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由48節AA電池和20美元的微處理器衛星展示了一種低成本減少太空垃圾的方法
衛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計和制造，于去年5月由SpaceX火箭發射到太空。
常識表明，太空任務只有在數百萬美元的預算、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。
但來自布朗大學的一組工程專業學生徹底改變了這一假設。
他們用很少的預算和在大多數五金店都能買到的現成材料制造了一顆衛星。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星送入太空。
現在，美國空軍航天司令部對數據的一項新分析表明，這顆衛星不僅成功運行，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成潛在危險。
據美國宇航局稱，美國國防部的全球太空監視網絡目前正在跟蹤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、廢棄的發射級運載火箭、與任務相關的碎片和碎片碎片。它還包括在任務完成后仍在軌道上運行數十年的報廢衛星。
布朗大學工程學副教授里克·弗利特(Rick Fleeter)說，考慮到大多數衛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，設計和建造他們自己的衛星發射到太空時，他們決定設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。根據最初的數據，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，幫助衛星更快地返回地球。事實上，這顆衛星遠遠低于與它一起部署的其他小型設備。例如，3月初，這顆衛星距離地球約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月初部署的其他設備相比低了多少。來源：布朗大學
“你可以從跟蹤數據中看到，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，我們的衛星已經在向重返大氣層的方向下降，而其他衛星仍然在更高的圓形軌道上運行。”
數據顯示，這顆名為SBUDNIC的學生衛星將在五年內脫離軌道，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，他們對公開跟蹤數據的初步分析證明，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被廣泛接受。”“這次任務更多地展示了你如何實現它——如何建立一個機制來實現它，以及你如何做到這一點，使它變得輕巧、小巧和負擔得起。”
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。這顆衛星的名字取自第一顆繞地球軌道運行的人造衛星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計和建造的第二顆被送入軌道的小衛星。上一顆衛星EQUiSat在結束任務之前繞地球飛行了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。這顆由學生設計的立方體衛星的總成本約為1萬美元。
弗利特說:“我們在新聞中聽到的大型復雜太空任務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。”“在這里，我們為更多的人打開了這種可能性……我們沒有打破所有的障礙，但你必須從某個地方開始。”
卡普頓聚酰亞胺拖曳帆，連接到SBUDNIC衛星，有助于推動衛星早日返回地球。
由布朗大學的學生設計
這顆衛星是由大約40名學生在一年的時間里設計和建造的，其中一半來自布朗大學工程學院，其他人來自經濟學、國際關系和雕塑等不同領域。它始于2021年春季弗利特教授的《ENGN 1760:空間系統設計》課程。
意大利航空航天公司D-Orbit接近SpaceX的獵鷹9號火箭，該火箭將在一年內發射一顆衛星。弗利特轉向他的學生，他們剛剛聽了他們第一次關于太空系統設計的研討會，并向他們展示了這個機會。
從那時起，比賽開始了。
學生們從構想和設計衛星的各個子系統開始，經常與工業顧問合作，后者就其建議的可行性提供反饋和工程指導。然后，學生們將他們的計劃付諸行動，管理衛星的技術方面，并協調行政工作。持續的原型設計、測試和改進需要學生花費大量的時間和腦力。
“布朗設計工作室在凌晨4點非常安靜，我在這段時間去過那里的次數已經數不清了，”去年從布朗大學畢業、獲得生物醫學工程碩士學位、曾擔任SBUDNIC總工程師的馬可·克羅斯(Marco Cross)說。
學生們在當地商店和在線零售網站購買所需的材料。為了讓衛星在太空中生存，他們經常不得不設計一些巧妙的變通方法。克羅斯說，這種方法通常意味著要設計出能夠復制太空特定環境條件的測試設備，比如火箭發射時產生的高振動。例如，該團隊在真空室中使用爬行動物加熱燈來測試他們為保護衛星電子設備免受太陽照射而設計的熱屏蔽。
為了獲得發射許可，這顆衛星必須通過資格測試，并滿足SpaceX和NASA遵守的嚴格規章制度。“這是一個零容忍失敗的環境，”克羅斯說。“團隊從未動搖過。”
在經過一系列真空、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造者和革新者，而這種根深蒂固的經驗教訓，他們將在未來很好地利用。
“我繼續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，并對我的本科經歷產生了極大的影響。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的經驗，離開了這個領域。我們在整個行業都有SBUDNIC校友，從攻讀博士學位到在SpaceX工作的工程師。”
除了在會議上展示他們的發現并將數據提交給出版物外，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新者，并讓高中生更多地意識到空間工程和設計中存在的機會。
編輯：黃飛
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