小火箭“帶火”小衛星 上演“太空碰瓷”怎麼辦?
2019年01月03日02:05

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  小火箭“帶火”小衛星 上演“太空碰瓷”怎麼辦?

  美國“火箭實驗室”近日使用該公司研製的小型運載火箭“電子”號成功發射13顆立方體衛星,這些衛星全部進入指定軌道。

  以微小衛星為運載載荷的“電子”號有何技術特點?微小衛星究竟有何優勢,讓人們為之付出諸多努力?有媒體報導,微小衛星數量增加將帶來太空安全問題,這種情況是否屬實?科技日報記者帶著這些問題,採訪了北京星際榮耀空間科技有限公司技術副總裁、航天專家張琦。

  好事多磨 “電子”號火箭終入軌

  公開資料顯示,本次成功發射的是第三枚“電子”號火箭,也是該型號火箭首次進行商業發射。此前的兩次試飛中,首次失敗,第二次成功,真可謂“好事多磨”。

  2017年5月25日,“電子”號在新西蘭北島首次試射,代號為“這是一次實驗”,完成了第一級點火工作、級間分離、第二級點火和整流罩分離程序,但未能成功入軌。而代號為“這仍是一次實驗”的第二次試射本來計劃於2017年12月份完成,由於“天氣不佳”“技術問題”推遲到2018年1月21日,最後成功將3顆立方體衛星送入軌道。2018年4月,代號為“開業了”的第三次發射又因火箭第一級一台發動機電機控製器出問題而再度推遲到6月底,即將點火起飛之時又因問題複現而再一次推遲到12月。至此,“電子”號火箭終於結束了坎坷的曆程,將攜帶的13顆立方體衛星成功送入軌道。

  “該火箭十分‘迷你’,全長只有17米,直徑1.2米,起飛質量僅為10.5噸,500千米太陽同步軌道運載能力為150千克。”張琦告訴記者,一般來說,“電子”號這樣的小型火箭,單位成本大於中大型火箭,但總體成本相對較小。以前,如此“低”的運載能力並沒有太大的商業價值,但是隨著衛星的小型化發展,小型火箭也能一次性運載多顆衛星,其商業價值正在逐步顯現。

  “電子”號火箭的技術優勢表現在三個方面。其一,它是世界上首次採用電驅動渦輪泵代替傳統燃氣驅動的化學火箭,效率顯著提升;其二,“電子”號整流罩、液氧儲箱等部位大量採用碳纖維復合材料,將自重降低至近乎極限,以提高運載能力;其三,“電子”號的盧瑟福發動機很多零部件製造均採用3D打印技術,製造效率顯著提升。

  除了“電子”號關鍵技術上的攻關,其背後“金主”洛克希德·馬丁公司的全面幫助、農業大國新西蘭在發射場地上的大力支持,都是火箭實驗室成為商業航天微小衛星發射領域領頭羊的助推因素。

  兩大趨勢 小衛星組團提供商業服務

  近年來,隨著航天技術的進一步發展,衛星也扮演著越來越重要的角色。張琦指出,衛星主要應用於遙感、通訊、導航三大領域。遙感,即利用光源進行拍照,照片用於商業或者軍事用途。例如,我國每年農作物進出口貨量和價格的預判就是通過遙感衛星追蹤國內作物長勢並結合往年數據等評估出來的。衛星在通訊領域大有可為體現在互聯網與物聯網兩個方面。未來,可通過衛星代替地面基站,以突破地域、海洋等地理條件對互聯網信號傳播的限製。例如南極、青藏高原等地面設施建設難度大的區域,只需發射衛星基站便可輕鬆解決。另一方面,如果汽車、船舶、集裝箱等安裝上傳感器並與衛星相連,商家便能實時掌控自己的資產分佈、市場運轉以及商業運營情況。導航也是人們日常生活中越來越離不開的衛星服務之一,不論想去多遠的地方,只要手機輕輕一點,就會自動規劃出最優路線。

  “目前看來,衛星正向著越做越大和越做越小的兩極化發展。”張琦表示,一方面,高性能單個衛星的體型越來越大、能力越來越強,可以發射到低軌、中軌和高軌,軌道越高,單個衛星的覆蓋範圍也越大,蒐集的信息也越多。例如36000千米的地球同步軌道上,3顆衛星就能將地球完全覆蓋。當然,大衛星也面臨著製造和發射成本過高的壓力。因此,在電子元器件的高精度、微型化、高密集化發展的助推之下,衛星的小型化也成為一個重要的發展趨勢。

  “重量在10—100千克的微小衛星在遙感、通訊兩大領域中展現出了潛在的商業價值。不同於傳統大衛星所針對的國家、軍隊或重要商業用戶,微小衛星在遙感、通訊領域的服務對象可以是小型商業用戶甚至是普通民眾。正是由於微小衛星的成本較低,普通用戶也能用得起。隨著微小衛星的發射數量越來越多,逐漸在某些軌道組成衛星星座,其所能提供的服務種類和地域範圍也將逐步擴張。”張琦表示,微小衛星功率小、搭載能力有限,必須通過降低軌道高度才能達到與大型衛星相匹配的性能指標,因此一般微小衛星軌道高度都在1000千米以下。雖然低軌道微小衛星也可實現導航功能,但是由於中、高軌的GPS、北鬥、GLONASS系統等國家層面的導航網絡已經趨於成熟,因此微小衛星的導航市場還不甚明朗。

  安全隱憂 一旦失效將成為太空垃圾

  微小衛星研發週期短、研製經費低,可以多顆小衛星組網形成“虛擬大衛星”。近年來,隨著微電子技術、輕型材料以及高功率太陽能電池等技術的發展,微小衛星開始“火”起來。2017年2月15日,印度使用運載火箭一次性就發射104顆微小衛星。據不完全統計,截至2016年,全球在軌微小衛星超過300顆;按照國內商業航天公司規劃,未來3年僅我國就將發射300顆商業微小衛星;而根據有關部門的估計,未來5年全球微小衛星發射數量將超過2000顆。

  “隨著微小衛星數量急劇上升,其安全問題將愈加突出。”張琦指出,受限於成本和搭載能力,正在研發和已服役的微小衛星中,只有少量裝備了電推進等軌道控製裝置,可以在衛星失效前主動降低軌道,快速進入大氣層燒燬。絕大部分微小衛星沒有軌道控製能力,一旦失效將在一段時間內駐留太空,擠占軌道資源,成為太空垃圾。

  記者瞭解到,太空垃圾威脅不可小覷。據報導,人類可以檢測到的直徑超過10釐米的太空垃圾已經超過1萬6千個,而直徑幾毫米的太空垃圾就足以使價值上億美元的航天器失去工作能力。2018年7月2日,歐洲空間局監測到一塊太空垃圾正撞向CryoSat-2地球探測衛星,歐空局緊急操控CryoSat-2改變軌道才避免了這場“太空碰瓷”。僅在2014年3月至4月間,國際空間站至少進行兩次變軌規避太空垃圾。

  近年來,太空垃圾協調委員會推出了多個旨在管控太空垃圾的國際準則,例如衛星失效前需排放燃料,消除爆炸隱患甚至自動離軌進入大氣層銷毀。但微小衛星幾乎無法進行軌道控製,因此已有準則並不適應微小衛星的技術情況,其帶來的安全隱患暫時無法可依。

  業內專家建議,微小衛星最好攜帶電推進等動力模塊,以便在其服役壽命結束之時操控離軌。不具備離軌能力的微小衛星也儘量將軌道高度限製在400千米以下,研究發現,如果衛星軌道高度低於400千米,在稀薄大氣的阻力作用下,一年內衛星就將進入大氣層燒燬。如果軌道高度高於400千米,廢棄的衛星在軌時間會大幅延長。國家政府部門也應聯合推出相應的條約或法規,規範市場,共同維護太空安全。

  來源:科技日報

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