河套IT TALK92：（原創(chuàng)）星鏈盡量避免成為太空垃圾，為啥還栽在“亮”點上了呢？

上一篇，我們重點談到了星鏈計劃是如何在省成本方面各種摳細節(jié)的。今天我們繼續(xù)再聊一聊星鏈其他的關鍵技術。

還記得我們上篇聊到霍爾效應推進器的時候，提到它幾個關鍵作用嗎？1. 可以在近地軌道被獵鷹火箭釋放后，漸進加速到達指定位置。2. 可以實現(xiàn)0.1微牛的控制精度做方向角度的精準微調(diào)。3. 可以維持星鏈衛(wèi)星的軌道運行。其實這個推進器還有兩個作用，這兩個作用都和一個話題有關系，那就是太空垃圾（Space debris）。

現(xiàn)在在太空上飛的航天器，還真的會有很大概率碰到太空垃圾的。還記得上篇我們聊到的銥星33和已報廢俄羅斯衛(wèi)星Kosmos 2251相撞的事情嗎？那次相撞產(chǎn)生了巨大的太空垃圾云。

人類的太空發(fā)展史也就是幾十年，1957年10月4日，地球的近地軌道還只有一個人造物，那就是蘇聯(lián)發(fā)射的“斯普特尼克1號”（俄語:Спутник-1，又稱“衛(wèi)星一號”，俄語名原意“旅行者”）。截至到現(xiàn)在人類已經(jīng)發(fā)射了1萬多顆衛(wèi)星在太空里，而真正還在工作的只有7000多顆。但是在這幾十年期間，由于各種原因制造出大量的太空垃圾。截至 2019 年 1 月，估計有超過 1.28 億塊小于 1 厘米（0.4 英寸）的碎片，約 90萬塊 1-10 厘米的碎片，以及約 34,000 塊大于 10 厘米（3.9 英寸）的碎片在環(huán)繞地球的軌道上。太空垃圾是太空中已廢棄的人造物體，包括廢棄的航天器、無功能航天器和廢棄的運載火箭級、與發(fā)射任務相關的碎片。除了遺留在軌道上的廢棄人造物體外，還包括報廢衛(wèi)星本身，以及報廢衛(wèi)星解體、腐蝕和碰撞產(chǎn)生的碎片，甚至油漆斑點、航天器排出的凝固液體以及固體火箭發(fā)動機未燃燒的顆粒等等。

不要以為小的太空垃圾顆粒是無害的，在太空飛行，以 28,200 公里/小時的速度繞地球運行，如此小的一塊垃圾可以像子彈一樣擊中航天器或其他軌道物體。早在2011年，美國國家研究委員會的一份報告警告美國宇航局，軌道空間碎片的數(shù)量處于臨界水平。根據(jù)一些計算機模型，空間碎片的數(shù)量“已經(jīng)達到了一個臨界點，目前在軌道上的空間碎片足以持續(xù)碰撞并產(chǎn)生更多碎片，從而增加了航天器故障的風險”。這也就是早在1978年，被美國宇航局科學家唐納德·J·凱斯勒提出的一種情景：凱斯勒綜合征（Kessler syndrome），也就是所謂的一發(fā)不可收拾的連鎖反應。記得十年前看的那個桑德拉·布洛克主演的《地心引力》（Gravity），展示的凱斯勒連鎖反應，還是超級震撼的。而根據(jù)NASA的數(shù)據(jù)，2011年，太空中的大于10厘米的碎片數(shù)量還只有22000個。短短10多年過去，這個數(shù)量就漲了超過50%。

那么未來這個太空垃圾的增長速度和曲線是什么樣子的呢？我們可以簡單預測一下。上篇我們提到了，星鏈現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)射了4543顆衛(wèi)星在近地軌道上。而星鏈未來的終極計劃是要在近地軌道一共部署42000顆衛(wèi)星！如果我們的視角再擴大一下的話，星鏈計劃的商業(yè)成功，也刺激了其他的競爭對手：OneWeb要在近地軌道部署48顆通訊衛(wèi)星，亞馬遜的Project Kuiper要發(fā)射2336顆通訊衛(wèi)星，所以保守估計在2030年，近地軌道的衛(wèi)星數(shù)量很可能會達到75000顆！衛(wèi)星的數(shù)量增多，自然伴隨著太空垃圾增多的風險。

從環(huán)繞地球飛行軌道高度上來看，絕大部分太空垃圾都擁擠在近地軌道（LEO）這個范圍，也就是160公里～2000公里這個范圍。近地軌道中的碎片包括報廢的衛(wèi)星、用過的火箭級、爆炸或碰撞產(chǎn)生的碎片以及其他物體。由于大量衛(wèi)星部署和歷史活動，近地軌道特別容易受到碎片的影響。近地軌道中的碎片對運行中的衛(wèi)星和國際空間站 (ISS) 構(gòu)成重大風險。

很不幸，星鏈衛(wèi)星，也都部署在近地軌道范圍內(nèi)。

既然已經(jīng)處于高風險區(qū)域，就得想辦法規(guī)避別撞上太空垃圾。

由于太空垃圾有大有小，單獨靠衛(wèi)星自身的能力，是很難預判在什么時候可能存在和太空垃圾的撞擊風險的。所以星鏈采取了借“眼睛”的做法。星鏈與北美空防司令部NORAD（North American Aerospace Defense Command）合作，后者通過地面雷達系統(tǒng)和復雜的跟蹤網(wǎng)絡提供的太空垃圾跟蹤信息，實時監(jiān)測和識別潛在的碎片威脅。NORAD是一個由美國和加拿大共同組成的軍事機構(gòu)，首腦為美國總統(tǒng)和加拿大總理。該機構(gòu)成立于1958年5月12日，作用是由美加兩國作北美地區(qū)空中的聯(lián)合防衛(wèi)。人造衛(wèi)星發(fā)射后，NORAD開始編制一個數(shù)據(jù)庫（太空物體目錄），主要是跟蹤到直徑大約為10厘米以上的物體。這個尺寸范圍包括了許多廢棄的衛(wèi)星、火箭殘骸和其他碎片。也有信息說，太空垃圾的信息也有來自美國太空監(jiān)視網(wǎng)絡 (SSN) 和美國空軍第 18 空間控制中隊。

星鏈衛(wèi)星獲取這些數(shù)據(jù)之后，可以智能計算當前的運行軌跡和這些太空垃圾碎片與其路徑的交會概率，如果這個概率超過一定閥值，可以通過機動來規(guī)避潛在的碰撞。這些機動由上文提到的霍爾效應推進器進行，可以包括微小的姿態(tài)調(diào)整或者大范圍的軌道改變，以避開可能的碎片路徑。

當然，大的碎片能監(jiān)控到的可以規(guī)避躲開，但是小的呢？衛(wèi)星的主體的堅固性設計上，還是要考慮到更加微小的太空垃圾撞擊風險。比如：防護盾或護罩，用于保護重要部件免受太空垃圾的撞擊。這些防護措施可以減輕碰撞的影響，保持衛(wèi)星的運行穩(wěn)定性。

任何衛(wèi)星都有達到使用壽命退役的一天，因此每一個衛(wèi)星也都需要審慎地回答一個問題，如何避免自己成為太空垃圾？何況星鏈一上來就要部署42000顆衛(wèi)星，遠遠把其他競爭對手甩在后面，如果這個問題處理不好，勢必害人害己。SpaceX的星鏈在設計之初確實審慎考慮了這種情況。

第一，就是星鏈衛(wèi)星達到其預期壽命，也不能放任自流。采用霍爾效應推進器調(diào)整衛(wèi)星的角度，通過改變衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)，使其受到大氣阻力的影響，加速下降并盡快進入大氣層。這有助于減少衛(wèi)星在軌道上滯留的時間，降低成為太空垃圾的風險。不過如果在衛(wèi)星達到設計壽命時，推進劑已經(jīng)用盡或推進器失效，就無法依賴霍爾效應推進器進行角度調(diào)整了，這時候就要啟動備份方案，就是使用彈簧機構(gòu)或推出結(jié)構(gòu)來推動衛(wèi)星離開軌道，以確保它能夠快速進入大氣層并盡快墜落。

第二，就是要讓衛(wèi)星盡量在大氣層中燒毀，因為即便沒成為太空垃圾，掉到地面砸到花花草草也不好啊。SpaceX的設計指標，會要求95%的材料都會在大氣層中燒毀，但還是有5%的東西會掉下來。這很有可能就是用于激光通信用的碳化硅組件。因為這種碳化硅組件，它是用于激光通信的反射鏡。能承受2750度的高溫。但是2019年，SpaceX提交給FCC的報告中，說衛(wèi)星進行了產(chǎn)品升級，使用可降解材料替代碳化硅組件，可以做到在大氣層中完全燒毀。但是他也沒有明說到底用什么材料取代了碳化硅組件。

不過即便星鏈衛(wèi)星已經(jīng)在設計中考慮了各種情況，還是出現(xiàn)了百密一疏。而且這一疏簡直是引起了太空觀測領域的人神共憤。那就是太亮了！

一般而言，近地軌道部署的衛(wèi)星，在深夜是很難直接反射陽光的，因為他們處于地球的陰影中。但是也會存在例外，就是在“黃昏”和“黎明”的時候。太陽在地平線以下，但它的光線仍然可以到達高層大氣并照亮天空。位于地球陰影上方的 近地軌道衛(wèi)星仍然可以接收陽光并將其反射回地球表面。這種反射的陽光然后會在大氣中散射，產(chǎn)生一種稱為“衛(wèi)星耀斑”（satellite flares）的可見效果。當陽光從衛(wèi)星的大而平坦的表面（例如它們的太陽能電池板或天線）反射并產(chǎn)生瞬間的亮度爆發(fā)時，就會發(fā)生衛(wèi)星耀斑。即使在較暗的黃昏時期，這些耀斑也非常引人注目，并且可以增加夜空的整體亮度。衛(wèi)星耀斑對夜空亮度的影響相對短暫且局部。它們是暫時的，并在特定條件一致時發(fā)生，包括衛(wèi)星的位置、觀察者的位置和暮光時期的時間。此外，耀斑的亮度取決于衛(wèi)星反射面的大小和方向等因素。

但是，星鏈衛(wèi)星數(shù)量太多。什么東西，量變導致質(zhì)變。隨著更多衛(wèi)星的部署，觀測到這些衛(wèi)星耀斑的機會及其對天文觀測的影響也在增加。下圖就是在2019 年 11 月 20 日， Cerro Tololo 美洲天文臺(CTIO)的四米（13'）布蘭科望遠鏡記錄到強烈的信號丟失和DECam拍攝中出現(xiàn)的 19 條白線。這些白線就是星鏈衛(wèi)星。好好的星空，被劃成這么多道道，簡直就是在割裂星空的畫布，這還怎么讓人觀測啊？

一開始的時候，馬斯克還辯解，說這些衛(wèi)星的影響很小，可以通過像素掩蔽和圖像疊加輕松緩解。結(jié)果又在被天文學家圍毆之后，不得不放下身段，聲明一定要解決這個問題。最先想到的方式，就是通過一些減少反射的涂料。為了驗證這種涂料是否有效，SpaceX發(fā)射了一顆試驗衛(wèi)星（Starlink 1130 / DarkSat）。帶有實驗涂層以降低其反照率。g 波段幅度的減少為 0.8 幅度 (55%)。天文學家實測效果，還是太亮！

2020 年 4 月 27 日，馬斯克宣布該公司將推出一種新的遮陽罩，旨在降低 Starlink 衛(wèi)星的亮度。截至 2020 年 10 月 15 日，已有 200 多顆 Starlink 衛(wèi)星安裝了遮陽罩。2020 年 10 月的一項分析發(fā)現(xiàn)它們僅比 DarkSat 暗一點。差不多是原始設計的31%。天文學家實測效果，還是太亮！

馬斯克也熄火了，他感覺單靠他自己恐怕很難解決這個問題了。2022 年 2 月，國際天文學聯(lián)合會(IAU) 成立了一個中心，以幫助天文學家應對 Starlink 等衛(wèi)星星座的不利影響。工作將包括為天文學家開發(fā)軟件工具、推進國家和國際政策、社區(qū)外展以及與行業(yè)合作開發(fā)相關技術。IAU 還搞了一個網(wǎng)站，供天文學家通過衛(wèi)星跟蹤處理一些不利影響。這將使天文學家能夠跟蹤衛(wèi)星，從而能夠避開衛(wèi)星并為其計時，以將對當前工作的影響降到最低。但這都是治標不治本，隨著近地軌道衛(wèi)星數(shù)量的增加，光學污染只能越來越嚴重，這個問題到底未來的終極解決方案是什么，還有待觀察。

這事兒也給我們一個啟迪。人類社會文明的發(fā)展過程中，經(jīng)常是這樣，本來是解決一個問題，結(jié)果產(chǎn)生了一個新問題，然后又解決新問題，結(jié)果又產(chǎn)生了另外的問題，如此不斷反思和創(chuàng)新，去逐漸修正。比如：為了讓人們夏天不感到炎熱，發(fā)明了空調(diào)，結(jié)果氟利昂又破壞了臭氧層；發(fā)現(xiàn)化石燃料產(chǎn)生動力，提升了人類的效率，但是也帶來了大氣污染、水污染和土壤污染等環(huán)境問題，對生態(tài)系統(tǒng)造成了損害，造成了溫室效應，然后又去想辦法怎么減少碳排放；比如提高糧食產(chǎn)量，發(fā)明滴滴涕（DDT）殺蟲劑，發(fā)明者還獲得了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。結(jié)果從《寂靜的春天》開始，發(fā)現(xiàn)不僅僅影響生態(tài)系統(tǒng)，甚至難于降解，對人類也有慢性毒性和致癌性，而遭受廣泛批評。類似情況還有很多很多，真可謂人無完人，人算不如天算，也成為人類社會發(fā)展的常態(tài)。悲觀的人每次都認為我們肯定扛不過這次了，但樂觀的人會說，我們都不一直扛過每個坎兒了嘛，為啥這次就不行？

回到星鏈計劃，相信馬斯克盡管在規(guī)劃星鏈的時候，考慮了各種各樣可能產(chǎn)生的負面影響以及如何規(guī)避，但還是百密一疏。至于“太亮“問題到底未來能不能徹底解決，以及解決了，會不會產(chǎn)生新的問題？以及關于太空垃圾的一系列看似完美的解決方案實操效果如何？這真的都有待時間的考驗。

好了，今天我們?nèi)亩荚诹摹袄：Α保麓挝覀儗Ｐ牧囊幌滦擎溣媱澋暮诵膬?yōu)勢：它是如何做到比地面光纖傳輸效率還要快的。