往天上「撒星星」，太空會「擁堵」嗎？

星鏈計劃首批衛星發射現場。圖片來源：SpaceX

　　來源：中國科學報

　　2019年5月24日，美國太空探索技術公司SpaceX往天上撒了一大把「星星」——星鏈（Starlink）計劃的首批60顆衛星通過獵鷹9號火箭發射升空。6月28日，該公司發言人公開宣布，60顆衛星中已有45顆進入距地面550公里的軌道，有3顆衛星失聯。

　　此次發射是星鏈計劃啟動的第一步，未來，SpaceX還將繼續分批發射成千上萬顆衛星以組成網路。「星鏈計劃將在全球範圍內提供可靠且價格合理的高速寬頻服務。」該公司通過社交媒體表示。

　　批量發射衛星的想法不只SpaceX有。全球範圍內，不少有實力的機構和公司都在考慮通過發射多顆衛星形成互聯網或物聯網並提供應用。

　　在接受《中國科學報》採訪時，中科院微小衛星創新研究院微納衛星研究所副所長張科科表示，從技術角度看，衛星的批量化生產和發射都可以實現，「但要看這件事是否『划算』」。

　　的確，往太空「撒星星」怎樣實現、是否「划算」，以及如何保證儘可能少地製造太空垃圾，是幾個必須要面對的問題。

　　批量發射還看用戶需求

　　自1957年世界第一顆人造衛星飛向太空以來，人類一直在刷新紀錄：航天器向功耗更低、集成度更高的方向發展，規模化的組網設計愈加成熟，衛星發射的性價比逐漸提高。

　　衛星可根據與地球表面的距離分為中高軌衛星（2000~40000公里）和低軌衛星（500~2000公里）。以用於通信的衛星為例，近年來高軌衛星通信網路基本搭建完成，人們將目光轉向了時延更低、允許更多用戶接入的低軌衛星。但低軌衛星若要實現更廣泛的覆蓋，則需要批量發射，形成相對密集的星座網路。

　　目前單顆實用化的商用微納衛星造價在千萬級別。張科科表示，衛星的批量發射是「性價比更高」的操作，因為能夠降低和分攤每顆衛星的發射成本。這也是SpaceX首批發射的60顆衛星要通過一枚獵鷹9號火箭來實現的原因。

　　星鏈計劃採用平板式設計的衛星，單顆重量為227千克，摺疊起來體積與一張辦公桌相當。進入軌道後，這些衛星的太陽能帆板就會展開。這種堆疊設計可最大限度地利用獵鷹9號火箭的運力。

　　未來，SpaceX還將繼續以「一箭60顆」的模式持續發送衛星。據該公司公布的消息，星鏈計劃發射800顆左右的衛星後，即可開始提供商業服務。

　　張科科告訴記者，要想降低衛星發射的成本，就要將衛星儘可能「又快又多」地「打」到天上去。這也意味著，衛星製造和火箭發射工作都要高效進行。「利潤是最終的一個經濟指標，衛星的批量化、工業化生產是手段之一。批量化生產會實現效率提升和成本控制，間接保證合理利潤。」他說。

　　不過，儘管衛星的批量發射能在技術層面實現，但更重要的是對標用戶需求和有足夠大的市場容量。

　　對從事空間科學實驗的研究者而言，批量發射衛星意味著能大大縮短實驗周期、提高實驗頻率，但目前來看需求對象不甚明顯。

　　中科院上海硅酸鹽研究所副研究員張明輝多年來一直從事空間材料與實驗技術研究。他在接受採訪時表示：「批量發射衛星意味著可以搭載很多科學實驗，找到合適的用戶、篩選合適的科學項目是一項需要時間的工作。另一個需要考慮的是經費，也就是發射的成本由誰來承擔的問題。」

　　干擾觀測？可通過技術手段規避

　　當星鏈計劃完成十餘次發射任務時，大量低軌衛星就會密集地覆蓋在地球表面，這是否會對其他研究者的觀測產生影響？數名研究人員對《中國科學報》表示，會產生一定程度的干擾，但可通過一系列技術手段減輕或規避。

　　以射電天文學觀測為例，觀測設備會依據現有的衛星資料庫對衛星產生的干擾進行等級劃分。當衛星的固定頻率覆蓋到觀測頻率時，會對接收機工作產生影響，這種異常信號可以直接在觀測數據中被識別。

　　當干擾強度級別較高時，可以通過暫時關閉接收機等方式規避影響。不過，低軌衛星的運行速度可達每秒數公里，因此衛星過境時，雖然會產生一定干擾，但大多持續時間不長，從幾分鐘到十幾分鐘不等。對長時間針對某一個方向觀測的天文學研究來說，處於運動狀態的衛星所產生的干擾可在數據處理過程中排除。

　　除了天文觀測，大量的衛星是否會帶來光污染？

　　張科科表示，衛星本身處於運動狀態，如果地面的觀測者、衛星和太陽三者的位置形成特殊的空間幾何關係，衛星會處於鏡面反射狀態，「瞬間會比較亮，但這種特殊的位置關係持續時間不會太長」。

　　由於反射產生的干擾也可通過調整衛星來規避。如改變衛星的結構構型設計、對衛星外表面材料做特殊處理、調整衛星空間運行姿態和方式，讓衛星變得「更低調」，來實現鏡面反射到漫反射的轉變。

　　回收或自我銷毀 做個「懂事」的衛星

　　儘管衛星不會造成嚴重的光污染，但空間中現存的太空碎片值得人們警惕。多顆衛星發射升空後，如何讓其盡量少變成太空碎片？回收或「自行了斷」都是解決方法。

　　張明輝告訴記者，有些用於科學實驗的衛星在設計之初就考慮了回收的問題。中國是全球第三個掌握衛星回收技術的國家，目前在軌道控制技術、制動技術等方面取得了諸多進展。

　　回收是一項複雜的系統工程，張明輝表示，衛星的回收對運載火箭有著高導航精度要求，只有在正確的時間到達準確的軌道，才能實現回收。在正式回收前，衛星還需要調整姿態，脫離原有軌道並轉入過渡軌道做自由下降運動，經歷多次減速後，降落在陸地上或海洋中。

　　更多衛星的宿命則是燃燒。衛星離軌進入大氣層時，由於阻力增加，其運動速度急劇下降，外殼溫度急劇上升，在接觸大氣層後燒毀。SpaceX發言人表示，此次星鏈計劃中失聯的衛星在燃料耗盡後，也將被地心引力「吸入」大氣層並燒毀。

　　張科科表示，低軌衛星大多在距離地球500公里到1000公里的範圍內「扎堆」。一方面會導致太空中「交通擁堵」，另一方面，失效的航天器若不離軌，可能逐步分解，並因撞擊產生厘米級、毫米級和納米級的碎片。在軌衛星若是碰上，輕則可能產生劃痕、凹坑，重則可能直接損毀。

　　據統計，全球各國總計發射的衛星有近萬顆，在軌運行的衛星目前有1700餘顆，而空間碎片的數量遠大於此。避免製造更多的空間碎片，已經是國際共識。

　　為減少太空垃圾，我國在「十五」期間就開始嚴格控制空間活動產生空間碎片，提出了《空間碎片行動計劃（2006—2010）》，「十二五」期間，專門設立了「空間碎片控制技術標準規範」項目。

　　隨著商業航天的前景越來越廣闊，更多詳細的約定和政策也被制定出來。「比如要求低軌衛星在達到一定使用年限後（常規為25年）具備離軌能力，在減少太空垃圾之餘，也為後續發射的衛星騰出更多的有效軌道空間。」張科科表示。

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