近地軌道可容納幾百億衛星?這牛吹得幾乎不打草稿
最近幾天,關于SpaceX的“星鏈”(starlink)衛星今年先后兩次接近中國空間站,導致后者不得不兩次實施“緊急避碰”的消息在網絡中引發了大量的討論。而隨著此時引發了越來越多的關注,以及在海外產生了諸多關于SpaceX“擠占了太多太空空間”的批評,馬斯克也站出來說話了。
據馬斯克表示,“太空是極為龐大的,衛星本身很微小。目前的情況并不是我們阻擋了其他太空裝置,我們并沒有阻攔其他人做任何事情,也不準備這樣做”。并且針對歐洲航天局高層批評SpaceX匆忙向太空部署星鏈衛星,將影響到其他航天機構可以使用的無線電頻率資源和軌道空間的批評,馬斯克也否認了正在“排擠”其他競爭對手的說法。
馬斯克打比方稱,低軌道可以容納的衛星相當于地球存在的20億輛汽車和卡車,其圍繞地球的低軌道形成了一個“殼”,此外,每隔10米高度會形成一個新的殼,并一直可以深入到太空中,以至于近地軌道(LEO,Low Earth Orbit )可以容納幾百億顆衛星。作為SpaceX和特斯拉的老板,馬斯克是這番表態或許是將其在特斯拉上得到的經驗直接進行了套用,但畢竟太空和地球的環境有著很大的區別。
盡管太空很大,衛星很小,但不同于汽車在地球上的行駛速度,衛星環繞地球的速度是第一宇宙速度(28440公里/小時),而近地軌道上的速度則要稍稍小一些。衛星的運行速度如此之快,再加上軌道攝動的存在,也就代表著它們需要比汽車在地球上行駛大得多的安全距離
目前,國際通行的航天器安全距離為50公里,即便按照SpaceX和NASA簽訂的太空航行安全協議,星鏈衛星與其他航天器的安全距離也有5公里,這意味作為SpaceX老板的馬斯克都不知道自家公司與NASA的協議,才搞出來所謂“每隔10米高度形成一個新的殼”這樣的說法。
眾所周知,地球同步軌道理論上只有1800個可用衛星停放空間,這是因為同步軌道的傾角必須是零度才行。而近地軌道和地球同步軌道很大的一個區別,就在于近地軌道只要圓心過地球質心就好、對傾角則沒有限制,所以這也讓部署在近地軌道上的衛星數量比1800顆要要多得多。
盡管理論上是如此,但實際上由于太空垃圾導致科學家做出了凱斯勒級聯現象的理論假設。也就是當在近地軌道運轉的物體密度達到一定程度時,將讓這些物體在碰撞后產生的碎片能夠形成更多的撞擊,并形成級聯效應,最終讓近地軌道被太空垃圾完全覆蓋。所以,這也意味著近地軌道的資源同樣是有限的。
按照美國哈佛-史密松天體物理中心天體物理學家喬納森·麥道文的說法,每一個近地軌道面可以容納的衛星只有大約1000顆。以此次差點與中國空間站碰撞的星鏈衛星所處的550公里低軌道來說,這一軌道的長度為43530公里,如果每顆衛星占據50公里的安全范圍,那么大約900顆衛星就能將整個軌道面占滿。
盡管說同樣的軌道高度的確存在多個軌道面,但衛星是高速運動的,所以任何一個軌道面被填滿后,與同高度相異軌道面衛星的碰撞幾率就會大幅提升,故而地球低軌道上是完全不可能容納幾百億顆衛星的。而按照央視援引權威專家的說法,目前軌道高度為400-2000公里的近地軌道,總共才可以容納大約6萬顆衛星。
此外,衛星軌道與汽車所行駛的車道也是完全不同的,畢竟車道可以拓寬,但衛星軌道則只能被近似地看做是不可再生、且限量的單向車道。按照1967年的《外層空間條約》以及后續的四份附屬法律協議,衛星軌道這種不可再生且有限的資源需要通過申報與協調下的“先到先得”,而負責分配和管理衛星軌道資源的國際電聯(ITU),也并未對其實行按照國別分配的規則。
按照“先來后到”的規則,任何一個主體,無論國家還是公司,在獲得了某一軌道面后,就有權利要求后續發射的衛星對其衛星進行規避。換而言之,任何公司在同一個軌道面部署足夠多的衛星,就可以要求其它衛星不停的進行規避,等于在事實層面占據這個軌道。
例如在2019年的時候,SpaceX就計劃將安排在550公里軌道高度的1584顆衛星,從計劃分散的24個軌道面擴大到72個。考慮到SpaceX目前已經發射了約1900顆星鏈衛星,未來計劃還要發射總計1.2萬顆衛星,也就意味著其塞滿近地軌道還真不是個問題。
從某種意義上來說,SpaceX或許是在將軌道資源作為排他性競爭的武器在使用。之所以這樣說,不僅僅是因為亞馬遜旗下藍色起源的柯伊伯計劃將自家的衛星星座發射到距地球表面約590公里的軌道,而處于550公里軌道高度的星鏈衛星正好能夠對柯伊伯衛星造成信號干擾。為此亞馬遜一直在向NASA抗議,甚至引發了貝索斯與馬斯克在今年春季的互懟。
而另一個可以證明SpaceX“沒安好心”的理由,就是其并沒有遵照對NASA和國際電聯的承諾。在2019年,也就是SpaceX開始大規模部署星鏈衛星時曾透露,星鏈衛星在5年的工作壽命到期后會自主受控地墜入大氣層,然而遺憾的是,SpaceX并沒有實現這一計劃。目前,已經有約3%的星鏈衛星失效,但它們都還依舊掛在天上,成為了太空垃圾。并且為了維持星鏈系統的正常運行,SpaceX又需要不停地向太空發射衛星,最終的結果,就是SpaceX以一己之力讓太空垃圾實現了數量級的攀升。
既然衛星軌道資源是先到先得,那么為什么除了SpaceX的星鏈外,其他的星座互聯網項目并沒有大規模地向太空發射衛星呢?這其中或許并不完全是因為技術方面的原因。因為從技術的角度來說,衛星本身現在已經不那么值錢了,此前印度都已實現了一箭104星,只不過得益于獵鷹火箭可回收的巨大優勢,星鏈衛星的發射成本更低,這也是其能夠持續發射衛星,而亞馬遜的柯伊伯計劃、Meta的Athena計劃還僅僅只停留在紙面上的關鍵。
考慮到軌道資源的稀缺性、資金問題并非天塹,所以可能只是因為其他國家或公司的道德底線較高,與將“造福人類”掛在嘴上的馬斯克不同,干不出持續不斷發射太空垃圾的事情。
本文來自微信公眾號“三易生活”(ID:IT-3eLife),作者:三易菌,36氪經授權發布。