西弗吉尼亚大学工程师开发激光系统以保护太空资产免受地球轨道碎片的影响

如果 西弗吉尼亚大学的 研究取得成功，散落在地球轨道上并对航天器和卫星构成威胁的碎片可能会被协调的空间激光器网络推离潜在的碰撞路线。

西弗吉尼亚大学空间系统运行研究实验室主任李恒云表示，地球周围正在堆积着人造碎片，其中包括报废的卫星。轨道上的碎片越多，其中一些碎片与载人和无人太空资产相撞的风险就越高。他说，他相信防止这些碰撞的最佳方法是在太空平台上安装多个激光器阵列。人工智能驱动的激光器可以机动并协同工作，对任何大小的碎片做出快速反应。

Lee 是本杰明·M·斯塔特勒工程与矿产资源学院机械和航空航天工程助理教授，因潜在突破性研究而于 2023 年获得 NASA 著名的早期职业学院奖。NASA 每年为 Lee 的快速响应碎片清除研究提供 20 万美元的资助，为期三年。

这项工作还处于早期阶段，目前，研究团队正在验证他们提议开发的运行激光器系统的算法是否是一种有效、经济高效的解决方案。但李说，远距离愿景是“多个天基激光器积极执行轨道机动并协作处理轨道碎片”。

这可能会导致与高价值太空资产的及时碰撞避免。

“我们的目标是开发一个可重构的天基激光器网络以及一套算法。这些算法将成为使这样的网络成为可能并最大限度地发挥其效益的支持技术。”

如果一个自然物体(如微流星体)撞到一个人造物体(如运载火箭的残骸)，产生的碎片可以快速移动，即使是像油漆斑点一样小的碎片也可能具有刺穿观测的力量或电信卫星或国际空间站的侧面。

由于太空变得越来越混乱，这已成为一个紧迫的问题。特别是，地球的低轨道吸引了诸如 SpaceX 的 Starlink 等商业电信系统，该系统利用卫星为用户提供宽带互联网。低轨道也是用于天气预报和土地覆盖分析的卫星的所在地，也是深空探索的集结地。

“物体数量的增加增加了碰撞的风险，危及载人任务，并危及高价值的科学和工业任务，”李说。他补充说，太空中的碰撞可能引发被称为“凯斯勒综合症”的多米诺骨牌效应，它会引发连锁反应，增加进一步碰撞的风险，“使太空变得不可持续且充满敌意”。

其他研究人员正在开发钩子、鱼叉、网和清扫器等碎片清除技术，但这些技术只适用于大型碎片。李的方法应该能够处理几乎任何尺寸的碎片。

李的团队将开发的这套算法可能适用于安装在大型卫星上的激光器，也可能为安装在他们自己的专用平台上的激光器提供动力。作为研究的一部分，他将评估激光网络可能采取的各种形式。无论哪种方式，该技术都将能够自行做出许多决策，独立执行操作并设置优先级。

该系统将决定何种激光组合瞄准哪些碎片，同时确保产生的轨迹保持无碰撞。

当激光束射出一块碎片时，它不会将其彻底消灭。相反，碎片通常通过激光烧蚀被推入新的轨道。这意味着激光束会蒸发一小部分碎片，产生高速等离子体羽流，将碎片推离轨道。

“激光烧蚀和光子压力的过程会引起目标碎片速度的变化，最终改变其轨道的大小和形状。这就是使用激光的动机发挥作用的地方。改变碎片轨道的能力可以通过激光网络有效控制，以推动或使空间碎片脱离轨道，避免潜在的灾难性事件，例如碰撞。”李解释道。

“使用多个激光器系统可以创造多个与碎片接触的机会，并可以更有效地控制轨迹。多台激光器可以以更大的强度光谱同时作用于单个目标，以单台激光器不可能实现的方式改变其轨迹。”

Lee 将与位于费尔蒙特的 TMC Technologies 首席系统工程师 Scott Zemerick 合作，在“数字孪生环境”中验证整个项目中开发的所有模型和算法。李说，这将确保产品已准备好飞行软件。

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