空间碎片和空间交通管理

几十年的太空旅行导致了大量的空间碎片,这可能对今天的卫星有害。航空航天通过开发用于分析潜在碰撞的工具,研究重新入门分析以及在空间中建模碎屑物体的工具来解决空间碎片和空间交通管理问题。
漂浮在太空的碎片的图片

1957年10月4日推出了Sputnik,标志着一个强烈的太空竞赛开始,导致了几十年的火箭和卫星发射,最终导致了大量的空间碎片。空间碎片在轨道中是人造的,不再使用。它由旧的,非活动卫星组成;火箭阶段;和其他废弃的硬件。较小的空间碎片包括爆炸或碰撞的车辆的碎片,并且在太空车辆上脱离的绝缘和油漆。通常,碎片越小,它的越多。这种丰富的碎片是需要一种军事空间监测,以维持所有地球轨道物体的目录 - 主动有效载荷,卫星和碎片 - 以及有关轨迹和原产地的详细信息。

这个“空间物体目录”或卫星目录(SATCAT)由联合组合空间运营中心(CSPOC)在Vandenberg Air Force Base,美国战略指挥的一部分。除了监控国际空间站(ISS)和其他NASA卫星进行碰撞时,CSPOC的任务之一是检测,跟踪和识别地球轨道中的所有对象。也位于航天堡空军基地是美国空军的第18个空间控制中队,该公司运营着空间监视网络(SSN), SSN负责监督世界各地不同地点的雷达和光学传感器。这些传感器在低地球轨道上观察和跟踪比垒球大的物体和篮球大小的物体,或者在更高的地球同步轨道上观察和跟踪更大的物体。传感器可以确定物体所在的轨道,这些信息可以用来预测近距离接近、再入大气层和碰撞的可能性。

作为太空垃圾研究的世界领导者,航空航天公司(航空航天)支持了近60年的空间监控网络。玩必威棋航空航天有助于美国政府估计在碰撞或爆炸中创造的碎片量,协助重新进入预测和再入伤亡期望,并在太空交通管理研究中着名。

空间碎片 - 金属球图像
一旦火箭的上级上的压力球;现在南非恢复了一块空间碎片。照片:Argus / Enver

空间碎片问题

空间碎片影响着每个人,尤其是我们现代生活方式中的几乎每一件事都使用卫星技术。太空碎片增加了卫星运行的成本,因为如果碎片摧毁了一颗卫星,它可能需要数年时间和数亿美元才能恢复卫星服务。即使是微小的碎片也会对关键的传感器和航天器部件造成严重伤害。一个一厘米大小的物体如果击中卫星就被认为是致命的,而一个一毫米大小的物体如果击中卫星的关键部件就会对卫星造成严重损害。此外,空间碎片的增长将使轨道操作和空间飞行更加危险、困难和昂贵,如果需要频繁机动以避免碎片。卫星必须携带额外的燃料来完成这些额外的动作,还可能需要保护关键区域免受小碎片的碰撞。

美国军队目前正在跟踪约20,000个对象,多年来已经编制了超过40,000个对象。在未来几年内估计空间碎片号码估计增加到超过100,000多个物体。大多数空间碎屑物体太小而无法跟踪,但足够大以损坏航天器。据估计,有数千万物体可能是对空间任务以及能够造成损坏的数百万物体的致命或灾难性。

哈勃望远镜空间碎片图像
一小块空间碎片,每小时17,000英里的碎片携带很多能量。这张照片描绘了由碎片引起的哈勃望远镜的损坏。照片信用:美国宇航局

空间碎片清除的并发症

不幸的是,我们不能只是真空或将空间碎片扫过一个空间垃圾车。要删除空间碎片,特别是大而更危险的物体,我们必须接近它并保持与每个对象相同的速度。然后,我们必须以某种方式附加到它,并将其移动到一个下轨道或将其直接重新进入大气层,在那里它将在重新入境时燃烧。如果物体是一个火箭阶段,带有推进剂仍在船上,则存在爆炸风险,这就是为什么宇航员从未执行此任务。

还有产权问题;没有他们的许可,你无法抓住属于另一个国家的卫星或火箭。没有简单的方法来控制根本不受追踪或未跟踪的小型但危险的物体。它们具有比子弹更多的动能,它们的速度速度速度十倍。很难抓住一颗子弹,特别是如果你不想在这样做时创造更多的垃圾。

空间碎片流量的增加也意味着轨道上运载火箭和卫星碰撞风险的增加。如果SSN预测一个已编录的物体和一个已知运行卫星之间的碰撞,它们通常会试图通知所有者/运营商。碎片无法移动,但如果另一个物体是可操作的卫星,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数据以及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。

数据线引导空间交通管理

航空航天轨道和再入碎片研究中心(电线)通过开发将分析潜在碰撞情景的工具和技术来解决空间碎片和空间交通管理问题,研究上阶段和航天器的重新进入分手,以及空间中的模型碎片物体。鉴于推出努力和Leo卫星星座的预测人口增长,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,Noaa,FAA等客户。

REBR形象
第一个再入分析记录器(REBR)成功录制了数据,因为它通过大气推进了一个典型的日本HTV-2航天器。

再入破碎记录仪记录再入数据

为了测量大气再入对空间物体的影响,cord开发了再入破碎记录仪(REBR)——一种小型、轻型、独立、自主、可生存和可定位的数据记录设备。这个装置附着在一个主飞行器(通常是航天器)上,一直“休眠”到大气层再入点,这时它会唤醒记录的温度、加速度、转动速率和其他数据,包括随后由于大气阻力、空气动力学加热和负载而导致的空间硬件破裂。REBR在解体时被释放,在其隔热罩的保护下,在重返大气层时幸存下来,并通过铱星系统将记录的数据“传送回家”。迄今为止,已经发射了5个REBR装置,为宇宙飞船的大气层再入和解体提供了无数的洞见。

空间交通管理对于避免碰撞至关重要

对管理空间碎片的一个最重要贡献是避免制造更多碎片。如今,卫星运营商试图减少最近发射的卫星和火箭体产生的空间碎片。他们通过精心设计防止爆炸、重新进入卫星或在任务结束后将其移至废弃轨道(基本上是一个太空垃圾场)来实现这一目标。防止太空垃圾的另一种方法是预测和帮助防止现有物体之间的灾难性碰撞。近20年来,cord开创了新的技术和流程,为所有国家安全空间发射提供基于概率的任务保证发射碰撞避免分析。cord团队致力于提高空间物体目录的准确性,以及如何应用这一知识实现有效的避碰。航空航天碎片分析响应小组为在轨碰撞和解体提供实时碎片风险评估。

空间碎片桌面图像
各种尺寸粒子的碰撞能量概述。请注意,微小的空间碎片可能是致命的,通常不可卡。

空间碎片管理的重要性

在他们努力到达月球,第一个空间的先驱可能从未想象过空间碎片和保护我们的空间环境将成为一个问题。尽管如此,这是今天太空运营商的情况。摆脱旧卫星和火箭的国际指南机构间空间碎片协调委员会(IADC)。问题是消除旧航天器可能是困难和昂贵的,特别是如果卫星或火箭不是设计用于处理。此外,卫星和火箭置身本身不会用于已经在轨道上的物体,并且是无法控制的。因此,电源线的作品以及稳健的空间监控网络和它所能够实现的空间情境意识,是确保后代安全运营空间环境的基石。