近日，SpaceX發(fā)射了“星鏈”（Starlink）低軌寬帶星座的第15組共60顆衛(wèi)星，將總共895顆“星鏈”組網(wǎng)衛(wèi)星送入軌道。僅在10月份，SpaceX就已進(jìn)行了3次“星鏈”組網(wǎng)發(fā)射，共把180顆衛(wèi)星送入軌道。根據(jù)其最新計(jì)劃，SpaceX在十年結(jié)束前將一個(gè)由42000顆衛(wèi)星組成的星座送入軌道。這種速度無疑讓人驚嘆！

可惜的是，這種對(duì)“速度”的追求目前似乎成為了一種“只管開發(fā)不顧后果”的大躍進(jìn)，背后的隱患被忽視了。衛(wèi)星一批接一批密集發(fā)射，除了此前引起眾多關(guān)注的光污染和無線電頻率干擾(RFI)，更讓人擔(dān)心的還有這些衛(wèi)星本身“危險(xiǎn)”的故障率。

據(jù)最新消息，Starlink星座目前約有3%的衛(wèi)星被證明是無反應(yīng)的，在軌道上不再機(jī)動(dòng)，它們已經(jīng)成為“太空垃圾”，可能會(huì)對(duì)其他在軌衛(wèi)星和航天器造成巨大危害。

根據(jù)SpaceX今年夏天(5月中旬和6月下旬)向美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)發(fā)出的兩份通知，該公司的幾顆衛(wèi)星自部署以來，竟然已經(jīng)失去了機(jī)動(dòng)能力！

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的“凱斯勒”隱患

太空垃圾的存在已經(jīng)成為了讓各國航天界的“頭疼事”。甚至有人預(yù)測，再如此下去，可能在某一時(shí)刻這些衛(wèi)星和太空垃圾會(huì)遭遇大規(guī)模的“死亡”，然后形成環(huán)繞和地球的“太空垃圾帶”。而一旦被包圍，地球生物和航天器可能“插翅難飛”，人類只能被自己創(chuàng)造的太空垃圾“圍城”困住。這種“末日景象”想想就讓人頭皮發(fā)麻！

事實(shí)上，隨著航天器上天越來越多，早已有人注意到了這種威脅。凱斯勒現(xiàn)象（Kessler Syndrome）是以美國宇航局科學(xué)家Donald J. Kessler名字命名的，他在1978年首次提出了這種“太空困境”，直指太空設(shè)備在軌道上的碰撞所帶來的威脅。

這些會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的摧毀破碎和爆炸過程——這又產(chǎn)生了更多的碎片，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)一步的碰撞和破裂。考慮到故障率率和SpaceX的長期“巨型星座”計(jì)劃，這一困境似乎難以避免。

而且SpaceX并不是唯一一家正在推動(dòng)發(fā)射大量互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星的公司。OneWeb已經(jīng)為其計(jì)劃中的48,000個(gè)星座發(fā)射了74顆衛(wèi)星，亞馬遜計(jì)劃為其柯伊伯衛(wèi)星艦隊(duì)發(fā)射3200多顆衛(wèi)星。目前還不清楚這些星座還會(huì)在軌道上留下多少報(bào)廢的衛(wèi)星。

由于沒有人能夠操縱它們，失效的衛(wèi)星有時(shí)會(huì)沖向其他航天器——包括國際空間站及其宇航員。

即使一顆衛(wèi)星與另一顆沒有載人的衛(wèi)星相撞，也會(huì)造成危險(xiǎn)的情況。

在美國宇航局和空軍進(jìn)行的模擬太空碎片碰撞測試中，一枚碎片擊中了一個(gè)航天器模型。

這不是第一次發(fā)生這樣的爆炸，而且不需要很多很嚴(yán)重的爆炸就會(huì)加劇隔閡問題。2007年，中國試射了一枚反衛(wèi)星導(dǎo)彈，炸毀了自己的一顆氣象衛(wèi)星。兩年后，一艘美國飛船和一艘俄羅斯飛船意外相撞。僅這兩個(gè)事件就使近地軌道上的大型碎片數(shù)量增加了約70%。印度在2019年進(jìn)行了反衛(wèi)星導(dǎo)彈試驗(yàn)，爆炸產(chǎn)生了大約6500個(gè)比橡皮擦還大的碎片。

總而言之，超過500次這樣的“碎片事件”在地球軌道上制造了近1.3億個(gè)碎片。這些碎片以每小時(shí)17500英里的速度環(huán)繞地球飛行，大約是子彈速度的10倍。

這不僅是機(jī)器人航天器的問題，也是載人航天器的問題。就在上個(gè)月，一塊碎片在距離足球場大小的空間實(shí)驗(yàn)室不到一英里的地方傾斜。為了避免碰撞，任務(wù)控制人員點(diǎn)燃了一艘附加的俄羅斯貨運(yùn)飛船的推進(jìn)器，以操縱空間站避免可能的傷害。三名宇航員用聯(lián)盟號(hào)飛船將自己密封在國際空間站的一個(gè)部分內(nèi)，這樣他們就可以在碎片撞擊時(shí)逃生。

“奮進(jìn)號(hào)”（Endeavour）航天飛船在執(zhí)行任務(wù)后發(fā)現(xiàn)了一塊太空碎片擊中了它的散熱器。進(jìn)洞時(shí)大約0.25英寸寬，出洞時(shí)卻是它的兩倍大。

如果太空垃圾問題變得極端，一連串的碰撞可能會(huì)失去控制，環(huán)繞地球形成一個(gè)幾乎無法通過的碎片場，使得所有地球航天器都無法再飛出太空，將人類“鎖”死在地球上。這種碎片可能需要數(shù)百年甚至是數(shù)千年才能落回地球大氣，使航天飛行再次安全。這可能正成為一個(gè)巨大的隱患。

3%：一個(gè)讓人膽戰(zhàn)心驚的數(shù)字

Starlink星座帶來的這種威脅實(shí)實(shí)在在地存在，而目前似乎還沒有什么像我們平時(shí)打掃垃圾一樣干脆利落的方法。

更糟心的是，SpaceX沒有提供足夠的信息，來表明哪些衛(wèi)星受到了影響�；�于這個(gè)原因，哈佛-史密森天體物理中心(CfA)和錢德拉X射線中心（Chandra X-ray Center）的天體物理學(xué)家喬納森·麥克道爾（Jonathan McDowell）提出了他自己對(duì)衛(wèi)星軌道行為的分析，以說明哪些衛(wèi)星已經(jīng)失靈。

麥克道爾把自己的數(shù)據(jù)和美國政府的資料結(jié)合在一起，將分析結(jié)果公布在網(wǎng)站上的Jonathan's Space Report中。根據(jù)這一數(shù)據(jù)，他確定該星座中約3%的衛(wèi)星失效是因?yàn)樗鼈儾辉賹?duì)指令作出反應(yīng)。當(dāng)然，一定程度的故障是不可避免的，3%的失敗率（(不包括45顆已知SpaceX故意偏離軌道的衛(wèi)星）還是相對(duì)較低。

但是，每一顆由于通訊或推進(jìn)系統(tǒng)問題而無法正常運(yùn)作的衛(wèi)星，都會(huì)給其他衛(wèi)星和航天器帶來碰撞危險(xiǎn)。別看這3%的失敗率看似并不高——考慮到Starlink星座“織網(wǎng)工程”之浩大，長此以往這些故障產(chǎn)生的“太空垃圾”，將令人生畏，造成失控的局面，甚至是一場“浩劫”。如果故障率改善不了，最多會(huì)產(chǎn)生1200多顆的“死”衛(wèi)星——足以讓各國宇航局都“膽戰(zhàn)心驚”。

不久前，SpaceX獲得了美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的許可，可以在328公里到580公里(200到360英里)的軌道上部署約1.2萬顆星鏈衛(wèi)星。然而，最近提交給國際電信聯(lián)盟(ITU)的文件顯示，該公司希望創(chuàng)建一個(gè)擁有多達(dá)4.2萬顆衛(wèi)星的巨型衛(wèi)星星座，其數(shù)量將超過此前人類發(fā)射的所有航天器。

在這種情況下，按3%的故障率計(jì)算，隨著時(shí)間推移，360-1260顆250公斤(550磅)的衛(wèi)星將報(bào)廢，它們將漫無目的地環(huán)繞地球。根據(jù)歐洲航天局空間碎片辦公室(SDO)的數(shù)據(jù)，截至2020年2月，目前地球軌道上有5500顆衛(wèi)星，其中大約2300顆仍在運(yùn)行——未運(yùn)行的衛(wèi)星達(dá)到大約3200顆。這意味著(用簡單的數(shù)學(xué)方法)建成一個(gè)完整的星鏈星座后，就會(huì)使軌道上無法運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量增加11%-40%。

如果考慮到軌道上的碎片數(shù)量，碎片和碰撞帶來的問題看起來就更危險(xiǎn)了。除了無法運(yùn)行的衛(wèi)星，SDO還估計(jì)，目前在軌運(yùn)行的物體有34,000個(gè)，直徑超過10厘米(~4英寸)，90萬個(gè)1-10厘米(0.4-4英寸)之間的物體，1.28億個(gè)1毫米-1厘米之間的物體。

就在本周，衛(wèi)星追蹤器發(fā)現(xiàn)報(bào)廢衛(wèi)星和報(bào)廢火箭體之間存在“非常高的風(fēng)險(xiǎn)”或發(fā)生碰撞，一家公司估計(jì)相撞的幾率為10%。(但最后它們畢竟沒有相撞)。

SpaceX表示，如果其推進(jìn)系統(tǒng)不起作用，其衛(wèi)星將自然脫軌，或在地球大氣層中燃燒。但StarLink網(wǎng)站顯示，這個(gè)過程可能需要長達(dá)5年的時(shí)間。與此同時(shí)，報(bào)廢的衛(wèi)星以比子彈還快的速度繞地球飛行，而且沒有人能使它們遠(yuǎn)離那些可能在其軌道上飛行的其他航天器。

視而不見：“星鏈”的驚魂一刻

面對(duì)外界的質(zhì)疑，SpaceX沒少“甩鍋”，屢屢強(qiáng)調(diào)碰撞的風(fēng)險(xiǎn)非常小。在2017年4月提交給FCC的文件中，SpaceX提出了碰撞風(fēng)險(xiǎn)的可能性，它假設(shè)“衛(wèi)星故障導(dǎo)致無法執(zhí)行碰撞避免程序的概率為10%、5%和1%”。作為回應(yīng)，該公司表示，考慮到以下規(guī)格和指導(dǎo)方針，甚至1%的風(fēng)險(xiǎn)都不太可能：

SpaceX還表示，設(shè)計(jì)“星鏈”星座，會(huì)遵循美國NASA碎片減緩指導(dǎo)方針和“積極的監(jiān)測計(jì)劃”，以發(fā)現(xiàn)潛在的問題和使受影響的衛(wèi)星脫離軌道。他們通過長時(shí)間的增量部署計(jì)劃來作出更好的安排（每次發(fā)射部署一批60顆衛(wèi)星）。

另外，將利用新技術(shù)和升級(jí)的迭代設(shè)計(jì)過程，避免發(fā)射更多被認(rèn)為有問題的衛(wèi)星，避免那些被認(rèn)為有風(fēng)險(xiǎn)的衛(wèi)星脫離軌道。比如，他們的衛(wèi)星可以利用離子驅(qū)動(dòng)避免碰撞。

更重要的是，SpaceX強(qiáng)調(diào)它進(jìn)行了模擬，并得到了來自美國空軍聯(lián)合空間操作中心(JSpOC)和美國宇航局軌道碎片工程模型的信息。據(jù)此，他們聲稱，基于1%的衛(wèi)星故障率，且沒有進(jìn)行糾正操作的情況下，“SpaceX的任何失效衛(wèi)星與追蹤到的碎片相撞的幾率大約為每10年1%�！�

還有一種可能的情況是，如果星鏈衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，它們就無法提升軌道或提供修正推力，從而自然脫軌。但是，與其他通信衛(wèi)星相比，即使它們的軌道較低，這一過程仍需要1-5年時(shí)間。因此，沒有任何保證，只能保持警惕、隨時(shí)準(zhǔn)備。

與此同時(shí)，馬斯克本月早些時(shí)候宣布，隨著最新一批衛(wèi)星入軌，Starlink計(jì)劃對(duì)其互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)進(jìn)行beta測試�！耙坏┻@些衛(wèi)星到達(dá)目標(biāo)位置，我們將能夠在美國北部和加拿大南部進(jìn)行相當(dāng)廣泛的公測。我們一得到監(jiān)管部門的批準(zhǔn)，其他國家就會(huì)跟進(jìn)�！�

盡管SpaceX星鏈目前僅發(fā)射了規(guī)劃中大約4%的衛(wèi)星，但它不久前就已經(jīng)經(jīng)歷了一次千鈞萬險(xiǎn)的“驚魂時(shí)刻”。

2019年9月，為了“讓道”，歐洲航天局（ESA）不得不在最后一刻調(diào)整其一艘航天器，以避免可能與Starlink衛(wèi)星相撞。那次事故的概率是千分之一（0.1%的概率）。雖然這聽起來很低，但如果你聽到美國NASA經(jīng)常因?yàn)?0萬分之一的幾率移動(dòng)國際空間站，就知道那是個(gè)什么樣的概念了。

事后歐洲航天局表示，由于SpaceX公司“沒有采取行動(dòng)的計(jì)劃”，它不得不移動(dòng)其衛(wèi)星。而SpaceX卻表示，由于通訊系統(tǒng)出現(xiàn)“故障”，公司沒有收到歐洲航天局關(guān)于該問題的電子郵件——就這樣把自己的責(zé)任化為“虛驚一場”。但一旦二者真的撞上，后果不堪設(shè)想。

總的來說，像這樣的近距離接觸似乎越來越頻繁。

分析圖形公司(Analytical Graphics, Inc)的天體動(dòng)力學(xué)家Dan Oltrogge表示:“我們最近看到連詞的數(shù)量明顯上升�！彼�使用的軟件從2005年起就開始對(duì)聯(lián)撞數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估�！八�看起來與新發(fā)射的大星座航天器非常吻合。”

隨著新的衛(wèi)星星座的發(fā)射，像FCC這樣的監(jiān)管機(jī)構(gòu)可能需要評(píng)估他們愿意接受多少報(bào)廢的航天器。

避開“太空災(zāi)難”：安全自毀竟如此關(guān)鍵？

SpaceX對(duì)此倒也不是無動(dòng)于衷。整體來看，目前它可能準(zhǔn)備在3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)太空垃圾的“自毀”與回收：

首先是利用離子發(fā)動(dòng)機(jī)。為了防止在軌道上發(fā)生碰撞，SpaceX為其衛(wèi)星裝備了氪霍爾效應(yīng)推進(jìn)器(離子發(fā)動(dòng)機(jī)，krypton Hall-effect thrusters)，以提高這些衛(wèi)星運(yùn)行的軌道，使它們在太空中正常運(yùn)作，并在其壽終正寢時(shí)脫離軌道。

不過，SpaceX出于節(jié)約成本，選擇了氪離子作為離子推進(jìn)器的離子源（燃料），而非成本高出近10倍的氙離子，這顯然有點(diǎn)“不負(fù)責(zé)任”的意思。此外，SpaceX為了進(jìn)一步節(jié)約成本，在星鏈衛(wèi)星中都只配置了一個(gè)離子發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣“以防萬一”的配置又容易造成更高的故障率。

SpaceX下一代星際飛船，也已經(jīng)有了收集太空垃圾的計(jì)劃。SpaceX總裁兼首席運(yùn)營官格溫妮·肖特韋爾（Gwynne Shotwell）表示，SpaceX可以使用其下一代“星際飛船”（Starship）來清除地球軌道上的太空碎片，雖然該計(jì)劃主要目的是將人員和貨物運(yùn)送到月球和火星。

“我們很有可能利用星際飛船來運(yùn)送其中一些‘死’掉的火箭彈，當(dāng)然是其他機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的的火箭彈，基本上是從中提取一些太空中的垃圾�！�

肖特韋爾說，Starlink計(jì)劃為SpaceX提供了一個(gè)“絕佳的機(jī)會(huì)”，以“做好自己的功課”來管理和修復(fù)空間碎片。

“因此，我們已要求將整個(gè)星座帶入一個(gè)較低的高度，以便使衛(wèi)星更快地下降，并且實(shí)際上我們會(huì)將其發(fā)射到一個(gè)較低的高度。如果發(fā)射后由于某種原因它們工作不佳，它們就會(huì)出現(xiàn)回到地球。當(dāng)然，它們會(huì)破裂，但是基本上它們會(huì)很快離開軌道位置�！�

最后就是自動(dòng)碰撞規(guī)避系統(tǒng)。自主碰撞規(guī)避系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通信和動(dòng)力，二者缺一不可。

衛(wèi)星能夠使用從地面?zhèn)鬏數(shù)目臻g碎片威脅信息數(shù)據(jù)，或者得到指令，使用自身攜帶的四個(gè)動(dòng)量輪系統(tǒng)，配合離子推進(jìn)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)碰撞規(guī)避。

雖然星鏈衛(wèi)星自稱擁有自毀和碰撞規(guī)避的功能，但都是基于衛(wèi)星正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所設(shè)計(jì)。而一旦發(fā)生故障，結(jié)果大同小異——造成太空垃圾。

最壞的結(jié)果是，衛(wèi)星發(fā)生故障失去機(jī)動(dòng)能力，但寄望于它并非完全不能自毀的長期“消化”�！八佬l(wèi)星”可以通過自然下降來完成——衛(wèi)星靠稀薄空氣阻力緩慢降低軌道，最終進(jìn)入大氣層，但這是一個(gè)漫長的過程。而在這一過程中，衛(wèi)星跟太空垃圾沒兩樣，獨(dú)自游離于太空之中，同樣會(huì)給正常工作的航天器，帶來不小的威脅。

更多的“太空垃圾”清除大計(jì)

在太空碎片監(jiān)測與清除市場，空中客車、Analytical Graphics、Astroscale、BAE系統(tǒng)、波音、Cobham、Electro Optic Systems、洛克希德·馬丁、諾斯羅普·格魯曼、S.P. Korolev Rocket和Space等公司找到了他們大展身手的機(jī)會(huì)。

歐空局已提出開展一項(xiàng)機(jī)器人任務(wù)，以把其報(bào)廢的“環(huán)境衛(wèi)星”（Envisat）遙感衛(wèi)星清除出軌道。該局控制人員2012年同這顆客車大小的衛(wèi)星失聯(lián)，而該星預(yù)計(jì)要到約150年后才能靠自然衰減最終離軌。那意味著它將成為一項(xiàng)長期威脅，有可能會(huì)通過與其它在軌物體發(fā)生碰撞而生成更多的空間碎片。

日本創(chuàng)企宇宙尺度公司（Astroscale）等其它廠家正在尋求驗(yàn)證一項(xiàng)商業(yè)服務(wù)，以主動(dòng)地把廢棄衛(wèi)星和火箭級(jí)從軌道上清除掉。

總的來看，無論是機(jī)械臂抓手、太空“魚叉”、太空“彈弓”……清理“衛(wèi)星殺手”隱患的方案越來越多，這些方式都在成為未來保障太空安全的重要一環(huán)。