马斯克星链又闯祸了

智东西·2022-01-19 07:06
已经严重影响到天文观测了。

还有95%的卫星待发射,疯狂上天的星链卫星,带来重重威胁。

智东西1月18日消息,去年曾两次“碰瓷”中国空间站的星链(Starlink)卫星又惹祸了,近日,有天文学家指出,美国太空公司SpaceX星链项目卫星已经严重影响到天文观测了。 

天文学家通过对2019年到2021年间的巡天望远镜拍摄的图像进行分析,发现星链影响到的图像数量增加了35倍,随着更多星链卫星发射升空,他们估计未来每张观测图中都会出现星链卫星,阻碍正常的科学观测。 

这只是星链项目发射了不到目标数量5%后产生的负面影响,SpaceX最早从2019年开始实施星链项目,计划发射4.2万颗星链卫星,形成星链网络,为全球提供卫星互联网服务,目前已经发射约2000颗卫星,随着越来越多星链卫星发射成功进入近地球轨道,星链带来的各类威胁也会越来越多,对航天员和航天器的安全产生威胁的概率也会增加。 

2021年12月28日,在当日例行记者会上,外交部发言人赵立坚证实,2021年7月和10月,美国星链卫星先后两次接近中国空间站,在此期间,中国航天员正在空间站内执行任务,出于安全考虑,中国空间站采取了紧急避碰措施。 

赵立坚指出,美方应该以尊重以国际法为基础的外空国际秩序,立即采取措施防止此类事件再次发生。SpaceX创始人埃隆·马斯克(Elon Musk)未曾回应。 

星链卫星并不是第一次影响天文观测和航天员、航天器安全,此前,就被多次指出过多数量的星链卫星会干扰天文学观测、霸占地球低太空轨道、增加航天器相撞风险、会产生大量太空垃圾等等。但SpaceX并没有因为各方批评而停下其计划,北京时间1月19日8点04分,星链卫星也将进行今年的第二次发射,很可能加剧对天文正常观测和人类宇宙安全探索的威胁。 

对于各方指出的问题,星链是否有所改进,面对“野蛮生长”的星链,中国空间站等有可能的应对之法吗? 

本文福利:Space X已经将近2000颗星链卫星送入轨道,未来5-10年仅我国商业小卫星的发射需求就超4000颗,商业卫星制造和发射的需求呈现爆发式增长。推荐精品报告《Starlink已近全球组网,我国商业航天布局加速 》,可在公众号聊天栏回复关键词【智东西259】获取。 

01.除了影响天文观测星链还两次威胁到中国空间站安全

从2019年5月SpaceX发射第一批星链卫星以来,天文学界一直在担忧星链计划对天文观测会产生影响,干扰天文学家发现各类自然天体。 

为了量化星链卫星对天文观测产生的影响,美国等国家的天文学家对美国帕洛玛山天文台(Palomar Observatory)天文台的ZTF(Zwicky Transient Facility,兹威基瞬变探测器)观测台的巡天望远镜拍摄的天文观测图像进行分析。 

ZTF每2天扫描整个夜空,捕获各类星体的图像数据,天文学家发现,从2019年11月到2021年9月,ZTF拍摄的图像中出现了5301条星链卫星组成的轨道痕迹。 

▲天文观测图像中因星链运行产生轨道痕迹

随着越来越多星链卫星进入轨道,黎明和黄昏的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18%,天文学家估计,目前,有0.04%的概率会导致天文学家没能发现一些罕见的天文事件,比如错过一个新的小行星。 

天文学家预计,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观测图像都至少出现一条星链卫星形成的轨道痕迹。 

其他更灵敏的天文观测仪器,拍摄的图像受到星链的影响会更大。 

▲随着天文学家跟踪的星链卫星数量(红色)增加,受影响的天文观测图像数量(蓝色)也不断增加

除了影响天文观测之外,星链卫星更是影响到其他航天器对太空的探索,最严重的是曾威胁到中国空间站内航天员和中国空间站的安全。 

为了履行外空领域重要国际法《外空条约》规定的义务,维护航天员生命安全,中国政府于2021年12月3日通过中国常驻维也纳代表团向联合国秘书长通报了上述危险情况和中方采取的措施,并请秘书长周知各缔约国。 

▲中国向联合国致以普通照会

根据中国发联合国照会信息,星链脱离其规定轨道,两次靠近中国空间站,为了保证中国空间站内航天员的安全,中国空间站组合体分别实施了2次预防性碰撞规避控制(“紧急避碰”)。 

▲普通照会中详细说明了2次中国空间站紧急避碰星链卫星的情况

星链卫星和中国空间站均有各自有固定的运行轨道,绕地运行轨道高度不同,分别是约555千米和390千米,原本是没有交叉或者重叠的。 

第一次中国空间站采取紧急避碰是在2021年7月1日。星链-1095卫星在2021年5月16日到6月24日期间,持续降轨至平均轨道高度382千米后,保持在轨道高度运行,由于卫星绕地运行是有近地点和远地点的,两个航天器运行高度范围接近时,容易出现接近和碰撞风险,7月1日, 星链-1095卫星与中国空间站出现近距离接近时间,出于安全考虑,中国空间站当晚主动采取了紧急避碰。 

这次险情之后,不到4个月,中国空间站在2021年10月21日采取了第二次紧急避碰,这次是因为星链-2305和中国空间站发生近距离接近事件。并且这个卫星还处于连续轨道机动状态。 

面对中国的通报,马斯克未做出针对性的回应,不过,当地时间2021年12月29日,马斯克曾回复过欧洲航天局总干事对于马斯克卫星占用过多轨道的批评。 

欧洲航天局新任总干事约瑟夫·阿施巴赫(Josef Aschbacher)曾警告马斯克实施星链计划这种缺乏协调一致的举动意味着这位亿万富翁正在自己制定太空“规则”,一个人拥有的卫星数据占世界上活跃卫星数量的一半,将影响太空的无线电频率和轨道空间情况。 

马斯克则认为地球低轨道上可以容纳数百亿的航天器,几千颗卫星不算什么,就像地球上出现几千辆汽车,不用太担心。 

对于马斯克的说法,美国天体物理学家乔纳森·麦克道尔(Jonathan McDowell )提出质疑,太空航天器飞行速度可达每小时2.7万公里,需要比地球上汽车安全运行所需距离更大的间隔,可能的航天器之间的碰撞只有距离比较近的时才能被发现,太空已经很拥挤。 

02.星链目标发射4.2万颗卫星紧急避让功能到底如何?

马斯克的星链计划已经实施好几年了,最早是2015年,SpaceX宣布要进行星链计划,计划在太空建起一个卫星网,为地面提供卫星互联网服务,为缺乏光纤和物理互联网连接的地区提供宽带互联网服务,扩大人们使用互联网的边界。 

据马斯克当地时间2022年1月16日在社交媒体发布的信息,目前,星链卫星中共有1469颗处于运行状态,272颗正在进入运行轨道,卫星的激光链路通信很快就会激活。 

每颗星链卫星都采用紧凑的平板设计,最大限度地减小体积,具有自动防撞功能,配备有定制导航传感器、光学空间激光器、4个相控阵天线和2个抛物面天线,以及高效离子推进器和单一太阳能电池阵列。 

星链卫星的自主防撞装置需要结合美国国防部的碎片跟踪系统来实现自主机动,避免撞击风险,SpaceX称其自动防撞装置比行业标准高出一个数量级。 

具体自主防撞过程是这样实现的,地面系统结合星链卫星轨道预报信息和空间目标数据库数据,筛选出潜在碰撞目标,计算概率,然后将其中高概率碰撞信息传输到卫星端,星链卫星利用4个互相垂直的动量轮调整姿势,用离子推进发动机变换轨道,完成避让,这个过程全部由计算机自动完成。 

▲星链卫星的自动防撞装置和定制导航传感器

星链卫星的定制导航传感器主要功能是确定每颗卫星的位置、高度和方向,从而实现宽带吞吐量精确放置。 

光学空间激光器是SpaceX正在测试的设备,可以使航天器在没有本地地面站的情况下进行数据传输,从而实现真正的全球范围覆盖。 

▲星链卫星的光学空间激光器和天线

高效离子推进器有氪元素提供动力,主要用来在星链卫星寿命结束时,帮助卫星进行机动运动和脱离轨道,靠近地球在大气层实现燃烧。 

▲星链卫星的高效离子推进器和太阳能电池阵列

此外,面对天文学家的担忧,SpaceX对星链卫星的遮阳板进行了再次设计,降低其亮度,进而减轻对天文观测的干扰。 

星链最初的发射目标是1.2万颗星链卫星,后来又增加了3万颗。 

目前,SpaceX已经进行了35次发射任务,共发射了1991颗星链卫星,但是其中有部分发射上去的星链卫星被证明无反应,在轨道上不再机动,在2020年这个比例约为3%,这些“太空垃圾”会危及其他正常运行的航天器的安全。 

1978年,就有美国宇航局科学家Donald J. Kessler提出大量不能正常运行的航天器或者说太空垃圾带来的威胁,2个航天器碰撞产生很多碎片,这些碎片又会撞击到其他航天器,形成更多碎片,可能地球就慢慢被一层层太空垃圾所包围。 

除了控制失灵之外,星链卫星轨道规划可能也有问题,星链卫星不止对中国空间站造成过威胁,也曾经差点撞上欧洲航天局的“风神”气象卫星,2019年9月2日,“风神”卫星与星链-44险些碰撞,欧洲航天局紧急变轨,避免事故发生。 

2021年4月,星链与英国OneWeb公司的卫星互联网卫星近隔57.9米距离,几乎要相撞,OneWeb提到SpaceX关闭了星链卫星上的防撞系统。 

英国南安普顿大学宇航研究小组负责人休·刘易斯(Hugh Lewis)称,如果按两个航天器在彼此相距0.6英里(1公里)的距离内经过的情况算作两个航天器有近距离接触存在碰撞危险的标准来算,全部星链卫星每周就有约1600次这样的情况出现,已占据了全部此类时间的50%,可以说对很容易威胁到其他航天器的安全。 

▲休·刘易斯团队使用评估卫星威胁Socrates数据库数据绘出的涉及星链卫星的航天器近距离接触情况,呈持续增长态势

总之,从目前的各种事实依据来看,星链具备的自主防撞能力好像成效不大,而且有些“霸道”。 

03.宇宙探索竞争日趋激烈但太空规则主要还是依托50年前国际法

太空是属于全人类的资源,如何规范人类的太空活动,需要相关的国际法来协调各国之间的太空行动。 

太空法主体是联合国的和平利用太空委员会颁布的五项国际条约,简称分别为《外空条约》、《营救协定》、《责任公约》、《登记公约》、《月球协定》。 

其中最重要的是《外空条约》。《外空条约》于1966年通过,在1967年10月10日开始生效,绝大多数联合国会员国已经签署并批准生效了这部太空方面的国际法。 

此外,联合国大会还通过了一系列与空间活动相关的原则、决议、宣言,最新的可能是2019年联合国和平利用外层空间委员会通过的《外层空间活动长期可持续性指导方针》,但这部新的指导方针没有属于外空软法,没有法律约束力。 

还有一些国际组织制定了相关的规则来规范太空探索,例如国际电信联盟(ITU)是负责分配卫星频率和轨道资源的,各国按照申报顺序获得优先使用权。 

各国也出台了相应的太空法规,例如美国2015年通过了《外空资源探测和利用法》,规定美国公民享有对外空资源占有、拥有、运输、使用和销售的权利;2016年日本公布《太空活动法》,规范商业空间活动。 

随着商业太空业务的兴起,原有的一些规定已经不能满足现在出现的一些状况,太空可持续性和空间碎片问题是目前太空治理的关键问题之一。 

但卫星使用寿命有限,废弃后失去控制,停留在太空中就会成为太空垃圾,威胁其他正常运行的卫星。2009年美国“铱星33”卫星和已经报废的俄罗斯“宇宙-2251”相撞,“铱星33”卫星损坏,并且产生了大量碎片。 

因为这些,联合国和平利用外层空间委员会专门发布了《空间碎片缓减准则》,来降低空间碎片对于人类太空探索的影响,该准则规定要限制航天器和运载火箭轨道级在任务结束后长期存在于低地轨道区域。 

星链计划发射4.2万颗卫星,每颗卫星寿命仅5-7年,在550公里轨道上,出故障的卫星需要1-5年时间才能坠入大气层烧毁,一旦大量星链卫星出现故障,会造成非常严重的后果。 

航天器都是有固定的轨道的,轨道高度、轨道形状、轨道倾斜度都有差异,目前卫星相撞几率不是很大。 

此外像星链卫星变更轨道并不通知附近轨道的航天器的行为,也会威胁到正常运行的航天器的安全。 

面对可能的碰撞事故,很多航天器都有进行提前的预案部署,像中国的空间站的紧急避碰功能,在紧急情况下,空间站发动机通过系统控制抬升轨道,改变轨道高度和倾角。此外像天宫1号、2号的实验舱外有对付小型太空垃圾的防护板,采用躲、抗等措施分别应对遇到的撞击威胁。 

此外,太空垃圾回收的规划也已经被提上日程,欧洲航天局计划2025年去太空回收太空垃圾,或许能避免那些失效卫星对正常运行的航天器造成威胁。 

但是更重要和棘手的问题是随着商业太空公司的发展,参与太空探索的人越来越多,而监管缺失,商业太空公司正在制定自己的太空规则,尤其是马斯克的SpaceX。政府进行的太空研究和企业进行的太空探索界限逐渐模糊,像SpaceX和NASA就有非常紧密的合作,如何制定世界大部分国家都能遵守的太空规则可能更加迫切一些。 

04.结语:宇宙太空探索需要可持续发展

宇宙太空是各国都在努力竞争的一个领域,刚刚过去的2021年商业航空继续崛起,多家商业太空公司竞相载人去太空旅游,多国也先后发射自己的多颗卫星。 

不过,轨道资源是有限度的,谁先发射上去更多的卫星,谁就能先抢占更多轨道,掌握太空探索的更多主动权,商用航天的兴起加剧了轨道争夺的情况,但各航天器发射的组织或者地区也要考虑到可持续问题,避免因为抢先卫星发射而带来各种不利影响,比如太空垃圾等等。 

本文来自微信公众号 “智东西”(ID:zhidxcom),36氪经授权发布。

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