Tác giả: Guglielmo S. Aglietti
Khoa Cơ khí, Đại học Auckland, Auckland, New Zealand
(dịch bởi TS. Nguyễn Quang, Cơ quan phát triển Liên Hợp Quốc)
Nhập Đề
Với việc phóng tàu vũ trụ Sputnik vào không gian năm 1957 và sự khởi đầu sau đó của kỷ nguyên hàng không vũ trụ, một mặt, sự tiến bộ của Công nghệ Hàng không Vũ trụ đã dẫn đến sự phát triển của hàng trăm ứng dụng (Pelton và cộng sự, 2017) sử dụng dữ liệu vệ tinh, bao gồm các thiết bị sử dụng hàng ngày, từ truyền hình vệ tinh đến ứng dụng dẫn đường (Satnav or Satellite Navigator/GPS) trên ô tô của chúng ta. Mặt khác, nó đã củng cố tiến bộ khoa học trong lĩnh vực Khoa học về Trái đất và Khí quyển cũng như trong Thiên văn và Vật lý thiên văn. Xin nhắc lại một số đóng góp đáng kể nhất từ lĩnh vực này, đó là các phép đo từ vệ tinh cho thấy mức độ suy giảm tầng ôzôn trong khí quyển và việc xác nhận sự tồn tại của các hành tinh ngoài ngoài Hệ Mặt Trời và các lỗ đen, trong số nhiều tiến bộ khoa học khác.
Những tiến bộ đạt được nhanh chóng trong Công nghệ Hàng Không Vũ trụ đã dẫn đến những thành tựu phi thường cho cả nhân loại, chẳng hạn như việc tàu vũ trụ hạ cánh xuống bề mặt Mặt trăng.
Đồng thời, những phi vụ không gian này đã cung cấp hình ảnh mang tính biểu tượng mạnh mẽ cho nhân loại, và những bức ảnh như Blue Marble (hình ảnh Trái Đất nhìn từ không gian – Wuebbles, 2012 ) đã trở thành biểu tượng được công nhận trên toàn thế giới về hành tinh của chúng ta cũng như môi trường độc đáo và tài nguyên hữu hạn của Trái Đất chúng ta.
Mặc dù những tiến bộ ngoạn mục trong Công nghệ Không gian đã chậm lại vào cuối thế kỷ trước, cùng với tiến bộ của toàn ngành Hàng không Vũ trụ, vẫn có những thành tựu rất quan trọng trong lĩnh vực này. Các thành tựu này bao gồm sự phát triển của Trạm Vũ trụ Quốc tế (International Space Station) và sự khám phá dùng robot đối với các hành tinh và thiên thể khác, bao gồm cả việc tàu vũ trụ hạ cánh lên một sao chổi!
Từ nhiều năm nay, không gian thường được coi là biên giới mới, thúc đẩy trí tưởng tượng của các nhà văn và đạo diễn phim, những người đã tạo ra một cái nhìn (ít nhiều hợp lý) về một tương lai được kích hoạt bởi những phát triển tuyệt vời trong công nghệ Hàng không Vũ trụ.
Tuy nhiên, phù hợp với những gì lịch sử đã cho chúng ta thấy, thực tế là, sau giai đoạn đầu “khám phá” môi trường mới và tập hợp các công nghệ liên quan, điều tiếp theo là sự bùng nổ của các doanh nghiệp để khai thác các cơ hội mới do ngành Hàng không Vũ trụ mang lại. Đối với ngành Hàng không Vũ trụ giai đoạn hiện nay đôi khi được gọi là Không gian 4.0, chúng ta đang ở trong một thời kỳ chứng kiến sự dịch chuyển của các mô thức, với những thay đổi về động cơ tâm lý (motivation), người tham gia và công nghệ ( PWC Report, 2019 ).
Không gian mới và nhu cầu về khung pháp lý phù hợp
Dưới tên “Không gian mới” (“New Space” 1 ) , có một “cuộc cách mạng” đang diễn ra trong lĩnh vực Hàng không Vũ trụ với những người chơi / doanh nhân thương mại / doanh nghiệp mới ( Hall, 2020 ) tham gia vào một lĩnh vực thường được chiếm lĩnh bởi các định chế truyền thống (ngược với “Không gian cũ”-“Old Space”, ví dụ của định chế này là các cơ quan về Hàng không vũ trụ đang làm việc với các công ty lớn) để khai thác những cơ hội mới đang mở ra trước mắt họ. Đó có thể bao gồm các dịch vụ mới, được cung cấp thông qua các ứng dụng dữ liệu không gian (từ định hướng/nông nghiệp chính xác, giám sát mục tiêu, theo dõi môi trường Trái đất, v.v.), đến các cơ hội trong tương lai, chẳng hạn như du lịch vũ trụ hoặc khai thác tài nguyên tiểu hành tinh. Các doanh nhân thành công từ các lĩnh vực khác, từ Richard Branson ở Anh đến Elon Musk ở Mỹ, đã bước vào lĩnh vực “không gian”, chấp nhận rủi ro và thách thức tính bảo thủ của mô hình kinh doanh “Không gian cũ” đã được thiết lập.
Đây là nơi chúng ta có thể xác định thách thức đầu tiên và rút ra bài học từ lịch sử, ngăn không gian trở thành “miền tây hoang dã” vô luật pháp, nơi những kẻ mạnh nhất có thể lợi dụng. Bài học này nên áp dụng cho Quỹ đạo Trái đất Thấp (Low Earth Orbit-LEO), nơi khung pháp lý hiện tại cần được phát triển và thực thi nhiều hơn nữa để quản lý “lưu lượng giao thông không gian” ngày càng tăng ( Cukurtepe and Akgun, 2009; Lal et al., 2018) (để ngăn chặn sự nhiễu loạn hoặc va chạm giữa các tài sản của các nhà khai thác khác nhau), cũng như cho việc thăm dò và khai thác liên hành tinh, trên Quỹ đạo Trái đất Trung bình (Medium Earth Orbit-MEO) hoặc Quỹ đạo Địa tĩnh (Geosynchronous Earth Orbit-GEO). Thật vậy, các quy định mới cần được triển khai theo các hiệp ước và nguyên tắc đã được thiết lập (ví dụ: “Hiệp ước ngoài không gian”- “Outer Space Treaty” hoặc “Công ước về trách nhiệm quốc tế đối với thiệt hại do các vật thể trong không gian gây ra”- “Convention on International Liability for Damage Caused by Space Objects”).
Trong các lĩnh vực mà khung pháp lý thích hợp đã đi vào hoạt động và phần lớn được tất cả các bên liên quan tuân theo, như lĩnh vực viễn thông vệ tinh ( ITU, 2012 ), thách thức trở thành việc bắt kịp với tiến bộ công nghệ và sự phát triển của thị trường ( Morozova và Vasyanin, 2019 ). Đi cùng với thách thức là cơ hội để phát triển các quy định mới thúc đẩy tiến bộ công nghệ hơn nữa.
Vấn đề về phổ tần số vô tuyến quá dày đặc, cũng như tính bền vững của môi trường không gian đang bị đe dọa bởi số lượng các mảnh vỡ không gian ngày càng tăng, phải được giải quyết. Các giải pháp được chấp nhận cho các bên liên quan khác nhau (từ tổ chức thương mại đến các thực thể chính trị) phải được đưa ra và quan trọng nhất là phải được thực hiện.
Các hoạt động trong không gian không thể được thực hiện trong phạm vi biên giới của một quốc gia và có khả năng ảnh hưởng đến tài sản hoặc các khu vực của hành tinh vượt quá thẩm quyền của quốc gia phóng vệ tinh hoặc quốc gia đăng ký điều hành vệ tinh. Do đó, khung pháp lý quốc tế nên được ưu tiên rõ ràng hơn so với các quy định quốc gia và nên hạn chế khả năng của các quốc gia sử dụng các quy định ít nghiêm ngặt hơn như một phương tiện để thu hút doanh nghiệp nước ngoài. Đồng thời, cần cân nhắc phương cách làm thế nào để thực thi ở cấp độ quốc tế các quy tắc và quy định đã thỏa thuận.
Thật vậy, việc phát triển các quy tắc và quy định phải được giảm thiểu để tránh những hạn chế không cần thiết kìm hãm các doanh nghiệp mới, và luật không gian nên bảo vệ quyền tự do đưa ra các ý tưởng mới và triển khai các ứng dụng mới. Do đó, thách thức nằm trong việc cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này: một khuôn khổ pháp lý bảo vệ các bên liên quan, lợi ích của các quốc gia với một bên là quyền con người trong hiện tại và tương lai, và bên kia là quyền tự do phát triển và khai thác công nghệ mới.
Những thách thức kỹ thuật
Hệ thống tên lửa đẩy
Ngày nay, với những thách thức nhiều hơn về mặt kỹ thuật, hiệu suất của hệ thống tên lửa đẩy là một trở ngại đáng kể cần vượt qua trong lĩnh vực hàng không vũ trụ ( Turner et al., 2009).
Bắt đầu với các phương tiện phóng, khả năng của chúng (cụ thể là tải trọng và lực đẩy) về cơ bản đã không thay đổi, vì chỉ có những tiến bộ tương đối nhỏ đã đạt được trong những thập kỷ qua. Thật vậy, vật liệu đã được cải thiện với sự ra đời của nhựa tổng hợp (composite) có tính chất cơ học vượt trội hơn nhiều so với các hợp kim điển hình được sử dụng vào đầu kỷ nguyên vũ trụ. Kỹ thuật thiết kế và sản xuất cũng đã được cải thiện, với sự tiến bộ trong mô phỏng phần mềm được hỗ trợ bởi sự phát triển vượt bậc của sức mạnh máy tính hoặc các phương pháp sản xuất mới như in 3D (Additive manufacturing-3D printing). Hệ thống dẫn đường và điều khiển cũng đã được cải thiện nhờ những tiến bộ trong lĩnh vực điện tử và phần mềm. Tuy nhiên, bên cạnh sự thúc đẩy hướng tới các động cơ đẩy xanh-thân thiện với môi trường ( Gohardani et al., 2014), không có thay đổi gì đáng kể trong hiệu suất của động cơ đẩy dùng nhiên liệu rắn hoặc lỏng và trong các công nghệ liên quan đóng vai trò quan trọng trong khả năng phóng tổng thể ( Devezas, 2018). Các bệ phóng có thể tái sử dụng đang được một số công ty sử dụng để giảm chi phí hoặc tăng tần suất phóng và không thể phủ nhận rằng chi phí đã giảm dần, mặc dù điều này phần lớn là do sự kết hợp giữa chính sách của các quốc gia và lực lượng thị trường, nhưng cơ hội tiếp cận không gian với chi phí vừa phải vẫn chưa đạt được.
Trong thời gian xa hơn, thách thức là phát triển và triển khai các công nghệ, chẳng hạn như động cơ tên lửa thở khí siêu thanh (hypersonic air breathing rocket engines) 2 , được sử dụng trong các bệ phóng lai ghép (hybrid) để cắt giảm nhu cầu vận chuyển một lượng lớn oxy như bởi các phương tiện hiện nay. Cũng nên phát triển các phương tiện có thể cất cánh và hạ cánh như máy bay mà không cần dịch vụ rộng rãi và tốn kém giữa các phi vụ. Tương tự, động cơ đẩy trong không gian mang lại cơ hội cải tiến, đặc biệt là trên các hệ thống động cơ đẩy điện mà đó cũng là các hệ thống lai ghép sử dụng các chế độ hoạt động khác nhau ( Levchenko et al., 2020 ).
Hiệu suất của hệ thống động cơ đẩy cũng là yếu tố cơ bản đối với các nhiệm vụ liên hành tinh về việc cho phép di chuyển nhanh hơn và tải trọng lớn hơn khi cần. Những hạn chế hiện nay của chúng ta trong việc khám phá hệ mặt trời có người lái chủ yếu là do thời gian di chuyển, có liên quan trực tiếp đến mức hiệu suất có sẵn từ các hệ thống đẩy hiện có. Tương tự, hiệu suất của hệ thống đẩy hạn chế khả năng thăm dò và khai thác của chúng ta (cũng như đối với các hoạt động của robot) vì nó là một hạn chế đáng kể đối với khối lượng tải trọng có thể được vận chuyển đến / từ các thiên thể khác một cách an toàn.
Bảo vệ con người
Liên quan chặt chẽ đến hoạt động khám phá của con người là sức khỏe và y học khi đang ở trong không gian ( Hodkinson et al., 2017 ), để cho phép con người chịu được điều kiện môi trường không gian trong thời gian dài, và tạo ra môi trường sống nhân tạo trong không gian và trên các hành tinh khác để hỗ trợ chất lượng cuộc sống hợp lý của con người. Thách thức ở đây bao gồm việc tạo ra một môi trường nhân tạo tổng thể để hỗ trợ cuộc sống cũng như sức khỏe thể chất và tinh thần của con người, với phương tiện bảo vệ chống lại những tác động tiêu cực của môi trường không gian ( Grimm, 2019). Cho dù chúng ta đang xem xét một con tàu vũ trụ để du hành không gian đường dài hay một nền tảng không gian cho con người sinh sống quy mô lớn hoặc xâm chiếm một hành tinh khác, vẫn còn bề bộn nhiều thách thức. Những thách thức bộn bề này bao gồm nhu cầu tạo ra các hệ thống khép kín hiệu quả để bổ sung tài nguyên và giảm thiểu chất thải, với mục tiêu chung là tạo ra một hệ sinh thái nhân tạo để hỗ trợ lâu dài cho cuộc sống con người 3.
Một khía cạnh khác của nhu cầu bảo vệ và bảo tồn sự sống của con người là vấn đề bảo vệ hành tinh của chúng ta ( Simpson, 2015 ).
Các vật thể Gần-Trái đất như tiểu hành tinh hoặc sao chổi có thể gây ra mối đe dọa đáng kể. Mặc dù các vật thể nhỏ hơn (chẳng hạn như thiên thạch) va vào hành tinh của chúng ta hàng ngày và chủ yếu bốc cháy trong khi di chuyển qua bầu khí quyển, một số vật thể lớn hơn có thể không cháy hết và va vào bề mặt Trái đất với năng lượng đáng kể. Hầu hết các miệng núi lửa được tạo ra bởi các vật thể lớn hơn khi va vào Trái đất kể từ thời sơ khai của nó đã bị xóa bỏ bởi các quá trình địa chất của hành tinh, nhưng vẫn có hàng chục miệng núi lửa lớn vẫn còn nhìn thấy được (một ví dụ tuyệt vời là miệng núi lửa Barringer Meteor Crater rộng 1 km ở Arizona, được hình thành cách đây ~ 50.000 năm do tác động của một vật thể kim loại có đường kính ~ 50 m đến từ không gian) như một lời nhắc nhở rằng những vụ va chạm này vẫn có thể xảy ra. Tùy thuộc vào kích thước của vật thể (có thể có đường kính từ vài trăm mét tới vài trăm kilomét) và vị trí của vụ va chạm, hậu quả có thể từ thiệt hại tương đối nhỏ, đến một thảm họa lớn có thể hủy diệt sự sống trên các vùng rộng lớn của hành tinh, nếu không muốn nói là toàn bộ sự sống. May mắn thay, xác suất của những sự kiện này là rất thấp, nhưng hậu quả của chúng là rất lớn, do đó, các chiến lược giảm thiểu thích hợp phải được phát triển. Tất cả các tổ chức hàng không vũ trụ lớn (NASA, ESA, v.v.) đã chú ý đến vấn đề này (Office Of Audits, 2014) như Phi vụ tác động tiểu hành tinh ESA (ESA Asteroid Impact Mission-AIM) và dự án Thử nghiệm chuyển hướng tiểu hành tinh kép của NASA (NASA Double Asteroid Redirection Test- DART), và Liên Hợp Quốc đã thực hiện các bước hiệu quả để cải thiện sự phối hợp, thành lập Mạng lưới cảnh báo tiểu hành tinh quốc tế (International Asteroid Warning Network) và Nhóm tư vấn hoạch định sứ mệnh không gian (Space Mission Planning Advisory Group-SMPAG). Tuy nhiên, vì đây là một mối đe dọa toàn cầu, nên cần có mức độ phối hợp và tích hợp quốc tế cao hơn các nỗ lực của các thực thể quốc gia đơn lẻ để tạo ra một phản ứng chung hiệu quả. Nếu mối đe dọa về sự tác động thảm khốc từ một tiểu hành tinh lớn có thể trở thành hiện thực, thế giới không thể có một phản ứng hỗn loạn và rời rạc, như đã từng xảy ra với các cuộc khủng hoảng toàn cầu trong quá khứ (hay như đại dịch Covid-19 hiện nay). Thời gian có hạn nên các kế hoạch phải được chuẩn bị và thống nhất, sẵn sàng hành động để đưa ra phản ứng kịp thời và thực thi các phi vụ cần thiết.
Từ góc độ kỹ thuật, bên cạnh những thách thức để cải thiện khả năng phát hiện và dự đoán tác động tiềm ẩn, việc phát triển và thử nghiệm các phương pháp và công nghệ để làm chệch hướng một vật thể lớn (vì đây dường như là phương pháp can thiệp thực tế và hiệu quả nhất) phải tiến triển đến mức có thể được triển khai với mức độ tin cậy cao vào sự thành công của nó.
Môi trường Trái đất
Theo chủ đề bảo vệ Trái đất, biến đổi khí hậu là một mối đe dọa đáng kể đối với môi trường của chúng ta với những hậu quả thảm khốc tiềm tàng và là một lĩnh vực mà Công nghệ vệ tinh có thể giúp giải quyết thách thức ( Brünner et al., 2018 ). Trên quy mô toàn cầu, vệ tinh cung cấp thông tin khách quan để theo dõi môi trường, phát triển và xác nhận các mô hình cải thiện khả năng dự báo của chúng ta. Nhưng cần phải nỗ lực nhiều hơn trong việc tạo ra thông tin hữu dụng liên quan đến các nhu cầu và vấn đề cụ thể, sử lý lượng dữ liệu khổng lồ thành những cách diễn giải đơn giản hơn cho việc phổ biến thông tin đại chúng.
Thị trường Quan sát Trái đất (Earth Observation-EO) của tổ chức và tư nhân đều đòi hỏi không ảnh với độ phân giải và độ bao phủ rất cao, cũng như thời gian đánh giá ngắn với mục đích đạt được Quan sát Trái đất theo thời gian thực. Thực tế có hàng trăm ứng dụng từ giám sát đến theo dõi thiên tai và quản lý tài nguyên, nhưng các ứng dụng này vẫn có mức độ chấp nhận thị trường tương đối thấp. Điều này trở nên rõ ràng nếu chúng ta so sánh lĩnh vực quan sát trái đất từ vệ tinh với lĩnh vực viễn thông vệ tinh, khi trong lĩnh vực sau có rất nhiều công ty thương mại thuần túy hoạt động (không có sự hỗ trợ của các định chế) trong thị trường do người dùng điều khiển trong khi đó thị trường EO vẫn thường hoạt động dưới ngân sách của các định chế. Có một xu hướng rõ ràng hướng tới thương mại hóa lĩnh vực EO được thúc đẩy bởi các vệ tinh có kích thước nhỏ hơn và rẻ hơn ( Rycroft và Crosby, 2013), và một số công ty cung cấp các giải pháp giảm giá thành nhưng vẫn hứa hẹn hiệu suất có thể chấp nhận được về mặt kỹ thuật, với mức giá mà thị trường có thể chịu được. Tuy nhiên, có sự cạnh tranh rất cao trong một thị trường vẫn còn có quá ít khách hàng.
Công nghệ không gian chi phí thấp
Sự dân chủ hóa và thị trường hóa không gian này thể hiện rõ ràng trong sự tăng trưởng của thị trường CubeSat (một loại vệ tinh nhỏ hình khối lập phương, Davoli et al., 2019). Tại đây, phần cứng vệ tinh có sẵn với giá thấp đến mức nó đã thu hút ngày càng nhiều khách hàng (từ các Cơ quan Hàng không Vũ trụ đến các tổ chức như trường đại học và trường học), từ đó cho phép tạo ra các công ty khởi nghiệp và các công ty sau chia tách. Tuy nhiên, hiệu quả của các hệ thống CubeSat này rất hạn chế và thường là do kích thước nhỏ của chúng (ví dụ: kích thước của thiết bị quang học sẽ giới hạn độ phân giải có thể đạt được, hoặc kích thước của các tấm pin mặt trời sẽ giới hạn lượng điện năng có thể sinh ra). Điều này đã dẫn đến việc phát triển các cấu trúc có thể khai triển được để gom bó các phần tử liên quan thành các khối nhỏ (tương thích CubeSat) và sau đó khai triển (kiểu nở bung) chúng trong không gian để đạt được mức hiệu quả cần thiết. Đôi khi, các khối cubesat nhỏ kiểu cánh buồm kéo (Drag Sails, Underwood et al., 2019) được dùng như những minh chứng cho các ứng dụng nhắm vào các vệ tinh lớn hơn.
Có những vấn đề kỹ thuật khác ảnh hưởng đến tất cả các vệ tinh khối lượng nhỏ hơn, không chỉ các vệ tinh hình khối lập phương CubeSat, và đặt ra những thách thức đáng kể, như nhu cầu đạt được độ ổn định cao của nền tảng. Điều này rất quan trọng đối với tất cả các phi vụ hỗ trợ các tải trọng quang học có có độ phân giải cao (ví dụ: máy ảnh / kính viễn vọng hoặc hệ thống truyền thông laser có độ phân giải cao) hoặc các thiết bị đòi hỏi sự ổn định cho các loại phép đo quán tính. Vấn đề nằm ở việc giảm thiểu các rung động vi mô được tạo ra bởi các thiết bị thiết yếu trên vệ tinh ( Remedia et al., 2015), và điều đó có thể, ví dụ, tạo ra các dao động không thể chấp nhận được của đường ngắm. Vấn đề này nghiêm trọng hơn đối với vệ tinh nhỏ hơn vì có khối lượng (quán tính) thấp hơn, điều này làm giảm mức độ rung một cách tự nhiên. Thử nghiệm và mô hình hóa trên trên mặt đất để dự đoán hiệu suất trong quỹ đạo vẫn còn chưa chính xác và các ứng dụng thực tế dựa vào việc sử dụng biên độ lớn hơn là các mô hình chính xác. Việc kiểm soát chủ động các rung động vi mô vẫn còn rất khó khăn và quá tốn kém để thực hiện, đặc biệt là ở thị trường cấp thấp hơn, nơi dự kiến tăng trưởng nhiều nhất.
Xét về hiệu quả tổng thể, khả năng của các cubesat thường được thổi phồng quá mức cho những người chưa có kinh nghiệm, và vẫn tồn tại nhu cầu chung đối với các sản phẩm chất lượng cao hơn với phần cứng vẫn giữ được giá cả phải chăng.
Cấu trúc không gian lớn
Ở đầu kia của dải phổ, đối lập với CubeSat về kích thước là Cấu trúc không gian lớn (Large Space Structures-LSS). LSS đã được xem xét và nghiên cứu trong nhiều thập kỷ, nhưng tiến bộ thực sự rất chậm.
Khả năng triển khai LSS là một yếu tố khác, tương tự như những tiến bộ trong động cơ đẩy, sẽ cho phép một loạt các ứng dụng, nhưng khả năng này đặt ra một loạt thách thức đáng kể phụ thuộc vào từng lĩnh vực cụ thể.
Một mặt, có các công cụ như kính thiên văn, máy ảnh và ăng-ten đòi hỏi bề mặt phản xạ có độ chính xác cao và có diện tích lớn (> 10 m). Ở đây, các phương pháp hiện tại (ví dụ: dựa trên việc triển khai các gương được gia công và đánh bóng chính xác có vị trí và hình dạng có thể được điều chỉnh bằng một loạt các cơ cấu truyền động) bị giới hạn bởi kích thước và số lượng thành phần có thể được khai triển [ví dụ: Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST)4 ], và bởi tổng chi phí quá cao. Liên quan đến ăng-ten, một loạt các giải pháp khả thi đã được đề xuất, từ bơm hơi đến dùng cấu trúc căng thẳng (tensegrity structures), nhưng châu Âu vẫn cần phát triển một giải pháp thương mại phù hợp cho các ứng dụng hiện tại và tương lai. Nhìn chung, các công nghệ mới có trọng lượng nhẹ hơn sẽ phải được triển khai để tăng hiệu quả đóng gói mà không làm giảm chất lượng của tấm phản xạ.
Mặt khác, có những ứng dụng trong tương lai như Điện mặt trời vệ tinh (Satellite Solar Power)5 trong đó kích thước khổng lồ của kết cấu (tính bằng km vuông) là một thách thức, chứ không phải là độ chính xác hình học mà kết cấu lắp ráp phải đạt được. Phải đạt được trọng lượng cực nhẹ và hiệu xuất đóng gói cao, cũng như khả năng triển khai và lắp ráp trên quỹ đạo một cách hiệu quả nhất.
Dịch vụ trong quỹ đạo (In-Orbit Servicing-IOS) và việc loại bỏ các mảnh vỡ chủ động (Active Debris Removal-ADR)
Điều này đưa chúng ta đến những cơ hội được cung cấp bởi dịch vụ robot trên quỹ đạo và sự phát triển của các công nghệ linh hoạt có thể hỗ trợ các phi vụ đa năng. Những cơ hội này bao gồm việc bảo dưỡng và sửa chữa tiềm năng các vệ tinh hiện tại, để loại bỏ các mảnh vỡ lơ lửng gần vệ tinh. Đây không phải là những khái niệm mới, vì vào năm 1984, phi vụ tàu Space Shuttle Discovery STS-51-A đã mang trở lại Trái đất hai vệ tinh cũ không còn hoạt động (có thể là ví dụ đầu tiên về việc loại bỏ mảnh vỡ chủ động), và phi vụ tương tự của tàu con thoi Endeavour trong năm 1993 (và các phi vụ khác sau đó) đã cung cấp các bản sửa lỗi và dịch vụ thiết yếu cho Kính viễn vọng Không gian Hubble. Tuy nhiên, cơ hội ở đây là phát triển các công nghệ robot ( Wilde và cộng sự, 2019 ) có thể thực hiện các loại nhiệm vụ này ( Forshaw và cộng sự, 2016) với một phần nhỏ chi phí. Bản chất bất hợp tác của mục tiêu do ở dạng đang trao đảo, là thách thức đầu tiên đối với bất kỳ phương tiện tiếp cận nào phải gặp vật thể này. Các kỹ thuật ổn định mục tiêu và các thiết bị để bắt lấy mục tiêu một cách an toàn phải được phát triển (và tiêu chuẩn hóa) cũng như các cải tiến được thực hiện trong định hướng tương đối (định hướng dựa trên thị giác), phần cứng và phần mềm. Một số tiến bộ đã đạt được và một số thiết bị đã được thử nghiệm trên quỹ đạo ( Aglietti và cộng sự, 2020 ), nhưng chúng ta vẫn chưa có khả năng thực sự để thực hiện Loại bỏ mảnh vỡ chủ động hoặc bảo dưỡng trong quỹ đạo với đủ độ tin cậy và giá cả phải chăng.
Bài báo này đã mô tả một số thách thức mà lĩnh vực hàng không vũ trụ đang phải đối mặt, nhưng còn nhiều thách thức hơn nữa, và những thách thức này đi kèm với cơ hội cho những phát triển mới (ví dụ, những phát triển được cung cấp bởi các cấu trúc không gian đa chức năng ( Sairajan và cộng sự, 2016 ) hoặc các công nghệ như liên lạc liên vệ tinh lượng tử và quang học – Liao et al., 2017 ). Các giải pháp cho các vấn đề khác nhau trong thời gian tới sẽ được phát triển, sẽ tạo bước đệm cho các ứng dụng và các doanh nghiệp trong tương lai, mang lại lợi ích cho xã hội trên toàn thế giới.
Sự đóng góp của tác giả
Tác giả xác nhận là người đóng góp duy nhất cho tác phẩm này và đã chấp thuận cho xuất bản.
Xung đột lợi ích
Tác giả tuyên bố rằng nghiên cứu được thực hiện trong trường hợp không có bất kỳ mối quan hệ thương mại hoặc tài chính nào có thể được hiểu là xung đột lợi ích tiềm ẩn.
Chú thích
- ^ https://en.wikipedia.org/wiki/NewSpace (truy cập ngày 4 tháng 3 năm 2020)
- ^ https://en.wikipedia.org/wiki/SABRE (rocket_engine)
- ^ https://www.nasa.gov/content/life-support-systems
- ^ https://www.jwst.nasa.gov/content/observatory/ote/mirrors/index.html
- ^ Solar power satellites DM Flournoy, Springer, 2011 – books.google.com
Tham khảo
Aglietti, G. S., Taylor, B., Fellowes, S., Salmon, T., Retat, I., Hall, A., et al. (2020). The active space debris removal mission RemoveDebris. Part 2: in orbit operations. Acta Astron. 168, 310–32. doi: 10.1016/j.actaastro.2019.09.001
CrossRef Full Text | Google Scholar
Brünner, C., Königsberger, G., Mayer, H., and Rinner, A., (eds.) (2018). Satellite-Based Earth Observation Trends and Challenges for Economy and Society. Springer.
Cukurtepe, H., and Akgun, I. (2009). Towards space traffic management system. Acta Astron. 65, 870–878. doi: 10.1016/j.actaastro.2009.03.063
CrossRef Full Text | Google Scholar
Davoli, F., Kourogiorgas, C., Marchese, M., Panagopoulos, A., and Patrone, F. (2019). Small satellites and CubeSats: survey of structures, architectures, and protocols. Int. J. Satellite Commun. Netw. 37, 343–359. doi: 10.1002/sat.1277
CrossRef Full Text | Google Scholar
Devezas, T. C. (2018). Space propulsion: a survey study about current and future technologies. J. Aerosp. Technol. Manage. 10. doi: 10.5028/jatm.v10.829. [Epub ahead of print].
CrossRef Full Text | Google Scholar
Forshaw, J. L., Aglietti, G. S., Navarathinam, N., Kadhem, H., Salmon, T., Pisseloup, A., et al. (2016). RemoveDEBRIS: an in-orbit active debris removal demonstration mission. Acta Astron. 127, 448–463. doi: 10.1016/j.actaastro.2016.06.018
CrossRef Full Text | Google Scholar
Gohardani, A. S., Stanojev, J., Demairé, A., Anflo, K., Persson, M., Wingborg, N., et al. (2014). Green space propulsion: opportunities and prospects. Prog. Aerosp. Sci. 71, 128–149. doi: 10.1016/j.paerosci.2014.08.001
CrossRef Full Text | Google Scholar
Grimm, D. (2019). Guest edited collection: gravitational biology and space medicine. Sci. Rep. 9:14399. doi: 10.1038/s41598-019-51231-8
CrossRef Full Text | Google Scholar
Hall, M. (2020). Space Philosophies: Who, How, What?. Space Daily. Available online at: https://www.spacedaily.com/reports/NewSpace_Philosophies_Who_How_What_999.html
Hodkinson, P. D., Anderton, R. A., Posselt, B. N., and Fong, K. J. (2017). An overview of space medicine. Br. J. Anaesth. 119, i143–i153. doi: 10.1093/bja/aex336
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
ITU (2012). Regulation of Global Broadband Satellite Communications. Available online at: http://www.itu.int/ITU-D/treg/broadband/ITU-BB-~Reports_RegulationBroadbandSatellite.pdf
Lal, B., Balakrishnan, A., Caldwell, B. M., Buenconsejo, R. S., and Carioscia, S. A. (2018). Global Trends in Space Situational Awareness (SSA) and Space Traffic Management (STM). IDA Document D-9074 Science & Technology Policy Institute.
Levchenko, I., Xu, S., Mazouffre, S., Lev, D., Pedrini, D., Goebel, D., Garrigues, L., et al. (2020). Perspectives, frontiers, and new horizons for plasma-based space electric propulsion editors-pick. Phys. Plasmas 27:020601. doi: 10.1063/1.5109141
CrossRef Full Text | Google Scholar
Liao, S., Yong, H., Liu, C., Shentu, G.-L., Li, D-D., Lin, J., et al. (2017). Long-distance free-space quantum key distribution in daylight towards inter-satellite communication. Nature Photon 11, 509–513. doi: 10.1038/nphoton.2017.116
CrossRef Full Text | Google Scholar
Morozova, E., and Vasyanin, Y. (2019). International Space Law and Satellite Telecommunications. Oxford Research Encyclopedia of Planetary Science. Available online at: https://oxfordre.com/planetaryscience/view/10.1093/acrefore/9780190647926.001.0001/acrefore-9780190647926-e-75
Office of Audits (2014). NASA’s Efforts to Identify Near-Earth Objects and Mitigate Hazards IG-14-030 (A-13-016-00). Office of Audits – Audit Report.
Pelton, J. N., Madry, S., and Camacho-Lara, S. (2017). Handbook of Satellite Applications. Springer.
PWC Report (2019). Main Trends and Challenges in the Space Sector. Available online at: https://www.pwc.fr/fr/assets/files/pdf/2019/06/fr-pwc-main-trends-and-challenges-in-~the-space-sector.pdf
Remedia, M., Aglietti, G. S., and Richardson, G. (2015) A stochastic Methodology for predictions of the environment created by multiple microvibration sources. J. Sound Vibr. 344, 138–157. doi: 10.1016/j.jsv.2015.01.035
CrossRef Full Text | Google Scholar
Rycroft, M. J., and Crosby, N. (2013). Smaller Satellites: Bigger Business?: Concepts, Applications and Markets for Micro/Nanosatellites in a New Information World. Springer.
Sairajan, K. K., Aglietti, G. S., and Mani, K. M. (2016). A review of multifunctional structure technology for aerospace applications. Acta Astron. 120, 30–42. doi: 10.1016/j.actaastro.2015.11.024
CrossRef Full Text | Google Scholar
Simpson, M. K. (2015). “Planetary defense, global cooperation and world peace,” in Handbook of Cosmic Hazards and Planetary Defense, eds J. Pelton and F. Allahdadi (Cham: Springer), 1055–1067.
Turner, M. J. L., Salgado, M. C. V., and Belderrain, M. C. N. (2009). Rocket and Spacecraft Propulsion: Principles, Practice and New Developments, 3rd Edn. Springer; Praxis Books.
Underwood, C., Denis, A., Viquerat, A., Taylor, B., Sanders, B., Stewart, B., et al. (2019). Inflatesail de-orbit flight demonstration results and follow-on drag-sail applications. Acta Astronautica 162, 344–358. doi: 10.1016/j.actaastro.2019.05.054
CrossRef Full Text | Google Scholar
Wilde, M., Harder, J., and Stoll, E. (2019). On-orbit servicing and active debris removal: enabling a paradigm shift in spaceflight. Front. Robot. AI. 6:136. doi: 10.3389/frobt.2019.00136
CrossRef Full Text | Google Scholar
Wuebbles, D. J. (2012). Celebrating the “Blue Marble”. EOS Trans. Am. Geophys. Union 93, 509–510. doi: 10.1029/2012EO490001
CrossRef Full Text | Google Scholar
Từ khóa: công nghệ vũ trụ, công nghệ vệ tinh, động cơ đẩy không gian, mảnh vỡ không gian, phương tiện phóng, cấu trúc tàu vũ trụ, cấu trúc không gian lớn (LSS), chủ động loại bỏ mảnh vỡ (ADR)
Trích dẫn: Aglietti GS (2020) Những thách thức và cơ hội hiện tại đối với công nghệ vũ trụ. Trước mặt. Không gian Technol. 1: 1. doi: 10.3389 / frspt.2020.00001
Nhận: 04/05/2020; Được chấp nhận: ngày 13 tháng 5 năm 2020; Xuất bản: 16 tháng 6 năm 2020.
Biên tập và đánh giá bởi: Jack JWA van Loon , Vrije Universiteit Amsterdam, Hà Lan
Bản quyền © 2020 Aglietti. Đây là một bài báo truy cập mở được phân phối theo các điều khoản của Giấy phép Ghi công Creative Commons (CC BY) . Việc sử dụng, phân phối hoặc sao chép trên các diễn đàn khác được cho phép, với điều kiện là (các) tác giả gốc và (các) chủ sở hữu bản quyền được ghi công và ấn phẩm gốc trong tạp chí này được trích dẫn, phù hợp với thông lệ học thuật được chấp nhận. Không được phép sử dụng, phân phối hoặc sao chép không tuân thủ các điều khoản này.
* Điện thư: Guglielmo S. Aglietti, g.aglietti@auckland.ac.nz
