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新的激光技术识别空间碎片的构成

时间:2021-10-22 12:55:50 来源:

航空航天工程师已经开发了一种名为激光偏振基的激光传感技术,不仅可以破译,而且不仅可以在哪里破译,而是什么样的空间垃圾可能会传播开销。

数百万件空间垃圾绕行地球,从旧火箭涂料的芯片,太阳能电池板的碎片,以及整个死卫星。这款高科技碎屑云在每小时约17,500英里的地球周围旋转。在这些速度下,甚至像鹅卵石一样小的垃圾可以鱼雷来传递航天器。

美国宇航局和美国国防部正在使用地面望远镜和激光雷达(Ladars)来追踪超过17,000个轨道碎片物体,以帮助防止与操作任务的碰撞。这种拉长在目标物体上发光高功率激光,测量激光脉冲返回地球所需的时间,以便在天空中定位碎片。

现在,来自麻省理工学院的航空航天工程师已经开发了一种激光传感技术,不仅可以破译,而且不仅可以破译,而且垃圾的空间垃圾可能会传递开销。例如,可以使用称为激光偏振基的技术来辨别一块碎片是裸金属还是用涂料覆盖。差异是,工程师说,可以帮助确定对象的质量,动量和销毁潜力。

“在太空中,事情往往会随着时间的推移分手,在过去的10年里有两次主要碰撞,这在碎片中造成了相当大的尖峰,”麻省理工学院航空公司的前研究生Michael Pasqual说:Michael Pasqual说。“如果你能用一块碎片,你可以知道它是多么繁重,并且随着时间的推移或者击中别的东西。”

洛里卡·凯恩(Kerri Cahoy)的航空航天职业发展副教授以及麻省理工学院的地球部,大气和行星科学部的副教授表示,该技术可以轻松地在目前监测轨道碎片的现有地下基础系统上实现。

“[政府机构]想知道这些碎片的碎片在哪里,所以他们可以致电国际空间站,并说,'大块碎片来到你的方式,射击你的推进者,让自己搬家,这样你就可以了,所以你很清楚,” Cahoy说。“迈克以某种方式提出,在那里,随着光学元件的一些修改,他们可以使用相同的工具来获得有关这些材料的更多信息。”

PASQUAL和CAHOY已在航空航天和电子系统上的IEEE交易期刊上发表了结果。

看到签名

该团队的技术使用激光来测量材料对光的偏振状态的影响,这是指光的振荡电场反射材料的偏振。例如,当太阳光线反射橡胶球时,进入的光的电场可以垂直振荡。但是球表面的某些特性,例如其粗糙度,可能导致它以水平振荡反射,或者以完全不同的取向反射。相同的材料可以具有多种偏振效应,这取决于光击中它的角度。

PASQUAL推理的是,诸如涂料的材料可以具有不同的极化“签名”,其反映与不同于例如裸铝的图案不同的模式中的激光光。因此,偏振签名可能是科学家识别空间中眶碎片组成的可靠方式。

为了测试这个理论,他设置了一个台式偏振仪 - 一种衡量许多不同角度的装置,当它反射偏离材料时激光的极化。该团队使用了波长为1,064纳米的高功率激光束,类似于现有地基拉德尔的激光器跟踪轨道碎片。激光被水平极化,意味着它的光沿水平面振荡。然后使用偏振滤波光学和硅探测器来测量反射光的偏振状态。

通过太空垃圾筛选

在选择要分析的材料时,PASQUAL采摘六种常用于卫星:白色和黑色涂料,铝,钛和kapton和teflon - 两个用于屏蔽卫星的薄膜状材料。

“我们认为他们非常代表你在太空碎片中找到的东西,”Pasqual说。

他将每个样品放置在实验装置中,该样品被电动所以可以在不同的角度和几何形状中进行测量,并测量其极化效应。除了反射具有相同偏振的光作为入射光外,材料还可以展示其他陌生的偏振行为,例如旋转光的振荡略微旋转 - 一种被称为延迟的现象。PASQUES确定了16个主要偏振态,然后注意到,它产生了作为其反射激光而表现出的给定材料。

“铁氟龙有一个非常独特的财产,当你用垂直振荡闪耀激光时,它会吐出一些光线角度,”Pasqual说。“并且一些涂料具有去极化,其中材料将吐出垂直和水平状态的相同组合。”

每种材料都有一种以足够的独特的偏振签名,以将其与其他五个样本区分开。PASQUAL认为其他航空航天材料,例如各种屏蔽膜,或用于天线,太阳能电池和电路板的复合材料,也可能表现出独特的极化效应。他的希望是科学家可以使用激光偏振基来建立具有独特偏振签名的材料库。通过将某些过滤器添加到现有地面的Ladars上的激光器,科学家可以测量通过碎片的偏振状态,并将它们与签名库匹配以确定对象的组成。

“地面上已经有很多设施来跟踪碎片,”Pasqual说。“这种技术的重点是,当您这样做时,您可能会在探测器上放置一些过滤器,检测极化变化,并且它可以帮助您推断材料的偏振功能。你可以免费获得更多信息。“

部分由MIT林肯学者计划支持这项研究。

出版物:Michael C. Pasqual和Kerri L. Cahoy,“识别和表征空间碎片的主动偏振测量”,IEEE,2017; DOI:10.1109 / TAES.2017.2711718


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