由48節(jié)AA電池和20美元的微處理器衛(wèi)星展示了一種低成本減少太空垃圾的方法

衛(wèi)星展示了一種低成本減少太空垃圾的方法

SBUDNIC是一顆面包面包大小的立方體衛(wèi)星，帶有由Kapton聚酰亞胺薄膜制成的阻力帆，由布朗大學(xué)的學(xué)生設(shè)計(jì)和制造，于去年5月由SpaceX火箭發(fā)射到太空。

常識(shí)表明，太空任務(wù)只有在數(shù)百萬美元的預(yù)算、能夠承受地球大氣層外嚴(yán)酷條件的材料以及訓(xùn)練有素的專家所做工作的情況下才能實(shí)現(xiàn)。

但來自布朗大學(xué)的一組工程專業(yè)學(xué)生徹底改變了這一假設(shè)。

他們用很少的預(yù)算和在大多數(shù)五金店都能買到的現(xiàn)成材料制造了一顆衛(wèi)星。大約10個(gè)月前，他們甚至搭乘埃隆·馬斯克(Elon Musk)的SpaceX火箭，將這顆由48節(jié)勁量AA電池和一個(gè)深受機(jī)器人愛好者歡迎的20美元微處理器提供動(dòng)力的衛(wèi)星送入太空。

現(xiàn)在，美國空軍航天司令部對(duì)數(shù)據(jù)的一項(xiàng)新分析表明，這顆衛(wèi)星不僅成功運(yùn)行，而且可能對(duì)減少日益嚴(yán)重的空間碎片問題產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，這些嚴(yán)重的太空碎片對(duì)當(dāng)前和未來的所有太空飛行器都構(gòu)成潛在危險(xiǎn)。

據(jù)美國宇航局稱，美國國防部的全球太空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)目前正在跟蹤2.7萬多塊軌道碎片或太空垃圾。軌道碎片包括地球軌道上任何不再具有有用功能的人造物體，如無功能的航天器、廢棄的發(fā)射級(jí)運(yùn)載火箭、與任務(wù)相關(guān)的碎片和碎片碎片。它還包括在任務(wù)完成后仍在軌道上運(yùn)行數(shù)十年的報(bào)廢衛(wèi)星。

布朗大學(xué)工程學(xué)副教授里克·弗利特(Rick Fleeter)說，考慮到大多數(shù)衛(wèi)星在軌道上平均停留25年或更長時(shí)間，這是一個(gè)問題。因此，當(dāng)他的學(xué)生得到一個(gè)千載難逢的機(jī)會(huì)，設(shè)計(jì)和建造他們自己的衛(wèi)星發(fā)射到太空時(shí)，他們決定設(shè)計(jì)一個(gè)潛在的解決方案。

學(xué)生們在他們建造的面包大小的立方體衛(wèi)星上添加了一個(gè)由Kapton聚酰亞胺薄膜制成的3d打印拖帆。根據(jù)最初的數(shù)據(jù)，在大約520公里的位置部署時(shí)(遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國際空間站的軌道)，帆像雨傘一樣張開，幫助衛(wèi)星更快地返回地球。事實(shí)上，這顆衛(wèi)星遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于與它一起部署的其他小型設(shè)備。例如，3月初，這顆衛(wèi)星距離地球約470公里，而其他物體仍在軌道上，距離地球約500公里或更遠(yuǎn)。

該圖顯示了SBUDNIC的軌道(由粗藍(lán)線表示)與2022年5月底至2023年3月初部署的其他設(shè)備相比低了多少。來源：布朗大學(xué)

“你可以從跟蹤數(shù)據(jù)中看到，我們明顯低于其他所有人，并正在加速遠(yuǎn)離他們，”弗利特說。“你可以看到，我們的衛(wèi)星已經(jīng)在向重返大氣層的方向下降，而其他衛(wèi)星仍然在更高的圓形軌道上運(yùn)行。”

數(shù)據(jù)顯示，這顆名為SBUDNIC的學(xué)生衛(wèi)星將在五年內(nèi)脫離軌道，而學(xué)生們估計(jì)，如果沒有拖曳裝置，它將在25到27年內(nèi)脫離軌道。

弗利特和布朗大學(xué)的學(xué)生們認(rèn)為，他們對(duì)公開跟蹤數(shù)據(jù)的初步分析證明，這種類型的帆可以作為減少地球軌道上空間碎片數(shù)量的努力的一部分。他們希望類似的風(fēng)帆可以添加到其他相同大小的設(shè)備中，或者在未來擴(kuò)大到更大的項(xiàng)目中。

弗利特說：“這一原理的理論和物理原理已經(jīng)被廣泛接受。”“這次任務(wù)更多地展示了你如何實(shí)現(xiàn)它——如何建立一個(gè)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)它，以及你如何做到這一點(diǎn)，使它變得輕巧、小巧和負(fù)擔(dān)得起。”

該項(xiàng)目是布朗大學(xué)工程學(xué)院和意大利國家研究委員會(huì)的研究人員合作的結(jié)果。它還得到了D-Orbit, amsat -意大利，羅馬大學(xué)和美國宇航局羅德島太空基金的支持。這顆衛(wèi)星的名字取自第一顆繞地球軌道運(yùn)行的人造衛(wèi)星Sputnik，也是該項(xiàng)目的參與者的首字母縮寫。

這是近年來由布朗大學(xué)學(xué)生設(shè)計(jì)和建造的第二顆被送入軌道的小衛(wèi)星。上一顆衛(wèi)星EQUiSat在結(jié)束任務(wù)之前繞地球飛行了1.4萬圈，并在2020年底重新進(jìn)入大氣層時(shí)燃燒。

然而，SBUDNIC被認(rèn)為是第一個(gè)幾乎完全由非太空使用材料制成的軌道，與軌道上的其他物體相比，它的成本如此之低。這顆由學(xué)生設(shè)計(jì)的立方體衛(wèi)星的總成本約為1萬美元。

弗利特說:“我們在新聞中聽到的大型復(fù)雜太空任務(wù)令人驚嘆和鼓舞人心，但它們也傳達(dá)了一個(gè)信息，即太空只適合那些類型的專門項(xiàng)目。”“在這里，我們?yōu)楦嗟娜舜蜷_了這種可能性……我們沒有打破所有的障礙，但你必須從某個(gè)地方開始。”

卡普頓聚酰亞胺拖曳帆，連接到SBUDNIC衛(wèi)星，有助于推動(dòng)衛(wèi)星早日返回地球。

由布朗大學(xué)的學(xué)生設(shè)計(jì)

這顆衛(wèi)星是由大約40名學(xué)生在一年的時(shí)間里設(shè)計(jì)和建造的，其中一半來自布朗大學(xué)工程學(xué)院，其他人來自經(jīng)濟(jì)學(xué)、國際關(guān)系和雕塑等不同領(lǐng)域。它始于2021年春季弗利特教授的《ENGN 1760:空間系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程。

意大利航空航天公司D-Orbit接近SpaceX的獵鷹9號(hào)火箭，該火箭將在一年內(nèi)發(fā)射一顆衛(wèi)星。弗利特轉(zhuǎn)向他的學(xué)生，他們剛剛聽了他們第一次關(guān)于太空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研討會(huì)，并向他們展示了這個(gè)機(jī)會(huì)。

從那時(shí)起，比賽開始了。

學(xué)生們從構(gòu)想和設(shè)計(jì)衛(wèi)星的各個(gè)子系統(tǒng)開始，經(jīng)常與工業(yè)顧問合作，后者就其建議的可行性提供反饋和工程指導(dǎo)。然后，學(xué)生們將他們的計(jì)劃付諸行動(dòng)，管理衛(wèi)星的技術(shù)方面，并協(xié)調(diào)行政工作。持續(xù)的原型設(shè)計(jì)、測試和改進(jìn)需要學(xué)生花費(fèi)大量的時(shí)間和腦力。

“布朗設(shè)計(jì)工作室在凌晨4點(diǎn)非常安靜，我在這段時(shí)間去過那里的次數(shù)已經(jīng)數(shù)不清了，”去年從布朗大學(xué)畢業(yè)、獲得生物醫(yī)學(xué)工程碩士學(xué)位、曾擔(dān)任SBUDNIC總工程師的馬可·克羅斯(Marco Cross)說。

學(xué)生們在當(dāng)?shù)厣痰旰驮诰€零售網(wǎng)站購買所需的材料。為了讓衛(wèi)星在太空中生存，他們經(jīng)常不得不設(shè)計(jì)一些巧妙的變通方法。克羅斯說，這種方法通常意味著要設(shè)計(jì)出能夠復(fù)制太空特定環(huán)境條件的測試設(shè)備，比如火箭發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的高振動(dòng)。例如，該團(tuán)隊(duì)在真空室中使用爬行動(dòng)物加熱燈來測試他們?yōu)楸Ｗo(hù)衛(wèi)星電子設(shè)備免受太陽照射而設(shè)計(jì)的熱屏蔽。

為了獲得發(fā)射許可，這顆衛(wèi)星必須通過資格測試，并滿足SpaceX和NASA遵守的嚴(yán)格規(guī)章制度。“這是一個(gè)零容忍失敗的環(huán)境，”克羅斯說。“團(tuán)隊(duì)從未動(dòng)搖過。”

在經(jīng)過一系列真空、熱和振動(dòng)測試后，學(xué)生們獲得了批準(zhǔn)。隨后，一個(gè)小組前往佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角運(yùn)送SBUDNIC，以便將其插入D-Orbit更大的運(yùn)載衛(wèi)星上，然后將其放入SpaceX火箭上。

學(xué)生們說，這個(gè)項(xiàng)目讓他們認(rèn)為自己是創(chuàng)造者和革新者，而這種根深蒂固的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，他們將在未來很好地利用。

“我繼續(xù)用我在這個(gè)項(xiàng)目中學(xué)到的東西在洛克希德·馬丁航天公司實(shí)習(xí)，”布朗大學(xué)大四學(xué)生、該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人之一塞利亞·金達(dá)爾(Selia Jindal)說。“這個(gè)項(xiàng)目真正幫助我塑造了如何看待世界，并對(duì)我的本科經(jīng)歷產(chǎn)生了極大的影響。這種情緒并不是我獨(dú)有的。許多團(tuán)隊(duì)成員，像我一樣，進(jìn)入SBUDNIC之前沒有任何航天行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，離開了這個(gè)領(lǐng)域。我們在整個(gè)行業(yè)都有SBUDNIC校友，從攻讀博士學(xué)位到在SpaceX工作的工程師。”

除了在會(huì)議上展示他們的發(fā)現(xiàn)并將數(shù)據(jù)提交給出版物外，SBUDNIC團(tuán)隊(duì)目前正計(jì)劃在羅德島的學(xué)校進(jìn)行一系列的演講。他們希望激勵(lì)未來的創(chuàng)新者，并讓高中生更多地意識(shí)到空間工程和設(shè)計(jì)中存在的機(jī)會(huì)。

編輯：黃飛

?