衞星墜落,誰惹的禍?_風聞
已注销用户-2022-03-03 17:58
近日,太空探索技術公司(SpaceX)CEO兼特斯拉公司CEO埃隆·馬斯克攤上了兩件大事。一件開心事,他成功入選了美國國家工程院2021年度增補院士名單;一件糟心事,因地磁風暴影響,**SpaceX發射的49顆星鏈衞星中有40顆墜落地球。**可以説這次發射任務基本上失敗了,並造成很大損失。

2021年4月28日,一枚“獵鷹9”火箭從美國佛羅里達州攜帶一個批次的60顆“星鏈”衞星升空。圖|人民視覺
這次有史以來最大規模的衞星集體墜落事件引起了全球媒體的廣泛關注,人們對星鏈計劃的爭議也愈加激烈。星鏈衞星的大量發射及軍民用途的快速發展,對全球衞星互聯網建設、空間網絡安全產生重大影響。
面對馬斯克的星鏈計劃,2月16至17日,歐洲也推出自己的“星鏈計劃”,提出歐洲“安全連接系統”概念,計劃斥資60億歐元建設歐洲獨立的太空互聯星座,以擺脱未來對馬斯克星鏈計劃的依賴。
回顧往昔,馬斯克雖然在太空探索領域有諸多創新和突破,但星鏈計劃廣受非議,面對“野蠻生長”的星鏈,星鏈計劃目前進展如何?給我國及國際社會帶來了哪些挑戰和影響?
文丨田碩 瞭望智庫觀察員
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都是太陽惹的禍?
美東時間2月3日18時13分,SpaceX“獵鷹9號”火箭在佛羅里達州肯尼迪航天中心成功發射第36批次的49顆“星鏈”衞星,也是今年第三批。部署計劃是將衞星送入近地點210公里高的測試軌道,再利用這些衞星自帶的霍爾效應推進器將軌道爬升至540公里高的工作軌道,這一過程大約需要數週時間。然而,這批衞星在發射第二天就遭遇了地磁風暴的嚴重影響。

星鏈衞星展開 來源SpaceX.com
什麼是地磁風暴?
太陽風到達地球與地球磁場產生交互作用,帶來地球磁場的擾動,如果擾動劇烈,就是地磁風暴。地磁風暴的發生會使高層大氣升温,導致其受熱膨脹,使高層大氣密度增大。如此一來,處於低軌道的衞星所遭受的阻力就會急劇增長,從而導致其墜入大氣層。
跟據SpaceX的數據,這批星鏈衞星遭遇了Kp=5級別的地磁暴,所受阻力比以往增加了50%。地面指揮這批衞星進入“安全模式”,通過操縱它們的姿態來減少阻力。在這種模式下,星鏈衞星收縮成薄片狀,以側邊緣像紙一樣飛行,以求最大程度減少空氣阻力,但是阻力的增加讓多達40顆衞星無法退出安全模式來抬升軌道,於是這些衞星將重返地球大氣層。

來源 SpaceX.com
【注:通常使用地磁Kp指數來表徵地磁擾動的強弱,Kp指數劃分為0到9級,Kp=5表示發生了低級別地磁暴。Kp=9是強地磁暴,地球輻射環境、大氣環境都會發生劇烈變化,相關機構會針對強地磁暴做出相應的預警、防護和規避措施。】
SpaceX官網稱,這批星鏈衞星已經設計為跌入大氣層時自動銷燬,這意味着這些脱軌衞星與其他衞星相撞的風險為“零”(也沒有衞星在這麼低的軌道運行),且不會產生軌道碎片,也不會有碎片撞擊地面。
為什麼這次會出現大批量衞星墜毀事件?
中國科學技術大學地球和空間科學學院教授雷久侯表示,這是“天災”和“人禍”撞一塊了。除了地磁暴外,星鏈衞星的墜落主要還是衞星推進策略以及盲目發射導致,大氣阻力升高只是一個誘因。
在他看來,一般衞星不會停靠在210公里高度。如果一開始就將衞星送到更高軌道,即使遇到更強的地磁暴,也不會導致衞星快速墜落。因為,大氣密度隨高度呈指數型衰減,軌道升高100公里,大氣阻力要低1-2個數量級。
據稱,SpaceX公司之所以選擇在近地軌道部署“星鏈”衞星,部分原因就是為了在出現故障的情況下可以保證迅速處理。但事實證明,正是這樣的軌道設計,反而使它們更易受到地磁暴的影響。
此外,其實美國國家海洋和大氣管理局當天曾發出地磁暴提醒,稱發射當天可能會發生太陽風暴。但不知什麼原因,火箭仍按時發射,結果第二天,太陽風準時抵達,釀成此事件。
其實受地磁暴影響而墜落早有前車之鑑。美國首個空間站“天空實驗室”(Skylab)於1973年發射升空,預計運行壽命為10年。但之後在軌期間太陽活動處於高發年,由於多次地磁暴的累積效應,地球大氣層膨脹使得處於400公里近地軌道的天空實驗室飛行阻力加大,軌道迅速下降,1979年7月提前墜入大氣層。
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星鏈進展如何?
星鏈計劃是SpaceX旗下的全球衞星寬帶項目,是馬斯克於2015年提出的,**計劃在太空建起一個衞星網來提供覆蓋全球的互聯網服務,**尤其是偏遠地區,預估需要的資金總額至少達到100億美元。
SpaceX計劃在2020年代中期之前在340公里(約7500顆),550公里(約1600顆),1150公里(約2800顆)三個軌道上部署近1.2萬顆衞星,最終形成一個巨大的“星座”。但根據SpaceX在2019年10月提交給美國聯邦通信委員會(FCC)的備案,SpaceX準備在1.2萬顆的基礎之上,再發射3萬顆衞星,最終總數達到驚人的4.2萬顆。
2018年2月22日,SpaceX在美國加州范登堡空軍基地成功發射了一枚“獵鷹9號”火箭,並將兩顆小型實驗通信衞星丁丁-a(Tintin-a)和丁丁-b(Tintin-b)送入軌道,星鏈計劃由此開啓。2019年5月24日,SpaceX使用“獵鷹9號”火箭成功將星鏈首批60顆衞星送入軌道。從此之後,星鏈衞星的數量便快速增加。

首批60顆星鏈衞星 來源 SpaceX.com
由於SpaceX獵鷹火箭的相對低成本和強大運力,星鏈衞星可以頻繁發射,一次可以將幾十顆衞星送上太空,最高紀錄達到了一箭143星。截止到2022年1月,成功發射的總數已超過2000顆。正式運行1469顆,佔全球在軌運行衞星總數30%,另有272顆正在進入運行軌道,絕對稱得上一家獨大。美國馬薩諸塞大學太空科技中心研究人員統計,自1957年蘇聯發射人類第一顆人造衞星以來,發射的所有衞星總數也只有約8000顆。SpaceX計劃發射的4.2萬顆“星鏈”衞星是人類發射衞星總數的約五倍。
2019年接受記者採訪時,馬斯克估算,全球的互聯網連通每年能創造1萬億美元收入,“星鏈”計劃或能拿下其中的3%到5%。**這意味着“星鏈”計劃每年能帶來500億美元收入。**目前SpaceX的估值已達到1000億美元。
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太空碰碰車?
隨着航天活動的日益頻繁,近地空間正變得越來越擁擠。目前在太空中運行的人造衞星僅有5000顆左右,但航天器接近事件已層出不窮。未來隨着衞星發射數量的激增,尤其是隨着SpaceX建設總數為4.2萬顆衞星星座的推進,太空交通安全問題將進一步凸顯。這就好比路上的車多了,發生交通事故的概率一定會增加。
**早在2009年就發生了人類歷史上首起衞星相撞的事件。**2月10日,美國1997年發射的銥星33與俄羅斯1993年發射的Cosmos 2251衞星在西伯利亞800公里上空相撞。碰撞產生了大量碎片,俄羅斯稱這個碎片雲可能存在一萬年。2021年年底,一塊衞星殘骸碎片與韓國阿里郎3號衞星的距離最近一度只有62米。最終,衞星緊急升高軌道才躲過一劫。
目前,在冊的10cm以上空間物體已超過2萬個,受觀測手段限制,尚不能跟蹤到的更小的碎片更是預計過億。為了解決空間碎片問題,有着外太空國際法基石之稱的1967年《外層空間條約》規定,各國應該對自己發射的航天器負有國際責任,不論是政府行為還是非政府行為。各國應尊重保護航天員安全,並將在外空發現的對航天員生命或健康構成危險的現象通知聯合國秘書長或其他締約國。
就在去年12月,聯合國和平利用外層空間委員會(COPUOS)官網發佈的中國照會,再度引發了輿論對星鏈衞星的擔憂與聲討。2021年7月1日和10月21日,美國星鏈-1095和-2305衞星先後兩次接近中國空間站,且第二次時,該衞星處於連續軌道機動狀態,機動策略未知且無法評估軌道誤差。出於航天員的安全考慮,中國空間站兩次實施緊急避碰。
對此,外交部發言人趙立堅在去年12月28日表示,美國宣稱所謂的負責任外空行為概念,自己卻無視外空國際條約義務,對航天員生命安全造成嚴重威脅,這是典型的雙重標準。美方應該尊重以國際法為基礎的外空國際秩序,立即採取措施防止此類事件再次發生。
而美國於1月28日照會聯合國外層空間事務辦公室,否認了中國的説法,稱星鏈衞星的活動沒有達到既定的緊急碰撞標準的門檻,因此在任何一種情況下都不需要緊急通知,更狡辯稱,中方在給聯合國發出照會之前,並沒有聯繫美方有關部門並表達有關星鏈衞星帶來危險的擔憂。
對於中國在向聯合國發出照會前沒有聯繫美方這一説法,趙立堅予以否認。他説,避碰事件發生後,中方主管部門多次嘗試郵件聯繫美方,但均未收到回覆。如今,美方卻以所謂“緊急碰撞標準下限”推卸責任、轉移視線,這並非是一個航天大國應有的負責任的態度。更何況,美方也無權單方面設定一個“緊急碰撞標準下限”。
對此,SpaceX創始人馬斯克始終沒有回應。
這其實已不是星鏈衞星第一次引發軌道安全爭議。早在2019年9月,歐洲航天局(ESA)就報告其“風神”(Aeolus)氣象衞星執行了規避機動,以避免撞上星鏈-44號衞星。美國軍方在碰撞概率超過千分之一後才告知ESA這一風險,這比ESA設定的避碰風險閾值高出了10倍。
去年4月,星鏈衞星又險些與英國的OneWeb衞星相撞,二者最近時僅相距57.9米。美國太空部隊第18太空控制中隊當時發出“紅色警報”,OneWeb太空探索公司指責SpaceX關閉了“星鏈”衞星上的人工智能自動防撞系統。
美國“太空”網站去年8月的衞星碰撞評估數據顯示,**星鏈衞星每週都會發生1600次接近事件,幾乎是每週總事件數的一半;**除去星鏈衞星彼此間的接近,其中有500次都是星鏈和其他航天器的接近,甚至包括二者在小於1公里的距離之間飛過的情況。而這還只是星鏈計劃只有少部分衞星在軌的情況,一旦1.2萬顆衞星全部部署完成,90%的空間接近事件都將與星鏈有關。
就連NASA也在質疑星鏈計劃。2月8日,NASA致信FCC,對SpaceX的第二代星鏈計劃(Starlink Gen2,部署約3萬顆衞星)表示擔憂,稱此舉可能會導致近地軌道嚴重擁堵,增加衞星碰撞的風險,且將導致安全發射窗口越來越小,進而干擾NASA的科技活動。NASA強調,希望謹慎部署第二代星鏈系統,對當前發射窗口可用性進行分析比較,以證明星鏈衞星發射增加不會顯著影響未來NASA的發射任務,支持航天飛行安全和太空環境的長期可持續性。
為此NASA也開始提前佈局,去年和SpaceX簽署了聯合太空飛行安全協議。該協議的焦點包括NASA航天器和SpaceX星鏈衞星之間的避讓問題。協議要求SpaceX對任何靠近國際空間站或NASA航天器的星鏈衞星實施機動,NASA不做機動。
業內專家王亞男也表示,整個星鏈系統事實上處於一種不斷調整姿態和軌道的過程中,這種不透明的狀態也對其他國家的航天器構成嚴重的安全隱患,可能會對其他國家的航天器造成大量的近距離接近,甚至是碰撞的危險。
此外,越來越多的科學家們擔心,以星鏈衞星如此龐大的規模,無論是在軌衞星發生危險靠近,還是退役衞星失控,一旦它們造成太空碰撞事故,很可能引起連鎖反應,產生的太空碎片將橫掃近地軌道。
值得注意的是,絕大部分的人類航天器都在近地軌道運行,包括國際空間站和中國空間站(軌道高度通常在300-400公里)。星鏈衞星失控的潛在威脅之大,可見一斑。
然而,馬斯克在接受《金融時報》(Financial Times)採訪時卻聲稱,低地球軌道足夠空曠,能夠容納“數以百億計”的航天器,星鏈“不會阻礙任何人在太空做任何事”,並且星鏈衞星配備有自動避碰系統,可以跟蹤在軌碎片和航天器並自動迴避。
但事實可能並不像馬斯克所言。
首先,即便星鏈衞星真像馬斯克説的那樣具備完美的自主避障功能,但在日益擁擠的近地軌道上,如果一顆衞星為避免碰撞而變軌,就如同開車時在擁擠的高速公路上隨便變道一樣,這可能引起其他具有類似能力的衞星的連鎖反應,從而增加而不是降低太空碰撞的風險。
其次,麻省理工學院航空航天教授,航天動力學、太空機器人和控制實驗室(ARCLab)負責人Richard Linares指出,馬斯克“數以百億計”的説法混淆了衞星體積和軌道容量的概念,這就像路上能停多少輛車和路上能讓多少車同時通行的問題上一樣荒謬,是有誤導性的。
Richard Linares強調,速度越快,兩個運動物體的間隔必須增加,才能保證不會碰撞,所以衞星之間的距離,是要遠遠大於高速公路的車間距的。哈佛史密森天體物理學中心的天體物理學家喬納森·麥克道威爾計算出,如果航天器以每小時約2.7萬公里的速度飛行,為了保持三秒的間隔,一個軌道層的空間僅能容納1000顆衞星。
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主導近地空間?
歐洲航天局局長約瑟夫·阿施巴赫爾(Josef Aschbacher)去年12月警告稱,通過龐大的衞星羣,SpaceX正在利用國際電信聯盟的規定和國際太空治理的不完善來排擠競爭對手,主導近地軌道的“規則”。
此外,星鏈計劃還將影響太空的無線電頻率和軌道空間情況。按照國際電信聯盟的規定,衞星軌道和頻譜資源主要以“先到先得”的方式進行分配。這意味着其他國家需要避開已申請的頻段和軌道,太空探索的空間被嚴重壓縮。而且,馬斯克一人就擁有全球近一半的活躍衞星,他敦促歐洲大陸領導人停止為馬斯克主宰新太空經濟的野心提供便利。
不僅僅是主導規則,星鏈衞星的壟斷所帶來的潛在軍事潛力更加令人擔憂。SpaceX宣稱是利用星鏈提供互聯網服務,但事實上,考慮到整體投入、網速、性價比(終端接入設備499美元,網費99美元/月)和偏遠地區的人口數量(僅佔全球3%),星鏈計劃從商業角度來説讓人費解。外界紛紛猜測星鏈的真正用户並非位於偏遠地區的普通民眾,而是美國軍方。
根據美國軍方於2020年5月同SpaceX簽署的協議,美軍要求在未來3年時間內使用星鏈服務。而在2020年10月,SpaceX拿下為美軍打造導彈跟蹤衞星合同之時,美國媒體更是直言:“星鏈不再只是用於寬帶服務。”更何況,SpaceX的部分發射場就建在美軍的范登堡空軍基地內。
SpaceX同美國軍方的聯手,以及“星鏈”的快速擴張勢頭,正引起越來越多的擔憂,恐會引發新一輪“星球大戰”。
**第一,**一旦目前已獲批的1.2萬顆星鏈衞星發射到位後,它就會在近地軌道築起一道屏障,其他國家的火箭要確定發射窗口,就要和SpaceX商量和協調,否則就可能相撞。如果在戰時,掌握這項話語權的SpaceX就相當於對敵方實行“太空封鎖”。
**第二,**以往每顆高軌衞星的成本動輒十億美元,由於其高價值和數量少,使得動能反衞星武器獲得了極大的性價比優勢。例如,美國GPS系統只有24顆衞星,一旦以低成本的動能武器實施攻擊,將癱瘓美國的全球導航定位和授時通信系統,對美軍的全球兵力部署和多域聯合作戰造成致命打擊。而星鏈的衞星多達上萬顆,能讓動能武器的優勢不復存在。並且一旦硬殺傷擊毀若干衞星,就會產生大量碎片,其影響是任何國家都難以接受的。
**第三,**目前星鏈衞星上搭載的是通信設備,未來也可以搭載各類軍用觀測設備,對於全球主要地區,可實現全方位、全天候偵察監視,且具有成本低、數量多、覆蓋面廣、重訪週期短、識別率高等優點,這必將大大提升美國對地面移動物體和太空目標的監控能力。
**第四,**未來星鏈或將代替GPS,成為美軍下一代“可靠導航定位與授時”的首選。測試結果顯示,“星鏈”衞星的傳輸速率在100Mbps以上,精度在1米以內,信號強度是GPS的10倍以上,具備更強的抗干擾能力。目前,美軍使用高軌道衞星通信存在250毫秒的延遲傳輸,而星鏈衞星可提供25毫秒的延遲速度,實現實時通信,並在各類武器平台交換數據。
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21世紀天文學發展的最大阻礙
2019年5月,**首批60顆星鏈衞星的發射立刻引發了天文學界的強烈抗議。**國際天文學聯合會(IAU)發表聲明,表示擔心星鏈衞星反射太陽光導致的光污染會嚴重影響天文觀測。反光對人類來説很微弱,肉眼不可見,但是大批星鏈衞星穿過夜空的軌跡,會破壞那些需要長時間曝光的天文觀測。
馬斯克在2019年5月底稱,這一影響是暫時的,等星鏈從400多公里的臨時軌道轉移到550公里的工作軌道,就不會再顯得這麼亮。
然而問題並未隨着衞星進入更高軌道而消失。由於光學望遠鏡常常依靠長時間曝光來成像,掠過空中的衞星羣不但會在畫面中留下一道道白線,遮擋大量信息,還會令夜空的平均亮度提升2-3倍,進一步妨礙觀測。
美國天文學會發布的一份執行摘要將巨型衞星星座描述為“21世紀天文學的嚴重問題”,與城市光污染相當。並且就算只考慮星鏈已確定發射的12000顆衞星,等它們全都部署就位之後,在地球上的任意地點和任意時刻,天空中都會有140顆這樣的衞星。雖然亮度大概接近人類肉眼可見的極限,但對於地面上的光學和射電望遠鏡來説,這些衞星會是一場災難。
**一項發表在《天文物理期刊》上的研究表明,星鏈衞星正在導致望遠鏡圖像中出現越來越多的條紋。**上月,美國加州理工學院就發文稱,研究人員依託美國帕洛瑪山天文台(Palomar Observatory)茲威基瞬變探測器(Zwicky Transient Facility)拍攝的天文圖像,分析出從2019年11月到2021年9月,圖中出現了多達5301條星鏈衞星組成的軌道痕跡。加州理工學院這張官網圖,就是其中一處。

加州理工學院官網截圖
在知名天文攝影師丹尼爾·洛佩茲(Daniel Lopez)拍攝新智彗星(NEOWISE)的延時照片裏,星鏈衞星也摻和了進來,完全掩蓋了主角彗星的光彩。

隨着越來越多星鏈衞星進入軌道,黎明和黃昏的觀測圖像受到的影響最大,在2019年,只有0.5%的這類圖像受到星鏈的影響,到2021年,受影響的圖像達到20%。天文學家估計,目前有0.04%的概率會導致天文學家沒能發現一些罕見的天文事件,比如錯過一個新的小行星。
天文學家預計,如果在軌星鏈衞星達到1萬顆之後,全部的黎明或傍晚的天文觀測圖像都會至少出現一條星鏈衞星形成的軌道痕跡。
最終,SpaceX不得不做出妥協,為新發射的衞星安裝了一種叫“Visorsat”的摺疊板來降低反光率,但這沒有達到美國天文學會等組織的標準,仍不能讓人滿意。已發射的衞星也無法安裝這些裝置,只能將衞星太陽能板調整到不會反射光線至地面的角度。這在一定程度上緩解了可見光污染問題,但是漫反射太陽光的部分仍未消除。

來源 SpaceX.com
此外,在可見光波段以外,星鏈也在嚴重干擾着天文觀測。IAU指出,衞星星座通過無線電(射頻)信號與地球進行通信,產生的大量射頻噪音很難被射頻觀測忽略。比如,目前眾多針對黑洞的前沿研究所使用的事件視界望遠鏡(EHT)就正苦於巨型衞星星座的射電干擾。
**空間利用不受監管,使得天文學家們無處告狀,他們已大聲疾呼設計者、部署者和政策制定者與天文學家合作來減輕影響。**2月2日,國際天文聯合會宣佈成立保護黑暗寧靜天空免受衞星干擾中心(Centre for the Protection of the Dark and Quiet Sky from Satellite Constellation Interference),該中心由天文學家、衞星運營商和監管機構組成,致力於保護天空免受衞星光污染。
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退休了還要污染大氣
有學者指出,**巨量的人造衞星會對地球大氣和全球氣候產生難以估量的影響。**一篇於2021年5月20日在《科學報告》(Scientific Reports)上發表的論文表明,衞星中含有的鋁在衞星壽命終結再入大氣層時會燃燒生成氧化鋁(隕石主要由氧、鎂和硅組成,極少含鋁)。氧化鋁不但會嚴重消耗臭氧,導致臭氧層吸收紫外線的能力變弱,還會散射太陽光,改變大氣層的反照率,對全球氣候產生影響。
相比等量的普通大氣固體污染,退休衞星的污染更為顯著。化石燃料燃燒產生的污染物主要位於大氣底部(高度10公里以內),在幾周內就能隨重力或大氣中的水沉降。但從太空進入大氣的物質會停留在接近100公里高度的大氣層頂部,有可能在那裏永久存在。
根據星鏈計劃的衞星壽命(每5年發射新衞星替換原衞星)計算,平均每天墜落的退休衞星將重達2.2噸,留在大氣中的氧化鋁會隨着時間推移不斷增加,對臭氧層和反照率的影響也會日漸顯著。美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的研究人員指出,幾十年後星鏈衞星燃燒所積累的污染物帶來的氣候影響,或許會與目前化石燃料燃燒引起的氣候變化相當,這種可能性無法排除。
英屬哥倫比亞大學物理和天文學教授 Aaron Boley説,人類非常擅長低估自身改變環境的能力。我們曾經認為,人類傾倒入海的塑料遠遠無法對海洋環境產生影響,人類排放到大氣的二氧化碳遠遠無法對全球氣候產生影響。但海洋塑料污染問題來了,全球氣候變化也來了。而如今,我們即將在開發太空時犯下同樣的錯誤。
不論是出於自身和“鄰居”安全考慮,還是為了對全人類負責,**星鏈計劃都必須在設計和運營時珍惜有限的公共資源,努力提高軌道效率,並減輕各方面的負面影響。**否則,未來的低地球軌道一定不會歡迎它們。
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