太陽(yáng)帆、地面激光、抓鉤……
清掃太空垃圾還看“吃豆人”
清掃太空垃圾，用什么辦法好呢？太陽(yáng)帆、地面激光，還有網(wǎng)和抓鉤……迄今，科學(xué)家想了很多招兒，各有利弊。日前瑞士科學(xué)家想出了一個(gè)更為有效的法子——發(fā)射“吃豆人”吞噬太空垃圾碎片。
垃圾量達(dá)臨界點(diǎn)
自從人類歷史上第一顆人造衛(wèi)星“史普特尼克”（Sputnik）于1957年10月4日上天，不計(jì)其數(shù)的空間飛行器發(fā)射到太空。因種種原因，有些空間飛行器不能按計(jì)劃返回或者遺失了某些零件（如多級(jí)火箭分離產(chǎn)生碎片等），它們?cè)谔罩新o(wú)目的地漂移，形成了地球軌道上巨大的垃圾場(chǎng)。
目前，航天器數(shù)量已經(jīng)超過(guò)近地軌道臨界密度限制，這意味著即使沒(méi)有更多的衛(wèi)星進(jìn)入這個(gè)區(qū)域，空間碎片的水平也將繼續(xù)上升。如果空間系統(tǒng)繼續(xù)以目前的速度發(fā)射，不久就會(huì)出現(xiàn)美國(guó)科學(xué)家唐納德·凱斯勒于1978年首次提出的凱斯勒綜合征，即當(dāng)太空垃圾過(guò)于密集，如果一顆衛(wèi)星偏離軌道或者遭到一顆流星撞擊，事故將產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，進(jìn)而有大量衛(wèi)星被毀，產(chǎn)生更多的太空垃圾，對(duì)國(guó)際空間站等航天器的安全構(gòu)成威脅。
據(jù)觀測(cè)，目前繞著地球飛行的大于1厘米的碎片超過(guò)67萬(wàn)塊，其中1.6萬(wàn)塊大于10厘米。這些太空垃圾碎片以7公里/秒的速度移動(dòng)，成為強(qiáng)大炮彈。即使是幾毫米的碎片，也可能會(huì)穿透國(guó)際空間站的外殼。為躲避一大塊衛(wèi)星殘片，2012年國(guó)際空間站上的6名宇航員不得不暫避逃生艙。而隨著地球軌道變得更加擁擠，碰撞事件愈加可能發(fā)生。
2012年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）公布的一份報(bào)告顯示，環(huán)繞地球軌道的太空垃圾數(shù)量已經(jīng)達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)，足以給航天器離開地球帶來(lái)困難。負(fù)責(zé)撰寫這份報(bào)告的退休高級(jí)科學(xué)家唐納德·凱斯勒表示：“我們已經(jīng)失去了對(duì)這個(gè)空間環(huán)境的控制。”
撒開一張錐形網(wǎng)
清除空間碎片僅僅依靠降低衛(wèi)星發(fā)射的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，為了維持可持續(xù)的太空環(huán)境，NASA對(duì)每一個(gè)大于10厘米的碎片進(jìn)行著仔細(xì)監(jiān)測(cè)。目前世界各國(guó)啟動(dòng)了多項(xiàng)舉措，尋找長(zhǎng)期的解決之道。
2012年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院宣布，計(jì)劃設(shè)計(jì)并推出“清潔太空一號(hào)”（Clean Space One）衛(wèi)星，其任務(wù)是清理以每小時(shí)28000公里的速度繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)千塊被拋棄的火箭和衛(wèi)星部件，把在軌道中捕捉的碎片扔向地球大氣層燃燒殆盡。
總部設(shè)在瑞士洛桑北部小鎮(zhèn)佩耶納的瑞士太空系統(tǒng)公司，計(jì)劃于2018年以新開發(fā)的方法發(fā)射“清潔太空一號(hào)”衛(wèi)星。該衛(wèi)星的第一個(gè)目標(biāo)定為瑞士在2009年發(fā)射的首顆商用衛(wèi)星“瑞士立方體”（Swiss Cube）。
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)到了奠定里程碑的時(shí)候。“清潔太空一號(hào)”將部署一個(gè)張開的錐形網(wǎng)，一旦閉合即抓獲到小衛(wèi)星。這個(gè)錐形網(wǎng)如同日本在上世紀(jì)80年代發(fā)布的游戲“吃豆人”一樣，可以捕捉類似“瑞士立方體”的廢棄衛(wèi)星，然后在大氣中摧毀它。這是一個(gè)消除繞地球運(yùn)行的危險(xiǎn)碎片的解決方案之一。
此任務(wù)極度精密
為了讓捕捉系統(tǒng)更有效，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院航天工程信號(hào)處理中心第5實(shí)驗(yàn)室的工程師，與瑞士西部高等專業(yè)學(xué)院的合作伙伴想出了各種各樣的解決辦法，從帶爪子的鉸接臂到觸手系統(tǒng)，最終選擇了所謂“吃豆人”的解決方案。
日內(nèi)瓦應(yīng)用科學(xué)大學(xué)工業(yè)技術(shù)教授米歇爾說(shuō)：“這個(gè)系統(tǒng)更可靠，能提供比爪子或鉸接臂更靈活機(jī)動(dòng)的幅度。”
對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目的難度，研究人員說(shuō)，主要表現(xiàn)在不僅很難把握“瑞士立方體”這個(gè)很小的物體，還會(huì)受到其反射陽(yáng)光的干擾。陽(yáng)光反射會(huì)擾亂視覺(jué)處理系統(tǒng)，影響速度和距離的估計(jì)。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人穆麗爾·理查德強(qiáng)調(diào)，這個(gè)任務(wù)操作極度精密，只要對(duì)“瑞士立方體”的方向計(jì)算出現(xiàn)一點(diǎn)兒錯(cuò)誤，任務(wù)就會(huì)失敗。
目前，研究人員正在測(cè)試“清潔空間一號(hào)”像機(jī)上視覺(jué)系統(tǒng)的算法，力求準(zhǔn)確。研究人員必須考慮各種參數(shù)，如太陽(yáng)的光照角度、立方體衛(wèi)星物理數(shù)據(jù)、移動(dòng)的相對(duì)速度和所有與測(cè)量有關(guān)的不確定性，以及衛(wèi)星自身旋轉(zhuǎn)速度。并且，研究人員還要努力完善視覺(jué)信號(hào)處理的項(xiàng)目，確保了太空操作處理器的高性能。
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