地球较低的轨道上充满了对太空资产构成威胁的垃圾。新西弗吉尼亚大学的一项研究探索了太空激光是否能将微小的颗粒或大片碎片从卫星或空间站等物体的潜在碰撞轨道上清除。图片来源:WVU插画/Savanna Leech

西弗吉尼亚大学正在研究使用人工智能驱动的太空激光器来改变太空碎片的方向，降低碰撞风险。在NASA的支持下，该计划旨在处理各种大小的碎片，目前正在验证其算法和模型。

如果研究取得成功，散落在地球轨道上并对航天器和卫星构成威胁的碎片可能会被协调的太空激光网络推离潜在的碰撞路线。

西弗吉尼亚大学空间系统运行研究实验室主任李恒云(Hang Woon Lee)说，包括报废卫星在内的人造碎片正在地球周围堆积。轨道上的碎片越多，其中一些碎片与载人和无人太空资产相撞的风险就越高。他说，他认为防止这些碰撞的最佳机会是在太空平台上安装一组多激光器。人工智能驱动的激光器可以机动并协同工作，对任何大小的碎片做出快速反应。

WVU Benjamin M. Statler工程与矿产资源学院机械与航空航天工程助理教授Hang Woon Lee;WVU空间系统运行研究实验室主任。图片来源:WVU Photo

NASA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和航空航天工程助理教授，是2023年美国宇航局著名的早期职业教师奖的获得者，以表彰潜在的突破性研究。美国国家航空航天局每年为李的快速反应碎片清除研究提供20万美元的资助，为期三年。

这项工作还处于早期阶段，目前，研究小组正在验证他们提出的算法，以运行激光系统，这将是一个有效的、具有成本效益的解决方案。但是，远程远景是“多个天基激光器积极执行轨道机动并协同处理轨道碎片，”李说。

这可以及时避免与高价值空间资产的碰撞。

“我们的目标是开发一个可重构的天基激光器网络，以及一套算法。这些算法将成为使这种网络成为可能并最大化其效益的使能技术。”

太空碎片日益严峻的挑战

如果一个自然物体，比如微流星体，撞到一个人造物体，比如运载火箭的残骸，由此产生的碎片可以快速移动，即使是一小块油漆也有可能刺穿观测卫星、电信卫星或国际空间站的一侧。

这已经成为一个紧迫的问题，因为空间变得越来越杂乱。特别是，地球的低轨道吸引了像SpaceX的Starlink这样的商业电信系统，它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所在地，也是深空探测的集结地。

“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，”李说。他补充说，太空中的碰撞会引发多米诺骨牌效应，即“凯斯勒综合症”，它会引发连锁反应，增加进一步碰撞的风险，“使太空变得不可持续和充满敌意”。

激光优于其他技术

其他研究人员正在开发清除碎片的技术，如钩子、鱼叉、网和清扫器，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。

李的团队将开发的这套算法可能适用于安装在大型卫星上的激光器，也可能为安装在专用平台上的激光器提供动力。作为研究的一部分，他将评估激光网络可能采取的各种形式。无论哪种方式，该技术都将能够自行做出许多决定，独立执行机动和设置优先级。

该系统将决定用哪种激光组合瞄准哪些碎片，同时确保产生的轨迹不会发生碰撞。

当激光束射到一块碎片时，它不会使它消失。相反，碎片通常通过激光烧蚀被推入一个新的轨道。这意味着激光束蒸发了一小部分碎片，产生了高速等离子体羽流，将碎片推离了轨道。

“激光烧蚀和光子压力的过程会引起目标碎片的速度变化，最终改变其轨道的大小和形状。这就是使用激光的动机发挥作用的地方。改变碎片轨道的能力可以通过激光网络有效地控制，以推动或脱离轨道的空间碎片，避免潜在的灾难性事件，如碰撞，”李解释说。

“使用多激光器系统可以创造多个与碎片接触的机会，并更有效地控制轨迹。多个激光器可以同时作用于单个目标，以更大的光谱强度，改变其轨迹，这是单个激光器无法做到的。”

Lee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，这将确保产品为飞行软件做好准备。