小火箭“带火”小卫星 上演“太空碰瓷”怎么办?

2019年01月03日09:48  来源:科技日报
 
原标题:小火箭“带火”小卫星 上演“太空碰瓷”怎么办?

  美国“火箭实验室”近日使用该公司研制的小型运载火箭“电子”号成功发射13颗立方体卫星,这些卫星全部进入指定轨道。

  以微小卫星为运载载荷的“电子”号有何技术特点?微小卫星究竟有何优势,让人们为之付出诸多努力?有媒体报道,微小卫星数量增加将带来太空安全问题,这种情况是否属实?科技日报记者带着这些问题,采访了北京星际荣耀空间科技有限公司技术副总裁、航天专家张琦。

  好事多磨 “电子”号火箭终入轨

  公开资料显示,本次成功发射的是第三枚“电子”号火箭,也是该型号火箭首次进行商业发射。此前的两次试飞中,首次失败,第二次成功,真可谓“好事多磨”。

  2017年5月25日,“电子”号在新西兰北岛首次试射,代号为“这是一次实验”,完成了第一级点火工作、级间分离、第二级点火和整流罩分离程序,但未能成功入轨。而代号为“这仍是一次实验”的第二次试射本来计划于2017年12月份完成,由于“天气不佳”“技术问题”推迟到2018年1月21日,最后成功将3颗立方体卫星送入轨道。2018年4月,代号为“开业了”的第三次发射又因火箭第一级一台发动机电机控制器出问题而再度推迟到6月底,即将点火起飞之时又因问题复现而再一次推迟到12月。至此,“电子”号火箭终于结束了坎坷的历程,将携带的13颗立方体卫星成功送入轨道。

  “该火箭十分‘迷你’,全长只有17米,直径1.2米,起飞质量仅为10.5吨,500千米太阳同步轨道运载能力为150千克。”张琦告诉记者,一般来说,“电子”号这样的小型火箭,单位成本大于中大型火箭,但总体成本相对较小。以前,如此“低”的运载能力并没有太大的商业价值,但是随着卫星的小型化发展,小型火箭也能一次性运载多颗卫星,其商业价值正在逐步显现。

  “电子”号火箭的技术优势表现在三个方面。其一,它是世界上首次采用电驱动涡轮泵代替传统燃气驱动的化学火箭,效率显著提升;其二,“电子”号整流罩、液氧储箱等部位大量采用碳纤维复合材料,将自重降低至近乎极限,以提高运载能力;其三,“电子”号的卢瑟福发动机很多零部件制造均采用3D打印技术,制造效率显著提升。

  除了“电子”号关键技术上的攻关,其背后“金主”洛克希德·马丁公司的全面帮助、农业大国新西兰在发射场地上的大力支持,都是火箭实验室成为商业航天微小卫星发射领域领头羊的助推因素。

  两大趋势 小卫星组团提供商业服务

  近年来,随着航天技术的进一步发展,卫星也扮演着越来越重要的角色。张琦指出,卫星主要应用于遥感、通讯、导航三大领域。遥感,即利用光源进行拍照,照片用于商业或者军事用途。例如,我国每年农作物进出口货量和价格的预判就是通过遥感卫星追踪国内作物长势并结合往年数据等评估出来的。卫星在通讯领域大有可为体现在互联网与物联网两个方面。未来,可通过卫星代替地面基站,以突破地域、海洋等地理条件对互联网信号传播的限制。例如南极、青藏高原等地面设施建设难度大的区域,只需发射卫星基站便可轻松解决。另一方面,如果汽车、船舶、集装箱等安装上传感器并与卫星相连,商家便能实时掌控自己的资产分布、市场运转以及商业运营情况。导航也是人们日常生活中越来越离不开的卫星服务之一,不论想去多远的地方,只要手机轻轻一点,就会自动规划出最优路线。

  “目前看来,卫星正向着越做越大和越做越小的两极化发展。”张琦表示,一方面,高性能单个卫星的体型越来越大、能力越来越强,可以发射到低轨、中轨和高轨,轨道越高,单个卫星的覆盖范围也越大,搜集的信息也越多。例如36000千米的地球同步轨道上,3颗卫星就能将地球完全覆盖。当然,大卫星也面临着制造和发射成本过高的压力。因此,在电子元器件的高精度、微型化、高密集化发展的助推之下,卫星的小型化也成为一个重要的发展趋势。

  “重量在10—100千克的微小卫星在遥感、通讯两大领域中展现出了潜在的商业价值。不同于传统大卫星所针对的国家、军队或重要商业用户,微小卫星在遥感、通讯领域的服务对象可以是小型商业用户甚至是普通民众。正是由于微小卫星的成本较低,普通用户也能用得起。随着微小卫星的发射数量越来越多,逐渐在某些轨道组成卫星星座,其所能提供的服务种类和地域范围也将逐步扩张。”张琦表示,微小卫星功率小、搭载能力有限,必须通过降低轨道高度才能达到与大型卫星相匹配的性能指标,因此一般微小卫星轨道高度都在1000千米以下。虽然低轨道微小卫星也可实现导航功能,但是由于中、高轨的GPS、北斗、GLONASS系统等国家层面的导航网络已经趋于成熟,因此微小卫星的导航市场还不甚明朗。

  安全隐忧 一旦失效将成为太空垃圾

  微小卫星研发周期短、研制经费低,可以多颗小卫星组网形成“虚拟大卫星”。近年来,随着微电子技术、轻型材料以及高功率太阳能电池等技术的发展,微小卫星开始“火”起来。2017年2月15日,印度使用运载火箭一次性就发射104颗微小卫星。据不完全统计,截至2016年,全球在轨微小卫星超过300颗;按照国内商业航天公司规划,未来3年仅我国就将发射300颗商业微小卫星;而根据有关部门的估计,未来5年全球微小卫星发射数量将超过2000颗。

  “随着微小卫星数量急剧上升,其安全问题将愈加突出。”张琦指出,受限于成本和搭载能力,正在研发和已服役的微小卫星中,只有少量装备了电推进等轨道控制装置,可以在卫星失效前主动降低轨道,快速进入大气层烧毁。绝大部分微小卫星没有轨道控制能力,一旦失效将在一段时间内驻留太空,挤占轨道资源,成为太空垃圾。

  记者了解到,太空垃圾威胁不可小觑。据报道,人类可以检测到的直径超过10厘米的太空垃圾已经超过1万6千个,而直径几毫米的太空垃圾就足以使价值上亿美元的航天器失去工作能力。2018年7月2日,欧洲空间局监测到一块太空垃圾正撞向CryoSat-2地球探测卫星,欧空局紧急操控CryoSat-2改变轨道才避免了这场“太空碰瓷”。仅在2014年3月至4月间,国际空间站至少进行两次变轨规避太空垃圾。

  近年来,太空垃圾协调委员会推出了多个旨在管控太空垃圾的国际准则,例如卫星失效前需排放燃料,消除爆炸隐患甚至自动离轨进入大气层销毁。但微小卫星几乎无法进行轨道控制,因此已有准则并不适应微小卫星的技术情况,其带来的安全隐患暂时无法可依。

  业内专家建议,微小卫星最好携带电推进等动力模块,以便在其服役寿命结束之时操控离轨。不具备离轨能力的微小卫星也尽量将轨道高度限制在400千米以下,研究发现,如果卫星轨道高度低于400千米,在稀薄大气的阻力作用下,一年内卫星就将进入大气层烧毁。如果轨道高度高于400千米,废弃的卫星在轨时间会大幅延长。国家政府部门也应联合推出相应的条约或法规,规范市场,共同维护太空安全。实习记者 于紫月

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