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「九五至尊7首页」往天上“撒星星”,太空会“拥堵”吗?
发表于:2020-01-11 14:08:38

「九五至尊7首页」往天上“撒星星”,太空会“拥堵”吗?

九五至尊7首页,2019年5月24日,美国太空探索技术公司SpaceX往天上撒了一大把“星星”——星链(Starlink)计划的首批60颗卫星通过猎鹰9号火箭发射升空。6月28日,该公司发言人公开宣布,60颗卫星中已有45颗进入距地面550公里的轨道,有3颗卫星失联。

此次发射是星链计划启动的第一步,未来,SpaceX还将继续分批发射成千上万颗卫星以组成网络。“星链计划将在全球范围内提供可靠且价格合理的高速宽带服务。”该公司通过社交媒体表示。

批量发射卫星的想法不只SpaceX有。全球范围内,不少有实力的机构和公司都在考虑通过发射多颗卫星形成互联网或物联网并提供应用。

在接受《中国科学报》采访时,中科院微小卫星创新研究院微纳卫星研究所副所长张科科表示,从技术角度看,卫星的批量化生产和发射都可以实现,“但要看这件事是否‘划算’”。

的确,往太空“撒星星”怎样实现、是否“划算”,以及如何保证尽可能少地制造太空垃圾,是几个必须要面对的问题。

批量发射还看用户需求

自1957年世界第一颗人造卫星飞向太空以来,人类一直在刷新纪录:航天器向功耗更低、集成度更高的方向发展,规模化的组网设计愈加成熟,卫星发射的性价比逐渐提高。

卫星可根据与地球表面的距离分为中高轨卫星(2000~40000公里)和低轨卫星(500~2000公里)。以用于通信的卫星为例,近年来高轨卫星通信网络基本搭建完成,人们将目光转向了时延更低、允许更多用户接入的低轨卫星。但低轨卫星若要实现更广泛的覆盖,则需要批量发射,形成相对密集的星座网络。

目前单颗实用化的商用微纳卫星造价在千万级别。张科科表示,卫星的批量发射是“性价比更高”的操作,因为能够降低和分摊每颗卫星的发射成本。这也是SpaceX首批发射的60颗卫星要通过一枚猎鹰9号火箭来实现的原因。

星链计划采用平板式设计的卫星,单颗重量为227千克,折叠起来体积与一张办公桌相当。进入轨道后,这些卫星的太阳能帆板就会展开。这种堆叠设计可最大限度地利用猎鹰9号火箭的运力。

未来,SpaceX还将继续以“一箭60颗”的模式持续发送卫星。据该公司公布的消息,星链计划发射800颗左右的卫星后,即可开始提供商业服务。

张科科告诉记者,要想降低卫星发射的成本,就要将卫星尽可能“又快又多”地“打”到天上去。这也意味着,卫星制造和火箭发射工作都要高效进行。“利润是最终的一个经济指标,卫星的批量化、工业化生产是手段之一。批量化生产会实现效率提升和成本控制,间接保证合理利润。”他说。

不过,尽管卫星的批量发射能在技术层面实现,但更重要的是对标用户需求和有足够大的市场容量。

对从事空间科学实验的研究者而言,批量发射卫星意味着能大大缩短实验周期、提高实验频率,但目前来看需求对象不甚明显。

中科院上海硅酸盐研究所副研究员张明辉多年来一直从事空间材料与实验技术研究。他在接受采访时表示:“批量发射卫星意味着可以搭载很多科学实验,找到合适的用户、筛选合适的科学项目是一项需要时间的工作。另一个需要考虑的是经费,也就是发射的成本由谁来承担的问题。”

干扰观测?可通过技术手段规避

当星链计划完成十余次发射任务时,大量低轨卫星就会密集地覆盖在地球表面,这是否会对其他研究者的观测产生影响?数名研究人员对《中国科学报》表示,会产生一定程度的干扰,但可通过一系列技术手段减轻或规避。

以射电天文学观测为例,观测设备会依据现有的卫星数据库对卫星产生的干扰进行等级划分。当卫星的固定频率覆盖到观测频率时,会对接收机工作产生影响,这种异常信号可以直接在观测数据中被识别。

当干扰强度级别较高时,可以通过暂时关闭接收机等方式规避影响。不过,低轨卫星的运行速度可达每秒数公里,因此卫星过境时,虽然会产生一定干扰,但大多持续时间不长,从几分钟到十几分钟不等。对长时间针对某一个方向观测的天文学研究来说,处于运动状态的卫星所产生的干扰可在数据处理过程中排除。

除了天文观测,大量的卫星是否会带来光污染?

张科科表示,卫星本身处于运动状态,如果地面的观测者、卫星和太阳三者的位置形成特殊的空间几何关系,卫星会处于镜面反射状态,“瞬间会比较亮,但这种特殊的位置关系持续时间不会太长”。

由于反射产生的干扰也可通过调整卫星来规避。如改变卫星的结构构型设计、对卫星外表面材料做特殊处理、调整卫星空间运行姿态和方式,让卫星变得“更低调”,来实现镜面反射到漫反射的转变。

回收或自我销毁 做个“懂事”的卫星

尽管卫星不会造成严重的光污染,但空间中现存的太空碎片值得人们警惕。多颗卫星发射升空后,如何让其尽量少变成太空碎片?回收或“自行了断”都是解决方法。

张明辉告诉记者,有些用于科学实验的卫星在设计之初就考虑了回收的问题。中国是全球第三个掌握卫星回收技术的国家,目前在轨道控制技术、制动技术等方面取得了诸多进展。

回收是一项复杂的系统工程,张明辉表示,卫星的回收对运载火箭有着高导航精度要求,只有在正确的时间到达准确的轨道,才能实现回收。在正式回收前,卫星还需要调整姿态,脱离原有轨道并转入过渡轨道做自由下降运动,经历多次减速后,降落在陆地上或海洋中。

更多卫星的宿命则是燃烧。卫星离轨进入大气层时,由于阻力增加,其运动速度急剧下降,外壳温度急剧上升,在接触大气层后烧毁。SpaceX发言人表示,此次星链计划中失联的卫星在燃料耗尽后,也将被地心引力“吸入”大气层并烧毁。

张科科表示,低轨卫星大多在距离地球500公里到1000公里的范围内“扎堆”。一方面会导致太空中“交通拥堵”,另一方面,失效的航天器若不离轨,可能逐步分解,并因撞击产生厘米级、毫米级和纳米级的碎片。在轨卫星若是碰上,轻则可能产生划痕、凹坑,重则可能直接损毁。

据统计,全球各国总计发射的卫星有近万颗,在轨运行的卫星目前有1700余颗,而空间碎片的数量远大于此。避免制造更多的空间碎片,已经是国际共识。

为减少太空垃圾,我国在“十五”期间就开始严格控制空间活动产生空间碎片,提出了《空间碎片行动计划(2006—2010)》,“十二五”期间,专门设立了“空间碎片控制技术标准规范”项目。

随着商业航天的前景越来越广阔,更多详细的约定和政策也被制定出来。“比如要求低轨卫星在达到一定使用年限后(常规为25年)具备离轨能力,在减少太空垃圾之余,也为后续发射的卫星腾出更多的有效轨道空间。”张科科表示。

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