尼古拉斯·约翰逊(Nicholas Johnson)是美国宇航局轨道碎片计划办公室的首席科学家和项目经理。2008年7月,他被授予国防部联合荣誉文职服务奖,以表彰他对“霜冻行动”的贡献。“霜冻行动”的任务包括在一颗失控的卫星可能击中地球之前拦截并摧毁它。

NASA技yabovip16.com术简报:轨道碎片计划办公室是什么时候成立的?它的主要职能是什么?

尼古拉斯·约翰逊:该办公室成立于1979年,首先是确定当前和未来的轨道碎片环境,以支持任务操作和航天器设计,并制定轨道碎片缓减措施和政策。

NTB:你能给我们详细介绍一下这涉及到什么吗?

约翰逊:办公室人员评估NASA所有空间方案和项目是否符合机构轨道碎片缓减要求。该办公室还牵头与美国其他政府部门和组织在轨道碎片领域进行协调与合作。作为轨道碎片的首席科学家,我还在联合国担任美国空间碎片技术专家。

NTB:太空垃圾到底是什么?

约翰逊:空间碎片主要是指在地球轨道上不再具有有用功能的任何东西。可能包括一个失效的航天器,一个废弃的运载火箭,碎片碎片,油漆斑点,你能想到的任何东西。

NTB:太空碎片只是人造物体,还是也包括像流星体之类的自然物质?

约翰逊:通常当我们谈论轨道碎片时,我们谈论的是人造物体。流星体在绕太阳运行的轨道上,我们通常把它们称为自然环境。

NTB:怎样才能成为太空碎片方面的专家?你有什么课程可以推荐吗?还是你在工作中学到了很多?

约翰逊:实际上,轨道碎片只是一个很小的科学团体。在美国,NASA是轨道碎片专业知识的主要来源,也是唯一一个真正描述轨道碎片数量的组织,从最小的碎片(微米)到最大的碎片(可达数十米)。就我个人而言,我学的是物理学和天体物理学,但我所接受的正规教育没有涉及轨道碎片。我认为这个领域的绝大多数人都从工作中学到了东西。实际上,美国有一所大学——博尔德的科罗拉多大学——是美国唯一一所授予轨道碎片博士学位的大学,但只有大约六个人通过了这门课程。我从事轨道碎片研究已有30年,为美国政府的各种组织提供支持。

NTB:说到太空中碎片的数量,我听过各种各样的数字。我听说自从1957年斯普特尼克1号发射以来,大约有28000个物体被送入太空,其中9000个仍然在轨道上运行,只有6%仍在运行。更糟糕的是,我们每年大约发射75艘新航天器,这增加了潜在的问题。你的办公室是如何跟踪这些碎片并确保它们不会对国际空间站、哈勃望远镜和航天飞机等构成威胁的?我的这些数字准确吗?

约翰逊:嗯,它们有点过时了。首先,NASA并不维护所谓的美国卫星目录。这是由国防部执行的。我们当然在大量空间监视领域与国防部密切合作。

自Sputnik 1号以来,已经有超过4600次从世界各地发射的太空任务成功到达地球轨道或更远的地方。经国防部正式编目的天体总数现在已接近34000个,其中约13000个仍在地球轨道上。事实证明,国防部也在追踪另外5000个物体,他们知道这些物体在那里,但他们还没有正式对它们进行分类。这更像是一个管理问题。所以,如果你想找出我们所知道的物体的最终数量,我们知道它们在哪里,大概在18000个左右。

NTB:这些物体大多有多大?它们通常在太空中飞行的速度有多快?

约翰逊:这些物体的大小从大约10厘米到几十米不等。这是关于可追踪的内容。实际上,在轨道上有很多更小的物体,国防部无法跟踪;它们的尺寸缩小到毫米,甚至微米。当然,它们的质量从一亚克到许多公吨不等。在近地轨道上,轨道碎片的速度为7-8公里/秒;在地球同步轨道上,速度要小得多。

美国国家航空航天局依靠美国太空监视网络来跟踪近地轨道上超过10厘米、高度达2000公里的物体。NASA负责对较小物体的碎片环境进行统计定义。特殊的地面雷达,包括位于加州戈德斯通的直径70米的射电望远镜,可以探测到小至几毫米的轨道碎片。返回的航天器表面可以让我们深入了解小于1毫米的轨道碎片数量。

NTB:如果这些物体中的一个撞击空间站或航天飞机,会造成什么样的损害?

约翰逊:根据碎片的大小和撞击地点的不同,损坏可能是可以忽略不计的,也可能是危及任务的,或者是灾难性的。10厘米或更大的碎片有可能摧毁航天器并产生大量新碎片。2009年2月10日,两个完整航天器的意外碰撞产生了600多块大型碎片。小于1毫米的碎片通常不会影响航天器的运行。

空间站是迄今为止发射的防护最严密的运载工具。它可以承受约1厘米的颗粒撞击。航天飞机比较脆弱因为它的性质它必须成功地进行再入。但是这些粒子,如果它们要撞击航天飞机或者国际空间站,通常会以10千米/秒的速度撞击,所以一个很小的粒子就能造成很大的破坏。

NTB:目前正在做些什么来保护这些航天器不被太空碎片损坏?未来是否正在开发新的技术来提供更好的保护?

约翰逊:这取决于交通工具。我们正在努力设计更坚固的机器人航天器。我们可以屏蔽大约1厘米大的粒子,尽管大多数机器人航天器没有这么大的屏蔽。

对航天器的主要近期保护是新的轨道碎片的限制。美国和国际航空航天界已经制定了具体的轨道碎片缓减措施。但在可能的情况下,航天器的设计可以改进,以防止高达1厘米的粒子。对于大于10厘米的粒子,如空间监测网跟踪的粒子,避碰机动是主要的保护措施。就在去年,整个空间站都绕着一块碎片飞行。至于其他对策,都取决于你如何驾驶飞行器。碎片通常来自特定的方向,所以如果你把更敏感的部件远离那个方向,你就有更好的生存机会。

NTB:美国国家航空航天局是否正在研究一项新技术,以减少目前漂浮在太空中的太空碎片数量,以及防止未来的任务变成更多的太空碎片?

约翰逊:好吧,我们在看a,但我们现在还做不到,我们肯定做得非常非常好。这意味着我们一直在寻找修复太空环境的方法,但这是一个重大的技术挑战和经济挑战。国际宇航科学院正在完成一项关于近地空间环境修复概念的全面研究。当这项研究完成后,NASA将重新评估碎片清除方案,但迄今为止,还没有发现既在技术上可行,又在经济上可行的技术。一旦碎片进入轨道,就很难找到上升和移除碎片的方法,所以美国宇航局和国际社会在过去的10到20年里一直专注于更好的操作和更好的飞行器设计,这样我们就不会产生不必要的碎片。

NTB: 2008年7月,您因对“霜冻行动”的贡献获得了国防部联合荣誉文职服务奖。“霜冻行动”是在美国国家侦察局失控的卫星USA-193撞击地球之前拦截并摧毁了它。跟我们说说烧伤霜行动你在其中扮演了什么角色。

约翰逊:“烧霜”行动是为了减轻一艘受损的国防部航天器带来的威胁,该航天器载有即将重新进入大气层的危险物质,这些物质的成分可能会撞击地球表面。我是美国国家航空航天局(NASA)一个大型政府跨部门小组的代表,该小组负责评估卫星对地球上的人构成的威胁,以及减轻这种威胁的方法。美国国家航空航天局以各种方式为这一努力做出了贡献。我们证实了宇宙飞船的推进剂燃料箱,里面有大量冰冻的、危险的联氨,可以在重返大气层时不受控制地存活下来,可能会导致多人受伤或死亡。美国国家航空航天局还在确定人类伤亡概率方面发挥了主要作用。如果总统命令飞船在再入之前启动,美国宇航局将评估由此产生的短命轨道碎片对国际空间站、航天飞机和其他美国宇航局资产的风险。我每天都和跨部门小组一起工作,访问奥马哈的美国战略司令部,会见总统的科学顾问,并参加白宫的国家安全委员会的副会议。由于我的努力,我获得了NASA局长颁发的NASA杰出服务奖章和参谋长联席会议主席颁发的联合优秀文职服务奖。

NTB:那是我们第一次尝试用地面发射的导弹拦截太空碎片吗?

约翰逊:是的,这实际上是我们第一次拦截到太空碎片。早在1985年,美国首次也是唯一一次对空中发射反卫星系统进行测试,目标是国防部的一颗名为索尔风(Solwind)的卫星,这颗卫星当时正在运行;因此,它不是一块轨道碎片。

NTB:我想这更有挑战性。

约翰逊:当然是。实际上,在交战的六周前,美国没有能力与卫星交战。我们必须完全重新配置硬件和软件来实现这一点。

新tb:这样做到底需要什么?你怎么对这样的事情反应这么快?

约翰逊:这是一次非凡的行动。我真的不能告诉你细节,但是你会被来自全国各地的人们的奉献精神和辛勤工作所打动,他们来自所有的服务机构,来自平民社区,他们为实现这一目标付出了努力。

NTB:我肯定会的,因为大多数人认为政府机构倾向于陷入官僚主义。你能迅速调动起来,成功地解决问题,这是一件很了不起的事。

约翰逊:我在政府工作了将近40年,我从未见过有人像这次一样,把书扔到窗外,把工作做得这么好。

NTB:最后,太空垃圾会对地球上的人造成多大的风险?

约翰逊:真的没有那么大的风险。平均来说,每天大约有一个被编目的物体重新进入地球的大气层。大部分在大气中燃烧殆尽。那些可能有幸存成分的东西通常会落入水中,或在一些荒凉的地区,如西伯利亚,加拿大苔原,或澳大利亚内陆。迄今为止,还没有人被返回地球的残骸所伤。

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这篇文章首次发表在2009年5月的NASA技yabovip16.com术简介杂志。

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