馬斯克放的衛星被曝3%已成太空垃圾，最壞可能「鎖死」地球人

2020-10-28 量子位

鄭集楊 曉查 發自 凹非寺
量子位 報導 | 公眾號 QbitAI

關於馬斯克旗下SpaceX的「星鏈」（Starlink），令人擔心的事情還是發生了。

之前轟轟烈烈一次次發射之後，就有天文學家投訴影響正常觀測。

其後太空愛好者也擔憂，如果這些衛星成為擠佔軌道、成為太空垃圾，甚至成為「鎖死」地球的外殼怎麼辦？

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，上述擔憂現在就真真切切開始了。

哈佛-史密松天體物理學中心的科學家Jonathan McDowell，在對照了SpaceX和美國政府的數據後，發現已經發射上天的800多顆星鏈衛星中，有大約3%已經失效。

所謂「失效」，是指這些星鏈衛星，已經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的衛星網際網路計劃規模龐大。

即使3%的衛星失控，長此以往，數量也相當可畏。

根據國際電信聯盟（ITU）的最新文件，SpaceX計劃發射多達42000顆衛星，每顆衛星重量大約227公斤。

如果故障率沒有改善，那麼星鏈未來最多能產生1200多顆「死」衛星……

如此數量的太空垃圾，足以讓各國宇航局都「膽戰心驚」，沒準哪天自己發射的太空飛行器，就會被撞壞了。


△ 準備發射的一組SpaceX星鏈衛星

SpaceX官方，已經被問到了這個問題。

但現在太空中究竟有多少星鏈衛星已經失效，SpaceX官方沒有給出具體數字，也沒有對3%這個故障率做出回應。

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

3%的故障率有多可怕

發現這一問題的McDowell教授解釋：

他們（SpaceX）的失敗率並不可怕，不比其他任何人的失敗率糟糕。但令人擔憂的是，在如此龐大的衛星系統中，即使是正常的失敗率，也會導致大量不良太空垃圾的產生。

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

凱斯勒現象，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，將產生級聯碰撞：

一塊碎片被碰撞產生多個碎屑，這些碎屑又會與其他的太空垃圾繼續碰撞，產生更多的碎屑。

這會讓低軌道區域布滿太空垃圾，從而使低空衛星在這一區域很難存活，甚至會影響人類發射更高軌道的衛星。

最嚴重的後果，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。

而現在，星鏈計劃巨大的發射量，不禁讓人們擔憂凱斯勒的假設正在變成現實。

FCC文件顯示，SpaceX計劃製造1.2萬顆衛星，而國際電聯文件顯示，SpaceX計劃製造4.2萬顆衛星。

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

根據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，將使太空中無法運行的人造衛星數量增加11％或40％。

如果再考慮軌道上衛星碰撞產生的碎屑數量，問題看起來更加嚴重。

除「死衛星」外，SDO估計，地球軌道上目前有3.4萬個物體直徑超過10釐米，90萬個物體在1釐米到10釐米之間，並且有1.28億個物體在1毫米至1釐米之間。

模擬圖就已經很嚇人了。

△ 歐洲航天局對大於1mm太空垃圾的模擬

歐洲航天局逃過一劫

值得注意的是，星鏈對太空飛行器的威脅並非危言聳聽。

2019年9月，歐洲航天局（ESA）就經歷了驚險一幕。

當時根據軌道推算，歐洲航天局的大氣動力學監測衛星Aeolus有0.1%的概率與星鏈衛星發生碰撞。

雖然0.1%的概率看似很小，但是在太空中碰撞機率達到0.001%就需要對衛星軌道進行幹預。

而且這兩顆衛星的質量都不小，Aeolus大約1.36噸，星鏈質量大約是227千克。人造衛星的運行速度是子彈的10倍以上。

一旦二者撞上，後果不堪設想。

△ NASA在一項測試中模擬太空碎片與飛船碰撞的後果

後來，由於SpaceX「沒有計劃採取行動」，歐洲宇航局不得不在最後時刻，對自己的衛星主動變軌，避免了事故發生。

而SpaceX事後解釋，由於通信系統中存在「錯誤」，導致他們錯過了ESA的電子郵件。

雖然最後結果，算是「虛驚一場」，但這件事足以敲響了警鐘。

那麼SpaceX，就真的沒有安全和自毀方案嗎？

又究竟靠不靠得住？

「星鏈」的安全和自毀

SpaceX自己介紹，星鏈衛星在正常工作下，是能夠離軌進入大氣層，從而進行自毀的。

同時，還有自動碰撞規避系統來保障衛星來太空中的安全。

不過，一旦發生了機動能力的故障，上述的那些能力，就需要重新評估。

衛星自毀

離子發動機，在衛星構件中是動力核心。

星鏈的離軌，離不開離子發動機的運作。

它出現於上世紀60年代，其原理是先將氣體電離，然後用電場力將帶電的離子加速後噴出，形成反作用力實現推動。

通常，業內使用氙離子來作為離子推進器的離子源（燃料）。

而SpaceX出於節約成本，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，這是出於商業的考慮。

此外，SpaceX為了進一步節約成本，在星鏈衛星中都只配置了一個離子發動機。

然而，這是有安全隱患的，因為通常太空飛行器會配置多個發動機以防止某一發動機出現故障後導致衛星失能，而SpaceX這一舉動無疑會提高星鏈衛星的故障率。

那麼，離子發動機，在離軌的時候，究竟角色如何？

當衛星需要變軌或離軌的時候，比如監測到碰撞或者衛星自毀，離子發動機可以增減速度，從而實現對原軌道的脫離。

以衛星自毀進行分析，當衛星壽命即將終結，離子發動機將會工作反推，降低速度和軌道，讓衛星很快墜入大氣層。

之後基於特殊的結構設計，進入大氣層的衛星能夠迅速燃燒，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。

不論其是通信系統出現故障，還是離子發動機有問題，都意味著該衛星已經失去了地面控制，獨自游離於太空之中。

不過需要補充的是，即使衛星發生故障失去機動能力，也並非完全不能自毀。

可以通過自然下降來完成——衛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，衛星跟太空垃圾沒兩樣，同樣會給正常工作的太空飛行器，帶來不小的威脅。

碰撞規避

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

因為自主碰撞規避系統的正常運轉，通信和動力，二者缺一不可。

如示意圖所示，衛星能夠使用從地面傳輸的空間碎片威脅信息數據，或者得到指令，使用自身攜帶的四個動量輪系統，配合離子推進系統來實現碰撞規避。

比喻來說，所謂自主碰撞規避系統，不是看到石頭，然後躲開它，而像是空中交通管制。

這個系統可以保證衛星在正常工作下，主動規避其他太空飛行器或者太空碎片，但是在發生故障時，它不能成為規避其他太空飛行器的「保險絲」。

所以從原理和後果上來看，雖然星鏈衛星自稱擁有自毀和碰撞規避的功能，但都是基於衛星正常運轉時所設計。

而一旦發生故障，結果大同小異——造成太空垃圾。

而目前為止，對於如何善後，馬斯克和SpaceX，完全沒有給出過備份方案。

只管開發不管後果

更可怕的是，這更像是一場軍備競賽。

SpaceX「視而不見」後果，其他公司也避而不談。

已經破產的OneWeb發射了74枚衛星，這家公司原本計劃發射4.8萬顆衛星；

貝佐斯旗下的亞馬遜也有個網際網路衛星Kuiper計劃，預計發射3200枚衛星；

甚至蘋果也被彭博爆料，有類似的計劃……

全球範圍內更多商業公司，也都加入了這場資源搶位戰中。

在當初馬斯克的星鏈雄心曝光時，就有人「厚黑」的角度這樣評價：

網際網路衛星是解決偏遠地區的好辦法，但是倘若因為技術不成熟導致「太空災難」，那就太得不償失了。


參考連結：
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

— 完 —

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    其後太空愛好者也擔憂，如果這些衛星成為擠佔軌道、成為太空垃圾，甚至成為「鎖死」地球的外殼怎麼辦？　　如果故障率沒有改善，那麼星鏈未來最多能產生1200多顆「死」衛星……　　如此數量的太空垃圾，足以讓各國宇航局都「膽戰心驚」，沒準哪天自己發射的太空飛行器，就會被撞壞了。　　SpaceX官方，已經被問到了這個問題。　　但現在太空中究竟有多少星鏈衛星已經失效，SpaceX官方沒有給出具體數字，也沒有對3%這個故障率做出回應。
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    ，除了SpaceX主動淘汰的測試衛星，他已監測到23顆，大約3%的星鏈網衛星已不能在軌道上操縱，可能已經發生故障並失去控制。和SpaceX利用氪動力離子推進器主動脫軌的衛星不同，這些失去動力的衛星可能長期在軌道上漂移，需要長達5年的時間才會墜毀，其間可能會發生和其它太空飛行器相撞的事件。衛星越多，相撞的機率越大，這有可能在低軌道形成大量的太空碎片，對其它太空飛行器甚至太空人構成巨大威脅。
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