美開發激光限定和跟蹤軌道碎片技術避免飛行器受害

　　2012年的一天，費米伽馬射線太空望遠鏡遭遇驚險，在飛行軌道上將與一個廢棄的衛星狹路相逢。費米研究團隊情急之下在一秒中爆破了飛船推進器，以改變其路徑。

　　在人類近半個世紀雄心勃勃的太空探索活動中，在近地軌道上丟棄了大量這樣的人造碎片，大到火箭殘骸和廢舊衛星，小到涂料薄層和金屬殘片。它們有一個共同的名字——地球軌道上的空間碎片，簡稱軌道碎片。

　　這些“游蕩”的碎片速度約為7.5千米/秒，即使是最小的碎片撞擊到航天器上，也可能致其“重傷”，后果如災難。而數以百萬計的人造軌道碎片（再加上天然的微流星體）聚集在近地空間，對航天器的生存構成了重大威脅。

　　像費米團隊那次急中生智的調整，是需要航天器攜帶額外的燃料來執行，而每次規避會耗費衛星常規任務的時間，以及付出昂貴的成本。此外，國際空間站還要讓這些執行任務的飛行器能夠耐受住十幾次的意外撞擊。

　　據物理學家組織網近日報道，美國國家航空航天局（NASA）哥達德太空飛行中心的激光研究人員巴里·科伊爾和保羅要開發一種很有前景的方法，使用激光陣列限定和跟蹤軌道碎片，可以克服無源光和雷達技術的不足。碎片跟蹤器可用于定位和跟蹤廢棄的衛星、航天器部件，及其他在低空和地球同步軌道上大部分駐留的殘余物。

　　一直以來，近地空間碎片的測量數據來自于地基雷達和光學望遠鏡、天基望遠鏡以及對返回航天器表面的分析。其中最重要的數據源是美國空間監視網、“干草堆”雷達、返回航天器表面的“長期暴露裝置”和航天飛機等。

　　然而，光學望遠鏡可以跟蹤陽光照射的碎片，但對于有海拔的碎片幾乎不能提供信息。此外，當太陽照在以黑暗天空為背景的對象上時，對日出和日落基于光學的計算是有限的。并且，雷達能夠提供的只是一個范圍，而不是軌道殘骸的確切位置。瞬時定位通常精確到幾百米，而由于來自太陽風的阻力和顆粒、軌道的變化，意味著其預測的位置將以公里的范圍而擴大。實際上，很多碎片能夠被觀測卻無法跟蹤、確認，因此未進行編目。

　　新方法的靈感來自澳大利亞的研究發現，與其他方法相比，激光跟蹤碎片的精度將增加10倍，研究人員要使用哥達德地球物理和天文觀測臺（GGAO）加裝反射器衛星的先進激光測距的世界領先技術，在更大的規模上增強這種技術。

　　GGAO的48英寸望遠鏡建于20世紀70年代初，作為一個研究、發展和測試激光陣列、激光雷達及天文儀器的設備，將輸出和接收激光束。該設施用來為哥達德太空飛行中心的一些航天器測高進行在軌標定。2005年NASA也使用這種設施確定對水星進行飛近探測飛船的激光測高儀表現。

　　“軌道碎片是一個國際性的問題，所有能夠發射衛星的機構都應對此擔負責任。”科伊爾說。

　　他說：“雖然很難將其去除，NASA的任務可以最小化地減少其對空間資產運作的影響。他們可以發射非經營性的航天器到不太繁忙的軌道上移除這些威脅，或讓不再工作的飛船重返大氣層燒毀。重要的是，跟蹤和監視這些遺留物可保護未來執行任務的飛行器免受潛在的有害沖突。”

　　NASA采用激光測距可以收集更多的數據，包括碎片的形狀、大小、軌道投影和范圍。它還可以根據物體的形狀和大小，追蹤壘球大小物體的精度達到米數級。

　　為了表明激光跟蹤的有效性，該小組計劃將GGAO激光從1.064微米更新到1.57微米，使其達到相關安全操作標準。研究人員將發射激光在天空中尋找碎片，并使用返回的光幫助估計物體軌跡及其可能運動的范圍。通過每次互相傳遞添加數據，以提高準確度。

　　GGAO是衛星激光測距的發源地，也是一個管理地球物理應用全球性的地面站網絡。該研究團隊計劃實現基于這個地面激光觀測臺全球網絡進行觀察和更精準追蹤軌道碎片，從而幫助世界上現有的太空碎片跟蹤工作。