空间碎片和空间交通管理

太空旅行的几十年产生了大量太空碎片,可以是有害到今天的卫星。航空航天是由开发工具,用于分析潜在的碰撞,学习再入分手,并在空间碎片建模对象的寻址空间碎片和空间交通管理的问题。
太空漂浮的碎片图片

1957年10月4日的人造卫星发射标志着一场激烈的太空竞赛的开始,这场竞赛导致了数十年的火箭和卫星发射,最终产生了大量的太空碎片。空间碎片是轨道上任何人造的、不再使用的东西。它由旧的、不活动的卫星、火箭级和其他废弃的硬件组成。较小的空间碎片包括爆炸或碰撞的飞行器碎片,以及从航天器上脱落的绝缘材料和油漆碎片。一般来说,碎片越小,就越多。如此丰富的碎片产生了军事空间监视的需要,以维持所有地球轨道物体的目录——有效载荷、卫星和碎片——以及关于轨道和原点的详细信息。

本“空间物体目录”或卫星目录(SATCAT)由联合联合空间作战中心(CSpOC)在范登堡空军基地,美国战略司令部的一部分。一个CSpOC的任务是探测,跟踪和识别在除了监控国际空间站(ISS)和其他美国航空航天局的卫星进行碰撞在地球轨道中的所有对象。也位于范登堡空军基地是美国空军第18空间控制中队,它运行着太空监视网(SSN),负责监视世界各地的雷达和光学传感器。这些传感器观察和跟踪在近地轨道(LEO)和篮球大小的物体或在更高的地球同步轨道上大于垒球的物体。传感器可以确定物体所处的轨道,这些信息被用来预测接近、再入和碰撞的概率。

作为空间碎片研究领域的世界领先者,航空航天公司(Aerospace)为空间监视网络提供了玩必威棋近60年的支持。航空航天有助于美国政府估计碰撞或爆炸产生的碎片数量,有助于再入预测和再入伤亡预期,在空间交通管理研究方面享有盛誉。

太空碎片金属球图像
一旦上的火箭上面级的压力范围;现在一块空间碎片的恢复在南非。图文:阿格斯/恩维尔

空间碎片问题

空间碎片对每个人都有影响,特别是因为我们现代生活方式中几乎所有的事情都使用卫星技术。空间碎片增加了卫星运行的成本,因为如果碎片摧毁卫星,可能需要数年和数亿美元才能恢复卫星的服务。即使是微小的碎片物体也会对关键的传感器和航天器部件造成严重伤害。如果一个1厘米大小的物体击中一颗卫星,就被认为是致命的;如果一个1毫米以下的物体击中一个关键部件,就可能对卫星造成严重损害。此外,如果需要频繁机动以避免碎片,空间碎片的增长将使轨道运行和空间飞行更加危险、困难和昂贵。卫星必须携带额外的燃料进行这些额外的机动,而且可能需要保护关键区域不受小碎片的碰撞。

美国军方目前正在追踪约2万个物体,多年来已编目超过4万个物体。据估计,未来几年,空间碎片数量将增加到10万个以上。大多数空间碎片物体太小,无法跟踪,但大到足以损坏航天器。据估计,有成百上千的物体可能对太空任务造成致命或灾难性的影响,还有数以百万计的物体可能造成损害。

哈勃望远镜太空碎片图像
一小块空间碎片以每小时17000英里行进的携带大量的能量。这张照片描绘引起碎片哈勃太空望远镜的损害。图片来源:NASA

空间碎片清除的并发症

不幸的是,我们不能只是用吸尘器或是把太空垃圾扫进太空垃圾车。为了清除空间碎片,特别是大型和更危险的物体,我们必须接近它,并保持与每个物体相同的速度。然后我们必须以某种方式与它相连,并将它移到一个较低的轨道上,或者直接将它重新送入大气层,在那里它将在再入大气层时燃烧殆尽。如果这个物体是一个火箭级,上面还有推进剂,就有爆炸的危险,这就是为什么宇航员从来不执行这项任务。

还有的产权问题;你不能抢属于其他国家未经其许可卫星或火箭。有没有简单的方法来控制没有得到很好的跟踪或根本没有跟踪的小但危险物品。他们有更多的动能比子弹,他们正在快十倍。这是很难赶上子弹,特别是如果你不想在做的过程创造更多的垃圾。

空间碎片运输的增加也增加了运载火箭和在轨卫星的碰撞风险。如果SSN预测编目对象与已知运行卫星之间发生碰撞,它们通常会尝试通知所有者/运营商。碎片无法移动,但如果另一个物体是可操纵的卫星,则该物体可能会及时移开,以避免碰撞。大多数卫星运营商需要数小时或数天的时间来计划和执行避碰演习。其他国家使用CSpOC数据和他们自己的跟踪数据来保护他们的卫星。因此,高精度的评估和预测工具对于降低当前系统和未来发射的风险至关重要。

线缆引领空间流量管理

航空航天轨道和再入碎片研究中心(CORDS)正在解决空间碎片和空间交通管理问题,方法是开发工具和技术,分析潜在的碰撞情况,研究上层和航天器的再入解体,并对空间碎片物体进行建模。鉴于预计发射工作和低轨卫星星座的人口增长,这些努力至关重要。

CORDS-developed tools encompass a vast array of operations, from predicting possible collisions during launch and on orbit, to predicting hazards to spacecraft after collisions in space, simulating the breakup of reentering debris, estimating the survivability of satellite components reentering Earth’s atmosphere and determining risk to life and property. CORDS provides information on when a reentry might occur, and Aerospace collects and analyses material that survived reentry. This expertise has been used to support the needs of Air Force, NRO,美国宇航局,诺阿,FAA等客户。

REBR图像
第一个再入式破碎记录器(REBR)成功地记录了日本HTV-2飞船在大气层中坠落时的数据。

再入破碎记录器记录再入数据

为了测量大气再入对空间物体的影响,CORDS开发了一种小型、轻便、独立、自主、可生存和定位的数据记录设备REBR。该装置与通常是航天器的宿主飞行器相连,当它醒来记录温度、加速度、转速和其他数据,包括随后由于大气阻力、空气动力加热和载荷而导致的空间硬件故障时,它会“休眠”到大气再入点。REBR在解体期间被释放,并受到其隔热罩的保护,在重返大气层后幸存下来,并通过铱系统“打电话回家”记录数据。迄今为止,已经发射了五个REBR装置,对航天器的大气层再入和解体提供了无数的见解。

空间交通管理是至关重要的避碰

来管理空间碎片的一个最重要的贡献是避免制造更多碎片。如今,卫星运营商试图通过仔细设计它们,以防止爆炸,再进入,或将其移至处置轨道从最近发射的卫星和火箭箭体减少空间碎片 - 本质上是一个空间垃圾场 - 当他们的使命已经结束。防止空间碎片的另一种方法是预测,并有助于防止现有物体之间的碰撞灾难性的。近二十年来,绳索率先的新技术和流程,以提供任务保障发射防撞所有国家安全太空发射基于概率的分析。绳索团队一直在努力改善空间物体目录的准确性以及如何运用这些知识来实现​​有效的避免碰撞。航空航天的碎片分析响应团队提供了在轨碰撞和分手实时碎片风险评估。

空间碎片表图像
各种大小粒子碰撞能量的总结。请注意,微小的空间碎片可能是致命的,通常是无法追踪的。

空间碎片管理的重要性

在他们登上月球的努力中,第一批太空先驱者可能从未想过太空垃圾和保护我们的太空环境会成为一个问题。然而,这正是当今空间运营商所处的状况。国际上有一些准则规定,要把旧的卫星和火箭从机构间空间碎片协调委员会(空间碎片协委会)。问题是,淘汰旧的航天器可能是困难和昂贵的,特别是如果卫星或火箭不是为处置而设计的。此外,让卫星和火箭自行处理,对已经在轨道上、无法控制的物体也不会起作用。因此,绳索的工作,加上强大的空间监视网络和它所能实现的空间态势感知,是确保子孙后代有一个安全的空间运行环境的基石。