計劃發射 42,000 顆衛星的星鏈計畫,推測已發送的衛星 3% 失效

作者 | 發布日期 2020 年 11 月 30 日 8:45 | 分類 天文 , 尖端科技 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


人類可能是目前已知唯一可往太空扔垃圾的物種,卻還做不到低成本發送生活垃圾到太空。上述說的垃圾,指的是「廢棄或損壞的衛星及碎片」,它們越來越多,靜靜繞著地球轉動,變成名副其實的「網」。

如果人類把眼光放向更遠的太空時代,可以說太空垃圾和生活垃圾問題同樣嚴重,差別只在於這些垃圾圍住的是城市還是地球。

馬斯克的星鏈衛星,科學家說約 3% 失效了

SpaceX 的星鏈計畫自誕生初就引起超高關注,熱度一直不減,不僅因這項計畫的「大膽」屬性,還因為預計發射的衛星總數量達到驚人的數字:42,000 顆。

之所以要發射這麼多顆衛星,是因為星鏈計畫打算建立覆蓋全球的衛星網路,為地球用戶提供寬頻服務,一定程度解決偏僻地區和自然環境特殊區域的網路問題──在人煙稀少或人跡罕至的地方,建立時時需要人力維護的基地台是不怎麼經濟的商業行為。

據歐洲太空總署太空碎片辦公室(SDO)資料顯示,到今年 2 月,地球軌道約有 5,500 顆衛星。也就是說,僅星鏈計畫發射的衛星總量,就是之前軌道衛星總數的 7 倍多。不管衛星聽起來多有科技感,說到底仍是大號「電子產品」,還要經歷升空和變軌等多種考驗,故障在所難免。

(Source:pixabay

哈佛─史密松天體物理中心的天文學家喬納森·麥克道爾對照 SpaceX 和美國政府數據後,推測目前發射上天的 800 多顆星鏈衛星,約 3% 可能失效,失效衛星「可能已解體或墜入大氣層燃燒」。

3% 的低故障率,為什麼還會引人擔憂?

天文學家喬納森·麥克道爾表示,3% 故障率是正常水準,而 Space X 認為故障率只有 1% 左右,也就是說,SpaceX 也認可故障存在並承認了故障已發生的事實。

如果按 3% 的故障率推算,42,000 顆衛星約有 1,260 顆失效,如果按 1% 故障率算,數字為 420 顆。

▲ 電影《瓦力》展示被失效衛星包裹的地球。(Source:影片截圖)

根據歐洲太空總署太空碎片辦公室(SDO)資料顯示,到今年 2 月,有約 3,200 顆失效衛星,之後僅星鏈計畫的故障失效衛星,可能就達人類幾十年失效衛星總數的 12%~38%。

目前世界各國都在籌建太空網路,即將發射的衛星數量呈幾何級上升。有科學家預測,未來計劃發射的衛星總數可能超過 10 萬顆,無論按 3% 還是 1% 故障率算,失效衛星都是龐大的數字。

但離開總數談發生率,都是……

太空那麼大,容不下失效衛星?

不少人覺得衛星很小,太空很大,衛星對太空來說連一顆沙子都算不上,失效就失效,但失效衛星就像一顆顆定時炸彈,隨時可能為其他衛星帶來毀滅性傷害。

▲ 太空速碎屑殺傷力巨大。(Source:影片截圖)

這涉及幾個關鍵詞:軌道、碰撞和碎屑,當這 3 個因素聚在一起,失效衛星就是讓人頭大的問題。

1. 衛星軌道和頻率資源越來越稀缺

地球同步軌道位置十分稀缺,再加上衛星間需保持距離避免無線電干擾,「太空很大可以隨便塞衛星」並不能做到。

為了緩解軌道資源緊張,國際電聯會根據各個國家領土面積和人口等多重因素分配衛星軌道位置,失效衛星也會占用軌道,浪費了寶貴的資源。據北京日報報導,中國北斗衛星之所以「搶在最後 4 小時發射升空」,也是因為軌道和頻率資源。

▲ 北斗衛星示意圖。(Source:北斗導航系統

這是因 2000 年 4 月 18 日國際電聯批准中國申報的導航衛星頻率和軌道,「北斗」二號衛星導航系統進入國際電信聯盟的頻率總表,正式取得合法地位。不過據國際規則,如果不在登記後 7 年內即 2007 年 4 月 17 日前使用,頻率就會過期。

2. 失效衛星更容易導致碰撞

成功發射且正常服役的衛星受訊號控制,可變軌、避讓、調節角度,而失效衛星再也不受人控制,基本就是「隨緣」飄散太空,還會因為地球攝動(因受其他天體吸引或其他影響產生的軌道偏差)而偏離軌道。

很多失效衛星是遺棄狀態,再也沒人關心,也不知道究竟繞著地球轉到哪裡,都大大增加新發射衛星和失效衛星碰撞的風險。

比如 2009 年 12 月,中國發射的長征四號火箭的第三級和前蘇聯 1989 年 2 月發射的廢棄衛星,在南極上空 991 公里處差點高速相撞,兩者最接近時,距離可能只有 12 公尺。

▲ 擦肩而過。

3. 碰撞後的碎屑重複導致上述兩問題

發生碰撞後,失效衛星會產生大量碎屑,大部分碎屑會分散在失效衛星的軌道繼續繞地球轉,既占用軌道資源,又會增加碰撞機率,小部分碎屑會散射出去飄在太空裡。據科學家推測,目前公釐級以上碎屑可能數以億計。

▲ 倫敦大學學院講師斯圖爾特·格雷博士(Dr. Stuart Grey)創建的可視化圖像,展示從 1957 年到 2015 年太空碎片的數量。(Source:影片截圖)

這些碎屑威力有多大?

高度 300~450 公里的近地軌道時,太空碎屑的運行速度可能達每秒 7~8 公里。當在 36,000 公里高度的地球靜止軌道時,速度高達每秒 3 公里。

如果 2 個每秒 7 公里飛行的物體在太空相撞,約 10 公分的碎屑可能破壞整個航天器或衛星,約 1 公分碎屑可能擊穿太空艙,即使是地球毫不起眼的 1 公釐左右碎屑,都可能造成傷害。

10 克重的太空垃圾撞上衛星,相當於兩輛時速 100 公里的小汽車碰撞,衛星可能在 1.5 秒內打穿或直接擊毀,還會直接威脅到太空人的生命安全。

國際太空站就是衛星碎屑的「活靶子」,2016 年 4 月,國際太空站的對地觀景台玻璃出現一直徑 7 公釐的裂痕,正是被一塊小碎屑擊中。

解決失效衛星,大部分靠天

失效衛星潛在隱憂這麼大,要怎麼解決?答案是:大部分靠天。

1. 遺棄法

回收風險大,成本高,失效衛星最終命運就是孤零零繼續繞著地球轉。人們唯一能做的就是等衛星自己分解,或慢慢墜入大氣層燃燒殆盡,週期一般較長,可能需要幾十年。

2.「火化」法

設計衛星之初,部分衛星預留一部分電量和燃料,等待衛星瀕臨失效時,點燃所剩無幾的燃料,把衛星推向大氣層燃燒。

▲ 星鏈計畫官網介紹,衛星壽命終止時,會利用機載推進系統離軌。(Source:Starlink

不過衛星是精密化設計的儀器,內部空間寸土寸金,看似簡單的「留後門」,可能有成本上升或風險增大等問題,所以很多衛星沒有這類設計。

3. 太空葬

有些衛星屬於中高軌道衛星,離地球大氣層太遠,最終方向不是大氣層,而是太空。不過由於一般衛星預留燃料很少,不足以讓失效衛星飛向太空深處,僅飛向不重要或用不著的太空軌道,仍會繞著地球。

4. 主動清理

2016 年 6 月 25 日中國「長征七號」成功發射,名為「遨龍一號」的太空碎片主動清理飛行器一起進入太空,被譽為「太空清道夫」,可用機器手臂抓取衛星和太空碎片,帶入大氣層燒毀。

除了用機械手臂抓取,還有噴射網捕獲失效衛星、雷射射擊失效衛星等方法。可以說「保守療法」仍占多數,主動治療手段也越來越多。

▲ 由薩里大學(University of Surrey)領導的清理計畫,成功捕獲一塊繞地球旋轉的碎片。(Source:影片截圖)

俄國科學家齊奧爾科夫斯基說過:「地球是人類的搖籃,但人類不能永遠住在搖籃裡。」隨著社會進步,人類享受地球搖籃保護時,也面臨部分資源短缺,生產力和生產水準提升,總受限於人類文明的客觀進程,不斷催生不可調和的資源矛盾,最終走向經濟危機甚至戰爭。

如果人類能進一步探索和開發太空資源,一定程度可緩解或解決這種「地球病」。發射衛星是人類真正走入太空的第一步,無數世紀後,必將被新人類載入史冊。只是當人類真的打算移民到另一顆星球時,如果飄在地球上空的成千上萬顆失效衛星,變成人類征戰太空的最大絆腳石,那就太諷刺了。

無論探索太空還是清理太空垃圾,我們的選擇只有一個:前進、前進、前進!

(本文由 愛范兒 授權轉載;首圖來源:NASA / Public domain)

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