慕尼黑轨道验证实验 (MOVE) 是一个立方体卫星学生项目,由慕尼黑工业大学火箭和太空飞行科学工作组负责。MOVE-III 是正在开发的第四颗立方体卫星,也是 MOVE 项目的第一个 6U 任务,将在轨道上搭载专门的科学有效载荷。该任务旨在获取低地球轨道亚毫米空间碎片和流星体的现场观测数据,目的是汇编一套通量数据集,以及物体质量和速度测量数据,可用于验证空间碎片模型的小物体估计值,并支持与空间环境特性相关的进一步研究。MOVE-III 立方体卫星采用 MOVE-BEYOND 平台,计划搭载三个碎片密度检索和分析 (DEDRA) 等离子体电离传感器。初步设计评审已于 2022 年初完成,下一个里程碑是关键设计评审,计划于 2023 年完成。本文阐述了任务的科学目标和预期的数据产品,概述了探测器的工作原理,并介绍了整个系统架构、平台配置和子系统交互。此外,还讨论了任务碎片减缓方面的考虑因素。
在轨服务 (OOS) 为航天器 (s/c) 的加油、检查、维修、维护和升级提供了新的机会。随着技术的成熟和经济前景的改善,OOS 是未来航天增长的一个重要领域。这种拥堵促使航天器运营商探索如何利用 OOS。地球静止轨道 (GEO) 航天器的 OOS 任务目前正在进行中。这是由于为长寿命整体式化学推进 GEO 资产加油的商业案例已经结束。然而,除了技术演示外,目前还没有针对低地球轨道 (LEO) 航天器的 OOS 计划,因为它们的设计寿命较短且成本较低。随着行业将重点转向 LEO,为 LEO 航天器提供服务将变得尤为重要。为 LEO 星座设计 OOS 系统与基于 GEO 的系统不同,这种差异归因于 LEO 卫星的扩散、环境影响(J2 节点进动、阻力)和不同的星座模式。由于访问增加、分布式风险、灵活性和成本增加,LEO 中的卫星星座正变得更加分散。s/c 的 OOS 可以减少对子系统的要求,例如安全性和冗余需求。这些要求的减少将降低风险、降低成本并提高系统弹性。本文分析了扩散的 LEO 星座中 OOS 的好处。对几种 OOS 系统架构进行了建模;在每个系统架构中,模型将改变服务商数量、高度和轨道机动等质量。该模型的目标是优化成本、时间和效用,以生成 OOS 系统架构的权衡空间。
观测近地环境中的尘埃和碎片是一个具有巨大商业和科学意义的领域,对于最大限度地延长卫星的运行和商业生命周期以及降低日益增多的低地球轨道 (LEO) 宇航员的风险至关重要。为此,监测和评估粒子通量对于航天工业和依赖轨道基础设施数据产品/服务的更广泛的社会经济利益至关重要。我们设计了一种被动式太空尘埃探测器来调查低地球轨道的尘埃环境——轨道尘埃撞击实验 (ODIE)。ODIE 设计用于在低地球轨道部署约 1 年,然后返回地球分析尘埃颗粒产生的撞击特征。该设计强调能够区分与人类太空活动有关的轨道碎片 (OD) 和自然产生的毫米到亚毫米级微流星体 (MM) 群。 ODIE 由多个 Kapton 箔组成,这些箔显示出巨大潜力,可以有效保存撞击粒子的尺寸和化学细节,残留物化学可用于解释来源(OD 与 MM)。LEO 是一个恶劣的环境——原子氧的强烈腐蚀作用会损坏 Kapton 箔——需要使用保护涂层。Kapton 的常见涂层(例如 Al、SiO 2 等)对于后续分析和解释 OD 与 MM 的来源存在问题,因为它们是 MM 或 OD 的常见元素成分,或者 X 射线发射峰与用于区分 MM 与 OD 的元素的峰重叠。因此,我们建议使用钯涂层作为此应用的替代品。在这里,我们报告了钯作为 Kapton 基被动式粉尘探测器的保护涂层在暴露于原子氧和撞击时的性能。当受到撞击时,我们观察到较厚的涂层会受到影响
最近,人们重新燃起了对极低地球轨道 (VLEO) 的兴趣,以实现卫星的持续运行,并将其作为停泊轨道,然后再将卫星提升到其运行高度,例如 Starlink。随着低地球轨道 (LEO) 的拥挤程度不断增加及其相关的碰撞风险,VLEO 可以提供一个额外的轨道区域,卫星可以在该轨道区域内享受 LEO 区域的好处,从而减轻 LEO 区域的负担。利用 VLEO 进行卫星运行有多个优势。首先,是明显的环境优势——在如此低的高度,大气阻力的增加意味着更容易、更快地实现报废脱轨。例如,在 300 公里处,无论卫星的寿命如何,卫星的寿命都将不到一年
从历史上看,卫星项目一直使用航天级、密封、QML-V 合格组件来提高可靠性和抗辐射能力。随着用于新商业和政府项目的星座和低地球轨道卫星发射的持续增长,对能够满足严格预算的小型组件的需求也日益增长。因此,出于各种原因,人们对在太空中使用塑料封装微电路 (PEM) 的兴趣越来越大。PEM 变得更具吸引力,因为前沿产品没有航天合格产品,而且 PEM 通常比航天合格产品中使用的陶瓷封装占用空间更小、重量更轻。人们已经认识到使用商用现货 (COTS) 产品存在质量和可靠性风险,一些太空项目一直在研究使用具有更严格资格要求的汽车级 AEC-Q100 产品。但是,Q100 部件中的额外资格步骤并不能满足太空应用的所有要求,即使对于那些要求较低的太空应用也是如此。例如,预计使用寿命为三年的商业低地球轨道 (LEO) 应用仍必须满足许多 PEM 产品无法达到的辐射目标。卫星项目面临的最大挑战之一是找到并测试那些满足辐射目标的产品。
我们研究了全天电光 (EO) 传感器系统在增强低地球轨道 (LEO) 巨型星座的空间域感知 (SDA) 和空间交通管理 (STM) 方面的实用性。我们使用实际的传感器系统性能和真实的天气数据得出结果,并重点研究此类 EO 传感器系统网络在多大程度上可用于跟踪特定会合事件中涉及的主要和次要驻留空间物体 (RSO),以便更好地为操作员提供行动信息。特别关注涉及 Starlink 和 OneWeb 星座与 LEO 中其他物体的会合。通过详细的模拟,我们证明了全天 EO 传感器系统网络为大规模巨型星座跟踪和会合评估提供了一种有效的方法。
新南威尔士大学堪培拉分校 (UNSW Canberra) 于 2017 年在澳大利亚皇家空军 (RAAF) 的资助下启动了一项雄心勃勃的立方体卫星研究、开发和教育计划。该计划包括 M1(任务 1)、M2 探路者,最后是编队飞行任务 M2。M2 是最后一次任务,包括两颗 6U 立方体卫星,采用差动气动阻力控制进行编队飞行。M2 卫星于 2021 年 3 月在 RocketLab 的“它们上升得如此之快”发射中以连体 12U 形式发射。2021 年 9 月 10 日,航天器在近圆形 550 公里、45 度倾角轨道上在小弹簧力的作用下分成两个 6U 立方体卫星(M2-A 和 M2-B)。编队通过改变航天器的姿态来控制,由于位于航天器天顶面的大型双展开太阳能电池阵的横截面积变化,导致气动阻力发生很大变化。
发射成本的降低和卫星体积的减小、价格的降低使得各国和私营企业能够更轻松地将航天器发射到低地球轨道 (LEO),这不仅催生了新太空经济,也加剧了太空垃圾问题。应对这些垃圾带来的问题充满了法律、技术和合作方面的挑战。首先,国际上尚未就“太空垃圾”达成一致定义,而根据 20 世纪 60 年代和 70 年代批准的联合国条约和原则,现行太空法并未明确提及此类垃圾。此外,欧洲航天局 (ESA) 和美国国家航空航天局 (NASA) 的模型显示,即使今天停止所有发射,由于凯斯勒综合征的出现,垃圾物体的数量仍将继续增加,即碎片碰撞产生的碎片比衰变的碎片速度更快。这表明,除了联合国和机构间空间碎片协调委员会(IADC)《空间碎片缓解指南》中概述的缓解措施外,主动清除碎片(ADR)任务对于清理空间碎片环境也已成为必要。然而,参与和执行 ADR 任务的成本过高,各国无法单方面采取行动。对国家间 ADR 合作的博弈论分析表明,与提供许多全球公共产品的情况一样,各国倾向于搭便车,而不会积极为清除任务做出贡献。因此,各国越来越依赖私营企业为碎片问题提供地球和天基解决方案。虽然应对空间碎片问题似乎十分严峻,但欧盟通过欧空局取得了积极进展,为根据地球轨道带的可持续性制定负责任的太空行为规范铺平了道路。加拿大和其他航天国家还有许多潜在的政策选择,可以进一步促进合作以及深思熟虑的发射和脱轨行为。事实上,加拿大有机会从欧盟在太空领域应对太空垃圾问题的行动中学习,并与欧盟建立联盟,确保负责任地管理这一脆弱的环境。
• 虽然太空活动脱离了“传统”的陆地领域,但它们并不能免受这些法律的约束。竞争(和反垄断)法律在许多国家已经存在了一个多世纪,在太空利用中发挥着重要作用。低地球轨道空间有限,参与需要大量投入成本,可以与澳大利亚早期的竞争性电信市场相提并论,当时澳大利亚强烈希望向众多运营商开放低地球轨道,并能从中获益,从而为最终消费者提供成本和覆盖范围方面的好处。尽管如此,大型公司可能会建立自己的业务,随后因技术壁垒而阻止新运营商进入市场,这种风险是存在的。由于太空行业涉及世界各地的公司,各国在考虑其授权活动的作用和影响时确实需要合作。
低轨巨型星座的快速发展,给世界带来了极大的便利,涉及互联网、通讯、导航、遥感等诸多领域。它不仅是商业航天的重要标志,更是人类航天探索史上的里程碑。