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SpaceX星链进展迅猛?3%的故障“死星”让人担忧

SpaceX星链进展迅猛?3%的故障“死星”让人担忧
2020年10月30日 18:39 新浪网 作者 前瞻经济学人APP

  近日,SpaceX发射了“星链”(Starlink)低轨宽带星座的第15组共60颗卫星,将总共895颗“星链”组网卫星送入轨道。仅在10月份,SpaceX就已进行了3次“星链”组网发射,共把180颗卫星送入轨道。根据其最新计划,SpaceX在十年结束前将一个由42000颗卫星组成的星座送入轨道。这种速度无疑让人惊叹!

  可惜的是,这种对“速度”的追求目前似乎成为了一种“只管开发不顾后果”的大跃进,背后的隐患被忽视了。卫星一批接一批密集发射,除了此前引起众多关注的光污染和无线电频率干扰(RFI),更让人担心的还有这些卫星本身“危险”的故障率。

  

  (图源:NASA)

  据最新消息,Starlink星座目前约有3%的卫星被证明是无反应的,在轨道上不再机动,它们已经成为“太空垃圾”,可能会对其他在轨卫星和航天器造成巨大危害。

  根据SpaceX今年夏天(5月中旬和6月下旬)向美国联邦通信委员会(FCC)发出的两份通知,该公司的几颗卫星自部署以来,竟然已经失去了机动能力!

  卫星物联网的“凯斯勒”隐患

  太空垃圾的存在已经成为了让各国航天界的“头疼事”。甚至有人预测,再如此下去,可能在某一时刻这些卫星和太空垃圾会遭遇大规模的“死亡”,然后形成环绕和地球的“太空垃圾带”。而一旦被包围,地球生物和航天器可能“插翅难飞”,人类只能被自己创造的太空垃圾“围城”困住。这种“末日景象”想想就让人头皮发麻!

  事实上,随着航天器上天越来越多,早已有人注意到了这种威胁。凯斯勒现象(Kessler Syndrome)是以美国宇航局科学家Donald J. Kessler名字命名的,他在1978年首次提出了这种“太空困境”,直指太空设备在轨道上的碰撞所带来的威胁。

  这些会导致灾难性的摧毁破碎和爆炸过程——这又产生了更多的碎片,进而导致进一步的碰撞和破裂。考虑到故障率率和SpaceX的长期“巨型星座”计划,这一困境似乎难以避免。

  而且SpaceX并不是唯一一家正在推动发射大量互联网卫星的公司。OneWeb已经为其计划中的48,000个星座发射了74颗卫星,亚马逊计划为其柯伊伯卫星舰队发射3200多颗卫星。目前还不清楚这些星座还会在轨道上留下多少报废的卫星。

  由于没有人能够操纵它们,失效的卫星有时会冲向其他航天器——包括国际空间站及其宇航员。

  即使一颗卫星与另一颗没有载人的卫星相撞,也会造成危险的情况。

  在美国宇航局和空军进行的模拟太空碎片碰撞测试中,一枚碎片击中了一个航天器模型。

  这不是第一次发生这样的爆炸,而且不需要很多很严重的爆炸就会加剧隔阂问题。2007年,中国试射了一枚反卫星导弹,炸毁了自己的一颗气象卫星。两年后,一艘美国飞船和一艘俄罗斯飞船意外相撞。仅这两个事件就使近地轨道上的大型碎片数量增加了约70%。印度在2019年进行了反卫星导弹试验,爆炸产生了大约6500个比橡皮擦还大的碎片。

  总而言之,超过500次这样的“碎片事件”在地球轨道上制造了近1.3亿个碎片。这些碎片以每小时17500英里的速度环绕地球飞行,大约是子弹速度的10倍。

  这不仅是机器人航天器的问题,也是载人航天器的问题。就在上个月,一块碎片在距离足球场大小的空间实验室不到一英里的地方倾斜。为了避免碰撞,任务控制人员点燃了一艘附加的俄罗斯货运飞船的推进器,以操纵空间站避免可能的伤害。三名宇航员用联盟号飞船将自己密封在国际空间站的一个部分内,这样他们就可以在碎片撞击时逃生。

  “奋进号”(Endeavour)航天飞船在执行任务后发现了一块太空碎片击中了它的散热器。进洞时大约0.25英寸宽,出洞时却是它的两倍大。

  如果太空垃圾问题变得极端,一连串的碰撞可能会失去控制,环绕地球形成一个几乎无法通过的碎片场,使得所有地球航天器都无法再飞出太空,将人类“锁”死在地球上。这种碎片可能需要数百年甚至是数千年才能落回地球大气,使航天飞行再次安全。这可能正成为一个巨大的隐患。

  3%:一个让人胆战心惊的数字

  Starlink星座带来的这种威胁实实在在地存在,而目前似乎还没有什么像我们平时打扫垃圾一样干脆利落的方法。

  更糟心的是,SpaceX没有提供足够的信息,来表明哪些卫星受到了影响。基于这个原因,哈佛-史密森天体物理中心(CfA)和钱德拉X射线中心(Chandra X-ray Center)的天体物理学家乔纳森·麦克道尔(Jonathan McDowell)提出了他自己对卫星轨道行为的分析,以说明哪些卫星已经失灵。

  麦克道尔把自己的数据和美国政府的资料结合在一起,将分析结果公布在网站上的Jonathan's Space Report中。根据这一数据,他确定该星座中约3%的卫星失效是因为它们不再对指令作出反应。当然,一定程度的故障是不可避免的,3%的失败率((不包括45颗已知SpaceX故意偏离轨道的卫星)还是相对较低。

  但是,每一颗由于通讯或推进系统问题而无法正常运作的卫星,都会给其他卫星和航天器带来碰撞危险。别看这3%的失败率看似并不高——考虑到Starlink星座“织网工程”之浩大,长此以往这些故障产生的“太空垃圾”,将令人生畏,造成失控的局面,甚至是一场“浩劫”。如果故障率改善不了,最多会产生1200多颗的“死”卫星——足以让各国宇航局都“胆战心惊”。

  不久前,SpaceX获得了美国联邦通信委员会(FCC)的许可,可以在328公里到580公里(200到360英里)的轨道上部署约1.2万颗星链卫星。然而,最近提交给国际电信联盟(ITU)的文件显示,该公司希望创建一个拥有多达4.2万颗卫星的巨型卫星星座,其数量将超过此前人类发射的所有航天器。

  在这种情况下,按3%的故障率计算,随着时间推移,360-1260颗250公斤(550磅)的卫星将报废,它们将漫无目的地环绕地球。根据欧洲航天局空间碎片办公室(SDO)的数据,截至2020年2月,目前地球轨道上有5500颗卫星,其中大约2300颗仍在运行——未运行的卫星达到大约3200颗。这意味着(用简单的数学方法)建成一个完整的星链星座后,就会使轨道上无法运行的卫星数量增加11%-40%。

  如果考虑到轨道上的碎片数量,碎片和碰撞带来的问题看起来就更危险了。除了无法运行的卫星,SDO还估计,目前在轨运行的物体有34,000个,直径超过10厘米(~4英寸),90万个1-10厘米(0.4-4英寸)之间的物体,1.28亿个1毫米-1厘米之间的物体。

  就在本周,卫星追踪器发现报废卫星和报废火箭体之间存在“非常高的风险”或发生碰撞,一家公司估计相撞的几率为10%。(但最后它们毕竟没有相撞)。

  SpaceX表示,如果其推进系统不起作用,其卫星将自然脱轨,或在地球大气层中燃烧。但StarLink网站显示,这个过程可能需要长达5年的时间。与此同时,报废的卫星以比子弹还快的速度绕地球飞行,而且没有人能使它们远离那些可能在其轨道上飞行的其他航天器。

  视而不见:“星链”的惊魂一刻

  面对外界的质疑,SpaceX没少“甩锅”,屡屡强调碰撞的风险非常小。在2017年4月提交给FCC的文件中,SpaceX提出了碰撞风险的可能性,它假设“卫星故障导致无法执行碰撞避免程序的概率为10%、5%和1%”。作为回应,该公司表示,考虑到以下规格和指导方针,甚至1%的风险都不太可能:

  SpaceX还表示,设计“星链”星座,会遵循美国NASA碎片减缓指导方针和“积极的监测计划”,以发现潜在的问题和使受影响的卫星脱离轨道。他们通过长时间的增量部署计划来作出更好的安排(每次发射部署一批60颗卫星)。

  另外,将利用新技术和升级的迭代设计过程,避免发射更多被认为有问题的卫星,避免那些被认为有风险的卫星脱离轨道。比如,他们的卫星可以利用离子驱动避免碰撞。

  更重要的是,SpaceX强调它进行了模拟,并得到了来自美国空军联合空间操作中心(JSpOC)和美国宇航局轨道碎片工程模型的信息。据此,他们声称,基于1%的卫星故障率,且没有进行纠正操作的情况下,“SpaceX的任何失效卫星与追踪到的碎片相撞的几率大约为每10年1%。”

  还有一种可能的情况是,如果星链卫星的推进系统出现故障,它们就无法提升轨道或提供修正推力,从而自然脱轨。但是,与其他通信卫星相比,即使它们的轨道较低,这一过程仍需要1-5年时间。因此,没有任何保证,只能保持警惕、随时准备。

  与此同时,马斯克本月早些时候宣布,随着最新一批卫星入轨,Starlink计划对其互联网服务进行beta测试。“一旦这些卫星到达目标位置,我们将能够在美国北部和加拿大南部进行相当广泛的公测。我们一得到监管部门的批准,其他国家就会跟进。”

  尽管SpaceX星链目前仅发射了规划中大约4%的卫星,但它不久前就已经经历了一次千钧万险的“惊魂时刻”。

  2019年9月,为了“让道”,欧洲航天局(ESA)不得不在最后一刻调整其一艘航天器,以避免可能与Starlink卫星相撞。那次事故的概率是千分之一(0.1%的概率)。虽然这听起来很低,但如果你听到美国NASA经常因为10万分之一的几率移动国际空间站,就知道那是个什么样的概念了。

  事后欧洲航天局表示,由于SpaceX公司“没有采取行动的计划”,它不得不移动其卫星。而SpaceX却表示,由于通讯系统出现“故障”,公司没有收到欧洲航天局关于该问题的电子邮件——就这样把自己的责任化为“虚惊一场”。但一旦二者真的撞上,后果不堪设想。

  总的来说,像这样的近距离接触似乎越来越频繁。

  分析图形公司(Analytical Graphics, Inc)的天体动力学家Dan Oltrogge表示:“我们最近看到连词的数量明显上升。”他使用的软件从2005年起就开始对联撞数据进行评估。“它看起来与新发射的大星座航天器非常吻合。”

  随着新的卫星星座的发射,像FCC这样的监管机构可能需要评估他们愿意接受多少报废的航天器。

  避开“太空灾难”:安全自毁竟如此关键?

  SpaceX对此倒也不是无动于衷。整体来看,目前它可能准备在3个方面进行对太空垃圾的“自毁”与回收:

  首先是利用离子发动机。为了防止在轨道上发生碰撞,SpaceX为其卫星装备了氪霍尔效应推进器(离子发动机,krypton Hall-effect thrusters),以提高这些卫星运行的轨道,使它们在太空中正常运作,并在其寿终正寝时脱离轨道。

  

  示意图:霍尔推进器的横截面。

  不过,SpaceX出于节约成本,选择了氪离子作为离子推进器的离子源(燃料),而非成本高出近10倍的氙离子,这显然有点“不负责任”的意思。此外,SpaceX为了进一步节约成本,在星链卫星中都只配置了一个离子发动机,这样“以防万一”的配置又容易造成更高的故障率。

  SpaceX下一代星际飞船,也已经有了收集太空垃圾的计划。SpaceX总裁兼首席运营官格温妮·肖特韦尔(Gwynne Shotwell)表示,SpaceX可以使用其下一代“星际飞船”(Starship)来清除地球轨道上的太空碎片,虽然该计划主要目的是将人员和货物运送到月球和火星。

  “我们很有可能利用星际飞船来运送其中一些‘死’掉的火箭弹,当然是其他机构产生的的火箭弹,基本上是从中提取一些太空中的垃圾。”

  肖特韦尔说,Starlink计划为SpaceX提供了一个“绝佳的机会”,以“做好自己的功课”来管理和修复空间碎片。

  “因此,我们已要求将整个星座带入一个较低的高度,以便使卫星更快地下降,并且实际上我们会将其发射到一个较低的高度。如果发射后由于某种原因它们工作不佳,它们就会出现回到地球。当然,它们会破裂,但是基本上它们会很快离开轨道位置。”

  最后就是自动碰撞规避系统。自主碰撞规避系统的正常运转,通信和动力,二者缺一不可。

  卫星能够使用从地面传输的空间碎片威胁信息数据,或者得到指令,使用自身携带的四个动量轮系统,配合离子推进系统来实现碰撞规避。

  虽然星链卫星自称拥有自毁和碰撞规避的功能,但都是基于卫星正常运转时所设计。而一旦发生故障,结果大同小异——造成太空垃圾。

  最坏的结果是,卫星发生故障失去机动能力,但寄望于它并非完全不能自毁的长期“消化”。“死卫星”可以通过自然下降来完成——卫星靠稀薄空气阻力缓慢降低轨道,最终进入大气层,但这是一个漫长的过程。而在这一过程中,卫星跟太空垃圾没两样,独自游离于太空之中,同样会给正常工作的航天器,带来不小的威胁。

  更多的“太空垃圾”清除大计

  在太空碎片监测与清除市场,空中客车、Analytical Graphics、Astroscale、BAE系统、波音、Cobham、Electro Optic Systems、洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼、S.P. Korolev Rocket和Space等公司找到了他们大展身手的机会。

  欧空局已提出开展一项机器人任务,以把其报废的“环境卫星”(Envisat)遥感卫星清除出轨道。该局控制人员2012年同这颗客车大小的卫星失联,而该星预计要到约150年后才能靠自然衰减最终离轨。那意味着它将成为一项长期威胁,有可能会通过与其它在轨物体发生碰撞而生成更多的空间碎片。

  日本创企宇宙尺度公司(Astroscale)等其它厂家正在寻求验证一项商业服务,以主动地把废弃卫星和火箭级从轨道上清除掉。

  总的来看,无论是机械臂抓手、太空“鱼叉”、太空“弹弓”……清理“卫星杀手”隐患的方案越来越多,这些方式都在成为未来保障太空安全的重要一环。

  编译/前瞻经济学人APP资讯组

  参考来源:https://www.businessinsider.com/spacex-starlink-internet-satellites-percent-failure-rate-space-debris-risk-2020-10

  https://phys.org/news/2020-10-starlink-satellites.html

  https://spaceflightnow.com/2020/10/27/spacex-executive-pitches-starship-for-space-debris-cleanup/

  https://alkhaleejtoday.co/international/5211292/SpaceX-Manager-Deploys-Spaceship-to-Remove-Space-Debris-%E2%80%93-Spaceflight-Now.html

  https://spaceflightnow.com/2020/10/27/spacex-executive-pitches-starship-for-space-debris-cleanup/

  https://dy.163.com/article/FP9ABRMQ051198AK.html

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