《電子技術(shù)應(yīng)用》
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計(jì)劃發(fā)送42000顆衛(wèi)星的星鏈計(jì)劃 可能已有3%失效變成太空垃圾

2020-11-29
來(lái)源:愛(ài)范兒

人類可能是目前已知唯一可以向太空扔垃圾的物種,這句話并不凡爾賽,,甚至還有著一絲無(wú)奈,。

  我們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)做不到低成本發(fā)送生活垃圾到太空,上面這句話里說(shuō)的垃圾,,指的是“廢棄或損壞的衛(wèi)星碎片”,,它們?cè)絹?lái)越多,靜靜地圍繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng),,變成一張名副其實(shí)的“網(wǎng)”,。

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  如果人類把眼光放向更遠(yuǎn)的太空時(shí)代,可以這樣說(shuō),,太空垃圾和生活垃圾問(wèn)題同樣嚴(yán)重,,區(qū)別只在于這些垃圾圍住的是城市,還是地球,。

  馬斯克的星鏈衛(wèi)星,,科學(xué)家說(shuō)約3%失效了

  SpaceX的星鏈計(jì)劃自誕生之初就引起了超高關(guān)注,熱度一直不減,,不僅因?yàn)檫@項(xiàng)計(jì)劃的大膽屬性,還因?yàn)樗A(yù)計(jì)發(fā)射的衛(wèi)星總數(shù)量達(dá)到了一個(gè)驚人的數(shù)字:42000顆,。

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  之所以要發(fā)射這么多顆衛(wèi)星,,是因?yàn)樾擎溣?jì)劃打算建立一個(gè)覆蓋全球的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),為地球上的用戶提供寬帶服務(wù),,一定程度上解決邊遠(yuǎn)地區(qū)和自然環(huán)境特殊區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題——在人煙稀少或人跡罕至的地方,,建立時(shí)時(shí)需要人力維護(hù)的基站是不怎么經(jīng)濟(jì)的商業(yè)行為。

  而根據(jù)歐洲航天局太空碎片辦公室(SDO)資料顯示,,到2020年2月,,地球軌道上大約有5500顆衛(wèi)星。

  也就是說(shuō),僅一個(gè)星鏈計(jì)劃發(fā)射的衛(wèi)星總量,,就是之前在軌衛(wèi)星總數(shù)的7倍多,。

  不管衛(wèi)星這個(gè)詞聽(tīng)起來(lái)多么有科技感,說(shuō)到底它仍然是一個(gè)大號(hào)的電子產(chǎn)品,,還要經(jīng)歷升空和變軌等多種考驗(yàn),,出現(xiàn)故障是在所難免的事情。

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▲圖片來(lái)自:NASA(Unsplash)

  哈佛-史密松天體物理學(xué)中心的天文學(xué)家喬納森·麥克道爾對(duì)照了SpaceX和美國(guó)政府的數(shù)據(jù)后,,推測(cè)目前已發(fā)射上天的800多顆星鏈衛(wèi)星中,,有大約3%可能已經(jīng)失效,失效的衛(wèi)星“可能已經(jīng)解體或墜入大氣層燃燒”,。

  3%的低故障率,,為什么還會(huì)引人擔(dān)憂?

  天文學(xué)家喬納森·麥克道爾表示,,3%的故障率是一個(gè)正常的水平,,而SpaceX認(rèn)為故障率只有1%左右,也就是說(shuō),,SpaceX也認(rèn)可故障存在并承認(rèn)了故障已發(fā)生的事實(shí),。

  如果按3%的故障率推算,42000顆衛(wèi)星中大約會(huì)有1260顆失效,,如果按1%的故障率算,,這個(gè)數(shù)字為420顆。

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▲電影《機(jī)器人總動(dòng)員》展示了被失效衛(wèi)星包裹的地球

  根據(jù)歐洲航天局太空碎片辦公室(SDO)資料顯示,,到2020年2月,,有大約3200顆失效衛(wèi)星,而在此之后僅星鏈計(jì)劃一個(gè)項(xiàng)目的故障失效衛(wèi)星,,可能就達(dá)到了人類幾十年失效衛(wèi)星總數(shù)的12%–38%,。

  目前世界各國(guó)都在籌建太空互聯(lián)網(wǎng),即將發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量呈幾何級(jí)上升,。有科學(xué)家預(yù)測(cè),未來(lái)計(jì)劃發(fā)射的衛(wèi)星總數(shù)可能超過(guò)10萬(wàn)顆,,無(wú)論按按3%還是1%的故障率算,,失效衛(wèi)星都是一個(gè)龐大的數(shù)字。

  離開(kāi)總數(shù)談發(fā)生率,,都是……

  太空那么大,,容不下失效衛(wèi)星?

  不少人覺(jué)得,,衛(wèi)星很小,,太空很大,衛(wèi)星對(duì)于太空來(lái)說(shuō)連一顆沙子都算不上,失效了也就失效了,。

  但實(shí)際上失效的衛(wèi)星就像一顆顆定時(shí)炸彈,,隨時(shí)可能給其它衛(wèi)星帶來(lái)毀滅性的傷害。

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▲太空中的高速碎屑?xì)薮?圖片來(lái)源:《星際穿越》電影

  這里面涉及到幾個(gè)關(guān)鍵詞:軌道,、碰撞和碎屑,,當(dāng)這三個(gè)因素聚在一起的時(shí)候,失效衛(wèi)星就是個(gè)讓人頭大的問(wèn)題,。

  1.衛(wèi)星軌道和頻率資源越來(lái)越稀缺

  地球同步軌道位置十分稀缺,,再加上衛(wèi)星之間需要保持間隔避免無(wú)線電干擾,「太空很大可以隨便塞衛(wèi)星」并不能實(shí)現(xiàn),。

  為了緩解軌道資源緊張,,國(guó)際電聯(lián)會(huì)根據(jù)各個(gè)國(guó)家領(lǐng)土面積和人口等多重因素來(lái)分配衛(wèi)星軌道位置,就像現(xiàn)在一線城市上車牌一樣,,路只有那么多,,先上牌的人多了,后上牌的人競(jìng)爭(zhēng)就會(huì)更加激烈,。

  失效衛(wèi)星也會(huì)占用軌道,,浪費(fèi)了寶貴的資源。據(jù)北京日?qǐng)?bào)報(bào)道,,中國(guó)的北斗衛(wèi)星之所以「搶在最后四小時(shí)發(fā)射升空」,,也是因?yàn)檐壍篮皖l率資源因素。

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▲北斗衛(wèi)星示意圖.圖片來(lái)自:北斗導(dǎo)航系統(tǒng)官網(wǎng)

  這是因?yàn)?000年4月18日國(guó)際電聯(lián)批準(zhǔn)了中國(guó)申報(bào)的導(dǎo)航衛(wèi)星頻率和軌道,,「北斗」二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入了國(guó)際電聯(lián)的頻率總表,,正式取得了合法地位。不過(guò),,根據(jù)國(guó)際規(guī)則,,如果不在登記后的7年里,即2007年4月17日之前使用,,該頻率就過(guò)期了,。

  2.失效衛(wèi)星更容易導(dǎo)致碰撞

  成功發(fā)射且正常服役的衛(wèi)星受信號(hào)控制,可以變軌,、避讓,、調(diào)節(jié)角度,而失效衛(wèi)星再也不受人控制,,基本就是「隨緣」飄在太空中,還會(huì)因?yàn)榈厍驍z動(dòng)(一種因受其它天體的吸引或其他因素的影響在軌道上產(chǎn)生的偏差)而偏離軌道,。

  很多失效衛(wèi)星是被遺棄的狀態(tài),,再也沒(méi)有人關(guān)心它們,也不知道它們究竟繞著地球轉(zhuǎn)到哪里了,這大大增加了新發(fā)射的衛(wèi)星和失效衛(wèi)星碰撞發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),。

  比如2009年12月,,中國(guó)發(fā)射的長(zhǎng)征四號(hào)火箭的第三級(jí)和前蘇聯(lián)1989年2月發(fā)射的廢棄衛(wèi)星,在南極上空991公里處差點(diǎn)高速相撞,,兩者最接近時(shí),,距離可能只有12米。

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▲擦肩而過(guò)

  3.碰撞后的碎屑重復(fù)導(dǎo)致上述兩個(gè)問(wèn)題

  發(fā)生碰撞后會(huì),,失效衛(wèi)星會(huì)產(chǎn)生大量的碎屑,,大部分碎屑會(huì)分散在失效衛(wèi)星的軌道里繼續(xù)繞著地球轉(zhuǎn),既占用軌道資源,,又會(huì)增加碰撞的概率,,小部分碎屑會(huì)散射出去飄蕩在太空里。據(jù)科學(xué)家推測(cè),,目前毫米級(jí)以上的碎屑可能數(shù)以億計(jì),。

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 ▲歐洲航天局制作的碎屑推測(cè)圖

  這些碎屑威力有多大呢?

  在高300–450公里的近地軌道上時(shí),,太空碎屑的運(yùn)行速度可能達(dá)到每秒7–8公里,。當(dāng)它們?cè)?6000公里高度的地球靜止軌道上時(shí),速度則高達(dá)每秒3公里,。

  如果兩個(gè)每秒7公里飛行速度的物體在太空相撞,,10厘米左右的碎屑可能破壞整個(gè)航天器或衛(wèi)星,1厘米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(wèi)星,,相當(dāng)于兩輛100km/h的小汽車相互碰撞,,衛(wèi)星可能在1.5秒內(nèi)被打穿或直接擊毀,還會(huì)直接威脅到航天員的生命安全,。

  國(guó)際空間站就是衛(wèi)星碎屑的活靶子,,2016年4月,國(guó)際空間站上的對(duì)地觀景臺(tái)玻璃出現(xiàn)了一個(gè)直徑7毫米的裂紋,,正是被一塊小碎屑擊中產(chǎn)生的,。

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▲想象一下玻璃瞬間碎裂的后果

  解決失效衛(wèi)星,大部分靠天

  失效衛(wèi)星潛在隱患這么大,,怎么解決呢,?

  答案是:大部分靠天。

  1.遺棄法

  回收風(fēng)險(xiǎn)大,,成本高,,失效衛(wèi)星最終的命運(yùn)就是孤零零地繼續(xù)圍繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng),。人們唯一能做的就是等待衛(wèi)星自己逐漸分解,或者慢慢墜入大氣層燃燒殆盡,,周期一般較長(zhǎng),,可能需要幾十年。

  2.火化法

  設(shè)計(jì)衛(wèi)星之初,,部分衛(wèi)星預(yù)留了一部分電量和燃料,,等待衛(wèi)星瀕臨失效的時(shí)候,點(diǎn)燃所剩無(wú)幾的燃料,,把衛(wèi)星推向大氣層燃燒,。

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▲星鏈計(jì)劃官網(wǎng)介紹,衛(wèi)星壽命終止時(shí),,會(huì)利用機(jī)載推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行離軌

  不過(guò),,衛(wèi)星是一個(gè)精密化設(shè)計(jì)的儀器,內(nèi)部空間寸土寸金,,看似簡(jiǎn)單的留后門操作,,可能會(huì)帶來(lái)成本上升或風(fēng)險(xiǎn)增大等問(wèn)題,所以有很多衛(wèi)星是沒(méi)有這個(gè)設(shè)計(jì)的,。

  3.太空葬

  有些衛(wèi)星屬于中高軌道衛(wèi)星,,離地球大氣層太遠(yuǎn),最終被推向的不是大氣層,,而是太空,。

  不過(guò)由于一般衛(wèi)星預(yù)留的燃料很少,不足以讓失效衛(wèi)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(huì)圍繞著地球。

  4.主動(dòng)清理

  2016年6月25日中國(guó)長(zhǎng)征七號(hào)成功發(fā)射,,一臺(tái)名為遨龍一號(hào)的空間碎片主動(dòng)清理飛行器一同進(jìn)入太空,,被譽(yù)為太空清道夫,可以用機(jī)械臂抓取衛(wèi)星和太空碎片,,帶入大氣層燒毀,。

  除了用機(jī)械臂抓取,還有噴射網(wǎng)捕獲失效衛(wèi)星,,激光射擊失效衛(wèi)星等方法,。可以這樣說(shuō),,「保守療法」仍占多數(shù),,主動(dòng)治療手段也越來(lái)越多。

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  前進(jìn),!前進(jìn),!前進(jìn),!

  俄國(guó)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基說(shuō)過(guò):地球是人類的搖籃,但是人類不能永遠(yuǎn)生活在搖籃里,。

  隨著社會(huì)進(jìn)步,人類享受著地球搖籃保護(hù)時(shí),,也面臨著部分資源短缺的境地,,生產(chǎn)力和生產(chǎn)水平的提升總是受限于人類文明的發(fā)展客觀進(jìn)程,不斷催生不可調(diào)和的資源矛盾,,最終走向經(jīng)濟(jì)危機(jī)甚至戰(zhàn)爭(zhēng),。

  如果我們能進(jìn)一步探索和開(kāi)發(fā)太空資源,一定程度上可以緩解或解決這種地球病,。發(fā)射衛(wèi)星是人類真正走入太空的第一步,,無(wú)數(shù)個(gè)紀(jì)元以后,必將被新人類載入史冊(cè),。

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

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  無(wú)論是探索太空,還是清理太空垃圾,,我們的選擇只有一個(gè):前進(jìn),,前進(jìn),前進(jìn),!


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