ความปลอดภัยของวงโคจร: ความท้าทายของขยะอวกาศที่รอดชีวิต

ที่แขวนอยู่รอบ ๆ โลกวงโคจรเป็นเหมือนการเดินเข้าไปในกลางของ Wild West Gunfight – กระสุนกำลังบินไปทั่วทุกที่และแม้ว่าจะไม่มีจุดมุ่งหมายที่คุณตั้งใจ ชื่อของคุณอยู่ กระสุนเหล่านี้จำนวนมากเป็นดาวเทียมสังเคราะห์ที่ควบคุมและตรวจสอบอย่างแข็งขัน แต่เรายังพบดาวเทียมที่ตายแล้วเศษซากของดาวเทียมที่ถูกทิ้งขั้นตอนจรวดเครื่องมือที่หายไปในระหว่าง Spacewalks และแม้กระทั่ง Flecks ของสีและสนิมก็มีหลายกิโลเมตร ต่อวินาทีโดยไม่มีแนวทางใด ๆ

ในขณะที่การลบเศษพื้นที่นี้โดยตรงจะเหมาะอย่างยิ่งความจริงก็คือยานอวกาศและอวกาศใด ๆ ที่ต้องใช้เวลาในวงโคจรจำเป็นต้องมีความสามารถในการยั่งยืนอย่างน้อยบางครั้งโดยเศษซากปรักหักพัง

กลศาสตร์วงโคจร

มันง่ายที่จะสร้างเศษซากใหม่ควรจะไม่แปลกใจกับใครเลย สิ่งที่อาจใช้จินตนาการอีกเล็กน้อยเป็นเพียงระยะเวลาที่มันสามารถใช้สำหรับเศษซากนี้เพื่อเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกซึ่งมันจะเผาไหม้อย่างไม่หยุดยั้ง ทุกอย่างในวงโคจรกำลังตกลงมาสู่โลก แต่ความเร็วที่สัมผัสกันจะช่วยให้มันไม่สามารถกดปุ่ม – เหมือนหินอ่อนที่หมุนไปรอบ ๆ รูในช่องทาง ลากจากชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์คือแรงเสียดทานที่ทำให้วัตถุช้าลงและที่ซึ่งวงโคจรในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ระบุว่าการสืบเชื้อสายนี้ใช้เวลานานเท่าใด

orbital อัตราการสลายตัวของอินโฟกราฟิก (เครดิต: ula)
ตามที่อ้างถึงโดยสำนักงานโครงการ Debris วงโคจรของ NASA ที่ Ares ในคำถามที่พบบ่อยของพวกเขามีวัตถุเศษเล็กเศษน้อยกว่า 23,000 รายการที่มีขนาดใหญ่กว่า 10 ซม. ในวงโคจรนอกเหนือจากวัตถุมากกว่าครึ่งล้านมากระหว่าง 1 ซม. และ 10 ซม. และวัตถุนับล้านระหว่าง 1 มม. และ 10 มม. แหล่งที่มาหลักของเศษซากศนาลคือการระเบิดของดาวเทียมและการชน ซึ่งรวมถึงการทดสอบ Anti-Satellite (ASAT) (ASAT) ของจีนรวมถึงการทดสอบ ASAT ของอินเดียในปี 2019 และรัสเซียในปี 2019 และรัสเซียซึ่งเกิดขึ้นนอกเหนือจากการทดสอบ ASAT ของ USSR & US 57 (ทั้งหมด)

ดาวเทียมในบางกรณีระเบิดเช่น 2004 และ 2015 US DSMP Satellite Busning เวลาอื่น ๆ ดาวเทียมชนกันเช่น Iridium-33 กับ Cosmos-2251 ได้รับผลกระทบจากเศษซากหรือ Micrometeorites และอื่น ๆ เช่นเดียวกับที่เศษซากศพโลกต่ำ (LEO) มีแนวโน้มที่จะเดินทางที่ความเร็วสูงขึ้น 7 กม. / วินาที

ขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุเศษซากผลกระทบที่ส่งผลกระทบต่อดาวเทียมหรือวัตถุอื่น ๆ ในเส้นทางของมันน่าจะเพิ่มอีก ~ 7 km / s ในทิศทางตรงกันข้ามอาจเป็นการถ่ายโอนของ Gigajoules มูลค่าของพลังงานจลน์เทียบเท่ากับ ตันของทีเอ็นที แม้แต่ Fleck of Paint Traveling ที่ความเร็วเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าก่อให้เกิดความเสียหายอย่างมีนัยสำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับโครงสร้างที่ละเอียดอ่อนเช่นแผงโซลาร์เซลล์ ดังที่ได้กล่าวไว้สิ่งนี้ทำให้เป็นสิ่งสำคัญที่โครงสร้างดังกล่าวสามารถยอมรับระดับความเสียหายของแรงกระแทกได้

คนเล็กเสมอ

โล่วิปเปิ้ลที่ใช้กับโพรบ Stardust ของนาซ่า (เครดิต: NASA)
แม้ว่าจะมีพลังงานมากขึ้นอย่างแน่นอน แต่สิ่งที่ดีเกี่ยวกับเศษซากขนาดใหญ่คือพวกเขาค่อนข้างง่ายต่อการติดตามการใช้อุปกรณ์ที่ใช้พื้นดิน ดาวเทียมหรือสถานีอวกาศสามารถใช้แรงผลักดันบนเรือได้ถ้ามันอยู่ใกล้กับวงโคจรของหนึ่งในเศษเล็กเศษน้อยของเศษเล็กเศษน้อย

จากนั้นส่วนใหญ่จะทิ้งเศษเล็กเศษน้อยลงโดยเฉพาะอย่างยิ่งสะเก็ดเล็ก ๆ และธัญพืชที่มีขนาดเล็กเกินไปที่จะติดตาม แต่มีมวลมากพอที่จะทำให้เกิดความเสียหายอย่างมีนัยสำคัญ เป็นเวลาหลายทศวรรษที่การป้องกันยานอวกาศเป็นโล่วิปเปิ้ล เช่นเดียวกับโล่หลายช็อตที่คล้ายคลึงกันมันเป็นเกราะระยะห่างซึ่งเป็นเกราะชนิดหนึ่งเป็นอันดับแรกที่ได้รับความนิยมด้วยเรือรบเหล็กในช่วงกลางศตวรรษที่ 19

แทนที่จะเป็นเพียงแค่การทำชุดเกราะหนาหลายชั้นมีพื้นที่ว่างเปล่าหรือช่องว่างบางชนิดในระหว่างนั้น สิ่งนี้ช่วยประหยัดน้ำหนักในขณะที่ปล่อยให้กระสุนปืนเข้ามาเพื่อกระจายพลังงานอย่างไม่เป็นอันตราย หลักการเดียวกันนี้สามารถมองเห็นได้ด้วยเช่น หน้าต่างที่สถานีอวกาศนานาชาติซึ่งประกอบด้วยหลายชั้น ในกรณีของ ISS ‘Cupola มีสี่ชั้น:

บานหน้าต่างเศษเล็กเศษน้อย

บานหน้าต่างความดันขนาด 25 มม. สองบาน

บานหน้าต่างด้านใน

บานหน้าต่างด้านนอกคาดว่าจะกระจายพลังงานจำนวนมากของการนัดหยุดงานด้วยชั้นที่อยู่เบื้องหลังการจับคลาวด์ของเศษเล็กเศษน้อยซึ่งควรจะเดินทางด้วยความเร็วที่ช้าพอที่พวกเขาควรทำอันตรายอย่างมีนัยสำคัญ แต่ละหน้าต่างสามารถเปลี่ยนเป็นวงโคจรหลังจากที่ติดตั้งฝาครอบภายนอกเราควรได้รับความเสียหายมากจนมีการรับประกันการเปลี่ยน

ความเสียหายที่เกิดขึ้นกับ ISS Solar Range 3A แผง 58 (ด้านเซลล์ด้านซ้าย, Kapton ด้านหลังด้านขวา) หมายเหตุไดโอดบายพาสถูกตัดการเชื่อมต่อเนื่องจากผลกระทบของ MMod (เครดิต: Hyde et al., 2019)
สำหรับส่วนที่เหลือของ ISS, Ballistic Panels จะถูกวางระยะห่างจากตัวถังหลักซึ่งพัฒนาขึ้นเพื่อจับภาพและกระจายพลังงานจาก Micrometeorites และ Debris วงโคจรขนาดเล็ก ดาเมจของอุกกาบาตและวงโคจรในสถานีอวกาศนานาชาติได้รับการศึกษามานานหลายทศวรรษแล้วด้วยกระดาษ 2019 โดย Hyde et al. อธิบายการค้นพบล่าสุด

การค้นพบที่น่าสนใจคือความเสียหายต่อปีกพลังงานแสงอาทิตย์ของ ISS ‘ ในกรณีหนึ่ง miCromebetore ส่งผลกระทบต่อหนึ่งในแผงและสร้างรูเส้นผ่านศูนย์กลาง 7 มม. สิ่งนี้ทำลายไดโอดบายพาสในแผงและก่อให้เกิดการสะสมในปัจจุบันที่ทำให้เกิดการเผาไหม้ยาวเกือบ 40 ซม. ไปตามขอบของเซลล์สามเซลล์เกือบ 40 ซม.

เห็นได้ชัดว่าการปกป้องแผงเซลล์แสงอาทิตย์ในสภาพแวดล้อมนี้คืออะไร แต่ง่ายตามคำจำกัดความที่เพิ่มแผงป้องกันต่อหน้าพวกเขาแทนที่จะเอาชนะวัตถุประสงค์ทั้งหมดของการมีแผงเซลล์แสงอาทิตย์ อวกาศนานาชาติมีเซลล์มากกว่า 250,000 เซลล์โดยมีความคาดหวังว่าบางคนจะหายไปอย่างไม่ต้องสงสัยเมื่อเวลาผ่านไป ในเดือนมิถุนายนปี 2021 นักบินอวกาศที่สถานีอวกาศนานาชาติติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ใหม่เพื่อแทนที่ที่เก่าแก่ที่สุด

ในขณะที่การเปลี่ยนแผงเซลล์แสงอาทิตย์เช่นนี้เป็นตัวเลือกที่ทำงานได้ที่จะจัดการกับความเสียหายที่สะสมอยู่บนสถานีอวกาศ แต่ก็มีประโยชน์น้อยกว่าสำหรับดาวเทียมซึ่งควรมีความสามารถในการใช้ไฟฟ้าส่วนเกินเพียงพอที่จะจัดการกับการสูญเสียเมื่อเวลาผ่านไป

ความผิดเป็นกลาโหมที่ดีที่สุด

เนื่องจากเศษซากในวงโคจรบางตัวจะแขวนมานานหลายทศวรรษหรือนานกว่านั้นเราอาจไปถึงจุดที่การกำจัดเศษซากนี้กลายเป็นสิ่งจำเป็น นี่คือที่ที่มีกลไกการโคจรและจำนวนพื้นที่ที่น่าทึ่งในอวกาศทำให้ทุกอย่างยุ่งยากมาก แม้ว่าความเสี่ยงของการโคจรจะสูงขึ้นเนื่องจากดาวเทียมและเศษเล็กเศษน้อยเคลื่อนที่ไปมาอย่างรวดเร็วความหนาแน่นต่ำมาก นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมนักบินอวกาศในสถานีอวกาศนานาชาติจึงไม่เห็นบิตของการซิปเศษซากตลอดเวลา

การกระจัดนี้ทำให้การกำจัดเศษซากที่ใช้งานได้และกล่าวถึงว่าเหตุใดภารกิจที่มีรายละเอียดสูงล่าสุดเช่น ExproveBris Clearspace-1 และอื่น ๆ มุ่งเน้นไปที่เศษเล็กเศษน้อยที่เดินทางในวงโคจรที่รู้จักกันก่อนหน้านี้ พวกเขามักจะต้องการดาวเทียมในการย้ายถิ่นฐานภายในระยะห่างจากเป้าหมายและดำเนินการที่ละเอียดอ่อน ตามที่จัดตั้งขึ้นก่อนหน้านี้ความเสี่ยงที่ใหญ่ที่สุดมาจากเศษเล็กเศษน้อยที่ไม่สามารถติดตามได้ง่ายซึ่งดูเหมือนจะเอาชนะวิธีการทำความสะอาดเหล่านี้เป็นส่วนใหญ่

ที่นี่อาจเป็นวิธีที่ดีที่สุดคือการไม่ตามล่าวัตถุเหล่านี้อย่างแข็งขัน แต่การจับพวกเขาอย่างอดทนโดยใช้ระบบที่กว้างขวางเช่นเดียวกับสไปเดอร์ใช้เว็บเพื่อจับเหยื่อที่ไม่สงสัย นี่คือสิ่งที่รัสเซียเริ่มต้น Startrocket กับเศษซากโฟมของพวกเขาในใจ การใช้โฟมเพื่อจับภาพวงโคจรไม่ใช่ใหม่ด้วยรายงาน ESA จากปี 2011 ยังครอบคลุมการใช้งานโฟมในเชิงลึก

ไม่มีการทิ้งขยะ

แม้จะมีบริการบรรเทาผลกระทบในสถานที่และด้วยวิธีการกำจัดเศษซากของวงโคจรที่กำลังถูกตรวจสอบและอาจถูกนำไปใช้ในทศวรรษที่ผ่านมาสิ่งที่ดีที่สุดที่เราสามารถทำได้ดีที่สุดตอนนี้คือการหลีกเลี่ยงการทำให้ยุ่งเหยิงมากขึ้น ทุกวันนี้การจัดการจราจรในอวกาศได้รับการจัดการส่วนใหญ่โดยสำนักงานสหประชาชาติสำหรับกิจการอวกาศด้านนอก (Usta) โดยมีนโยบายระดับชาติตามข้อตกลงระหว่างประเทศในการหลีกเลี่ยงการหลีกเลี่ยงเศษซากโคจรและการพิจารณาอื่น ๆ

การเพิ่มการมุ่งเน้นการใช้งานของยานอวกาศอีกครั้งเป็นการพัฒนาที่โชคดี เป้าหมายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของโครงการกระสวยอวกาศของสหรัฐอเมริกา – ว่ามันจะทำหน้าที่เป็นแพลตฟอร์มสำหรับการให้บริการดาวเทียม – ไม่เคยกังวลในการบรรลุถึงการให้บริการฮับเบิล อย่างไรก็ตามเราอาจหวังว่าในไม่ช้าจะเห็นจุดจบของกิจวัตรการทิ้งเพียงแค่ออกจากขั้นตอนจรวดทั้งหมดที่ลอยอยู่รอบ ๆ การลดลงอย่างน้อยหนึ่งแหล่งที่มาของมลพิษอวกาศ