2021年3月10日，美国海洋大气管理局的一颗气象卫星在其轨道上突然发生爆炸，16个轨道碎片高速飞离卫星本体，在轨道上变成了16块太空垃圾。这16块太空垃圾只是沧海一粟，在太空中，围绕着我们蔚蓝色星球的外层，漂浮着数量巨大的各类轨道碎片。

 

图1地球轨道物体图

图片来源：NASA轨道碎片项目办公室

 

       这些轨道碎片中大多数碎片位于近地轨道上，失去了其原有的功能，但却占据着宝贵的空间轨道资源，且不受控制地横冲直撞。随着轨道碎片问题日益严重，这些轨道碎片可能会妨碍进入太空、威胁太空探测器、人造卫星和宇航员的安全，甚至常常发生与航天器“同归于尽”的情况。尤其是在卫星星座网络的出现下，这些网络受到现有轨道碎片的影响，本身可能产生或成为轨道碎片。

 

       目前，轨道碎片尚没有有效的清理方法，各国纷纷将科研力量投入到清除这些“太空垃圾”。

 

关于轨道碎片修复的报告

 

       2021年1月，美国国家科学技术委员会下属的空间天气、安全和轨道碎片危害研究与发展联合工作组出具了一份报告，报告中确定了三种降低轨道碎片构成风险的广泛方法：减少新碎片的产生，更好地跟踪和表征碎片，并找到修复现有碎片的方法。

 

       美国宇航局（NASA）技术、政策和战略办公室上个月发布了一份题为“轨道碎片修复的成本和效益分析”的报告，其中考虑了减少轨道碎片造成风险的修复方法，包括移动、清除或重复使用。该报告称，一些方法可在不到10年的时间内产生净效益。

 

       NASA负责技术、政策和战略的副局长Bhavya Lal说：“我们知道轨道上物体的数量正在增加，这意味着我们需要仔细研究如何分析卫星和航天器运营商面临的风险。” Bhavya Lal表示，该报告与过去的研究方法不同，直接关注碎片构成的风险，而不是使用碎片物体的大小或数量等指标。新发布的报告还更直接地考虑了潜在的财务成本，并重新构建了关于修复效益的讨论，以侧重于在短期内降低卫星运营商的财务成本。

 

       报告发现，降低运营商风险的最有效修复方法是清除小碎片，并轻推大碎片以避免碰撞。这两项任务都可以使用激光完成。

 

       截至2019年1月1日，从不同观测点跟踪的地球轨道上的物体如图1所示，图中大约95%的物体都是轨道碎片。距离地球表面2000公里以内的近地轨道，是轨道碎片最集中的区域。

 

激光清除轨道碎片

 

        激光清除和推动太空轨道碎片技术是利用高能激光辐照空间碎片使其表面熔融、气化、电离，形成等离子体羽流，从而产生反冲作用，推动碎片改变其轨道。这种技术可以用于清除轨道上的碎片，以减少对卫星和宇航员的威胁。

 

      对于大型碎片，当定向能量照射一块碎片时，会对该物体产生推力。这种推力太弱，不足以使碎片脱轨，但足以将其推离碰撞的轨道。

 

       对于小的碎片，可以通过剥蚀来处理。在剥蚀过程中，激光照射到物体上，物体会垂直于表面被喷出，而反向产生推力。一般来说，喷出的物质是热气体和等离子体的结合，因此不会向环境中产生新的碎片。剥蚀产生的推力远大于光子压力，但需要更强大的激光束和更高的光学精度。

 

       报告称，虽然激光可能会被用于反卫星目的，但用于碎片修复的激光功率比摧毁航天器所需的激光功率低1000倍。激光碎片修复可能会使卫星传感器受到干扰或损坏，但完全可以使用常见的低功率激光器完成。报告称，功率弱至10瓦的地面激光器就可以使卫星受到干扰，而常用于天文台的40瓦激光导星则可以永久损坏卫星传感器。因此，与地面光学天文台相比，用于碎片修复的激光具有同等的武器化风险水平。报告称，用于修复的激光系统提供了其跟踪和表征目的的附加优势。

 

激光碎片修复未来可期

 

       激光清除轨道碎片是一种比较新的技术，尽管该市场还处于初级阶段且未经广泛研究，但如果支持并制定清理碎片和空间可持续性的政策法规，碎片治理市场的规模估计将达到每年1亿美元或更多。该报告称：“这个领域的市场是广泛的、国际性的，美国公司可能会接触到外国客户。如果能够解决某些政策障碍，获得先发优势的企业可以提高国家竞争力。”在政策考虑方面，该报告概述了商业、国家安全和碎片所有权等方面的考虑因素。报告称，下一步将是收集来自太空社区的反馈，并利用这些反馈来优先考虑后续工作。

 

       激光清除轨道碎片的技术正在不断发展，未来可能会有更多的激光技术被用于清除轨道上的碎片。相信在不久的将来，激光技术会成为未来轨道碎片清理的重要手段之一。

 

原文链接：https://www.photonics.com/Articles/NASA_Proposes_Use_of_Lasers_to_Clear_and_Nudge/a68915