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42000颗星链卫星会不会威胁天宫空间站安全?

2021年4月29日,“天和”核心舱成功发射入轨,正式开启天宫空间站建造进程。就在同一天,马斯克的SpaceX发射了60颗卫星,至此近地轨道星链卫星数量增至1438颗;5月4日,星链计划26批卫星升空,将在轨卫星总数提高到1498颗。

自1957年第一颗人造卫星升空以来,人类总共发射了9000个卫星和飞船,至今约有6000个在轨,SpaceX的星链就占了近四分之一。这还不算完,因为马斯克计划发射的总数是42000,远超你的想象!

星链共有42000颗卫星

天空看起来很开阔。每次说起卫星碰撞的风险,总有朋友打这样的比方:把42000个人分散到地球表面,他们能看见彼此吗?

地球表面积约5.1亿平方公里,如果将4.2万人平均分布在地球表面,每人能占到12143平方公里,也就是一个人可以分到两个上海市那么大。于是有人下结论:天那么大,并且卫星分布在不同高度的轨道,担心卫星相撞就是杞人忧天。

听起来很有道理,不是吗?

人与地球

这些朋友忽略掉的一点是:与地面上的人不同,天上的卫星全都是高速运动着的,近地轨道卫星的速度大致在7.66公里/秒以上,低于这个速度就会坠毁。大街上行走的人流彼此之间很容易保持距离,高速公路上的汽车需要保持100米以上间距,而卫星都以23倍音速飞行,它们的影响范围也呈指数级扩大,一不小心就会撞上。通信卫星价格动辄几亿,空间站造价更是百亿起步,里边还有航天员,撞不起呀!

太空相撞是毁灭性的

历史上发生的一起著名的卫星相撞事件要追溯到2009年2月10日,当时美国铱星-33在789公里高度侧向撞击了俄罗斯报废的通信卫星Kosmos-2251,碰撞产生数以万计的碎片,至今还有超过1500个碎片在天上乱飞。

2021年3月,美国失效气象卫星NOAA-17卫星和我们的云海一号02星先后发生解体,原因不明,有分析认为这两起事件可能由太空垃圾引发。

马斯克的星链不存在撞击的问题?2019年8月,欧洲航空局通过遥测发现他们的“风神”地球观测卫星与星链第44号卫星轨道交汇并且有相撞可能,SpaceX拒绝调整starlink 44的轨道,最后迫使ESA改变“风神”的飞行轨道以避开美国卫星。

“风神”躲避星链-44星

尽管天上两颗卫星相撞的概率不高,更大的可能是相互擦肩而过,但谁也不会傻到拿自己价值几个亿的卫星去跟人家几百万的小卫星对赌。所以宁可消耗燃料缩短寿命也要避免那十万分之一的概率发生。

那么,在正常情况下,星链卫星有可能与天宫空间站相遇吗?

从公开资料看,天宫空间站正式运行的轨道高度大约是400公里、轨道倾角45.1°。之所以大多数空间站都选择这个高度,主要是考虑它的经济性:这里空气阻力足够小、有地磁场保护、并且方便运送人员与物资、观察地球也比较容易。

马斯克第一批星链卫星主要部署在距地面550公里、倾角53°的近圆轨道上,与空间站基本保持了安全距离,在正常情况下星链卫星不会对空间站构成威胁

星链的第一个“轨道壳”

两年来已经有多达67颗星链卫星脱离轨道,随着SpaceX发射数量的增加,以后每年都会有更多卫星失效坠落,这些卫星向下运动的过程中不可避免地会侵入空间站轨道,进而对空间站运行构成威胁。

与直接撞击相比,科学家们更加担心出现一种被称为“凯斯勒综合征”的场景:由于轨道上卫星的密度过高,哪怕是一次偶然的碰撞产生的碎片都会影响到其它卫星,由此引发更多撞击和更多碎片,最终让整个近地轨道无法使用。

“凯斯勒综合征”的效果

为了保护航天员,避免可能的碰撞威胁,天宫空间站在设计时将航天员的生活区放在“天和”号核心舱的小柱段区域,将来这里位于空间站中心靠后位置,可以最大程度降低太空垃圾带来的风险。

但美国科学院的数据表明,当一个1公斤重的物体以10公里/秒的速度与飞船相撞时,其破坏力可以令1吨重的飞船粉碎。因此单靠硬扛并不是好办法,一旦空间站被撞个大洞,快速失压还是会杀死所有航天员。

国际空间站遭到撞击的想象画面

考虑到卫星碎片以及其它太空垃圾已经对航天器构成严重威胁,我们在做好防护的同时还需要加大在空间观测上的投入,做到快速识别、标识并跟踪在近地轨道约90万个大于1厘米的太空碎片,必要时引导空间站调整轨道以避免可能的撞击。

国际空间站自发射以来已经做了近30次轨道机动来躲避碰撞,并且近年来这种机动有逐年增多的趋势,估计未来天宫空间站也需要通过抬升轨道避撞,前提是我们能提前至少6小时判断危险。无论马斯克的星链卫星是否构成直接威胁,我们都需要未雨绸缪,做到万无一失。