产生大量太空垃圾,目前卫星只有在有燃料的时候进行机动

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[据美国防御新闻网站2010年6月38日报道]188金宝搏,
美国海军希望在一年后能够发射一对小卫星,卫星从太空获取电子,利用它们和地球磁场作为推进系统。

大家看到上面这个图是不是觉得灿若星辰,美轮美奂?猜猜这张图是什么?

海军研究实验室负责“绳索电气动力推进立方体卫星实验”(Tether
Electrodynamics Propulsion CubeSat Experiment)的主管Shannon
Coffey表示,该系统就像太空中的一个巨型电动机,而其组件就是电流和磁体。两颗小卫星之间拴系有一条长1千米的电线,地球作为磁体。按照设想,这将能为机动卫星提供无限的推力。

咳咳,抱歉,我的题目已经暴露目标了,对!这就是围绕在我们可爱的地球爷爷周围的太空垃圾,目前”10cm(一般超过这个大小的垃圾将对航天器/宇航员带来严重威胁)可探测地球轨道中的太空目标已达到20000个,其中95%都是太空垃圾!

目前卫星只有在有燃料的时候进行机动,燃料占用了发射质量很大部分。如2008年被击落的美国海军间谍卫星其质量大约2268千克,其中的五分之一都是肼燃料。需要燃料意味着卫星必须更大,推动了成本增长。燃料耗尽后,卫星停留在轨道直至地球重力将他们拽入大气层并燃尽。

1978年,美国NASA的科学家Kessler就发出警告:随着航天器数量的增加,航天器与航天器或者太空垃圾会发生碰撞,产生大量太空垃圾,进而产生更多的碰撞,产生巨量*2的垃圾,进而……

工作原理

40年过去了,该效应已成为现实,2009年,俄罗斯废弃的Comos卫星和美国的Iridum卫星相撞,产生了2000多个太空碎片,国际空间站、和平号空间站、哈勃望远镜均受到了太空垃圾的“亲密接触”(下图是被太空垃圾撞击的航天器表面),这些碎片如不主动清理,将会继续大幅度的增加。

电磁动力推进提供了另一种方案。海军研究实验室已经找到了如何使电流在电线上传输的方法。通常来说电线中产生电流要求必须是闭合回路,但这并不能在太空中产生推进力。在地球磁场中,当闭合回路有电流时,磁场会产生从电线一端到另一端的力并相互抵消。为了只产生指向一个方向的力,必须使电流通过电线。但这意味着必须从什么地方获取电子,之后这些电子能流向某处。科学家们通过地球的等离子区构造了闭合的回路。

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本质上讲,等离子区是太空中存在的低密度电子层,但仅在1000千米以上的高空等离子区才能利用。电线的一端安装电子收集器从等离子区收集电子,另一端安装电子发射器将电子释放到等离子区,这样就完成了回路。电线上就能产生力了。

太空垃圾这么有威胁,有什么办法“干掉“它们吗?比较好的办法就是让他们的轨道降低,低到150km后,就会因为大气阻力的增加而坠落,进入大气层烧毁。这个从原来轨道降低的过程,就是“离轨”,如果太空垃圾能够快速离轨,就能被显著清理。

很小的太阳能电池就能产生足够的电流,并在一公里长的电线上传输。电流产生力推动卫星,卫星切割地球磁场的方向将决定卫星是在加速还是减速,或者变轨。通过改变对磁场的切割方向,卫星控制者可以改变卫星轨道平面。

现在我们在太空的机器人技术发展很快,比如飞爪、飞网、空间机器人等均得到了飞速的发展。听起来好像全解决了,咱发射一个空间机器人把这些垃圾都抓下来,不就完了吗?不过发射一颗卫星的费用相当于等质量的黄金相当,太空垃圾分布杂乱无章,让我们用一堆黄金换一堆垃圾,这个……不划算哪。

即便如此,电动机的功率非常有限。Coffey称2011年的验证计划“将允许我们每天改变5公里的距离。”与此相对的,标准的液体燃料推进每小时就能将卫星推动上千公里。需要解决的另外一个问题是确保太空中有充足的可用于电动机工作的电离子。这种电动机最好在地球上500-1000千米的高空工作。再往上离子就会变得相当稀薄。但这并不能阻碍卫星在高空运行。它们能建立椭圆轨道,并且只在卫星靠近地球和电子相对较多时使用发动机。椭圆轨道有很大优势。卫星能远地点短暂停留。这对于通信、监视和地球遥感卫星特别有用。

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系统应用

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电动推进还可能解决另一问题——从太空清除轨道垃圾。其中一个方法是使用推进系统与碎片交会并抓取,再用推进系统将其带入另一可下降的轨道,逐渐在大气层中燃尽。
事实上,美国国防预先研究计划局将研发“绳索”动力的卫星,以捕获轨道碎片甚至小行星,并将其清除至轨道外。电动推进系统是从事此类工作的理想方式,因为系统能在不消耗推进剂的情况下长期提供推力。

那有什么办法是不需要消耗燃料但可以让太空垃圾离轨的吗?让我们把目标瞄向地球磁场。地球磁场保护着我们免受太空风暴的侵扰,在1000km的高度以下,地球磁场就如同一个稳态的巨型磁体。

推进系统的另一项用途是保持卫星在大约300千米的低轨道位置运行,在这个轨道位置上的卫星能够被拖拽以避免相撞。利用电动推进,卫星能克服托力作用,并停留在轨道上,研究电离层,进行低空监视和执行其它目前不可能完成的任务。

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现在甚至有提议,将该系统附着于国际空间站,就能减少或消除数吨确保空间站在轨停留的燃料。

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太空中,我们也可以利用地球磁场,使航天器在无需燃料消耗的条件下改变轨道,比如电动绳系。电动绳系通过收集空间的带电粒子,在低轨空间的地球磁场中通过通电绳所受到的安培力进行轨道调整,仅有电力消耗,没有工质消耗。从上世纪90年代至今,美国、俄罗斯、欧空局、日本等相继进行了发射和空间试验,包括美国上世纪八九十年代进行的TSS-1、TSS-1R、TIPS、SEDS-1、SEDS-2
电动绳系实验系统,和俄罗斯的火神、系绳-2等。美国提出的电动碎片清除器EDDE和日本的SDMR等,均是以电动绳系推进和拖拽为基本方案的空间目标/碎片的清除计划。看,就素酱紫滴!

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电动绳系是万能的吗?当然不是,首先需要回忆一下安培力公式(熟悉的物理公式,久违了,青春!)

F=BIL,F是受到的安培力,它代表了变轨快慢的能力,F越大,变轨越快,B是磁感应强度,地球空间磁场的强度基本是10-5T,I是通电的电流,受空间可收集的带电粒子浓度约束。电动绳系想快速变轨,最主要的方法就是增加绳长L,电动绳系的绳长往往达到数公里,十几公里。绳子一长什么问题又来了,美国的SED-2(1994年发射,绳系展开19.7km)绳系展开仅4天就被空间碎片/微流星切断……断了……那绳子短点呢?短绳变轨慢,效率低,虽然没有燃料消耗可以不断运行,但清理速度过慢,变轨时间越长,越容易与其他物体碰撞。

还有什么办法吗?答案也是有的:那就让我们甩起来吧~

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当我们携带一个可以主动调整的磁体(很简单,就是带个电磁体就好了),控制这个磁体的大小和指向,就可以像甩链球一样开始加速转动,加速转动……如果与太空垃圾连接的部件够结实,这个甩动的速度在理论上是“没有上限”的!当到达对空间碎片离轨速度改变量的要求时,我们就”松手“,让碎片飞一会,然后……其实就没有然后了,这个碎片已经完成离轨了。这个加速时间需要多久呢?其实并不长,对于低轨道空间碎片(事实上70%的空间碎片均处于500km到1000km的低轨道上),10kg左右的空间碎片,以现有的技术水平,用此方法只需要1~10个轨道周期就可以完成离轨的速度改变增量,也就是说短则2小时,多则1天,就可以完成一次低轨道的碎片离轨准备。

此外,由于碎片离轨只要求轨道高度的改变,至于甩到哪个轨道,并不重要,因此你可以“花样甩“,让这些碎片像大雁一样,一会排成“人”字,一会排成“一”字……

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你问闲的没事干嘛“花样甩“?在空间中,动量是守恒的,把一个太空碎片甩出去的同时,航天器也获得了反向的动量,这个动量能干什么?
可以帮助航天器“拥抱”
下一个需要离轨的太空垃圾啊!188金宝搏 11纳尼,还有这种操作!

是的,真的可以有这种操作。

其实,目前还没有这种操作,但相信随着空间碎片清理问题的日益严峻,空间碎片离轨会逼着人类出现这样的操作……

(作者:李文皓,中国科学院力学研究所先进制造工艺力学重点实验室副研究员)

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