天业健康发展的标志。去年12月，一家月球探测公司获得了9000万美元的资金，而在2018年3月，日本政府宣布在五年内将近10亿美元用于支持其私人太空部门。尽管企业和政府的意识有所提高，但空间碎片的数量仍在增加。让我们希望在做出强有力的决定之前不必发生事故。
RemoveDebris实验用网和鱼叉处理空间碎片
– 2018年6月26日的新闻 –
2017年，推出了335个SmallSat，重量从几十克到几百磅不等。这是2012年的六倍，这一趋势将继续加速。企业，大学，政府和军队似乎都喜欢SmallSats。所有这些发射都是蓬勃发展的航天工业的标志。但是将有效载荷放入轨道需要一定的技术掌握并产生责任。随着卫星运营商的激增，我们如何确保每个人都认真？
去年1月，美利坚合众国卫星通信监管机构FCC透露，未经批准就推出了四款SmallSats。美国联邦通信委员会发现这些卫星很危险，因为它们太小而不易被雷达跟踪。当每个人都遵守规则时，很难避免碰撞。除此之外，SmallSats通常在其使用寿命结束后的几年内保持在轨道上。因此，地球轨道的拥挤可能加速，空间碎片问题变得越来越难以忽视。
RemoveDebris实验刚刚从国际空间站发射。这又是由英国萨里大学和空中客车公司共同建造的SmallSat。 RemoveDebris的质量为100公斤。这是国际空间站发射的最大卫星。它嵌入了三个实验，将测试三种不同的方法，以便在生命结束时使空间碎片脱轨。为了演示的目的，小型卫星嵌入了自己的目标，这些目标将在脱轨之前释放。即使它们不再运行，也禁止接触另一颗卫星。
卫星将在接下来的几个月内进行测试，然后在9月或10月开始第一个实验。 RemoveDebris会让一个小CubeSat上升到几米的距离，然后扔一个网来取回它。几千年来，捕获方法没有太大变化。 2019年2月，RemoveDebris将测试一把鱼叉。 RemoveDebris会让CubeSat在用鱼叉把它带回去之前。捕获的SmallSats是一件好事，但是你必须对它们进行处理。这是第三次实验的结果。在释放并捕获两个目标之后，2019年3月，RemoveDebris将部署一个显着增加阻力的帆。低地球轨道中非常小的气体痕迹将导致RemoveDebris在地球大气层中燃烧。在这几个月的轨道上，实验卫星还将测试导航技术。目标是能够跟随小而遥远的目标。
所有的经验都将被拍摄，以确保他们顺利运行。如果实验取得了成功，我们或许可以想象卫星清洁工会在用帆航行之前将几十个空间碎片固定。这可能是缓慢而昂贵的，但它仍然比低轨道不切实际。航行技术仅适用于低空轨道。
中国空间站天宫一号被摧毁
– 2018年4月3日的新闻 –
中国空间站天宫一号于4月1日在太平洋上空燃烧。这不是空间站第一次进行破坏性的大气层再入。 2001年，MIR在太平洋遭到破坏。南太平洋可能成为一个空间站墓地。国际空间站（ISS）也可能在那里坠毁。为此，我们必须成功地控制这些空间站的大气再入，这并不容易。
俄罗斯人有经验。除了MIR之外，他们还设法控制了空袭站Salyut 4,5,6和7的大气层再入。在美国这边，它的光彩不那么光彩。天空实验室的大气再入，自愿不受控制，最终碎片袭击了澳大利亚西部的人口稠密地区，幸运的是没有人员伤亡.Tiangon-1于2011年发射。这是中国第一个空间站。天宫二号于2016年启动，预计新的空间站将于今年开始组装。三个加压模块将会更加庞大。幸运的是，受到碎片袭击的可能性非常低，但我们记得不到三个月前，一枚火箭在中国的一个村庄坠毁。
发射的增加不可避免地产生更多的碎片和更多的大气层重返大气层。我们已经可以说它们已经成为每天或几乎。幸运的是，大部分碎片都不足以到达地面。在未来几天，2007年5月发射的阿丽亚娜5号火箭的双发射系统也将造成破坏性的复苏。这件作品只有440公斤。随着1995年由美国宇航局发射的2.7吨RXTE（罗西X射线定时探测器）卫星的破坏性下降，我们将获得更大的权利。
在大气重新进入的其他因素中，还有清洁低轨道的方法，例如昨天用Falcon 9火箭发射的实验RemoveDebris。它将尝试用另一颗卫星捕捉一个CubeSat，然后整个将下降到高层大气。也许在几十年内，地球的夜晚将被人造流星照亮，这是太空人类激烈活动的见证。
激光可以清除地球轨道上的空间碎片
– 2018年1月23日的新闻 –
随着所有Smallsats的发射，我们想知道地球的轨道是否不会成为垃圾填埋场。轨道中物体的倍增会增加碰撞的风险。在轨道上，有数十亿美元甚至人类生命的机器。航天机构和私营公司正试图找到解决这个问题的办法。甚至中国似乎也越来越多地参与解决这个问题。然而，由于目前在轨道上的碎片云主要是在2007年的中国反卫星导弹试验期间产生的，因此远非显而易见。这一碎片云甚至在2013年对俄罗斯卫星造成了重大损害。中国正在进入轨道更多和更多的卫星，现在不得不担心其碎片和其他太空机构。目前，这些行动仅限于卫星和空间站在其寿命结束时的解吸。天宫一号空间站即将返回地球。
与中国空军有联系的一所大学建议用激光稍微清理轨道。目标不是使用这些激光来分解碎片，这会产生反作用，因为你会得到较小的碎片。大学团队的方法更加微妙。他们认为，通过瞄准空间碎片的一小部分，可以使其加速，从而改变其轨迹，从而能够使其脱轨。
为了获得最佳效果，应将激光放置在空间站中。但美利坚合众国不赞成中国激光器进入轨道。很难判断这种方法是从真正的善意开始还是仅仅是在太空中安装激光的借口。毕竟，激光也可以用于尚未造成空间碎片的目标。在某种程度上，这可能被视为违反禁止在外层空间部署大规模杀伤性武器的空间条约，自20世纪80年代以来，中国一直是其签署国之一。
Brane Craft，一种清除地球轨道空间碎片的概念
– 2017年9月26日的新闻 –
空间碎片越来越危险。它们增加了与卫星和其他物体碰撞的风险。 NASA正在与航空航天公司合作开发Brane Craft，这是一个1米乘1米的小型航天器，厚度小于人发。它的工作原理是将自己包裹在目标周围以捕获它。这仍然是NASA研究的概念，但如果能够解决伴随它的技术挑战，该解决方案特别巧妙且经济。
美国宇航局刚刚向其合作伙伴公司续签了两年的资助，以继续研究微型太空船。为了使其目标脱轨，Brane Craft将使用电力推进器。它的表面覆盖着光伏电池，其燃料储存在10微米中，将构成航天器的两片卡普顿分开。该装置仅重80克，但能够在低轨道上使2千克的空间碎片离轨。推进将由电喷雾马达提供，电动喷雾马达是一种静电推进形式，其也将小型化以适合头发的厚度。在地球轨道的阳光条件下，该组在4000秒的特定脉冲下显得非常有效。我们感兴趣的是能够使用单个火箭发射数千个Brane Craft，从而可以快速且以相对较低的成本清洁低轨道。
但在发送空间碎片之前，仍然存在许多挑战。超小型化需要付出代价，航空航天公司估计Brane Craft只需花费5000美元即可获得5000克。用于制造Brane Craft的电子设备和材料必须能够在极端的空间条件下存活至少十天。但如果航空航天公司设法开发Brane Craft，那么该公司将有机会远远超越简单地清理地球轨道上的空间碎片。由于太阳能电池板的重量非常轻，表面积大，因此航天器最终会产生过大的功率重量比。实际上，它实际上能够绕着海王星进入轨道，只有27克的燃料包含在宇宙飞船中。但是，小型化和研究材料的努力仍然是巨大的。
图片来自NASA员工[Public Domain]，来自Wikimedia Commons
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