新概念航天器之应用-改变小天体轨道的天基镜群.docx

          新概念航天器之应用改变小天体轨道的“天基镜群”                    闻新 秦钰琦地球是美丽的星球，但它并非人类所有，人类只是属于它尽管2012年世界末日不是事实，但恐龙终结却是由于一个直径为20千米的小天体撞击地球所致霍金预言地球毁灭之日在200年内，虽然有些夸张，但他的预言并不类似于“2012”那样毫无根据，至少是对人类的警告通过天文学家的观测和推算结果，直径大于5千米的小行星，平均600万年撞击地球一次，每次撞击不仅会给地球上的生命带来彻底性的毁灭，同时能使整个地球的近地空间处于爆土尘埃状态长达300多年直径小于140米的小天体，平均5000年撞击地球一次，对地球的危害也是极其严重最近据天文学家发现，在2029年将有一颗直径约300米的小行星与地球接近，预测2036年存在着与地球发生碰撞的可能性怎样在极端灾难时求生？如何防止小天体撞击地球？为了保护人类，世界上很多国家都积极探索研究预防措施，并逐步付诸实施从目前发展看，预防小天体撞击的方法有很多，但归纳起来分为两大类：一类是通过推进控制技术和碰撞方法等，改变即将坠入地球的小天体的运行轨道；另一类是通过爆破技术和撞击方法等，毁灭即将坠入地球的小天体。

随着其它科学技术与空间技术的结合，各种类型的新概念航天器不断出现最近针对小天体的控制法，应用新概念航天器控制小天体轨道的方案又有了很大的进展，如利用航天器群，在太空形成反射太阳光线的一面大镜子，调节小天体吸收太阳的热量，进而改变小行星运行轨道1．基于航天器群建立的“天基镜群”航天器群的概念起源于对昆虫的社会智能启示，是目前比较流行的研究热点问题采用航天器群的方式执行太空任务，是未来航天领域的一个重要发展趋势英国拉斯哥大学的教授在分析小天体变轨的几种流行技术方案的基础上，提出了一种基于航天器群建立“天基镜子”的方案，即航天器群的载荷是镜子该方案的部署是通过火箭将航天器群从地球发射升空，进入预定轨道，之后航天器群再自主地逐渐徘徊于小行星附近，依靠协同控制技术，进行优化部署后，将太阳光能聚集到小行星表面的某一点上（如图1所示）从图1可以看出，其工作原理是航天器群体协作，群中每颗航天器是纳型重量级的，每颗纳型航天器携带一个镜子，一颗航天器就是一个模块化镜子，然后通过统一的星务系统进行管理，建立一个天基群镜系统这样就可以反射太阳光聚焦于小天体表面，将小天体的表面加热到至少2100摄氏度，使得小天体汽化。

汽化后小天体内部会喷出气体由牛顿定律可知，小天体将会产生一个与喷射气体方向相反的推力，进而改变其轨道英国拉斯哥大学教授的研究证明，基于全球卫星定位系统对航天器群进行导航，结合目前的自主控制技术，采用数十颗小卫星组成群体，使直径为数百米的小天体变轨是完全可行的若利用10颗纳型航天器，每颗航天器均承载一个20米宽的充气镜子，大约可以在6个月内使一个直径约为150米的小天体变轨；若增加到100颗纳型航天器，只需几天的时间就可以完成上述任务；假如要使直径为20千米的小天体变轨，则需要集合5000颗纳型航天器，汇聚太阳光至该小行星表面长达3年的时间就可以使其发生变轨尽管目前控制5000颗航天器有很多技术困难，但随着群智能理论及其应用技术的深入发展，对于数千颗航天器的协调控制，未来一定不是问题所以航天器群未来一定具有巨大的应用前景首次提出这种方法的不是英国拉斯哥大学的教授早在1993年，美国亚利桑那州立大学的学者曾建议用一个非常大的镜子安放在一颗大卫星上，以此达到这一目的2．“天基镜群”的性能分析对于控制小天体变轨技术方案的评价准则一般有3个方面：一是这种方法给小天体轨道带来的变化量；二是所需的预留时间；三是执行任务所需航天器数量。

2.1“天基镜群”与“天基拖拉机”的比较美国NASA曾提出在地球近地空间轨道部署一颗大型航天器，并利用其引力的作用，改变周围物体的运行轨道，如图2所示这就是所谓的“引力拖拉机”方案类似于航天器的编队飞行，天基拖拉机就是建立一个与小天体并肩运行的航天器，利用它们之间的引力，拖拽小天体，使其偏离原本致命于地球的轨道假如“天基镜群”与“引力拖拉机”在太空里控制相同质量的小天体变轨时，则“引力拖拉机”方案所需的时间较长 “天基镜群”方案所能达到的效果与核爆炸方案的效果基本一致但是单纯把消耗的时间作为评价标准并不科学，还应该考虑其它因素，如核爆炸方案会形成空间碎片，污染太空环境2.2“天基镜群”的可控性和安全性目前，国际上已经总结出9种控制小天体变轨的方案，如何确认哪种控制小天体变轨的方案最佳呢？这是近年来相关学者普遍关心和讨论的热点问题一些学者的观点是，首先需要对小天体进行充分认识，然后在可操作性和安全性的基础上，再考虑采用哪一种合适的方案进行应对一些学者反对首先利用航天器撞击小天体的方案，因为这种方式所带来的影响比“天基镜群”更难以预测由于“天基镜群”方案操作简便，易于实现，因此撞击方案最好作为备选方案。

天基镜群”方案具有较小的发射成本和较多的柔性结构方案，并且可以根据需求随时调节也有些学者认为最好的方式是先使用一个足够使小行星改变轨道的航天器进行撞击，但要让撞击不至于把小行星击毁，再用“引力拖拉机”对小天体的轨道进行微调这也是一种可控、安全和技术可行的手段3．结束语与“核爆炸”方法或“引力拖拉机”方法相比，航天器群建立“天基镜群”的方法不仅可以避免“核爆炸”会产生碎片的问题，而且技术上比“引力拖拉机”方法更简单可行针对撞击地球最多的是直径为50 N100米的小天体，不需要花很多能源去控制它们变轨，而且近地空间物体的研究者可以在它们可能撞击地球数年之前发现它们，所以利用航天器群建立“天基镜群”的方案具有特别实用的价值   -全文完-。