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，由布朗大學的學生設(shè)計和制造，于去年5月由SpaceX火箭發(fā)射到太空。

常識表明，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酷條件的材料以及訓練有素的專家所做工作的情況下才能實現(xiàn)。

但來自布朗大學的一組工程專業(yè)學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電池和一個深受機器人愛好者歡迎的20美元微處理器提供動力的衛(wèi)星送入太空。

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

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)射級運載火箭、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行數(shù)十年的報廢衛(wèi)星。

布朗大學工程學副教授里克·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年或更長時間，這是一個問題。因此，當他的學生得到一個千載難逢的機會，設(shè)計和建造他們自己的衛(wèi)星發(fā)射到太空時，他們決定設(shè)計一個潛在的解決方案。

學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(遠遠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。事實上，這顆衛(wèi)星遠遠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。

該圖顯示了SBUDNIC的軌道(由粗藍線表示)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

“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行?！?/p>

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

弗利特和布朗大學的學生們認為，他們對公開跟蹤數(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。他們希望類似的風帆可以添加到其他相同大小的設(shè)備中，或者在未來擴大到更大的項目中。

弗利特說：“這一原理的理論和物理原理已經(jīng)被廣泛接受?！薄斑@次任務(wù)更多地展示了你如何實現(xiàn)它——如何建立一個機制來實現(xiàn)它，以及你如何做到這一點，使它變得輕巧、小巧和負擔得起?！?/p>

該項目是布朗大學工程學院和意大利國家研究委員會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行的人造衛(wèi)星Sputnik，也是該項目的參與者的首字母縮寫。

這是近年來由布朗大學學生設(shè)計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年底重新進入大氣層時燃燒。

然而，SBUDNIC被認為是第一個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。這顆由學生設(shè)計的立方體衛(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，但它們也傳達了一個信息，即太空只適合那些類型的專門項目?！薄霸谶@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，但你必須從某個地方開始?！?/p>

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

由布朗大學的學生設(shè)計

這顆衛(wèi)星是由大約40名學生在一年的時間里設(shè)計和建造的，其中一半來自布朗大學工程學院，其他人來自經(jīng)濟學、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》課程。

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

從那時起，比賽開始了。

學生們從構(gòu)想和設(shè)計衛(wèi)星的各個子系統(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，學生們將他們的計劃付諸行動，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、測試和改進需要學生花費大量的時間和腦力。

“布朗設(shè)計工作室在凌晨4點非常安靜，我在這段時間去過那里的次數(shù)已經(jīng)數(shù)不清了，”去年從布朗大學畢業(yè)、獲得生物醫(yī)學工程碩士學位、曾擔任SBUDNIC總工程師的馬可·克羅斯(Marco Cross)說。

學生們在當?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)計一些巧妙的變通方法?？肆_斯說，這種方法通常意味著要設(shè)計出能夠復(fù)制太空特定環(huán)境條件的測試設(shè)備，比如火箭發(fā)射時產(chǎn)生的高振動。例如，該團隊在真空室中使用爬行動物加熱燈來測試他們?yōu)楸Ｗo衛(wèi)星電子設(shè)備免受太陽照射而設(shè)計的熱屏蔽。

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遵守的嚴格規(guī)章制度?！斑@是一個零容忍失敗的環(huán)境，”克羅斯說?！皥F隊從未動搖過?！?/p>

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

學生們說，這個項目讓他們認為自己是創(chuàng)造者和革新者，而這種根深蒂固的經(jīng)驗教訓，他們將在未來很好地利用。

“我繼續(xù)用我在這個項目中學到的東西在洛克希德·馬丁航天公司實習，”布朗大學大四學生、該項目的負責人之一塞利亞·金達爾(Selia Jindal)說。“這個項目真正幫助我塑造了如何看待世界，并對我的本科經(jīng)歷產(chǎn)生了極大的影響。這種情緒并不是我獨有的。許多團隊成員，像我一樣，進入SBUDNIC之前沒有任何航天行業(yè)的經(jīng)驗，離開了這個領(lǐng)域。我們在整個行業(yè)都有SBUDNIC校友，從攻讀博士學位到在SpaceX工作的工程師?！?/p>

除了在會議上展示他們的發(fā)現(xiàn)并將數(shù)據(jù)提交給出版物外，SBUDNIC團隊目前正計劃在羅德島的學校進行一系列的演講。他們希望激勵未來的創(chuàng)新者，并讓高中生更多地意識到空間工程和設(shè)計中存在的機會。

編輯：黃飛

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