计划发送 42000 颗卫星的星链计划,被推测已发送的卫星已有 3% 失效

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2020-11-27 08:59

人类可能是目前已知唯一可以向太空扔垃圾的物种,这句话并不「凡尔赛」,甚至还有着一丝无奈。

我们还远远做不到低成本发送生活垃圾到太空,上面这句话里说的垃圾,指的是「废弃或损坏的卫星及碎片」,它们越来越多,静静地围绕着地球转动,变成一张名副其实的「网」。

如果人类把眼光放向更远的太空时代,可以这样说,太空垃圾和生活垃圾问题同样严重,区别只在于这些垃圾围住的是城市,还是地球。

马斯克的星链卫星,科学家说约 3% 失效了

SpaceX 的星链计划自诞生之初就引起了超高关注,热度一直不减,不仅因为这项计划的「大胆」属性,还因为它预计发射的卫星总数量达到了一个惊人的数字:42000 颗。

之所以要发射这么多颗卫星,是因为星链计划打算建立一个覆盖全球的卫星网络,为地球上的用户提供宽带服务,一定程度上解决边远地区和自然环境特殊区域的网络问题 —— 在人烟稀少或人迹罕至的地方,建立时时需要人力维护的基站是不怎么经济的商业行为。

而根据欧洲航天局太空碎片办公室(SDO)资料显示,到 2020 年 2 月,地球轨道上大约有 5500 颗卫星。

也就是说,仅一个星链计划发射的卫星总量,就是之前在轨卫星总数的 7 倍多

不管卫星这个词听起来多么有科技感,说到底它仍然是一个大号的「电子产品」,还要经历升空和变轨等多种考验,出现故障是在所难免的事情。

▲ 图片来自:NASA(Unsplash)

哈佛-史密松天体物理学中心的天文学家乔纳森·麦克道尔对照了 SpaceX 和美国政府的数据后,推测目前已发射上天的 800 多颗星链卫星中,有大约 3% 可能已经失效,失效的卫星「可能已经解体或坠入大气层燃烧」。

3% 的低故障率,为什么还会引人担忧?

天文学家乔纳森·麦克道尔表示,3% 的故障率是一个正常的水平,而 Space X 认为故障率只有 1% 左右,也就是说,SpaceX 也认可故障存在并承认了故障已发生的事实。

如果按 3% 的故障率推算,42000 颗卫星中大约会有 1260 颗失效,如果按 1% 的故障率算,这个数字为 420 颗。

▲ 电影《机器人总动员》展示了被失效卫星包裹的地球

根据欧洲航天局太空碎片办公室(SDO)资料显示,到 2020 年 2 月,有大约 3200 颗失效卫星,而在此之后仅星链计划一个项目的故障失效卫星,可能就达到了人类几十年失效卫星总数的 12% – 38%。

目前世界各国都在筹建太空互联网,即将发射的卫星数量呈几何级上升。有科学家预测,未来计划发射的卫星总数可能超过 10 万颗,无论按按 3 % 还是 1% 的故障率算,失效卫星都是一个庞大的数字。

离开总数谈发生率,都是……

太空那么大,容不下失效卫星?

不少人觉得,卫星很小,太空很大,卫星对于太空来说连一颗沙子都算不上,失效了也就失效了。

但实际上失效的卫星就像一颗颗定时炸弹,随时可能给其它卫星带来毁灭性的伤害。

▲ 太空中的高速碎屑杀伤力巨大. 图片来源:《星际穿越》电影

这里面涉及到几个关键词:轨道、碰撞和碎屑,当这三个因素聚在一起的时候,失效卫星就是个让人头大的问题。

1. 卫星轨道和频率资源越来越稀缺

地球同步轨道位置十分稀缺,再加上卫星之间需要保持间隔避免无线电干扰,「太空很大可以随便塞卫星」并不能实现。

为了缓解轨道资源紧张,国际电联会根据各个国家领土面积和人口等多重因素来分配卫星轨道位置,就像现在一线城市上车牌一样,路只有那么多,先上牌的人多了,后上牌的人竞争就会更加激烈。

失效卫星也会占用轨道,浪费了宝贵的资源。据北京日报报道,中国的北斗卫星之所以「抢在最后四小时发射升空」,也是因为轨道和频率资源因素。

▲ 北斗卫星示意图. 图片来自:北斗导航系统官网

这是因为 2000 年 4 月 18 日国际电联批准了中国申报的导航卫星频率和轨道,「北斗」二号卫星导航系统进入了国际电联的频率总表,正式取得了合法地位。不过,根据国际规则,如果不在登记后的 7 年里,即 2007 年 4 月 17 日之前使用,该频率就过期了。

2. 失效卫星更容易导致碰撞

成功发射且正常服役的卫星受信号控制,可以变轨、避让、调节角度,而失效卫星再也不受人控制,基本就是「随缘」飘在太空中,还会因为地球摄动(一种因受其它天体的吸引或其他因素的影响在轨道上产生的偏差)而偏离轨道。

很多失效卫星是被遗弃的状态,再也没有人关心它们,也不知道它们究竟绕着地球转到哪里了,这大大增加了新发射的卫星和失效卫星碰撞发生的风险。

比如 2009 年 12 月,中国发射的长征四号火箭的第三级和前苏联 1989 年 2 月发射的废弃卫星,在南极上空 991 公里处差点高速相撞,两者最接近时,距离可能只有 12 米。

▲ 擦肩而过

3. 碰撞后的碎屑重复导致上述两个问题

发生碰撞后会,失效卫星会产生大量的碎屑,大部分碎屑会分散在失效卫星的轨道里继续绕着地球转,既占用轨道资源,又会增加碰撞的概率,小部分碎屑会散射出去飘荡在太空里。据科学家推测,目前毫米级以上的碎屑可能数以亿计。

▲ 欧洲航天局制作的碎屑推测图

这些碎屑威力有多大呢?

在高 300 – 450 公里的近地轨道上时,太空碎屑的运行速度可能达到每秒 7 – 8 公里。当它们在 36000 公里高度的地球静止轨道上时,速度则高达每秒 3 公里。

如果两个每秒 7 公里飞行速度的物体在太空相撞,10 厘米左右的碎屑可能破坏整个航天器或卫星,1 厘米左右的碎屑可能击穿太空舱,即使是地球上毫不起眼的 1 毫米左右的碎屑,都可能造成伤害。

一块 10 克重的太空垃圾撞上卫星,相当于两辆 100 km/h 的小汽车相互碰撞,卫星可能在 1.5 秒内被打穿或直接击毁,还会直接威胁到航天员的生命安全。

国际空间站就是卫星碎屑的「活靶子」,2016 年 4 月,国际空间站上的对地观景台玻璃出现了一个直径 7 毫米的裂纹,正是被一块小碎屑击中产生的。

▲ 想象一下玻璃瞬间碎裂的后果

解决失效卫星,大部分靠天

失效卫星潜在隐患这么大,怎么解决呢?

答案是:大部分靠天。

1. 遗弃法

回收风险大,成本高,失效卫星最终的命运就是孤零零地继续围绕着地球转动。人们唯一能做的就是等待卫星自己逐渐分解,或者慢慢坠入大气层燃烧殆尽,周期一般较长,可能需要几十年。

2.「火化」法

设计卫星之初,部分卫星预留了一部分电量和燃料,等待卫星濒临失效的时候,点燃所剩无几的燃料,把卫星推向大气层燃烧。

▲ 星链计划官网介绍,卫星寿命终止时,会利用机载推进系统进行离轨

不过,卫星是一个精密化设计的仪器,内部空间寸土寸金,看似简单的「留后门」操作,可能会带来成本上升或风险增大等问题,所以有很多卫星是没有这个设计的。

3. 太空葬

有些卫星属于中高轨道卫星,离地球大气层太远,最终被推向的不是大气层,而是太空。

不过由于一般卫星预留的燃料很少,不足以让失效卫星飞向太空深处,仅仅是飞向不重要或用不着的太空轨道,仍然会围绕着地球。

4. 主动清理

2016 年 6 月 25 日中国「长征七号」成功发射,一台名为「遨龙一号」的空间碎片主动清理飞行器一同进入太空,被誉为「太空清道夫」,可以用机械臂抓取卫星和太空碎片,带入大气层烧毁。

除了用机械臂抓取,还有喷射网捕获失效卫星,激光射击失效卫星等方法。可以这样说,「保守疗法」仍占多数,主动治疗手段也越来越多。

前进!前进!前进!

俄国科学家齐奥尔科夫斯基说过:「地球是人类的摇篮,但是人类不能永远生活在摇篮里。」

随着社会进步,人类享受着地球摇篮保护时,也面临着部分资源短缺的境地,生产力和生产水平的提升总是受限于人类文明的发展客观进程,不断催生不可调和的资源矛盾,最终走向经济危机甚至战争。

如果我们能进一步探索和开发太空资源,一定程度上可以缓解或解决这种「地球病」。发射卫星是人类真正走入太空的第一步,无数个纪元以后,必将被新人类载入史册。

只是当人类真正打算移民到太空另一颗星球时,如果那些漂浮在地球上空的成千上万颗的失效卫星,变成了人类征战太空的最大绊脚石,那就太黑色幽默了。

无论是探索太空,还是清理太空垃圾,我们的选择只有一个:前进,前进,前进!

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