近日,太空探索技能公司(SpaceX)CEO兼特斯拉公司CEO埃隆·马斯克摊上了两件大事。一件愉快事,他成功入选了美国国家工程院2021年度弥补院士名单;一件糟苦处,因地磁风暴影响,SpaceX发射的49颗星链卫星中有40颗坠落地球。可以说这次发射任务基本上失落败了,并造成很大丢失。
2021年4月28日,一枚“猎鹰9”火箭从美国佛罗里达州携带一个批次的60颗“星链”卫星升空。图|公民视觉
这次有史以来最大规模的卫星集体坠落事宜引起了环球媒体的广泛关注,人们对星链操持的争议也愈加激烈。星链卫星的大量发射及军民用场的快速发展,对环球卫星互联网培植、空间网络安全产生重大影响。
面对马斯克的星链操持,2月16至17日,欧洲也推出自己的“星链操持”,提出欧洲“安全连接系统”观点,操持斥资60亿欧元培植欧洲独立的太空互联星座,以摆脱未来对马斯克星链操持的依赖。
回顾往昔,马斯克虽然在太空探索领域有诸多创新和打破,但星链操持广受非议,面对“野蛮成长”的星链,星链操持目前进展如何?给我国及国际社会带来了哪些寻衅和影响?
文丨田硕 瞭望智库不雅观察员
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都是太阳惹的祸?
美东韶光2月3日18时13分,SpaceX“猎鹰9号”火箭在佛罗里达州肯尼迪航天中央成功发射第36批次的49颗“星链”卫星,也是今年第三批。支配操持是将卫星送入近地点210公里高的测试轨道,再利用这些卫星自带的霍尔效应推进器将轨道爬升至540公里高的事情轨道,这一过程大约须要数周韶光。然而,这批卫星在发射第二天就遭遇了地磁风暴的严重影响。
星链卫星展开 来源SpaceX.com
什么是地磁风暴?
太阳风到达地球与地球磁场产生交互浸染,带来地球磁场的扰动,如果扰动剧烈,便是地磁风暴。地磁风暴的发生会使高层大气升温,导致其受热膨胀,使高层大气密度增大。如此一来,处于低轨道的卫星所遭受的阻力就会急剧增长,从而导致其坠入大气层。
跟据SpaceX的数据,这批星链卫星遭遇了Kp=5级别的地磁暴,所受阻力比以往增加了50%。地面指挥这批卫星进入“安全模式”,通过操纵它们的姿态来减少阻力。在这种模式下,星链卫星紧缩成薄片状,以侧边缘像纸一样翱翔,以求最大程度减少空气阻力,但是阻力的增加让多达40颗卫星无法退出安全模式来抬升轨道,于是这些卫星将重返地球大气层。
来源 SpaceX.com
【注:常日利用地磁Kp指数来表征地磁扰动的强弱,Kp指数划分为0到9级,Kp=5表示发生了低级别地磁暴。Kp=9是强地磁暴,地球辐射环境、大气环境都会发生剧烈变革,干系机构会针对强地磁暴做出相应的预警、防护和规避方法。】
SpaceX官网称,这批星链卫星已经设计为跌入大气层时自动销毁,这意味着这些脱轨卫星与其他卫星相撞的风险为“零”(也没有卫星在这么低的轨道运行),且不会产生轨道碎片,也不会有碎片撞击地面。
为什么这次会涌现大批量卫星坠毁事宜?
中国科学技能大学地球和空间科学学院教授雷久侯表示,这是“天灾”和“人祸”撞一块了。除了地磁暴外,星链卫星的坠落紧张还是卫星推进策略以及盲目发射导致,大气阻力升高只是一个诱因。
在他看来,一样平常卫星不会停靠在210公里高度。如果一开始就将卫星送到更高轨道,纵然碰着更强的地磁暴,也不会导致卫星快速坠落。由于,大气密度随高度呈指数型衰减,轨道升高100公里,大气阻力要低1-2个数量级。
据称,SpaceX公司之以是选择在近地轨道支配“星链”卫星,部分缘故原由便是为了在涌现故障的情形下可以担保迅速处理。但事实证明,正是这样的轨道设计,反而使它们更易受到地磁暴的影响。
此外,实在美国国家海洋和大气管理局当天曾发出地磁暴提醒,称发射当天可能会发生太阳风暴。但不知什么缘故原由,火箭仍按时发射,结果第二天,太阳风定时抵达,酿成此事宜。
实在受地磁暴影响而坠落早有前车之鉴。美国首个空间站“天空实验室”(Skylab)于1973年发射升空,估量运行寿命为10年。但之后在轨期间太阳活动处于高发年,由于多次地磁暴的累积效应,地球大气层膨胀使得处于400公里近地轨道的天空实验室翱翔阻力加大,轨道迅速低落,1979年7月提前坠入大气层。
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星链进展如何?
星链操持是SpaceX旗下的环球卫星宽带项目,是马斯克于2015年提出的,操持在太空建起一个卫星网来供应覆盖环球的互联网做事,尤其是偏远地区,预估须要的资金总额至少达到100亿美元。
SpaceX操持在2020年代中期之前在340公里(约7500颗),550公里(约1600颗),1150公里(约2800颗)三个轨道上支配近1.2万颗卫星,终极形成一个巨大的“星座”。但根据SpaceX在2019年10月提交给美国联邦通信委员会(FCC)的备案,SpaceX准备在1.2万颗的根本之上,再发射3万颗卫星,终极总数达到惊人的4.2万颗。
2018年2月22日,SpaceX在美国加州范登堡空军基地成功发射了一枚“猎鹰9号”火箭,并将两颗小型实验通信卫星丁丁-a(Tintin-a)和丁丁-b(Tintin-b)送入轨道,星链操持由此开启。2019年5月24日,SpaceX利用“猎鹰9号”火箭成功将星链首批60颗卫星送入轨道。从此之后,星链卫星的数量便快速增加。
首批60颗星链卫星 来源 SpaceX.com
由于SpaceX猎鹰火箭的相对低本钱和强大运力,星链卫星可以频繁发射,一次可以将几十颗卫星送上太空,最高记录达到了一箭143星。截止到2022年1月,成功发射的总数已超过2000颗。正式运行1469颗,占环球在轨运行卫星总数30%,另有272颗正在进入运行轨道,绝对称得上一家独大。美国马萨诸塞大学太空科技中央研究职员统计,自1957年苏联发射人类第一颗人造卫星以来,发射的所有卫星总数也只有约8000颗。SpaceX操持发射的4.2万颗“星链”卫星是人类发射卫星总数的约五倍。
2019年接管采访时,马斯克估算,环球的互联网连通每年能创造1万亿美元收入,“星链”操持或能拿下个中的3%到5%。这意味着“星链”操持每年能带来500亿美元收入。目前SpaceX的估值已达到1000亿美元。
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太空碰碰车?
随着航天活动的日益频繁,近地空间正变得越来越拥挤。目前在太空中运行的人造卫星仅有5000颗旁边,但航天器靠近事宜已层出不穷。未来随着卫星发射数量的激增,尤其是随着SpaceX培植总数为4.2万颗卫星星座的推进,太空交通安全问题将进一步凸显。这就好比路上的车多了,发生交通事件的概率一定会增加。
早在2009年就发生了人类历史上首起卫星相撞的事宜。2月10日,美国1997年发射的铱星33与俄罗斯1993年发射的Cosmos 2251卫星在西伯利亚800公里上空相撞。碰撞产生了大量碎片,俄罗斯称这个碎片云可能存在一万年。2021年年底,一块卫星残骸碎片与韩国阿里郎3号卫星的间隔最近一度只有62米。终极,卫星紧急升高轨道才躲过一劫。
目前,在册的10cm以上空间物体已超过2万个,受不雅观测手段限定,尚不能跟踪到的更小的碎片更是估量过亿。为理解决空间碎片问题,有着外太空国际法基石之称的1967年《外层空间条约》规定,各国该当对自己发射的航天器负有国际任务,不论是政府行为还是非政府行为。各国应尊重保护航天员安全,并将在外空创造的对航天员生命或康健构成危险的征象关照联合国秘书长或其他缔约国。
就在去年12月,联合国和平利用外层空间委员会(COPUOS)官网发布的中国照会,再度引发了舆论对星链卫星的担忧与声讨。2021年7月1日和10月21日,美国星链-1095和-2305卫星先后两次靠近中国空间站,且第二次时,该卫星处于连续轨道机动状态,机动策略未知且无法评估轨道偏差。出于航天员的安全考虑,中国空间站两次履行紧急避碰。
对此,外交部发言人赵立坚在去年12月28日表示,美国流传宣传所谓的负任务外空行为观点,自己却忽略外空国际条约责任,对航天员生命安全造成严重威胁,这是范例的双重标准。美方该当尊重以国际法为根本的外空国际秩序,立即采纳方法防止此类事宜再次发生。
而美国于1月28日照会联合国外层空间事务办公室,否认了中国的说法,称星链卫星的活动没有达到既定的紧急碰撞标准的门槛,因此在任何一种情形下都不须要紧急关照,更狡辩称,中方在给联合国发出照会之前,并没有联系美方有关部门并表达有关星链卫星带来危险的担忧。
对付中国在向联合国发出照会前没有联系美方这一说法,赵立坚予以否认。他说,避碰事宜发生后,中方主管部门多次考试测验邮件联系美方,但均未收到回答。如今,美方却以所谓“紧急碰撞标准下限”推脱任务、转移视线,这并非是一个航天算夜国应有的负任务的态度。更何况,美方也无权单方面设定一个“紧急碰撞标准下限”。
对此,SpaceX创始人马斯克始终没有回应。
这实在已不是星链卫星第一次引发轨道安全争议。早在2019年9月,欧洲航天局(ESA)就报告其“风神”(Aeolus)气候卫星实行了规避机动,以避免撞上星链-44号卫星。美国军方在碰撞概率超过千分之一后才奉告ESA这一风险,这比ESA设定的避碰风险阈值赶过了10倍。
去年4月,星链卫星又险些与英国的OneWeb卫星相撞,二者最近时仅相距57.9米。美国太空部队第18太空掌握中队当时发出“赤色警报”,OneWeb太空探索公司责怪SpaceX关闭了“星链”卫星上的人工智能自动防撞系统。
美国“太空”网站去年8月的卫星碰撞评估数据显示,星链卫星每周都会发生1600次靠近事宜,险些是每周总事宜数的一半;撤除星链卫星彼此间的靠近,个中有500次都是星链和其他航天器的靠近,乃至包括二者在小于1公里的间隔之间飞过的情形。而这还只是星链操持只有少部分卫星在轨的情形,一旦1.2万颗卫星全部支配完成,90%的空间靠近事宜都将与星链有关。
就连NASA也在质疑星链操持。2月8日,NASA致信FCC,对SpaceX的第二代星链操持(Starlink Gen2,支配约3万颗卫星)表示担忧,称此举可能会导致近地轨道严重拥堵,增加卫星碰撞的风险,且将导致安全发射窗口越来越小,进而滋扰NASA的科技活动。NASA强调,希望谨慎支配第二代星链系统,对当前发射窗口可用性进行剖析比较,以证明星链卫星发射增加不会显著影响未来NASA的发射任务,支持航天翱翔安全和太空环境的长期可持续性。
为此NASA也开始提前布局,去年和SpaceX签署告终合太空翱翔安全协议。该协议的焦点包括NASA航天器和SpaceX星链卫星之间的避让问题。协议哀求SpaceX对任何靠近国际空间站或NASA航天器的星链卫星履行机动,NASA不做机动。
业内专家王亚男也表示,全体星链系统事实上处于一种不断调度姿态和轨道的过程中,这种不透明的状态也对其他国家的航天器构成严重的安全隐患,可能会对其他国家的航天器造成大量的近间隔靠近,乃至是碰撞的危险。
此外,越来越多的科学家们担心,以星链卫星如此弘大的规模,无论是在轨卫星发生危险靠近,还是退役卫星失落控,一旦它们造成太空碰撞事件,很可能引起连锁反应,产生的太空碎片将横扫近地轨道。
值得把稳的是,绝大部分的人类航天器都在近地轨道运行,包括国际空间站和中国空间站(轨道高度常日在300-400公里)。星链卫星失落控的潜在威胁之大,可见一斑。
然而,马斯克在接管《金融时报》(Financial Times)采访时却声称,低地球轨道足够空旷,能够容纳“数以百亿计”的航天器,星链“不会阻碍任何人在太空做任何事”,并且星链卫星配备有自动避碰系统,可以跟踪在轨碎片和航天器并自动回避。
但事实可能并不像马斯克所言。
首先,即便星链卫星真像马斯克说的那样具备完美的自主避障功能,但在日益拥挤的近地轨道上,如果一颗卫星为避免碰撞而变轨,就犹如开车时在拥挤的高速公路上随便变道一样,这可能引起其他具有类似能力的卫星的连锁反应,从而增加而不是降落太空碰撞的风险。
其次,麻省理工学院航空航天教授,航天动力学、太空机器人和掌握实验室(ARCLab)卖力人Richard Linares指出,马斯克“数以百亿计”的说法稠浊了卫星体积和轨道容量的观点,这就像路上能停多少辆车和路上能让多少车同时通畅的问题上一样荒谬,是有误导性的。
Richard Linares强调,速率越快,两个运动物体的间隔必须增加,才能担保不会碰撞,以是卫星之间的间隔,是要远远大于高速公路的车间距的。哈佛史密森天体物理学中央的天体物理学家乔纳森·麦克道威尔打算出,如果航天器以每小时约2.7万公里的速率翱翔,为了保持三秒的间隔,一个轨道层的空间仅能容纳1000颗卫星。
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主导近地空间?
欧洲航天局局长约瑟夫·阿施巴赫尔(Josef Aschbacher)去年12月警告称,通过弘大的卫星群,SpaceX正在利用国际电信同盟的规定和国际太空管理的不完善来排挤竞争对手,主导近地轨道的“规则”。
此外,星链操持还将影响太空的无线电频率和轨道空间情形。按照国际电信同盟的规定,卫星轨道和频谱资源紧张以“先到先得”的办法进行分配。这意味着其他国家须要避开已申请的频段和轨道,太空探索的空间被严重压缩。而且,马斯克一人就拥有环球近一半的生动卫星,他敦促欧洲大陆领导人停滞为马斯克主宰新太空经济的野心供应便利。
不仅仅是主导规则,星链卫星的垄断所带来的潜在军事潜力更加令人担忧。SpaceX流传宣传是利用星链供应互联网做事,但事实上,考虑到整体投入、网速、性价比(终端接入设备499美元,网费99美元/月)和偏远地区的人口数量(仅占环球3%),星链操持从商业角度来说让人费解。外界纷纭预测星链的真正用户并非位于偏远地区的普通民众,而是美国军方。
根据美国军方于2020年5月同SpaceX签署的协议,美军哀求在未来3年韶光内利用星链做事。而在2020年10月,SpaceX拿下为美军打造导弹跟踪卫星条约之时,美国媒体更是直言:“星链不再只是用于宽带做事。”更何况,SpaceX的部分发射场就建在美军的范登堡空军基地内。
SpaceX同美国军方的联手,以及“星链”的快速扩展势头,正引起越来越多的担忧,恐会引发新一轮“星球大战”。
第一,一旦目前已获批的1.2万颗星链卫星发射到位后,它就会在近地轨道筑起一道樊篱,其他国家的火箭要确定发射窗口,就要和SpaceX商量和折衷,否则就可能相撞。如果在战时,节制这项话语权的SpaceX就相称于对敌方实施“太空封锁”。
第二,以往每颗高轨卫星的本钱动辄十亿美元,由于其高代价和数量少,使得动能反卫星武器得到了极大的性价比上风。例如,美国GPS系统只有24颗卫星,一旦以低本钱的动能武器履行攻击,将瘫痪美国的环球导航定位和授时通信系统,对美军的环球兵力支配和多域联合作战造成致命打击。而星链的卫星多达上万颗,能让动能武器的上风不复存在。并且一旦硬杀伤击毁多少卫星,就会产生大量碎片,其影响是任何国家都难以接管的。
第三,目前星链卫星上搭载的是通信设备,未来也可以搭载各种军用不雅观测设备,对付环球紧张地区,可实现全方位、全天候侦察监视,且具有本钱低、数量多、覆盖面广、重访周期短、识别率高档优点,这必将大大提升美国对地面移动物体和太空目标的监控能力。
第四,未来星链或将代替GPS,成为美军下一代“可靠导航定位与授时”的首选。测试结果显示,“星链”卫星的传输速率在100Mbps以上,精度在1米以内,旗子暗记强度是GPS的10倍以上,具备更强的抗滋扰能力。目前,美军利用高轨道卫星通信存在250毫秒的延迟传输,而星链卫星可供应25毫秒的延迟速率,实现实时通信,并在各种武器平台交流数据。
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21世纪天文学发展的最大阻碍
2019年5月,首批60颗星链卫星的发射急速引发了天文学界的强烈抗议。国际天文学联合会(IAU)揭橥声明,表示担心星链卫星反射太阳光导致的光污染会严重影响天文不雅观测。反光对人类来说很微弱,肉眼不可见,但是大批星链卫星穿过夜空的轨迹,会毁坏那些须要永劫光曝光的天文不雅观测。
马斯克在2019年5月尾称,这一影响是暂时的,等星链从400多公里的临时轨道转移到550公里的事情轨道,就不会再显得这么亮。
然而问题并未随着卫星进入更高轨道而消逝。由于光学望远镜常常依赖永劫光曝光来成像,掠过空中的卫星群不但会在画面中留下一道道白线,遮挡大量信息,还会令夜空的均匀亮度提升2-3倍,进一步妨碍不雅观测。
美国天文学会发布的一份实行择要将巨型卫星星座描述为“21世纪天文学的严重问题”,与城市光污染相称。并且就算只考虑星链已确定发射的12000颗卫星,等它们全都支配就位之后,在地球上的任意地点和任意时候,天空中都会有140颗这样的卫星。虽然亮度大概靠近人类肉眼可见的极限,但对付地面上的光学和射电望远镜来说,这些卫星会是一场灾害。
一项揭橥在《天文物理期刊》上的研究表明,星链卫星正在导致望远镜图像中涌现越来越多的条纹。上月,美国加州理工学院就发文称,研究职员依托美国帕洛玛山天文台(Palomar Observatory)兹威基瞬变探测器(Zwicky Transient Facility)拍摄的天文图像,剖析出从2019年11月到2021年9月,图中涌现了多达5301条星链卫星组成的轨道痕迹。加州理工学院这张官网图,便是个中一处。
加州理工学院官网截图
在有名天文拍照师丹尼尔·洛佩兹(Daniel Lopez)拍摄新智彗星(NEOWISE)的延时照片里,星链卫星也掺和了进来,完备粉饰了主角彗星的光彩。
随着越来越多星链卫星进入轨道,黎明和薄暮的不雅观测图像受到的影响最大,在2019年,只有0.5%的这类图像受到星链的影响,到2021年,受影响的图像达到20%。天文学家估计,目前有0.04%的概率会导致天文学家没能创造一些罕见的天文事宜,比如错过一个新的小行星。
天文学家估量,如果在轨星链卫星达到1万颗之后,全部的黎明或傍晚的天文不雅观测图像都会至少涌现一条星链卫星形成的轨道痕迹。
终极,SpaceX不得不做出妥协,为新发射的卫星安装了一种叫“Visorsat”的折叠板来降落反光率,但这没有达到美国天文学会等组织的标准,仍不能让人满意。已发射的卫星也无法安装这些装置,只能将卫星太阳能板调度到不会反射光芒至地面的角度。这在一定程度上缓解了可见光污染问题,但是漫反射太阳光的部分仍未肃清。
来源 SpaceX.com
此外,在可见光波段以外,星链也在严重滋扰着天文不雅观测。IAU指出,卫星星座通过无线电(射频)旗子暗记与地球进行通信,产生的大量射频噪音很难被射频不雅观测忽略。比如,目前浩瀚针对黑洞的前沿研究所利用的事宜视界望远镜(EHT)就正苦于巨型卫星星座的射电滋扰。
空间利用不受监管,使得天文学家们无处告状,他们已大声疾呼设计者、支配者和政策制订者与天文学家互助来减轻影响。2月2日,国际天文联合会宣乐成立保护阴郁宁静天空免受卫星滋扰中央(Centre for the Protection of the Dark and Quiet Sky from Satellite Constellation Interference),该中央由天文学家、卫星运营商和监管机构组成,致力于保护天空免受卫星光污染。
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退休了还要污染大气
有学者指出,巨量的人造卫星会对地球大气和环球景象产生无法计算的影响。一篇于2021年5月20日在《科学报告》(Scientific Reports)上揭橥的论文表明,卫星中含有的铝在卫星寿命闭幕再入大气层时会燃烧天生氧化铝(陨石紧张由氧、镁和硅组成,极少含铝)。氧化铝不但会严重花费臭氧,导致臭氧层接管紫外线的能力变弱,还会散射太阳光,改变大气层的反照率,对环球景象产生影响。
比较等量的普通大气固体污染,退休卫星的污染更为显著。化石燃料燃烧产生的污染物紧张位于大气底部(高度10公里以内),在几周内就能随重力或大气中的水沉降。但从太空进入大气的物质会勾留在靠近100公里高度的大气层顶部,有可能在那里永久存在。
根据星链操持的卫星寿命(每5年发射新卫星更换原卫星)打算,均匀每天坠落的退休卫星将重达2.2吨,留在大气中的氧化铝会随着韶光推移不断增加,对臭氧层和反照率的影响也会日渐显著。美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的研究职员指出,几十年后星链卫星燃烧所积累的污染物带来的景象影响,或许会与目前化石燃料燃烧引起的景象变革相称,这种可能性无法打消。
英属哥伦比亚大学物理和天文学教授 Aaron Boley说,人类非常善于低估自身改变环境的能力。我们曾经认为,人类倾倒入海的塑料远远无法对海洋环境产生影响,人类排放到大气的二氧化碳远远无法对环球景象产生影响。但海洋塑料污染问题来了,环球景象变革也来了。而如今,我们即将在开拓太空时犯下同样的缺点。
不论是出于自身和“邻居”安全考虑,还是为了对全人类卖力,星链操持都必须在设计和运营时珍惜有限的公共资源,努力提高轨道效率,并减轻各方面的负面影响。否则,未来的低地球轨道一定不会欢迎它们。
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