加快打造原始创新策源地,加快突破关键核心技术,努力抢占科技制高点,为把我国建设成为世界科技强国作出新的更大的贡献。

——习近平总书记在致中国科学院建院70周年贺信中作出的“两加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,率先实现科学技术跨越发展,率先建成国家创新人才高地,率先建成国家高水平科技智库,率先建设国际一流科研机构。

——中国科学院办院方针

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磁力-空间碎片离轨“力”器

2017-11-16 力学研究所
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语音播报

  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?

  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!

  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……

  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。

  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。

  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(如下图)。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。

  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。

  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!

  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~

  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……

  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!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)

打印 责任编辑:侯茜

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