地球的低轨道正在被对太空资产构成威胁的垃圾填满。西弗吉尼亚大学的新研究探讨了天基激光器能否将微小颗粒或大块碎片从可能与卫星或空间站等物体发生碰撞的轨道上清除。图片来源：西弗吉尼亚大学插图/Savanna Leech
如果研究取得成效，太空激光器的协调网络就能将遍布地球轨道并对航天器和卫星构成威胁的碎片从潜在的碰撞轨道上引开。
西弗吉尼亚大学空间系统运行研究实验室主任李恒文（Hang Woon Lee）说，地球周围正在积聚大量的人造碎片，包括已失效的卫星。轨道上的碎片越多，其中一些碎片与载人和无人太空资产发生碰撞的风险就越高。他说，他认为防止这些碰撞的最好办法是在太空平台上安装多个激光器阵列。这些由人工智能驱动的激光器可以机动协作，对任何大小的碎片做出快速反应。
Hang Woon Lee，西弗吉尼亚大学本杰明-M-斯塔特勒工程与矿产资源学院机械与航空航天工程助理教授；西弗吉尼亚大学太空系统运行研究实验室主任。图片来源：西弗吉尼亚大学照片
美国国家航空航天局的支持和研究进展
李是本杰明-M-斯塔特勒工程与矿产资源学院机械与航空航天工程系的助理教授，他因潜在的突破性研究而获得了 2023 年美国国家航空航天局（NASA）著名的"早期职业教师奖"。美国国家航空航天局（NASA）每年为李的快速反应碎片清除研究提供20万美元的资助，为期长达三年。
这项工作目前还处于早期阶段，研究小组正在验证他们建议开发的运行激光系统的算法是否是一个有效的、具有成本效益的解决方案。李说："我们的远景目标是'多个天基激光器积极执行轨道机动，协同处理轨道碎片'，这将有助于及时避免与高价值空间资产发生碰撞。当前目标是开发一个可重新配置的天基激光器网络和一套算法。这些算法将是使这种网络成为可能并使其效益最大化的使能技术。"
日益严峻的太空碎片挑战
如果一个自然物体（如微流星体）撞击一个人造物体（如运载火箭残骸），所产生的碎片会迅速传播，即使是小如油漆斑点的碎片，也可能具有刺穿观测或通信卫星或国际空间站侧面的力量。这已经成为一个亟待解决的问题，因为太空正变得越来越杂乱。尤其是地球的低轨道吸引了像 SpaceX 的 Starlink 这样的商业电信系统，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家园，同时也是深空探索的中转站。
Lee说："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。他补充说，太空碰撞会引发多米诺骨牌效应，即"凯斯勒综合症"，从而引发连锁反应，增加进一步碰撞的风险，使太空变得不可持续和充满敌意"。
与其他技术相比的激光优势
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大小的碎片。
李的团队将开发的算法套件可能适用于安装在大型卫星上的激光器，也可能为安装在自己专用平台上的激光器提供动力。作为研究的一部分，他将对激光网络可能采取的各种形式进行评估。无论哪种形式，该技术都将能够自行做出许多决定，独立执行操作并设定优先级。
该系统将决定以哪些激光组合瞄准哪些碎片，同时确保所产生的轨迹不会发生碰撞。
当一束激光射中一块碎片时，并不会将其消灭。相反，碎片会被推向一个新的轨道，通常是通过激光烧蚀。这意味着激光束会汽化一小部分碎片，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过程会导致目标碎片的速度发生变化，最终改变其轨道的大小和形状。这就是使用激光的动机所在。改变碎片轨道的能力可以通过激光器网络进行有效控制，使空间碎片移动或脱离轨道，避免发生碰撞等潜在的灾难性事件，"李解释说。
"使用由多个激光器组成的系统可以创造多个与碎片接触的机会，从而更有效地控制轨道。多个激光器可以在更大的强度范围内同时作用于一个目标，以单个激光器无法做到的方式改变其轨迹。"
李将与位于费尔蒙特的 TMC 技术公司的首席系统工程师 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，这将确保产品可用于飞行软件。
