馬斯克的星鏈衛(wèi)星突然大批掉落？這到底怎么回事？
近期，有關(guān)馬斯克星鏈衛(wèi)星大批墜落的內(nèi)容，頻繁登上熱搜。這里先要解釋一下，星鏈衛(wèi)星并不是一夜之間掉下來這么多，而是日積月累達(dá)到了一個較大的數(shù)字。具體來說，據(jù)媒體稱馬斯克的星鏈衛(wèi)星近年墜落 583 顆，而 2024 年因太陽風(fēng)暴損毀 316 顆創(chuàng)紀(jì)錄。
那么，這種現(xiàn)象的原因是什么？會帶來怎樣的后果呢？這就要從太陽的活動和星鏈衛(wèi)星本身的特性說起了。
太陽有點“不老實”
太陽在平時，就會釋放出大量高速的帶電粒子，也就是我們常說的“太陽風(fēng)”。這些高速帶電粒子偶爾可能穿透衛(wèi)星外殼并擊中微電子器件的敏感區(qū)域，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤，最終導(dǎo)致異常指令，引發(fā)程序混亂甚至系統(tǒng)崩潰，而太陽風(fēng)日積月累的侵蝕，還會導(dǎo)致器件性能逐漸退化。此外，這些帶電粒子還會讓衛(wèi)星的表面和內(nèi)部的元件中積累電荷，產(chǎn)生電位差，最終因放電導(dǎo)致衛(wèi)星故障甚至損壞。
好消息是，平時太陽風(fēng)相對比較“溫和”，容易被地球磁場干擾偏轉(zhuǎn)，對衛(wèi)星和通信的影響也不大。
但太陽有時候會爆發(fā)耀斑，這會放出大量的紫外線和X射線，還會高速拋射出很多等離子體，這些都會對地球的大氣層帶來巨大影響。其中紫外線和 X射線會電離地球的大氣頂部，導(dǎo)致暫時的無線電中斷。
如果太陽耀斑爆發(fā)，還可能出現(xiàn)強力的太陽風(fēng)，在國產(chǎn)科幻大片《流浪地球 2》中有一場戲，講的就是強烈的太陽風(fēng)來襲，導(dǎo)致月球上的工程被迫停止，也有重要設(shè)備因沒來得及屏蔽而發(fā)生損壞。這樣的強力太陽風(fēng)，除了可能直接損壞衛(wèi)星外，也會造成地球附近磁場產(chǎn)生大范圍的擾動，這也就是我們常說的磁暴，這往往會導(dǎo)致通信干擾、大氣受熱膨脹、還可能導(dǎo)致停電。而太陽活動劇烈的時間段，星鏈衛(wèi)星損失也更多。
不過，也不用談磁暴色變，雖然具體某一次磁暴難以預(yù)測，但自十八世紀(jì)以來，太陽黑子活動基本上都是以十一年為一個周期，在每個周期中都會產(chǎn)生幾千幾萬次磁暴。對于磁暴，我們是見得多了，大部分情況下，在軌衛(wèi)星本身防護(hù)措施是夠的，最多就是通信暫時受到影響，并不會因此墜毀。
星鏈衛(wèi)星為何容易掉？
了解了太陽活動對衛(wèi)星的影響，接下來看看星鏈衛(wèi)星的問題，為什么咱們平時難得聽到別的衛(wèi)星出事，而星鏈衛(wèi)星卻幾十上百地往下掉呢？
除了星鏈衛(wèi)星本身數(shù)量眾多之外，首要原因就是星鏈衛(wèi)星本身質(zhì)量不太“過硬”，壽命也不長，但這也是由設(shè)計思路決定的，目前的這個損失率仍屬于正常范圍內(nèi)。像 2024 年開始星鏈衛(wèi)星大規(guī)模墜落，主要原因也是第一批發(fā)射的星鏈衛(wèi)星“壽終正寢”主動離軌。
此外，星鏈項目的商業(yè)衛(wèi)星，為了節(jié)約成本，往往會使用一些不十分成熟的新技術(shù)或廉價的民用技術(shù)，思路多少有點“只要我夠便宜，補得比掉得快，網(wǎng)絡(luò)就能正常運行”。到了惡劣的太空環(huán)境中，這些衛(wèi)星的可靠性就不如傳統(tǒng)衛(wèi)星那么高，一旦出現(xiàn)磁暴，也往往更容易出故障。
一方面，星鏈衛(wèi)星軌道高度有的屬于大氣層的熱層/中間層，稀薄氣體分子也會對衛(wèi)星產(chǎn)生持續(xù)的氣動阻力，進(jìn)而導(dǎo)致其軌道衰減。另一方面，磁暴爆發(fā)時，常會導(dǎo)致大量帶電粒子注入大氣層，加熱大氣使之膨脹。
大氣這一膨脹，就帶來問題了，在低軌衛(wèi)星軌道的高度，高層大氣原本很稀薄，衛(wèi)星受到的阻力可以接受?？纱疟┮粊恚髿馐軣?，密度增加，空氣阻力便隨之猛地變大。這時如果衛(wèi)星不能及時打開發(fā)動機升高軌道，就會像陷入泥沼一樣，越來越慢越來越低，直到維持不了高度墜入大氣，結(jié)局可想而知。而星鏈衛(wèi)星的姿態(tài)與軌道控制霍爾發(fā)動機，本身推力非常有限，大多數(shù)為幾十毫牛到幾百毫牛之間，所以難以抵抗下降阻力。
2022 年 2 月，星鏈衛(wèi)星就發(fā)生過一次重大損失，有 40 顆剛剛成功發(fā)射的星鏈衛(wèi)星墜入大氣層。原因就是星鏈衛(wèi)星是在低軌道釋放的，而當(dāng)時正好發(fā)生了磁暴，面對磁暴，這些衛(wèi)星在進(jìn)入了安全模式后，沒能及時退出并打開發(fā)動機調(diào)整軌道，這也是那次星鏈衛(wèi)星批量受損的主要原因，而其他更高軌道上的衛(wèi)星則不會受到這樣的影響。
那次事件可能算得上是有史以來，由太陽風(fēng)暴造成的最大規(guī)模的衛(wèi)星損失了，也是首次因大氣密度增加而引發(fā)的大規(guī)模衛(wèi)星故障。
星鏈衛(wèi)星是太空垃圾嗎？
因為星鏈衛(wèi)星三天兩頭往下掉，一些朋友會覺得星鏈衛(wèi)星是“太空垃圾”。不過這種看法并不妥當(dāng)，因為按照太空垃圾的一般定義，它們是指所有在軌且廢棄的人造物體，換句話說，就是只有那種不能操控、失去聯(lián)系、喪失功能，在軌道上漂著的東西才算是太空垃圾。而星鏈的大部分衛(wèi)星功能完好，甚至還自帶霍爾推進(jìn)器，能根據(jù)指令改變軌道，顯然不應(yīng)該被算作太空垃圾。
但是，即便不考慮軍事方面，星鏈的確也給近地軌道資源和安全帶來了一些問題。
一方面，星鏈占軌道。太空雖大，但最有價值的軌道是近地軌道，尤其集中在離地面高度不超過 600km 的范圍內(nèi)，就好比去看演唱會時前排靠近舞臺的 VIP 座。衛(wèi)星在這個距離上，“看”地面更清晰，傳信號延遲更低，非常適合衛(wèi)星探測，或組建通訊系統(tǒng)。因此星鏈項目選擇在軌道高度 550 公里的地方部署衛(wèi)星，并打算繼續(xù)發(fā)射數(shù)萬顆衛(wèi)星。
但根據(jù)專家推測，近地軌道所能容納的衛(wèi)星總數(shù)約為 6 萬顆（這個數(shù)字也許還會隨著技術(shù)進(jìn)步有所提高）?？梢?，軌道資源其實仍是有限的，星鏈此舉，也是在搶占軌道資源，目前在軌的星鏈衛(wèi)星的數(shù)量可達(dá) 7500 顆以上，超過其他國家或商業(yè)機構(gòu)的衛(wèi)星數(shù)總和，已經(jīng)占據(jù)了不可忽視的比例。
另一方面，星鏈衛(wèi)星放到太空尺度下雖然不大，但不要忘了，軌道上的航天器都在高速運動，數(shù)量多了以后，一旦發(fā)生碰撞，就會瞬間爆出一大堆向四面八方高速運動的碎片，而這些碎片覆蓋的范圍更廣，可能擊毀附近其他航天器，產(chǎn)生更多新碎片，以至于引起連鎖反應(yīng)。如果航天器密度過大，發(fā)生這種事故，那么軌道上的碎片數(shù)量將在短時間內(nèi)成指數(shù)增長。而成本低，壽命短，數(shù)量多的星鏈衛(wèi)星，則會增加這種風(fēng)險。
事實上，2023 年據(jù)專家估計，尺寸在 10cm 以上的空間碎片大約有 3.7 萬個，而小于這個尺寸的碎片，據(jù)估計數(shù)量可達(dá)數(shù)億。而 2016 年，國際空間站就曾被太空垃圾擊中玻璃產(chǎn)生了裂紋，萬幸沒有造成更嚴(yán)重的后果。
此外很多航天器，包括星鏈衛(wèi)星，都能夠改變自己的軌道規(guī)避碰撞，但如果航天器數(shù)量和密度很高，這有可能導(dǎo)致連鎖反應(yīng)。比如我們經(jīng)?？吹?，本來有點擁擠的車道上，所有的車輛都在各自的車道內(nèi)正常行駛，突然有一輛車變道，為了避讓，其他車也得跟著變道，很多事故都是這么引起的。而且航天器其實都有壽命，也有出現(xiàn)故障的可能，密度高了以后，一旦出故障失控，很容易牽一發(fā)而動全身。
在 2021 年 7 月 1 日和 10 月 21 日，馬斯克的星鏈衛(wèi)星，就在未通知中國的情況下，擅自改變軌道，威脅到了中國空間站的安全，中國空間站被迫調(diào)整軌道緊急避碰。而早在星鏈第一批衛(wèi)星發(fā)射的時候，歐洲航天局的“風(fēng)神”地球觀測衛(wèi)星，就曾因為星鏈衛(wèi)星突然調(diào)整軌道，被迫規(guī)避。
最后總結(jié)一下，星鏈衛(wèi)星大量墜落，并不是事發(fā)突然，這主要與衛(wèi)星的設(shè)計壽命和太陽活動有關(guān)。而近地軌道資源的妥善利用和太空垃圾的應(yīng)對，則需要被嚴(yán)肅對待，否則勢必會影響全人類探索和開發(fā)利用太空。
(來源：科普中國)
編輯：方旬瑜
責(zé)編：肖文翔
審核：許欽
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