河套 IT TALK 92：（原创）星链尽量避免成为太空垃圾，为啥还栽在“亮”点上了呢？

上一篇，我们重点谈到了星链计划是如何在省成本方面各种抠细节的。今天我们继续再聊一聊星链其他的关键技术。

还记得我们上篇聊到霍尔效应推进器的时候，提到它几个关键作用吗？1. 可以在近地轨道被猎鹰火箭释放后，渐进加速到达指定位置。2. 可以实现0.1微牛的控制精度做方向角度的精准微调。3. 可以维持星链卫星的轨道运行。其实这个推进器还有两个作用，这两个作用都和一个话题有关系，那就是太空垃圾（Space debris）。

1. 认识太空垃圾

现在在太空上飞的航天器，还真的会有很大概率碰到太空垃圾的。还记得上篇我们聊到的铱星33和已报废俄罗斯卫星Kosmos 2251相撞的事情吗？那次相撞产生了巨大的太空垃圾云。

人类的太空发展史也就是几十年，1957年10月4日，地球的近地轨道还只有一个人造物，那就是苏联发射的“斯普特尼克1号”（俄语:Спутник-1，又称“卫星一号”，俄语名原意“旅行者”）。截至到现在人类已经发射了1万多颗卫星在太空里，而真正还在工作的只有7000多颗。但是在这几十年期间，由于各种原因制造出大量的太空垃圾。截至 2019 年 1 月，估计有超过 1.28 亿块小于 1 厘米（0.4 英寸）的碎片，约 90万块 1-10 厘米的碎片，以及约 34,000 块大于 10 厘米（3.9 英寸）的碎片在环绕地球的轨道上。太空垃圾是太空中已废弃的人造物体，包括废弃的航天器、无功能航天器和废弃的运载火箭级、与发射任务相关的碎片。除了遗留在轨道上的废弃人造物体外，还包括报废卫星本身，以及报废卫星解体、腐蚀和碰撞产生的碎片，甚至油漆斑点、航天器排出的凝固液体以及固体火箭发动机未燃烧的颗粒等等。

不要以为小的太空垃圾颗粒是无害的，在太空飞行，以 28,200 公里/小时的速度绕地球运行，如此小的一块垃圾可以像子弹一样击中航天器或其他轨道物体。早在2011年，美国国家研究委员会的一份报告警告美国宇航局，轨道空间碎片的数量处于临界水平。根据一些计算机模型，空间碎片的数量“已经达到了一个临界点，目前在轨道上的空间碎片足以持续碰撞并产生更多碎片，从而增加了航天器故障的风险”。这也就是早在1978年，被美国宇航局科学家唐纳德·J·凯斯勒提出的一种情景：凯斯勒综合征（Kessler syndrome），也就是所谓的一发不可收拾的连锁反应。记得十年前看的那个桑德拉·布洛克主演的《地心引力》（Gravity），展示的凯斯勒连锁反应，还是超级震撼的。而根据NASA的数据，2011年，太空中的大于10厘米的碎片数量还只有22000个。短短10多年过去，这个数量就涨了超过50%。

那么未来这个太空垃圾的增长速度和曲线是什么样子的呢？我们可以简单预测一下。上篇我们提到了，星链现在已经发射了4543颗卫星在近地轨道上。而星链未来的终极计划是要在近地轨道一共部署42000颗卫星！如果我们的视角再扩大一下的话，星链计划的商业成功，也刺激了其他的竞争对手：OneWeb要在近地轨道部署648颗通讯卫星，亚马逊的Project Kuiper要发射2336颗通讯卫星，所以保守估计在2030年，近地轨道的卫星数量很可能会达到75000颗！卫星的数量增多，自然伴随着太空垃圾增多的风险。

从环绕地球飞行轨道高度上来看，绝大部分太空垃圾都拥挤在近地轨道（LEO）这个范围，也就是160公里～2000公里这个范围。近地轨道中的碎片包括报废的卫星、用过的火箭级、爆炸或碰撞产生的碎片以及其他物体。由于大量卫星部署和历史活动，近地轨道特别容易受到碎片的影响。近地轨道中的碎片对运行中的卫星和国际空间站 (ISS) 构成重大风险。

很不幸，星链卫星，也都部署在近地轨道范围内。

2. 如何不被垃圾伤害

既然已经处于高风险区域，就得想办法规避别撞上太空垃圾。

由于太空垃圾有大有小，单独靠卫星自身的能力，是很难预判在什么时候可能存在和太空垃圾的撞击风险的。所以星链采取了借“眼睛”的做法。星链与北美空防司令部NORAD（North American Aerospace Defense Command）合作，后者通过地面雷达系统和复杂的跟踪网络提供的太空垃圾跟踪信息，实时监测和识别潜在的碎片威胁。NORAD是一个由美国和加拿大共同组成的军事机构，首脑为美国总统和加拿大总理。该机构成立于1958年5月12日，作用是由美加两国作北美地区空中的联合防卫。人造卫星发射后，NORAD开始编制一个数据库（太空物体目录），主要是跟踪到直径大约为10厘米以上的物体。这个尺寸范围包括了许多废弃的卫星、火箭残骸和其他碎片。也有信息说，太空垃圾的信息也有来自美国太空监视网络 (SSN) 和美国空军第 18 空间控制中队。

星链卫星获取这些数据之后，可以智能计算当前的运行轨迹和这些太空垃圾碎片与其路径的交会概率，如果这个概率超过一定阀值，可以通过机动来规避潜在的碰撞。这些机动由上文提到的霍尔效应推进器进行，可以包括微小的姿态调整或者大范围的轨道改变，以避开可能的碎片路径。

当然，大的碎片能监控到的可以规避躲开，但是小的呢？卫星的主体的坚固性设计上，还是要考虑到更加微小的太空垃圾撞击风险。比如：防护盾或护罩，用于保护重要部件免受太空垃圾的撞击。这些防护措施可以减轻碰撞的影响，保持卫星的运行稳定性。

3. 如何不成为垃圾

任何卫星都有达到使用寿命退役的一天，因此每一个卫星也都需要审慎地回答一个问题，如何避免自己成为太空垃圾？何况星链一上来就要部署42000颗卫星，远远把其他竞争对手甩在后面，如果这个问题处理不好，势必害人害己。SpaceX的星链在设计之初确实审慎考虑了这种情况。

第一，就是星链卫星达到其预期寿命，也不能放任自流。采用霍尔效应推进器调整卫星的角度，通过改变卫星的轨道和姿态，使其受到大气阻力的影响，加速下降并尽快进入大气层。这有助于减少卫星在轨道上滞留的时间，降低成为太空垃圾的风险。不过如果在卫星达到设计寿命时，推进剂已经用尽或推进器失效，就无法依赖霍尔效应推进器进行角度调整了，这时候就要启动备份方案，就是使用弹簧机构或推出结构来推动卫星离开轨道，以确保它能够快速进入大气层并尽快坠落。

第二，就是要让卫星尽量在大气层中烧毁，因为即便没成为太空垃圾，掉到地面砸到花花草草也不好啊。SpaceX的设计指标，会要求95%的材料都会在大气层中烧毁，但还是有5%的东西会掉下来。这很有可能就是用于激光通信用的碳化硅组件。因为这种碳化硅组件，它是用于激光通信的反射镜。能承受2750度的高温。但是2019年，SpaceX提交给FCC的报告中，说卫星进行了产品升级，使用可降解材料替代碳化硅组件，可以做到在大气层中完全烧毁。但是他也没有明说到底用什么材料取代了碳化硅组件。

4. 因为“亮”点还是被人说成垃圾

不过即便星链卫星已经在设计中考虑了各种情况，还是出现了百密一疏。而且这一疏简直是引起了太空观测领域的人神共愤。那就是太亮了！

一般而言，近地轨道部署的卫星，在深夜是很难直接反射阳光的，因为他们处于地球的阴影中。但是也会存在例外，就是在“黄昏”和“黎明”的时候。太阳在地平线以下，但它的光线仍然可以到达高层大气并照亮天空。位于地球阴影上方的 近地轨道卫星仍然可以接收阳光并将其反射回地球表面。这种反射的阳光然后会在大气中散射，产生一种称为“卫星耀斑”（satellite flares）的可见效果。当阳光从卫星的大而平坦的表面（例如它们的太阳能电池板或天线）反射并产生瞬间的亮度爆发时，就会发生卫星耀斑。即使在较暗的黄昏时期，这些耀斑也非常引人注目，并且可以增加夜空的整体亮度。卫星耀斑对夜空亮度的影响相对短暂且局部。它们是暂时的，并在特定条件一致时发生，包括卫星的位置、观察者的位置和暮光时期的时间。此外，耀斑的亮度取决于卫星反射面的大小和方向等因素。

但是，星链卫星数量太多。什么东西，量变导致质变。随着更多卫星的部署，观测到这些卫星耀斑的机会及其对天文观测的影响也在增加。下图就是在2019 年 11 月 20 日， Cerro Tololo 美洲天文台(CTIO)的四米（13’）布兰科望远镜记录到强烈的信号丢失和DECam拍摄中出现的 19 条白线。这些白线就是星链卫星。好好的星空，被划成这么多道道，简直就是在割裂星空的画布，这还怎么让人观测啊？

一开始的时候，马斯克还辩解，说这些卫星的影响很小，可以通过像素掩蔽和图像叠加轻松缓解。结果又在被天文学家围殴之后，不得不放下身段，声明一定要解决这个问题。最先想到的方式，就是通过一些减少反射的涂料。为了验证这种涂料是否有效，SpaceX发射了一颗试验卫星（Starlink 1130 / DarkSat）。带有实验涂层以降低其反照率。g 波段幅度的减少为 0.8 幅度 (55%)。天文学家实测效果，还是太亮！

2020 年 4 月 27 日，马斯克宣布该公司将推出一种新的遮阳罩，旨在降低 Starlink 卫星的亮度。截至 2020 年 10 月 15 日，已有 200 多颗 Starlink 卫星安装了遮阳罩。2020 年 10 月的一项分析发现它们仅比 DarkSat 暗一点。差不多是原始设计的31%。天文学家实测效果，还是太亮！

马斯克也熄火了，他感觉单靠他自己恐怕很难解决这个问题了。2022 年 2 月，国际天文学联合会(IAU) 成立了一个中心，以帮助天文学家应对 Starlink 等卫星星座的不利影响。工作将包括为天文学家开发软件工具、推进国家和国际政策、社区外展以及与行业合作开发相关技术。IAU 还搞了一个网站，供天文学家通过卫星跟踪处理一些不利影响。这将使天文学家能够跟踪卫星，从而能够避开卫星并为其计时，以将对当前工作的影响降到最低。但这都是治标不治本，随着近地轨道卫星数量的增加，光学污染只能越来越严重，这个问题到底未来的终极解决方案是什么，还有待观察。

这事儿也给我们一个启迪。人类社会文明的发展过程中，经常是这样，本来是解决一个问题，结果产生了一个新问题，然后又解决新问题，结果又产生了另外的问题，如此不断反思和创新，去逐渐修正。比如：为了让人们夏天不感到炎热，发明了空调，结果氟利昂又破坏了臭氧层；发现化石燃料产生动力，提升了人类的效率，但是也带来了大气污染、水污染和土壤污染等环境问题，对生态系统造成了损害，造成了温室效应，然后又去想办法怎么减少碳排放；比如提高粮食产量，发明滴滴涕（DDT）杀虫剂，发明者还获得了诺贝尔生理学或医学奖。结果从《寂静的春天》开始，发现不仅仅影响生态系统，甚至难于降解，对人类也有慢性毒性和致癌性，而遭受广泛批评。类似情况还有很多很多，真可谓人无完人，人算不如天算，也成为人类社会发展的常态。悲观的人每次都认为我们肯定扛不过这次了，但乐观的人会说，我们都不一直扛过每个坎儿了嘛，为啥这次就不行？

回到星链计划，相信马斯克尽管在规划星链的时候，考虑了各种各样可能产生的负面影响以及如何规避，但还是百密一疏。至于“太亮“问题到底未来能不能彻底解决，以及解决了，会不会产生新的问题？以及关于太空垃圾的一系列看似完美的解决方案实操效果如何？这真的都有待时间的考验。

好了，今天我们全文都在聊“垃圾危害”，下次我们专心聊一下星链计划的核心优势：它是如何做到比地面光纤传输效率还要快的。