馬斯克的衛星被曝3%已成太空垃圾，影響其他國家太空探索

關(guān)于馬斯克旗下SpaceX的“星鏈”（Starlink），令人擔心的事情還是發(fā)生了。

　　之前轟轟烈烈一次次發(fā)射之后，就有天文學(xué)家投訴影響正常觀(guān)測。

　　其后太空愛(ài)好者也擔憂(yōu)，如果這些衛星成為擠占軌道、成為太空垃圾，甚至成為“鎖死”地球的外殼怎么辦？

　　不僅影響別的國家探索太空，而且萬(wàn)一地球有“危機”，出路就這樣被堵死了。

　　萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到，上述擔憂(yōu)現在就真真切切開(kāi)始了。

　　哈佛-史密松天體物理學(xué)中心的科學(xué)家Jonathan McDowell，在對照了SpaceX和美國政府的數據后，發(fā)現已經(jīng)發(fā)射上天的800多顆星鏈衛星中，有大約3%已經(jīng)失效。

　　所謂“失效”，是指這些星鏈衛星，已經(jīng)不再受到地面指令控制、也無(wú)法變軌。

　　McDowell教授表示，雖然3%的故障率不算高，但考慮到SpaceX的衛星互聯(lián)網(wǎng)計劃規模龐大。

　　即使3%的衛星失控，長(cháng)此以往，數量也相當可畏。

　　根據國際電信聯(lián)盟（ITU）的最新文件，SpaceX計劃發(fā)射多達42000顆衛星，每顆衛星重量大約227公斤。

　　如果故障率沒(méi)有改善，那么星鏈未來(lái)最多能產(chǎn)生1200多顆“死”衛星……

　　如此數量的太空垃圾，足以讓各國宇航局都“膽戰心驚”，沒(méi)準哪天自己發(fā)射的航天器，就會(huì )被撞壞了。

　　但現在太空中究竟有多少星鏈衛星已經(jīng)失效，SpaceX官方?jīng)]有給出具體數字，也沒(méi)有對3%這個(gè)故障率做出回應。

　　而根據今年5月到6月SpaceX發(fā)給美國聯(lián)邦通信委員會(huì )（FCC）的兩條最新通知披露，星鏈自部署以來(lái)，已經(jīng)有好幾顆失去了機動(dòng)能力。

　　3%的故障率有多可怕

　　發(fā)現這一問(wèn)題的McDowell教授解釋?zhuān)骸　?/p>

他們（SpaceX）的失敗率并不可怕，不比其他任何人的失敗率糟糕。但令人擔憂(yōu)的是，在如此龐大的衛星系統中，即使是正常的失敗率，也會(huì )導致大量不良太空垃圾的產(chǎn)生。

　　McDowell教授擔心的是大量報廢衛星造成凱斯勒現象（Kessler Syndrome），這才是最可怕的。

　　凱斯勒現象，是美國航天局（NASA）的太空碎片研究專(zhuān)家唐納德·凱斯勒在1978年提出的一種理論。

　　他認為，如果地球低軌道的太空垃圾密度足夠高，將產(chǎn)生級聯(lián)碰撞：

　　一塊碎片被碰撞產(chǎn)生多個(gè)碎屑，這些碎屑又會(huì )與其他的太空垃圾繼續碰撞，產(chǎn)生更多的碎屑。

　　這會(huì )讓低軌道區域布滿(mǎn)太空垃圾，從而使低空衛星在這一區域很難存活，甚至會(huì )影響人類(lèi)發(fā)射更高軌道的衛星。

　　最嚴重的后果，是影響幾代地球人探索太空的能力，把人類(lèi)徹底“鎖死”在地球上幾百年。

　　而現在，星鏈計劃巨大的發(fā)射量，不禁讓人們擔憂(yōu)凱斯勒的假設正在變成現實(shí)。

　　FCC文件顯示，SpaceX計劃制造1.2萬(wàn)顆衛星，而國際電聯(lián)文件顯示，SpaceX計劃制造4.2萬(wàn)顆衛星。

　　在這兩種情況下，3％的故障率，分別對應有360或1260個(gè)——227千克的衛星失去控制。

　　根據歐洲航天局太空碎片辦公室（SDO）資料，截至2020年2月，地球軌道上目前有5500顆衛星，其中約2300顆仍在運行。

　　這意味著(zhù)如果星鏈建成完整的系統，將使太空中無(wú)法運行的人造衛星數量增加11％或40％。

　　如果再考慮軌道上衛星碰撞產(chǎn)生的碎屑數量，問(wèn)題看起來(lái)更加嚴重。

　　除“死衛星”外，SDO估計，地球軌道上目前有3.4萬(wàn)個(gè)物體直徑超過(guò)10厘米，90萬(wàn)個(gè)物體在1厘米到10厘米之間，并且有1.28億個(gè)物體在1毫米至1厘米之間。

　　模擬圖就已經(jīng)很?chē)樔肆恕?/p>　　歐洲航天局逃過(guò)一劫

　　值得注意的是，星鏈對航天器的威脅并非危言聳聽(tīng)。

　　2019年9月，歐洲航天局（ESA）就經(jīng)歷了驚險一幕。

　　當時(shí)根據軌道推算，歐洲航天局的大氣動(dòng)力學(xué)監測衛星Aeolus有0.1%的概率與星鏈衛星發(fā)生碰撞。

　　雖然0.1%的概率看似很小，但是在太空中碰撞幾率達到0.001%就需要對衛星軌道進(jìn)行干預。

　　而且這兩顆衛星的質(zhì)量都不小，Aeolus大約1.36噸，星鏈質(zhì)量大約是227千克。人造衛星的運行速度是子彈的10倍以上。

　　一旦二者撞上，后果不堪設想。

　　后來(lái)，由于SpaceX“沒(méi)有計劃采取行動(dòng)”，歐洲宇航局不得不在最后時(shí)刻，對自己的衛星主動(dòng)變軌，避免了事故發(fā)生。

　　而SpaceX事后解釋?zhuān)捎谕ㄐ畔到y中存在“錯誤”，導致他們錯過(guò)了ESA的電子郵件。

　　雖然最后結果，算是“虛驚一場(chǎng)”，但這件事足以敲響了警鐘。

　　那么SpaceX，就真的沒(méi)有安全和自毀方案嗎？

　　又究竟靠不靠得??？

　　“星鏈”的安全和自毀

　　SpaceX自己介紹，星鏈衛星在正常工作下，是能夠離軌進(jìn)入大氣層，從而進(jìn)行自毀的。

　　同時(shí)，還有自動(dòng)碰撞規避系統來(lái)保障衛星在太空中的安全。

　　不過(guò)，一旦發(fā)生了機動(dòng)能力的故障，上述的那些能力，就需要重新評估。

　　衛星自毀

　　離子發(fā)動(dòng)機，在衛星構件中是動(dòng)力核心。

　　星鏈的離軌，離不開(kāi)離子發(fā)動(dòng)機的運作。

　　它出現于上世紀60年代，其原理是先將氣體電離，然后用電場(chǎng)力將帶電的離子加速后噴出，形成反作用力實(shí)現推動(dòng)。

　　通常，業(yè)內使用氙離子來(lái)作為離子推進(jìn)器的離子源（燃料）。

　　而SpaceX出于節約成本，選擇的則是氪離子。雖然氪比氙更不易電離，但是氪離子的價(jià)格比氙離子源便宜近10倍，這是出于商業(yè)的考慮。

　　此外，SpaceX為了進(jìn)一步節約成本，在星鏈衛星中都只配置了一個(gè)離子發(fā)動(dòng)機。

　　然而，這是有安全隱患的，因為通常航天器會(huì )配置多個(gè)發(fā)動(dòng)機以防止某一發(fā)動(dòng)機出現故障后導致衛星失能，而SpaceX這一舉動(dòng)無(wú)疑會(huì )提高星鏈衛星的故障率。

　　那么，離子發(fā)動(dòng)機，在離軌的時(shí)候，究竟角色如何？

　　當衛星需要變軌或離軌的時(shí)候，比如監測到碰撞或者衛星自毀，離子發(fā)動(dòng)機可以增減速度，從而實(shí)現對原軌道的脫離。

　　以衛星自毀進(jìn)行分析，當衛星壽命即將終結，離子發(fā)動(dòng)機將會(huì )工作反推，降低速度和軌道，讓衛星很快墜入大氣層。

　　之后基于特殊的結構設計，進(jìn)入大氣層的衛星能夠迅速燃燒，分解成為符合安全標準的細小顆粒，不會(huì )對地面造成威脅。

　　但是，一旦失去機動(dòng)能力，則一切就不一樣了。

　　不論其是通信系統出現故障，還是離子發(fā)動(dòng)機有問(wèn)題，都意味著(zhù)該衛星已經(jīng)失去了地面控制，獨自游離于太空之中。

　　不過(guò)需要補充的是，即使衛星發(fā)生故障失去機動(dòng)能力，也并非完全不能自毀。

　　可以通過(guò)自然下降來(lái)完成——衛星靠稀薄空氣阻力緩慢降低軌道，最終進(jìn)入大氣層，但這是一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程。

　　而在這一過(guò)程中，衛星跟太空垃圾沒(méi)兩樣，同樣會(huì )給正常工作的航天器，帶來(lái)不小的威脅。

　　碰撞規避

　　此外，機動(dòng)能力故障帶來(lái)的威脅，也不是星鏈衛星自身帶有自主碰撞規避系統，就可以規避的。

　　因為自主碰撞規避系統的正常運轉，通信和動(dòng)力，二者缺一不可。

　　如示意圖所示，衛星能夠使用從地面傳輸的空間碎片威脅信息數據，或者得到指令，使用自身攜帶的四個(gè)動(dòng)量輪系統，配合離子推進(jìn)系統來(lái)實(shí)現碰撞規避。

　　比喻來(lái)說(shuō)，所謂自主碰撞規避系統，不是看到石頭，然后躲開(kāi)它，而像是空中交通管制。

　　這個(gè)系統可以保證衛星在正常工作下，主動(dòng)規避其他航天器或者太空碎片，但是在發(fā)生故障時(shí)，它不能成為規避其他航天器的“保險絲”。

　　所以從原理和后果上來(lái)看，雖然星鏈衛星自稱(chēng)擁有自毀和碰撞規避的功能，但都是基于衛星正常運轉時(shí)所設計。

　　而一旦發(fā)生故障，結果大同小異——造成太空垃圾。

　　而目前為止，對于如何善后，馬斯克和SpaceX，完全沒(méi)有給出過(guò)備份方案。

　　只管開(kāi)發(fā)不管后果

　　更可怕的是，這更像是一場(chǎng)軍備競賽。

　　SpaceX“視而不見(jiàn)”后果，其他公司也避而不談。

　　已經(jīng)破產(chǎn)的OneWeb發(fā)射了74枚衛星，這家公司原本計劃發(fā)射4.8萬(wàn)顆衛星；

　　貝佐斯旗下的亞馬遜也有個(gè)互聯(lián)網(wǎng)衛星Kuiper計劃，預計發(fā)射3200枚衛星；

　　甚至蘋(píng)果也被彭博爆料，有類(lèi)似的計劃……

　　全球范圍內更多商業(yè)公司，也都加入了這場(chǎng)資源搶位戰中。

　　在當初馬斯克的星鏈雄心曝光時(shí)，就有人“厚黑”的角度這樣評價(jià)：

　　互聯(lián)網(wǎng)衛星是解決偏遠地區的好辦法，但是倘若因為技術(shù)不成熟導致“太空災難”，那就太得不償失了。