地球的低軌道正在被對(duì)太空資產(chǎn)構(gòu)成威脅的垃圾填滿。西弗吉尼亞大學(xué)的新研究探討了天基激光器能否將微小顆?；虼髩K碎片從可能與衛(wèi)星或空間站等物體發(fā)生碰撞的軌道上清除。圖片來(lái)源：西弗吉尼亞大學(xué)插圖/Savanna Leech

如果研究取得成效，太空激光器的協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)就能將遍布地球軌道并對(duì)航天器和衛(wèi)星構(gòu)成威脅的碎片從潛在的碰撞軌道上引開(kāi)。

西弗吉尼亞大學(xué)空間系統(tǒng)運(yùn)行研究實(shí)驗(yàn)室主任李恒文（Hang Woon Lee）說(shuō)，地球周圍正在積聚大量的人造碎片，包括已失效的衛(wèi)星。軌道上的碎片越多，其中一些碎片與載人和無(wú)人太空資產(chǎn)發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)就越高。他說(shuō)，他認(rèn)為防止這些碰撞的最好辦法是在太空平臺(tái)上安裝多個(gè)激光器陣列。這些由人工智能驅(qū)動(dòng)的激光器可以機(jī)動(dòng)協(xié)作，對(duì)任何大小的碎片做出快速反應(yīng)。

Hang Woon Lee，西弗吉尼亞大學(xué)本杰明-M-斯塔特勒工程與礦產(chǎn)資源學(xué)院機(jī)械與航空航天工程助理教授；西弗吉尼亞大學(xué)太空系統(tǒng)運(yùn)行研究實(shí)驗(yàn)室主任。圖片來(lái)源：西弗吉尼亞大學(xué)照片

美國(guó)國(guó)家航空航天局的支持和研究進(jìn)展

李是本杰明-M-斯塔特勒工程與礦產(chǎn)資源學(xué)院機(jī)械與航空航天工程系的助理教授，他因潛在的突破性研究而獲得了 2023 年美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）著名的"早期職業(yè)教師獎(jiǎng)"。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）每年為李的快速反應(yīng)碎片清除研究提供20萬(wàn)美元的資助，為期長(zhǎng)達(dá)三年。

這項(xiàng)工作目前還處于早期階段，研究小組正在驗(yàn)證他們建議開(kāi)發(fā)的運(yùn)行激光系統(tǒng)的算法是否是一個(gè)有效的、具有成本效益的解決方案。李說(shuō)："我們的遠(yuǎn)景目標(biāo)是'多個(gè)天基激光器積極執(zhí)行軌道機(jī)動(dòng)，協(xié)同處理軌道碎片'，這將有助于及時(shí)避免與高價(jià)值空間資產(chǎn)發(fā)生碰撞。當(dāng)前目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)可重新配置的天基激光器網(wǎng)絡(luò)和一套算法。這些算法將是使這種網(wǎng)絡(luò)成為可能并使其效益最大化的使能技術(shù)。"

日益嚴(yán)峻的太空碎片挑戰(zhàn)

如果一個(gè)自然物體（如微流星體）撞擊一個(gè)人造物體（如運(yùn)載火箭殘?。?，所產(chǎn)生的碎片會(huì)迅速傳播，即使是小如油漆斑點(diǎn)的碎片，也可能具有刺穿觀測(cè)或通信衛(wèi)星或國(guó)際空間站側(cè)面的力量。這已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，因?yàn)樘照兊迷絹?lái)越雜亂。尤其是地球的低軌道吸引了像 SpaceX 的 Starlink 這樣的商業(yè)電信系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用衛(wèi)星為用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)。低軌道也是用于天氣預(yù)報(bào)和土地覆蓋分析的衛(wèi)星的家園，同時(shí)也是深空探索的中轉(zhuǎn)站。

Lee說(shuō)："物體數(shù)量的增加增加了碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，危及載人任務(wù)，并危及高價(jià)值的科學(xué)和工業(yè)任務(wù)。他補(bǔ)充說(shuō)，太空碰撞會(huì)引發(fā)多米諾骨牌效應(yīng)，即"凱斯勒綜合癥"，從而引發(fā)連鎖反應(yīng)，增加進(jìn)一步碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，使太空變得不可持續(xù)和充滿敵意"。

與其他技術(shù)相比的激光優(yōu)勢(shì)

其他研究人員正在開(kāi)發(fā)鉤子、魚(yú)叉、網(wǎng)和清掃器等碎片清除技術(shù)，但這些技術(shù)只適用于大型碎片。李的方法應(yīng)該能夠處理幾乎任何大小的碎片。

李的團(tuán)隊(duì)將開(kāi)發(fā)的算法套件可能適用于安裝在大型衛(wèi)星上的激光器，也可能為安裝在自己專用平臺(tái)上的激光器提供動(dòng)力。作為研究的一部分，他將對(duì)激光網(wǎng)絡(luò)可能采取的各種形式進(jìn)行評(píng)估。無(wú)論哪種形式，該技術(shù)都將能夠自行做出許多決定，獨(dú)立執(zhí)行操作并設(shè)定優(yōu)先級(jí)。

該系統(tǒng)將決定以哪些激光組合瞄準(zhǔn)哪些碎片，同時(shí)確保所產(chǎn)生的軌跡不會(huì)發(fā)生碰撞。

當(dāng)一束激光射中一塊碎片時(shí)，并不會(huì)將其消滅。相反，碎片會(huì)被推向一個(gè)新的軌道，通常是通過(guò)激光燒蝕。這意味著激光束會(huì)汽化一小部分碎片，產(chǎn)生高速等離子體羽流，將碎片推離軌道。

激光燒蝕和光子壓力過(guò)程會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)碎片的速度發(fā)生變化，最終改變其軌道的大小和形狀。這就是使用激光的動(dòng)機(jī)所在。改變碎片軌道的能力可以通過(guò)激光器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效控制，使空間碎片移動(dòng)或脫離軌道，避免發(fā)生碰撞等潛在的災(zāi)難性事件，"李解釋說(shuō)。

"使用由多個(gè)激光器組成的系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)與碎片接觸的機(jī)會(huì)，從而更有效地控制軌道。多個(gè)激光器可以在更大的強(qiáng)度范圍內(nèi)同時(shí)作用于一個(gè)目標(biāo)，以單個(gè)激光器無(wú)法做到的方式改變其軌跡。"

李將與位于費(fèi)爾蒙特的 TMC 技術(shù)公司的首席系統(tǒng)工程師 Scott Zemerick 合作，在"數(shù)字孿生環(huán)境"中驗(yàn)證整個(gè)項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)的所有模型和算法。李說(shuō)，這將確保產(chǎn)品可用于飛行軟件。