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马斯克的卫星被曝3%已成太空垃圾,影响其他国家太空探索

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郑集杨 晓查 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

  关于马斯克旗下SpaceX的“星链”(Starlink),令人担心的事情还是发生了。

  之前轰轰烈烈一次次发射之后,就有天文学家投诉影响正常观测。

  其后太空爱好者也担忧,如果这些卫星成为挤占轨道、成为太空垃圾,甚至成为“锁死”地球的外壳怎么办?


  不仅影响别的国家探索太空,而且万一地球有“危机”,出路就这样被堵死了。


  万万没想到,上述担忧现在就真真切切开始了。

  哈佛-史密松天体物理学中心的科学家Jonathan McDowell,在对照了SpaceX和美国政府的数据后,发现已经发射上天的800多颗星链卫星中,有大约3%已经失效



  所谓“失效”,是指这些星链卫星,已经不再受到地面指令控制、也无法变轨。

  McDowell教授表示,虽然3%的故障率不算高,但考虑到SpaceX的卫星互联网计划规模庞大。

  即使3%的卫星失控,长此以往,数量也相当可畏。

  根据国际电信联盟(ITU)的最新文件,SpaceX计划发射多达42000颗卫星,每颗卫星重量大约227公斤。

  如果故障率没有改善,那么星链未来最多能产生1200多颗“死”卫星……

  如此数量的太空垃圾,足以让各国宇航局都“胆战心惊”,没准哪天自己发射的航天器,就会被撞坏了。


  △ 准备发射的一组SpaceX星链卫星

  SpaceX官方,已经被问到了这个问题。

  但现在太空中究竟有多少星链卫星已经失效,SpaceX官方没有给出具体数字,也没有对3%这个故障率做出回应。

  而根据今年5月到6月SpaceX发给美国联邦通信委员会(FCC)的两条最新通知披露,星链自部署以来,已经有好几颗失去了机动能力。

  3%的故障率有多可怕

  发现这一问题的McDowell教授解释:

  

他们(SpaceX)的失败率并不可怕,不比其他任何人的失败率糟糕。但令人担忧的是,在如此庞大的卫星系统中,即使是正常的失败率,也会导致大量不良太空垃圾的产生。

  McDowell教授担心的是大量报废卫星造成凯斯勒现象(Kessler Syndrome),这才是最可怕的。

  凯斯勒现象,是美国航天局(NASA)的太空碎片研究专家唐纳德·凯斯勒在1978年提出的一种理论。


  他认为,如果地球低轨道的太空垃圾密度足够高,将产生级联碰撞:

  一块碎片被碰撞产生多个碎屑,这些碎屑又会与其他的太空垃圾继续碰撞,产生更多的碎屑。

  这会让低轨道区域布满太空垃圾,从而使低空卫星在这一区域很难存活,甚至会影响人类发射更高轨道的卫星。

  最严重的后果,是影响几代地球人探索太空的能力,把人类彻底“锁死”在地球上几百年

  而现在,星链计划巨大的发射量,不禁让人们担忧凯斯勒的假设正在变成现实。

  FCC文件显示,SpaceX计划制造1.2万颗卫星,而国际电联文件显示,SpaceX计划制造4.2万颗卫星。

  在这两种情况下,3%的故障率,分别对应有360或1260个——227千克的卫星失去控制。

  根据欧洲航天局太空碎片办公室(SDO)资料,截至2020年2月,地球轨道上目前有5500颗卫星,其中约2300颗仍在运行。

  这意味着如果星链建成完整的系统,将使太空中无法运行的人造卫星数量增加11%或40%。

  如果再考虑轨道上卫星碰撞产生的碎屑数量,问题看起来更加严重。

  除“死卫星”外,SDO估计,地球轨道上目前有3.4万个物体直径超过10厘米,90万个物体在1厘米到10厘米之间,并且有1.28亿个物体在1毫米至1厘米之间。

  模拟图就已经很吓人了。



  △ 欧洲航天局对大于1mm太空垃圾的模拟

  欧洲航天局逃过一劫

  值得注意的是,星链对航天器的威胁并非危言耸听。

  2019年9月,欧洲航天局(ESA)就经历了惊险一幕。

  当时根据轨道推算,欧洲航天局的大气动力学监测卫星Aeolus有0.1%的概率与星链卫星发生碰撞。

  虽然0.1%的概率看似很小,但是在太空中碰撞几率达到0.001%就需要对卫星轨道进行干预。

  而且这两颗卫星的质量都不小,Aeolus大约1.36吨,星链质量大约是227千克。人造卫星的运行速度是子弹的10倍以上。

  一旦二者撞上,后果不堪设想。



  △ NASA在一项测试中模拟太空碎片与飞船碰撞的后果

  后来,由于SpaceX“没有计划采取行动”,欧洲宇航局不得不在最后时刻,对自己的卫星主动变轨,避免了事故发生。

  而SpaceX事后解释,由于通信系统中存在“错误”,导致他们错过了ESA的电子邮件。

  虽然最后结果,算是“虚惊一场”,但这件事足以敲响了警钟。

  那么SpaceX,就真的没有安全和自毁方案吗?

  又究竟靠不靠得住?

  “星链”的安全和自毁

  SpaceX自己介绍,星链卫星在正常工作下,是能够离轨进入大气层,从而进行自毁的。

  同时,还有自动碰撞规避系统来保障卫星在太空中的安全。

  不过,一旦发生了机动能力的故障,上述的那些能力,就需要重新评估。

  卫星自毁

  离子发动机,在卫星构件中是动力核心。

  星链的离轨,离不开离子发动机的运作。

  它出现于上世纪60年代,其原理是先将气体电离,然后用电场力将带电的离子加速后喷出,形成反作用力实现推动。

  通常,业内使用氙离子来作为离子推进器的离子源(燃料)。

  而SpaceX出于节约成本,选择的则是氪离子。虽然氪比氙更不易电离,但是氪离子的价格比氙离子源便宜近10倍,这是出于商业的考虑。

  此外,SpaceX为了进一步节约成本,在星链卫星中都只配置了一个离子发动机。

  然而,这是有安全隐患的,因为通常航天器会配置多个发动机以防止某一发动机出现故障后导致卫星失能,而SpaceX这一举动无疑会提高星链卫星的故障率。


  那么,离子发动机,在离轨的时候,究竟角色如何?

  当卫星需要变轨或离轨的时候,比如监测到碰撞或者卫星自毁,离子发动机可以增减速度,从而实现对原轨道的脱离。

  以卫星自毁进行分析,当卫星寿命即将终结,离子发动机将会工作反推,降低速度和轨道,让卫星很快坠入大气层。

  之后基于特殊的结构设计,进入大气层的卫星能够迅速燃烧,分解成为符合安全标准的细小颗粒,不会对地面造成威胁。

  但是,一旦失去机动能力,则一切就不一样了。

  不论其是通信系统出现故障,还是离子发动机有问题,都意味着该卫星已经失去了地面控制,独自游离于太空之中。

  不过需要补充的是,即使卫星发生故障失去机动能力,也并非完全不能自毁。

  可以通过自然下降来完成——卫星靠稀薄空气阻力缓慢降低轨道,最终进入大气层,但这是一个漫长的过程。

  而在这一过程中,卫星跟太空垃圾没两样,同样会给正常工作的航天器,带来不小的威胁。

  碰撞规避

  此外,机动能力故障带来的威胁,也不是星链卫星自身带有自主碰撞规避系统,就可以规避的。

  因为自主碰撞规避系统的正常运转,通信和动力,二者缺一不可。

  如示意图所示,卫星能够使用从地面传输的空间碎片威胁信息数据,或者得到指令,使用自身携带的四个动量轮系统,配合离子推进系统来实现碰撞规避。


  比喻来说,所谓自主碰撞规避系统,不是看到石头,然后躲开它,而像是空中交通管制。

  这个系统可以保证卫星在正常工作下,主动规避其他航天器或者太空碎片,但是在发生故障时,它不能成为规避其他航天器的“保险丝”。

  所以从原理和后果上来看,虽然星链卫星自称拥有自毁和碰撞规避的功能,但都是基于卫星正常运转时所设计。

  而一旦发生故障,结果大同小异——造成太空垃圾。

  而目前为止,对于如何善后,马斯克和SpaceX,完全没有给出过备份方案。

  只管开发不管后果

  更可怕的是,这更像是一场军备竞赛。

  SpaceX“视而不见”后果,其他公司也避而不谈。

  已经破产的OneWeb发射了74枚卫星,这家公司原本计划发射4.8万颗卫星;

  贝佐斯旗下的亚马逊也有个互联网卫星Kuiper计划,预计发射3200枚卫星;

  甚至苹果也被彭博爆料,有类似的计划……

  全球范围内更多商业公司,也都加入了这场资源抢位战中。

  在当初马斯克的星链雄心曝光时,就有人“厚黑”的角度这样评价:


  互联网卫星是解决偏远地区的好办法,但是倘若因为技术不成熟导致“太空灾难”,那就太得不偿失了。

  
https://phys.org/news/2020-10-starlink-satellites.html
https://www.businessinsider.com/spacex-starlink-internet-satellites-percent-failure-rate-space-debris-risk-2020-10
https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Videos/2019/02/Distribution_of_space_debris_in_orbit_around_Earth
https://techcrunch.com/2019/05/24/spacex-reveals-more-starlink-info-after-launch-of-first-60-satellites/
https://www.reddit.com/r/spacex/comments/gaayqm/spacex_ion_thrusters_and_where_does_this/
https://www.planet4589.org/space/jsr/jsr.html
http://www.viaspace.cn/Article/20191113.html

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