美用传感器研究太空微垃圾

在国际空间站的一扇窗户上发现的一块7毫米宽的小碎片。图片来源：ESA/NASA

　　美国电影《地心引力》把太空垃圾的风险戏剧化了。尽管漂浮的扳手和断裂的火箭部件可能对宇宙飞船造成最致命的威胁，但大多数轨道碎片实际上都是小得多的——想象一下油漆斑点和破碎的卫星碎片。现在，美国宇航局（NASA）希望利用太空碎片传感器（SDS）更多地了解环绕地球轨道运行的尘埃大小的微碎片的情况，该传感器计划于近日由太空探索技术公司发射的货物飞船运送至国际空间站。

　　利用地面雷达，美国空军正在持续追踪约2.3万件比棒球大的空间碎片，从而使人造卫星操作者可以通过机动避免与之发生碰撞。但是Brian Weeden说，人们对于更小的空间碎片知之甚少。他是华盛顿哥伦比亚特区的一个非营利性组织安全世界基金会的项目规划主任。

　　Weeden说，SDS将研究高速运动的小于1毫米的物体，它们仍然会造成真正的伤害。他说：“如果一颗卫星在轨道上运行10年或15年，那么这些小擦伤就会通过破坏传感器或磨损材料从而对卫星产生影响。”

　　NASA之前曾通过检查航天飞机的窗户和散热器来研究微碎片，这些微小的冲撞使返回地球的航天飞机产生了凹痕。“一次详细的地面检查可以估算出撞击它的物体的大小，但是你从中能得到的信息是有限的。”Joseph Hamilton说。他是轨道碎片科学家，也是位于得克萨斯州休斯敦的约翰逊航天中心的SDS首席研究员。

　　在安装到国际空间站后，新的传感器将能够更好地处理真实的微碎片信息。SDS上的1平方米探测器包含一层嵌入在细线网中的薄薄的传感器。当微碎片撞击到SDS的表面时，它会破坏许多此类的电线，这与颗粒的大小有关。对于下方传感器层的破坏为摸清颗粒的速度和轨迹提供了信息。后面的背板将测量撞击的强度，从而帮助科学家估计物体的密度。

　　有了这些数据，科学家就可以确定这些微碎片的轨道，从而为它们的来源提供线索。例如，一条椭圆轨道表明，一个颗粒是一种天然的微流星体；而一条圆形轨道则意味着它可能是从一颗人造卫星上掉下来的。

　　通过对微碎片数量的精确估计，科学家可以推断并更好地预测大于1毫米且小于10厘米的物体的数量。Hamilton表示，这些物体会对宇宙飞船造成更大的伤害，但却由于太小而无法被雷达所跟踪。

　　SDS将在国际空间站距离地球表面约400公里的轨道上运行，它被认为是一项技术的演示。如果获得成功，未来的任务可能是在距离地球表面700公里至1000公里范围的高度上研究微碎片，这是一个更加拥挤的空间，但对它的了解却很少。这些发现可以帮助人造卫星设计人员开发出更好的防护罩，而改进的微碎片数量模型则可以帮助他们找到一条空间尘埃并不构成大威胁的轨道。

　　一些公司已经嗅到了研究太空垃圾的机会。位于新加坡的一家私人卫星服务公司Astroscale开发了一颗22公斤的微型卫星“IDEA OSG 1”，用于研究那些更高的（600公里至800公里）太空碎片。11月28日，Astroscale成为俄罗斯联盟号火箭发射的多颗人造卫星之一，然而该火箭未能到达预定轨道，据估计此次发射已经失败。在发射前，Astroscale首席运营官Chris Blackerby在日本东京表示，该公司正在寻求机会，通过与政府机构或私人组织的协议，分享卫星收集到的数据。Astroscale没有回应有关俄罗斯火箭发射失败的评论。

　　空间碎片是宇宙空间中除正在工作着的航天器以外的人造物体，包括运载火箭和航天器在发射过程中产生的碎片与报废的卫星、航天器表面脱落的材料、表面涂层老化掉下来的油漆斑块；航天器逸漏出的固体、液体材料；火箭和航天器爆炸、碰撞过程中产生的碎片。

　　太空垃圾一般在高300公里至450公里的近地轨道上以每秒7至8公里的速度运行，而在36000公里高度的地球静止轨道上则以每秒3公里的速度运行。根据轨道倾角，碰撞时的相对速度甚至可以达到每秒10公里以上，因此具有巨大的破坏力。太空垃圾若与运行中的人造卫星、载人飞船或国际空间站相撞，会危及到设备甚至宇航员的生命。据计算，一块直径为10厘米的太空垃圾就可以将航天器完全摧毁，数毫米大小的太空垃圾就有可能使它们无法继续工作。太空垃圾也因此成为了国际问题。