美用传感器研究太空微垃圾

在国际空间站的窗户上发现了一个7毫米宽的小碎片。资料来源:欧空局/美国航天局

美国电影《地心引力》将太空垃圾的风险戏剧化。尽管浮动扳手和破碎的火箭部件可能对航天器构成最致命的威胁，但大多数轨道碎片实际上要小得多——想象一下油漆点和破碎的卫星碎片。现在，美国宇航局希望利用空间碎片传感器(SDS)来了解更多关于围绕地球运行的尘埃大小的微小碎片。该传感器计划由空间探索技术公司最近发射的一艘货船运送到国际空间站。

利用地面雷达，美国空军持续跟踪大约23，000块比棒球大的空间碎片，以便卫星操作者能够机动避免与它们碰撞。但是布莱恩·威登说人们对较小的空间碎片知之甚少。他是华盛顿特区非营利组织安全世界基金会的项目规划主任

威登说，SDS将研究小于1毫米的高速运动物体，这些物体仍然会造成真正的损害。他说:“如果一颗卫星在轨道上运行10到15年，这些小划痕会损坏传感器或磨损材料，从而影响卫星。”

美国国家航空航天局此前通过检查航天飞机的窗户和散热器来研究微小碎片。这些微小的撞击削弱了返回地球的航天飞机。“一次详细的地面检查可以估计撞击物体的大小，但你从中获得的信息是有限的。”约瑟夫汉密尔顿说。他是轨道碎片科学家，也是德克萨斯州休斯顿约翰逊航天中心的首席空间数据服务研究员。

安装在国际空间站后，新的传感器将能够更好地处理真实的微碎片信息。传感和诊断系统上的1平方米检测器包含嵌入在细线网络中的一薄层传感器。当微碎片撞击SDS的表面时，它会破坏许多这样的导线，这与粒子的大小有关。对底层传感器层的破坏为理解粒子的速度和轨迹提供了信息。后面板将测量撞击的强度，以帮助科学家估计物体的密度。

有了这些数据，科学家可以确定这些微小碎片的轨道，从而为它们的来源提供线索。例如，椭圆轨道表明粒子是天然的微流星体；圆形轨道意味着它可能是从人造卫星上掉下来的。

通过精确估计微小碎片的数量，科学家可以推断出大于1毫米小于10厘米的物体数量，并更好地预测其数量。汉密尔顿说，这些物体会对飞船造成更大的损害，但它们太小，雷达无法跟踪。

SDS将在距离地球表面约400公里处环绕国际空间站运行。这被认为是技术的展示。如果成功，未来的任务可能是在距离地球表面700公里至1000公里的高度研究微型碎片，这是一个更加拥挤的空间，但人们对此知之甚少。这些发现可以帮助卫星设计者开发更好的屏蔽，而改进的微碎片数值模型可以帮助他们找到一个空间尘埃不会构成重大威胁的轨道。

一些公司已经嗅到了研究太空垃圾的机会。总部设在新加坡的私营卫星服务公司Astroscale开发了一颗22公斤的微型卫星“IDEA OSG 1号”，用于研究较高(600公里至800公里)的空间碎片。11月28日，宇宙秤成为俄罗斯联盟号火箭发射的几颗人造卫星之一。然而，火箭未能到达预定轨道，据估计发射失败。在发射之前，Astroscale的首席运营官克里斯·布莱克比(Chris Blackerby)在日本东京表示，该公司正在寻找机会，通过与*机构或私人组织达成协议，分享卫星收集的数据。Astroscale没有回应关于俄罗斯火箭发射失败的评论。

空间碎片是在空间运行的航天器以外的人造物体，包括运载火箭和航天器产生的碎片和废弃卫星、从航天器表面脱落的材料以及因老化而从表面涂层脱落的油漆块。从航天器泄漏的固体和液体材料；火箭和宇宙飞船爆炸和碰撞产生的碎片。

空间碎片通常在300至450公里高的低地球轨道上以每秒7至8公里的速度飞行，而在36，000公里高的地球静止轨道上以每秒3公里的速度飞行。根据轨道的倾角，碰撞时的相对速度甚至可以达到每秒10公里以上，因此具有很大的破坏力。如果空间碎片与运行中的人造卫星、载人飞船或国际空间站相撞，将危及设备甚至宇航员的生命。根据计算，一块直径为10厘米的空间碎片可以完全摧毁航天器，几毫米的空间碎片可能会阻止它们继续工作。太空垃圾因此成为一个国际问题。

(赵茜·Xi)

《中国科学日报》(2017-12-07第二版国际版)