馬斯克的衛(wèi)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(dān)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)家投訴影響正常觀測。

　　其后太空愛好者也擔(dān)憂，如果這些衛(wèi)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，而且萬一地球有“危機”，出路就這樣被堵死了。

　　萬萬沒想到，上述擔(dān)憂現(xiàn)在就真真切切開始了。

　　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(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)發(fā)射上天的800多顆星鏈衛(wèi)星中，有大約3%已經(jīng)失效。

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

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

　　即使3%的衛(wèi)星失控，長此以往，數(shù)量也相當(dāng)可畏。

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

　　如果故障率沒有改善，那么星鏈未來最多能產(chǎn)生1200多顆“死”衛(wèi)星……

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

　　但現(xiàn)在太空中究竟有多少星鏈衛(wèi)星已經(jīng)失效，SpaceX官方?jīng)]有給出具體數(shù)字，也沒有對3%這個故障率做出回應(yīng)。

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

　　3%的故障率有多可怕

　　發(fā)現(xiàn)這一問題的McDowell教授解釋：　　

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(dān)憂的是，在如此龐大的衛(wèi)星系統(tǒng)中，即使是正常的失敗率，也會導(dǎo)致大量不良太空垃圾的產(chǎn)生。

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

　　凱斯勒現(xiàn)象，是美國航天局（NASA）的太空碎片研究專家唐納德·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)生多個碎屑，這些碎屑又會與其他的太空垃圾繼續(xù)碰撞，產(chǎn)生更多的碎屑。

　　這會讓低軌道區(qū)域布滿太空垃圾，從而使低空衛(wèi)星在這一區(qū)域很難存活，甚至?xí)绊懭祟惏l(fā)射更高軌道的衛(wèi)星。

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

　　而現(xiàn)在，星鏈計劃巨大的發(fā)射量，不禁讓人們擔(dān)憂凱斯勒的假設(shè)正在變成現(xiàn)實。

　　FCC文件顯示，SpaceX計劃制造1.2萬顆衛(wèi)星，而國際電聯(lián)文件顯示，SpaceX計劃制造4.2萬顆衛(wèi)星。

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

　　根據(jù)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(wèi)星，其中約2300顆仍在運行。

　　這意味著如果星鏈建成完整的系統(tǒng)，將使太空中無法運行的人造衛(wèi)星數(shù)量增加11％或40％。

　　如果再考慮軌道上衛(wèi)星碰撞產(chǎn)生的碎屑數(shù)量，問題看起來更加嚴重。

　　除“死衛(wèi)星”外，SDO估計，地球軌道上目前有3.4萬個物體直徑超過10厘米，90萬個物體在1厘米到10厘米之間，并且有1.28億個物體在1毫米至1厘米之間。

　　模擬圖就已經(jīng)很嚇人了。

　　值得注意的是，星鏈對航天器的威脅并非危言聳聽。

　　2019年9月，歐洲航天局（ESA）就經(jīng)歷了驚險一幕。

　　當(dāng)時根據(jù)軌道推算，歐洲航天局的大氣動力學(xué)監(jiān)測衛(wèi)星Aeolus有0.1%的概率與星鏈衛(wèi)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(wèi)星軌道進行干預(yù)。

　　而且這兩顆衛(wèi)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(wèi)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(shè)想。

　　后來，由于SpaceX“沒有計劃采取行動”，歐洲宇航局不得不在最后時刻，對自己的衛(wèi)星主動變軌，避免了事故發(fā)生。

　　而SpaceX事后解釋，由于通信系統(tǒng)中存在“錯誤”，導(dǎo)致他們錯過了ESA的電子郵件。

　　雖然最后結(jié)果，算是“虛驚一場”，但這件事足以敲響了警鐘。

　　那么SpaceX，就真的沒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(wèi)星在正常工作下，是能夠離軌進入大氣層，從而進行自毀的。

　　同時，還有自動碰撞規(guī)避系統(tǒng)來保障衛(wèi)星在太空中的安全。

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

　　衛(wèi)星自毀

　　離子發(fā)動機，在衛(wèi)星構(gòu)件中是動力核心。

　　星鏈的離軌，離不開離子發(fā)動機的運作。

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

　　通常，業(yè)內(nèi)使用氙離子來作為離子推進器的離子源（燃料）。

　　而SpaceX出于節(jié)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為了進一步節(jié)約成本，在星鏈衛(wèi)星中都只配置了一個離子發(fā)動機。

　　然而，這是有安全隱患的，因為通常航天器會配置多個發(fā)動機以防止某一發(fā)動機出現(xiàn)故障后導(dǎo)致衛(wèi)星失能，而SpaceX這一舉動無疑會提高星鏈衛(wèi)星的故障率。

　　那么，離子發(fā)動機，在離軌的時候，究竟角色如何？

　　當(dāng)衛(wèi)星需要變軌或離軌的時候，比如監(jiān)測到碰撞或者衛(wèi)星自毀，離子發(fā)動機可以增減速度，從而實現(xiàn)對原軌道的脫離。

　　以衛(wèi)星自毀進行分析，當(dāng)衛(wèi)星壽命即將終結(jié)，離子發(fā)動機將會工作反推，降低速度和軌道，讓衛(wèi)星很快墜入大氣層。

　　之后基于特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，進入大氣層的衛(wèi)星能夠迅速燃燒，分解成為符合安全標準的細小顆粒，不會對地面造成威脅。

　　但是，一旦失去機動能力，則一切就不一樣了。

　　不論其是通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障，還是離子發(fā)動機有問題，都意味著該衛(wèi)星已經(jīng)失去了地面控制，獨自游離于太空之中。

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

　　可以通過自然下降來完成——衛(wèi)星靠稀薄空氣阻力緩慢降低軌道，最終進入大氣層，但這是一個漫長的過程。

　　而在這一過程中，衛(wèi)星跟太空垃圾沒兩樣，同樣會給正常工作的航天器，帶來不小的威脅。

　　碰撞規(guī)避

　　此外，機動能力故障帶來的威脅，也不是星鏈衛(wèi)星自身帶有自主碰撞規(guī)避系統(tǒng)，就可以規(guī)避的。

　　因為自主碰撞規(guī)避系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，通信和動力，二者缺一不可。

　　如示意圖所示，衛(wèi)星能夠使用從地面?zhèn)鬏數(shù)目臻g碎片威脅信息數(shù)據(jù)，或者得到指令，使用自身攜帶的四個動量輪系統(tǒng)，配合離子推進系統(tǒng)來實現(xiàn)碰撞規(guī)避。

　　比喻來說，所謂自主碰撞規(guī)避系統(tǒng)，不是看到石頭，然后躲開它，而像是空中交通管制。

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

　　所以從原理和后果上來看，雖然星鏈衛(wèi)星自稱擁有自毀和碰撞規(guī)避的功能，但都是基于衛(wèi)星正常運轉(zhuǎn)時所設(shè)計。

　　而一旦發(fā)生故障，結(jié)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，完全沒有給出過備份方案。

　　只管開發(fā)不管后果

　　更可怕的是，這更像是一場軍備競賽。

　　SpaceX“視而不見”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(wèi)星，這家公司原本計劃發(fā)射4.8萬顆衛(wèi)星；

　　貝佐斯旗下的亞馬遜也有個互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星Kuiper計劃，預(yù)計發(fā)射3200枚衛(wèi)星；

　　甚至蘋果也被彭博爆料，有類似的計劃……

　　全球范圍內(nèi)更多商業(yè)公司，也都加入了這場資源搶位戰(zhàn)中。

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

　　互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星是解決偏遠地區(qū)的好辦法，但是倘若因為技術(shù)不成熟導(dǎo)致“太空災(zāi)難”，那就太得不償失了。