38 顆星鏈衛(wèi)星墜毀：誰是罪魁禍?zhǔn)祝?/h1>
2022-04-25 06:05:28杜駿豪
太空探索 2022年4期
文/杜駿豪
▲剛剛起飛的“獵鷹9 號”
▲正在著陸中的獵鷹9 號火箭一級
2022 年2 月3 日，太空探索技術(shù)公司使用一枚五手獵鷹9 號運(yùn)載火箭，十分熟練地發(fā)射了49 顆星鏈衛(wèi)星。一切都是那樣絲滑順利、穩(wěn)操勝券：一級正常分離，二級順利開機(jī)，一級火箭又輕車熟路地飛回來，穩(wěn)穩(wěn)地軟著陸在“不夠莊重”號駁船上。隨后整流罩分離、二級正常關(guān)機(jī)，49 顆星鏈衛(wèi)星毫無懸念地進(jìn)入預(yù)定軌道。但是，美妙的開始之后卻是一個(gè)悲慘的結(jié)局。
▲著陸在駁船上的“獵鷹9 號”一級
整個(gè)發(fā)射任務(wù)是那樣平常，甚至有些無聊——這樣的“星鏈”發(fā)射任務(wù)已經(jīng)在2021 年進(jìn)行了多達(dá)17 次，戰(zhàn)無不勝，媒體對類似的發(fā)射任務(wù)早已見怪不怪，連航天愛好者也對這樣的發(fā)射直播失去了興趣。
然而，就在人們都認(rèn)為一帆風(fēng)順、所向披靡的太空探索技術(shù)公司不會出現(xiàn)什么疏漏時(shí)，2 月8 日該公司一則聲明驚天雷般打破了這一切的平靜——“2 月3 日發(fā)射的同一批次49顆星鏈衛(wèi)星，其中40 顆因受地磁暴影響，已經(jīng)或?qū)⒁诖髿鈱訅嫐??！泵襟w競相報(bào)道這一消息，航天愛好者也對此十分關(guān)注，甚至喜聞樂見，飽受天文學(xué)界詬病的“星鏈”再入大氣讓他們直呼“解氣”和“過癮”。
截至2 月底，已經(jīng)有38 顆星鏈衛(wèi)星在本次事故中離軌再入，其余11 顆搶救成功得以茍活。然而，這背后的原因真的只有“遭受地磁暴”這么簡單嗎？事實(shí)并非如此。
▲發(fā)射前密密麻麻的星鏈衛(wèi)星排列在整流罩中
▲2019 年5 月24 日發(fā)射的60 顆星鏈衛(wèi)星
直接因素：確有地磁暴
地磁暴現(xiàn)象是一種空間天氣現(xiàn)象。當(dāng)太陽平靜時(shí)，太陽風(fēng)與地球磁場達(dá)成平衡狀態(tài)；但是在這批星鏈衛(wèi)星發(fā)射后的第二天，太陽就發(fā)生了一次耀斑事件，產(chǎn)生的太陽風(fēng)暴打破了地球磁場的平衡，導(dǎo)致近地磁場紊亂。同時(shí)日冕物質(zhì)拋射引起地球高層大氣被加熱，大氣密度升高，發(fā)生了熱層暴現(xiàn)象。星鏈衛(wèi)星所受大氣阻力比預(yù)期升高了50%，因此衰減加快，提前墜毀。
中國空間站的軌道安全也在網(wǎng)絡(luò)上引起了不小的關(guān)注——空間站受地磁暴影響幾何呢？
我國空間站位于約400 千米高的軌道上，高度更高，大氣密度比210千米處低約一百倍。根據(jù)我國空間站大氣密度的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，本次地磁暴事故中，中國空間站所處軌道高度的大氣密度僅升高了約11%，影響不大。我國空間站擁有常規(guī)燃料推進(jìn)、電推進(jìn)等多種升軌措施，面對這種等級的地磁暴可以做到游刃有余。
▲網(wǎng)傳本次星鏈衛(wèi)星再入墜毀圖像
自討苦吃：過低的軌道高度
馬斯克設(shè)想的星鏈星座計(jì)劃十分瘋狂，他將會在一期部署1.2 萬顆、每顆重約300 千克的星鏈衛(wèi)星，遠(yuǎn)期還要達(dá)到4.2 萬顆。馬斯克聲稱，為了防止衛(wèi)星入軌后失聯(lián)失控，對其他航天器產(chǎn)生威脅，“星鏈”的入軌軌道高度只有210 千米高。如果衛(wèi)星工作正常，它們將依靠自帶的氪離子推進(jìn)器緩慢爬升至340 千米或更高的工作軌道。如果衛(wèi)星工況異常，那么在210 千米的軌道高度上將會以比較快的速度衰減，在十幾日內(nèi)再入大氣層燃燒殆盡。因?yàn)樵谌绱说偷能壍郎蠜]有其他航天器存在，所以不會對其他航天器構(gòu)成威脅。
▲星鏈計(jì)劃第一期規(guī)劃：1584 顆星鏈衛(wèi)星將被放置在72 個(gè)軌道平面中，每個(gè)軌道平面由22 顆衛(wèi)星組成
據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2022 年3 月初已經(jīng)升空2234 顆星鏈衛(wèi)星中，正常提供服務(wù)的有1991 顆，剩余243 顆均因各種故障再入燒毀，損失率高達(dá)11%。太空探索技術(shù)公司稱，經(jīng)過改進(jìn)后的最新版本星鏈衛(wèi)星的故障率將降低到1%以下。
然而正是由于這樣低的初始入軌高度，導(dǎo)致這一批星鏈衛(wèi)星入軌后遭受的空氣阻力過大，幾天后紛紛再入大氣層。后來，太空探索技術(shù)公司吸取這次事故的經(jīng)驗(yàn)，在2022 年2 月21 日發(fā)射的新一批星鏈任務(wù)上加以調(diào)整：將初始入軌高度從210 千米提高到325 千米。當(dāng)然火箭運(yùn)力是有限的，為了抬升初始軌道，運(yùn)載的星鏈衛(wèi)星數(shù)量被迫從49 顆降低到46 顆。
設(shè)計(jì)缺陷：魚與熊掌不可兼得
或許有人問：為何這一批工況正常的星鏈衛(wèi)星不點(diǎn)燃自己的推進(jìn)器，飛向更高的軌道呢？事實(shí)上，“星鏈”本身的設(shè)計(jì)缺陷使其沒有機(jī)會抬升軌道高度。
為了在整流罩內(nèi)一次性塞下如此多的衛(wèi)星，星鏈衛(wèi)星都被設(shè)計(jì)成薄薄的片狀，進(jìn)入太空后猶如一張張紙片飛舞于太空中。星鏈衛(wèi)星本身的確針對大氣阻力增加留有預(yù)案，它們可以進(jìn)入“安全模式”——收縮成薄片狀，以最窄的面向前飛行，這樣可以使受到的大氣阻力降到最低。
然而，“星鏈”自帶離子推進(jìn)器的推力有限，開啟離子推進(jìn)器需要消耗電力。若是需要推進(jìn)器向后噴射提高軌道高度，星鏈衛(wèi)星必須退出“安全模式”，以將太陽能板對準(zhǔn)太陽獲取足夠的電力，承受更大的空氣阻力；然而若想減小空氣阻力，必須保持“安全模式”，這樣就無法開啟推進(jìn)器。魚與熊掌不可兼得，進(jìn)入“安全模式”的星鏈衛(wèi)星無力回天，太空探索技術(shù)公司只能眼睜睜看著它們再入大氣，白白花錢制造“人造流星雨”。
▲星鏈衛(wèi)星在不同狀態(tài)下的不同構(gòu)型（制圖：杜駿豪）
▲星鏈衛(wèi)星的氪離子推進(jìn)器，箭頭指出了其在衛(wèi)星上的位置
▲對準(zhǔn)天鵝座Albireo 星曝光2.5 分鐘的圖像，畫面中一道道豎線均是星鏈衛(wèi)星對本次觀測造成的干擾
人為因素：莽撞的代價(jià)
令公眾感到疑惑的是，美國已經(jīng)建立了相對完善的空間天氣預(yù)報(bào)及預(yù)警體系，為什么還會出現(xiàn)這樣的“事故”。
美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）負(fù)責(zé)監(jiān)測、收集空間天氣信息，并像天氣預(yù)報(bào)一樣對未來的空間天氣情況作出預(yù)報(bào)，以指導(dǎo)航天發(fā)射任務(wù)的時(shí)間窗口選擇。對太陽黑子和耀斑等太陽活動的監(jiān)測是連續(xù)不斷的。在發(fā)射前的1 月29 日到2 月2日期間，NOAA 就已經(jīng)觀測到太陽發(fā)生了M1 等級的耀斑事件，同時(shí)向地球方向拋射出大量日冕物質(zhì)。對日冕的監(jiān)測表明，日冕存在的冕洞還將在發(fā)射的前一天，也就是2 月2 日轉(zhuǎn)到直面地球的位置。NOAA 提前發(fā)布了預(yù)報(bào)，可以供航天發(fā)射任務(wù)參考——本次日冕物質(zhì)拋射的高能粒子流速度約為每秒662 千米，在2 月1 日下午至2 月2 日上午到達(dá)地球附近，引起地球磁層、熱層和電離層的變化，可能會在2月3日引起G1級地磁暴現(xiàn)象。
在這種情況下，在其時(shí)間影響范圍內(nèi)的航天發(fā)射任務(wù)都應(yīng)審慎看待，重新審查發(fā)射可行性。一般來說，這一次耀斑事件是較低等級的，對常規(guī)的衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)不會產(chǎn)生較大影響，因?yàn)橐话愕暮教烊蝿?wù)初始入軌高度較高。然而太空探索技術(shù)公司卻無視了這一條信息，選擇莽撞地直接發(fā)射，加之星鏈衛(wèi)星的入軌高度較低，最終釀成了這一場事故。
▲NOAA 針對本次地磁暴現(xiàn)象做出的預(yù)報(bào)
▲馬斯克在遠(yuǎn)期計(jì)劃使用星艦超重型火箭，以一箭400 星的極高效率進(jìn)行星鏈組網(wǎng)發(fā)射
反思：星鏈計(jì)劃的必要性、正當(dāng)性與科學(xué)性
星鏈計(jì)劃自誕生之初便飽受詬病。首先，星鏈衛(wèi)星影響了天文觀測。2019 年5 月首批60 枚星鏈衛(wèi)星上天后，就遭到了天文學(xué)界的強(qiáng)烈抗議。即使馬斯克后來承諾將星鏈衛(wèi)星“涂黑”甚至加遮光罩以盡量降低其亮度，但陽光在衛(wèi)星表面的漫反射卻是不能完全消除的。
其次，大量星鏈衛(wèi)星對近地空間的軌道安全構(gòu)成了威脅。星鏈衛(wèi)星每周都會發(fā)生1600 次接近事件，幾乎是總事件數(shù)的一半。2021 年12 月，中國常駐聯(lián)合國代表團(tuán)向聯(lián)合國秘書長提交照會表示，美國的星鏈衛(wèi)星兩次危險(xiǎn)接近中國空間站引發(fā)中國空間站緊急規(guī)避。事發(fā)之后中方多次用郵件聯(lián)系美方有關(guān)部門，但是都沒有得到回復(fù)。
最后，是星鏈衛(wèi)星對于近地軌道空間及地球造成了污染。大量星鏈衛(wèi)星擠占珍貴的近地軌道資源，被人們直稱作“太空垃圾”?！靶擎湣痹谕艘酆筮€會落入大氣層燒毀，數(shù)量巨大的“星鏈”對大氣層造成的污染不可忽略。
是什么造成了太空探索技術(shù)公司此次竹籃打水一場空的失??？地磁暴的確是直接誘因，但深究其背后，是由過低的軌道設(shè)計(jì)、不科學(xué)的升軌策略與莽撞的發(fā)射行動等人為因素共同造成的。在馬斯克瘋狂發(fā)射成千上萬顆“星鏈”衛(wèi)星的同時(shí)，這次事故也應(yīng)該讓他和他的團(tuán)隊(duì)反思一下“星鏈”計(jì)劃的必要性、正當(dāng)性與科學(xué)性了。
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截至2 月底，已經(jīng)有38 顆星鏈衛(wèi)星在本次事故中離軌再入，其余11 顆搶救成功得以茍活。然而，這背后的原因真的只有“遭受地磁暴”這么簡單嗎？事實(shí)并非如此。
▲發(fā)射前密密麻麻的星鏈衛(wèi)星排列在整流罩中
▲2019 年5 月24 日發(fā)射的60 顆星鏈衛(wèi)星
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設(shè)計(jì)缺陷：魚與熊掌不可兼得
或許有人問：為何這一批工況正常的星鏈衛(wèi)星不點(diǎn)燃自己的推進(jìn)器，飛向更高的軌道呢？事實(shí)上，“星鏈”本身的設(shè)計(jì)缺陷使其沒有機(jī)會抬升軌道高度。
為了在整流罩內(nèi)一次性塞下如此多的衛(wèi)星，星鏈衛(wèi)星都被設(shè)計(jì)成薄薄的片狀，進(jìn)入太空后猶如一張張紙片飛舞于太空中。星鏈衛(wèi)星本身的確針對大氣阻力增加留有預(yù)案，它們可以進(jìn)入“安全模式”——收縮成薄片狀，以最窄的面向前飛行，這樣可以使受到的大氣阻力降到最低。
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