我们能用特殊的太空帆将旧卫星带回地球吗？

原作：Evan Gough

翻译：张雨荷

校译：牧夫天文校对组

编排：葛明红

后台：库特莉亚芙卡  李子琦

原文链接：

https://www.universetoday.com/142794/can-we-use-special-sails-to-bring-old-satellites-back-down-to-earth/

我们能用特殊的太空帆将旧卫星带回地球吗？

低地轨道(Low-Earth

Orbit，LEO)空间碎片的问题日益严重，近年来越来越受到人们的关注。我们对卫星的需求似乎无穷无尽：时至今日在轨运行的卫星数以千计，而还有数千颗卫星准备发射。每颗卫星都有自己的运行寿命，当它们停止工作，变成普通却令人烦恼的太空碎片时，我们该怎么办呢？

仅在未来五年，科学家预计就将发射2600多个超小型卫星和立方体卫星。目前已有近5000颗卫星在环绕地球运行，其中许多是已经不再工作的太空碎片，而这些太空碎片的存在占据着新卫星的轨道。事实上，根据联合国外层空间事务司（United
Nations Office for Outer Space Affairs,
UNOOSA）的资料，我们仅在2018年就向太空发射了382颗卫星，这是一个庞大的数目。

然而关于这个问题并不缺乏潜在的解决方案。有机构提出用“鱼叉”、“渔网”、磁铁，甚至是激光来清理太空碎片的新奇想法。目前，NASA得到了普渡大学相关初创公司Vestigo
Aerospace的资助，以进行一项为期六个月的研究。研究内容聚焦于如何利用太空拖帆来使太空垃圾（包括卫星、废火箭助推器和其他碎片）脱离轨道。

图注：激光清除轨道碎片概念图

图源：Fulvio314/NASA/Wikipedia Commons

Vestigo
Aerospace公司由普渡大学工学院的副教授David
Spencer创立。“通过为期6个月的研究，我们将努力开发用于小型卫星和运载火箭脱轨的拖帆技术”，Spencer在新闻发布会上说。“为了保持轨道的高效利用,我们有必要在飞行任务完成后安全处置那些射向太空的物体。”

拖帆法和其他方法不同。“鱼叉”、激光和“渔网”等方法旨在处理已经累积在太空中的垃圾，而拖帆的设计则是将其置于卫星中，在卫星使用寿命结束时自动展开。

图注：拖帆可使旧卫星脱离轨道

图源: Purdue University / David Spencer

“Vestigo
Aerospace正在研发一条拖帆产品线，以满足对卫星脱轨能力的需求，同时作为传统推进系统的替代品,”
Spencer说道。他在进入普渡大学之前曾在喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory,
JPL）工作了17年。“该团队还将研究如何利用拖帆使太空物体定向重返大气层，以减少重返大气通道和碎片撞击区的不确定性。”

拖帆将在卫星运行寿命结束时展开。一旦展开，它将降低卫星的速度并帮助它安全脱轨。目前，卫星脱离轨道或多或少取决于它们的自身状态。如果卫星太大不能在重返大气层时被烧毁，那么它们在地球上的可能撞击位置将很难计算。

Vestigo
Aerospace系统设计的一个关键特征是可伸缩性。在与Universe Today的电子邮件交流中，David
Spencer说，“我们设计的拖帆系统是可伸缩的，小至1 kg的立方体卫星，大至450 kg的小型卫星，甚至
1吨重的运载火箭上级舱体，都可以使用该系统实现脱轨。”

根据Spencer的说法，他们的系统也提供所谓的“被动空气动力平衡”，使得系统可以自然地调节到最大拖拽力的方向。

Vestigo
Aerospace并不是第一个研发太空拖帆的公司。CanX-7（加拿大高新纳米太空实验7，全称Canadian Advanced
Nanospace
eXperiment-7）是2017年进行的一次演示任务，演示了利用太空拖帆使超小型卫星脱离轨道。该任务主要针对的是立方体卫星，可以将帆连接到立方体卫星的外部以免除对电子设备的干扰。

图注：CanX-7，在空间飞行实验室的洁净室里展开的拖帆

图源：空间飞行实验室

CANX-7重3.5千克，利用了四个太空帆使其脱离轨道。帆展开后仅一周，就大大改变了卫星的轨道衰减率。最终，四个帆都保持在卫星的后方并使它稳定了下来，这进一步加快了卫星的轨道衰减。

图注：CanX-7的早期脱轨进程。蓝色是CanX-7从拖帆展开前的时刻之后一周的高度变化。红色是NORAD卫星星历（又称两行轨道数据：TLE，Two-Line Orbital Element）提供的BSTAR拖调制系数，显示了卫星受到的拖拽力的增加。

图源：空间飞行实验室

跨机构太空碎片协调委员会（Inter-Agency
Space Debris Coordination Committee ,
 IADC）自2007年以来陆续制定了一些准则，规定超小型卫星的在轨寿命不应超过25年。虽然存在很多新奇的方法可以处理那些经年累月积攒在低地轨道上的太空碎片，但拖帆法提供了一种经济且易于开发的新思路，可以确保未来的卫星在失效后不会留存在轨道上。

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

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影像来源: Rainee Colacurcio