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美开发利用激光限定和跟踪轨道碎片技术

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来源: 作者: 2019-05-17 00:07:13

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2012年的一天,费米伽马射线太空望远镜遭受惊险,在飞行轨道上将与一个废弃的卫星狭路相逢。费米研究团队情急之下在一秒中爆破了飞船推进器,以改变其路径。

在人类近半个世纪雄心勃勃的太空探索活动中,在近地轨道上丢弃了大量这样的人造碎片,大到火箭残骸和废旧卫星,小到涂料薄层和金属残片。它们有一个共同的名字——地球轨道上的空间碎片,简称轨道碎片。

这些“游荡”的碎片速度约为7.5千米/秒,即便是最小的碎片撞击到航天器上,也可能致其“重伤”,后果如灾害。而数以百万计的人造轨道碎片(再加上天然的微流星体)聚集在近地空间,对航天器的生存构成了重大威逼。

像费米团队那次急中生智的调剂,是需要航天器携带额外的燃料来执行,而每次规避会耗费卫星常规任务的时间,以及付出昂贵的成本。另外,国际空间站还要让这些履行任务的飞行器能够耐受住10几次的意外撞击。

据物理学家组织近道,美国国家航空航天局(NASA)哥达德太空飞行中心的激光研究人员巴里·科伊尔和保罗要开发一种很有前景的方法,使用激光阵列限定和跟踪轨道碎片,可以克服无源光和雷达技术的不足。碎片跟踪器可用于定位和跟踪废弃的卫星、航天器部件,及其他在低空和地球同步轨道上大部分驻留的残余物。

一直以来,近地空间碎片的测量数据来自于地基雷达和光学望远镜、天基望远镜和对返回航天器表面的分析。其中最重要的数据源是美国空间监视、“干草堆”雷达、返回航天器表面的“长期暴露装置”和航天飞机等。

但是,光学望远镜可以跟踪阳光照射的碎片,但对有海拔的碎片几乎不能提供信息。此外,当太阳照在以黑暗天空为背景做游戏式串连的全身锻炼
的对象上时,对日出和日落基于光学的计算是有限的。并且,雷达能够提供的只是一个范围,而不是轨道残骸的确切位置。瞬时定位通常精确到几百米,而由于来自太阳风的阻力和颗粒、轨道的变化,意味着其预测的位置将以千米的范围而扩大。实际上,很多碎片能够被观测却无法跟踪、确认,因此未进行编目。

新方法的灵感来自澳大利亚的研究发现,与其他方法相比,激光跟踪碎片的精度将增加10倍,研究人员要使用哥达德地球物理和天文观测台(GGAO)加装反射器卫星的先进激光测距的世界领先技术,在更大的规模上增强这类技术。

GGAO的48英寸望远镜建于20世纪70年代初,作为一个研究、发展和测试激光阵列、激光雷达及天文仪器的设备,将输出和接收激光束。该设施用来为哥达德太空飞行中心的一些航天器测高进行在轨标定。2005年NASA也使用这类设施确定对水星进行飞近探测飞船的激光测高仪表现。

“轨道碎片是一个国际性的问题,所有能够发射卫星的机构都应对此担当。”科伊尔说。

他说:“虽然很难将其去除,NASA上半年股票投资易方达整体业绩领跑两只列入开基前五
的任务可以最小化地减少其对空间资产运作的影响。他们可以发射非经营性的航天器到不太繁忙的轨道上移除这些威逼,或让不再工作的飞船重返大气层烧毁。重要的是,跟踪和监视这些遗留物可保护未来履行任务的飞行器免受潜在的有害冲突。”

NASA采取激光测距可以收集更多的数据,包括碎片的形状、大小、轨道投影和范围。它还可以根据物体的形状和大小,追踪垒球大小物体的精度达到米数级。

为了表明激光跟踪的有效性,该小组计划将GGAO激光从1.064微米更新到1.57微米,使其达到相干安全操作标准。研究人员将发射激光在天空中寻觅碎片,并使用返回的光帮助估计物体轨迹及其可能运动的范围。通过每次相互传递添加数据,以提高准确度。

GGAO是卫星激光测距的发源地,也是一个管理地球物理应用全球性的地面站络。该研究团队计划实现基于这个地面激光观测台全球络进行观察和更精准追踪轨道碎片,从而帮助世界上现有的太空碎片跟踪工作。

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