計畫發送 42000 顆衛星的星鏈計畫,被推測已發送的衛星已有 3% 失效

計畫發送 42000 顆衛星的星鏈計畫,被推測已發送的衛星已有 3% 失效

人類可能是目前已知唯一可以向太空扔垃圾的物種,這句話裡說的垃圾,指的是「廢棄或損壞的衛星及碎片」,它們越來越多,靜靜地圍繞著地球轉動,變成一張名副其實的「網」。

計畫發送 42000 顆衛星的星鏈計畫,被推測已發送的衛星已有 3% 失效

如果人類把眼光放向更遠的太空時代,可以這樣說,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 的星鏈計畫自誕生之初就引起了超高關注,熱度一直不減,不僅因為這項計畫的「大膽」屬性,還因為它預計發射的衛星總數量達到了一個驚人的數字:42000 顆。

計畫發送 42000 顆衛星的星鏈計畫,被推測已發送的衛星已有 3% 失效

之所以要發射這麼多顆衛星,是因為星鏈計畫打算建立一個覆蓋全球的衛星網路,為地球上的使用者提供寬頻服務,一定程度上解決邊遠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。

而根據歐洲太空局太空碎片辦公室(SDO)資料顯示,到 2020 年 2 月,地球軌道上大約有 5500 顆衛星。

也就是說,僅一個星鏈計畫發射的衛星總量,就是之前在軌衛星總數的 7 倍多

不管衛星這個詞聽起來多麼有科技感,說到底它仍然是一個大號的「電子產品」,還要經歷升空和變軌等多種考驗,出現故障是在所難免的事情。

計畫發送 42000 顆衛星的星鏈計畫,被推測已發送的衛星已有 3% 失效

哈佛-史密松天體物理學中心的天文學家強納森‧麥克道爾對照了 SpaceX 和美國政府的數據後,推測目前已發射上天的 800 多顆星鏈衛星中,有大約 3% 可能已經失效,失效的衛星「可能已經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?

天文學家強納森‧麥克道爾表示,3% 的故障率是一個正常的水平,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,42000 顆衛星中大約會有 1260 顆失效,如果按 1% 的故障率算,這個數字為 420 顆。

電影《瓦力》展示了被失效衛星包裹的地球

根據歐洲太空局太空碎片辦公室(SDO)資料顯示,到 2020 年 2 月,有大約 3200 顆失效衛星,而在此之後僅星鏈計畫一個計畫的故障失效衛星,可能就達到了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Internet,即將發射的衛星數量呈幾何級上升。有科學家預測,未來計畫發射的衛星總數可能超過 10 萬顆,無論按按 3 % 還是 1% 的故障率算,失效衛星都是一個龐大的數字。

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,衛星對於太空來說連一顆沙子都算不上,失效了也就失效了。

但實際上失效的衛星就像一顆顆定時炸彈,隨時可能給其它衛星帶來毀滅性的傷害。

太空中的高速碎屑殺傷力巨大. 圖片來源:《星際效應》電影

這裡面涉及到幾個關鍵詞:軌道、碰撞和碎屑,當這三個因素聚在一起的時候,失效衛星就是個讓人頭大的問題。

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,再加上衛星之間需要保持間隔避免無線電干擾,「太空很大可以隨便塞衛星」並不能實現。

為了緩解軌道資源緊張,ITU國際電信聯盟會根據各個國家領土面積和人口等多重因素來分配衛星軌道位置,就像現在一線城市上車牌一樣,路只有那麼多,先上牌的人多了,後上牌的人競爭就會更加激烈。失效衛星也會佔用軌道,浪費了寶貴的資源。

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,可以變軌、避讓、調節角度,而失效衛星再也不受人控制,基本就是「隨緣」飄在太空中,還會因為地球攝動(一種因受其它天體的吸引或其他因素的影響在軌道上產生的偏差)而偏離軌道。

很多失效衛星是被遺棄的狀態,再也沒有人關心它們,也不知道它們究竟繞著地球轉到哪裡了,這大大增加了新發射的衛星和失效衛星碰撞發生的風險。

3. 碰撞後的碎屑重複導致上述兩個問題

發生碰撞後會,失效衛星會產生大量的碎屑,大部分碎屑會分散在失效衛星的軌道里繼續繞著地球轉,既佔用軌道資源,又會增加碰撞的機率,小部分碎屑會散射出去飄蕩在太空裡。據科學家推測,目前毫米級以上的碎屑可能數以億計。

歐洲太空局製作的碎屑推測圖

這些碎屑威力有多大呢?

在高 300 – 450 公里的近地軌道上時,太空碎屑的執行速度可能達到每秒 7 – 8 公里。當它們在 36000 公里高度的地球靜止軌道上時,速度則高達每秒 3 公里。

如果兩個每秒 7 公里飛行速度的物體在太空相撞,10 公分左右的碎屑可能破壞整個太空器或衛星,1 公分左右的碎屑可能擊穿太空艙,即使是地球上毫不起眼的 1 毫米左右的碎屑,都可能造成傷害。

一塊 10 克重的太空垃圾撞上衛星,相當於兩輛 100 km/h 的小汽車互相碰撞,衛星可能在 1.5 秒內被打穿或直接擊毀,還會直接威脅到太空員的生命安全。

國際太空站就是衛星碎屑的「活靶子」,2016 年 4 月,國際太空站上的對地觀景台玻璃出現了一個直徑 7 毫米的裂紋,正是被一塊小碎屑擊中產生的。

想像一下玻璃瞬間碎裂的後果

解決失效衛星,大部分靠天解決

失效衛星潛在隱患這麼大,怎麼解決呢?

答案是:大部分靠天解決。

1. 遺棄法

回收風險大,成本高,失效衛星最終的命運就是孤零零地繼續圍繞著地球轉動。人們唯一能做的就是等待衛星自己逐漸分解,或者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,部分衛星預留了一部分電量和燃料,等待衛星瀕臨失效的時候,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進行離軌

不過,衛星是一個精密化設計的儀器,內部空間寸土寸金,看似簡單的「留後門」操作,可能會帶來成本上升或風險增大等問題,所以有很多衛星是沒有這個設計的。

3. 太空葬

有些衛星屬於中高軌道衛星,離地球大氣層太遠,最終被推向的不是大氣層,而是太空。

不過由於一般衛星預留的燃料很少,不足以讓失效衛星飛向太空深處,僅僅是飛向不重要或用不著的太空軌道,仍然會圍繞著地球。

 

 

隨著社會進步,人類享受著地球搖籃保護時,也面臨著部分資源短缺的境地,生產力和生產水平的提升總是受限於人類文明的發展客觀進程,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。

如果我們能進一步探索和開發太空資源,一定程度上可以緩解或解決這種「地球病」。發射衛星是人類真正走入太空的第一步,無數個紀元以後,必將被新人類載入史冊。

只是當人類真正打算移民到太空另一顆星球時,如果那些漂浮在地球上空的成千上萬顆的失效衛星,變成了人類征戰太空的最大絆腳石,那就太黑色幽默了。

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