卫星坠落，谁惹的祸？

本文来自微信公众号：瞭望智库（ID：zhczyj），作者：田硕（瞭望智库观察员），头图来自：视觉中国

近日，太空探索技术公司（SpaceX）CEO兼特斯拉公司CEO埃隆·马斯克摊上了两件大事。一件开心事，他成功入选了美国国家工程院2021年度增补院士名单；一件糟心事，因地磁风暴影响，SpaceX发射的49颗星链卫星中有40颗坠落地球。可以说这次发射任务基本上失败了，并造成很大损失。

这次有史以来最大规模的卫星集体坠落事件引起了全球媒体的广泛关注，人们对星链计划的争议也愈加激烈。星链卫星的大量发射及军民用途的快速发展，对全球卫星互联网建设、空间网络安全产生重大影响。

面对马斯克的星链计划，2月16至17日，欧洲也推出自己的“星链计划”，提出欧洲“安全连接系统”概念，计划斥资60亿欧元建设欧洲独立的太空互联星座，以摆脱未来对马斯克星链计划的依赖。

回顾往昔，马斯克虽然在太空探索领域有诸多创新和突破，但星链计划广受非议，面对“野蛮生长”的星链，星链计划目前进展如何？给我国及国际社会带来了哪些挑战和影响？

一、都是太阳惹的祸？

美东时间2月3日18时13分，SpaceX“猎鹰9号”火箭在佛罗里达州肯尼迪航天中心成功发射第36批次的49颗“星链”卫星，也是今年第三批。部署计划是将卫星送入近地点210公里高的测试轨道，再利用这些卫星自带的霍尔效应推进器将轨道爬升至540公里高的工作轨道，这一过程大约需要数周时间。然而，这批卫星在发射第二天就遭遇了地磁风暴的严重影响。

星链卫星展开 来源SpaceX.com

什么是地磁风暴？

太阳风到达地球与地球磁场产生交互作用，带来地球磁场的扰动，如果扰动剧烈，就是地磁风暴。地磁风暴的发生会使高层大气升温，导致其受热膨胀，使高层大气密度增大。如此一来，处于低轨道的卫星所遭受的阻力就会急剧增长，从而导致其坠入大气层。

跟据SpaceX的数据，这批星链卫星遭遇了Kp=5级别的地磁暴，所受阻力比以往增加了50%。地面指挥这批卫星进入“安全模式”，通过操纵它们的姿态来减少阻力。在这种模式下，星链卫星收缩成薄片状，以侧边缘像纸一样飞行，以求最大程度减少空气阻力，但是阻力的增加让多达40颗卫星无法退出安全模式来抬升轨道，于是这些卫星将重返地球大气层。

来源 SpaceX.com

（注：通常使用地磁Kp指数来表征地磁扰动的强弱，Kp指数划分为0到9级，Kp=5表示发生了低级别地磁暴。Kp=9是强地磁暴，地球辐射环境、大气环境都会发生剧烈变化，相关机构会针对强地磁暴做出相应的预警、防护和规避措施。）

SpaceX官网称，这批星链卫星已经设计为跌入大气层时自动销毁，这意味着这些脱轨卫星与其他卫星相撞的风险为“零”（也没有卫星在这么低的轨道运行），且不会产生轨道碎片，也不会有碎片撞击地面。

为什么这次会出现大批量卫星坠毁事件？

中国科学技术大学地球和空间科学学院教授雷久侯表示，这是“天灾”和“人祸”撞一块了。除了地磁暴外，星链卫星的坠落主要还是卫星推进策略以及盲目发射导致，大气阻力升高只是一个诱因。

在他看来，一般卫星不会停靠在210公里高度。如果一开始就将卫星送到更高轨道，即使遇到更强的地磁暴，也不会导致卫星快速坠落。因为，大气密度随高度呈指数型衰减，轨道升高100公里，大气阻力要低1-2个数量级。

据称，SpaceX公司之所以选择在近地轨道部署“星链”卫星，部分原因就是为了在出现故障的情况下可以保证迅速处理。但事实证明，正是这样的轨道设计，反而使它们更易受到地磁暴的影响。

此外，其实美国国家海洋和大气管理局当天曾发出地磁暴提醒，称发射当天可能会发生太阳风暴。但不知什么原因，火箭仍按时发射，结果第二天，太阳风准时抵达，酿成此事件。

其实受地磁暴影响而坠落早有前车之鉴。美国首个空间站“天空实验室”（Skylab）于1973年发射升空，预计运行寿命为10年。但之后在轨期间太阳活动处于高发年，由于多次地磁暴的累积效应，地球大气层膨胀使得处于400公里近地轨道的天空实验室飞行阻力加大，轨道迅速下降，1979年7月提前坠入大气层。

二、星链进展如何？

星链计划是SpaceX旗下的全球卫星宽带项目，是马斯克于2015年提出的，计划在太空建起一个卫星网来提供覆盖全球的互联网服务，尤其是偏远地区，预估需要的资金总额至少达到100亿美元。

SpaceX计划在2020年代中期之前在340公里（约7500颗），550公里（约1600颗），1150公里（约2800颗）三个轨道上部署近1.2万颗卫星，最终形成一个巨大的“星座”。但根据SpaceX在2019年10月提交给美国联邦通信委员会（FCC）的备案，SpaceX准备在1.2万颗的基础之上，再发射3万颗卫星，最终总数达到惊人的4.2万颗。

2018年2月22日，SpaceX在美国加州范登堡空军基地成功发射了一枚“猎鹰9号”火箭，并将两颗小型实验通信卫星丁丁-a（Tintin-a）和丁丁-b（Tintin-b）送入轨道，星链计划由此开启。2019年5月24日，SpaceX使用“猎鹰9号”火箭成功将星链首批60颗卫星送入轨道。从此之后，星链卫星的数量便快速增加。

首批60颗星链卫星 来源 SpaceX.com

由于SpaceX猎鹰火箭的相对低成本和强大运力，星链卫星可以频繁发射，一次可以将几十颗卫星送上太空，最高纪录达到了一箭143星。截止到2022年1月，成功发射的总数已超过2000颗。正式运行1469颗，占全球在轨运行卫星总数30%，另有272颗正在进入运行轨道，绝对称得上一家独大。美国马萨诸塞大学太空科技中心研究人员统计，自1957年苏联发射人类第一颗人造卫星以来，发射的所有卫星总数也只有约8000颗。SpaceX计划发射的4.2万颗“星链”卫星是人类发射卫星总数的约五倍。

2019年接受记者采访时，马斯克估算，全球的互联网连通每年能创造1万亿美元收入，“星链”计划或能拿下其中的3%到5%。目前SpaceX的估值已达到1000亿美元。

三、太空碰碰车？

随着航天活动的日益频繁，近地空间正变得越来越拥挤。目前在太空中运行的人造卫星仅有5000颗左右，但航天器接近事件已层出不穷。未来随着卫星发射数量的激增，尤其是随着SpaceX建设总数为4.2万颗卫星星座的推进，太空交通安全问题将进一步凸显。这就好比路上的车多了，发生交通事故的概率一定会增加。

早在2009年就发生了人类历史上首起卫星相撞的事件。2月10日，美国1997年发射的铱星33与俄罗斯1993年发射的Cosmos 2251卫星在西伯利亚800公里上空相撞。碰撞产生了大量碎片，俄罗斯称这个碎片云可能存在一万年。2021年年底，一块卫星残骸碎片与韩国阿里郎3号卫星的距离最近一度只有62米。最终，卫星紧急升高轨道才躲过一劫。

目前，在册的10cm以上空间物体已超过2万个，受观测手段限制，尚不能跟踪到的更小的碎片更是预计过亿。为了解决空间碎片问题，有着外太空国际法基石之称的1967年《外层空间条约》规定，各国应该对自己发射的航天器负有国际责任，不论是政府行为还是非政府行为。各国应尊重保护航天员安全，并将在外空发现的对航天员生命或健康构成危险的现象通知联合国秘书长或其他缔约国。

就在去年12月，联合国和平利用外层空间委员会（COPUOS）官网发布的中国照会，再度引发了舆论对星链卫星的担忧与声讨。2021年7月1日和10月21日，美国星链-1095和-2305卫星先后两次接近中国空间站，且第二次时，该卫星处于连续轨道机动状态，机动策略未知且无法评估轨道误差。出于航天员的安全考虑，中国空间站两次实施紧急避碰。

对此，外交部发言人赵立坚在去年12月28日表示，美国宣称所谓的负责任外空行为概念，自己却无视外空国际条约义务，对航天员生命安全造成严重威胁，这是典型的双重标准。美方应该尊重以国际法为基础的外空国际秩序，立即采取措施防止此类事件再次发生。

而美国于1月28日照会联合国外层空间事务办公室，否认了中国的说法，称星链卫星的活动没有达到既定的紧急碰撞标准的门槛，因此在任何一种情况下都不需要紧急通知，更狡辩称，中方在给联合国发出照会之前，并没有联系美方有关部门并表达有关星链卫星带来危险的担忧。

对于中国在向联合国发出照会前没有联系美方这一说法，赵立坚予以否认。他说，避碰事件发生后，中方主管部门多次尝试邮件联系美方，但均未收到回复。如今，美方却以所谓“紧急碰撞标准下限”推卸责任、转移视线，这并非是一个航天大国应有的负责任的态度。更何况，美方也无权单方面设定一个“紧急碰撞标准下限”。

对此，SpaceX创始人马斯克始终没有回应。

这其实已不是星链卫星第一次引发轨道安全争议。早在2019年9月，欧洲航天局（ESA）就报告其“风神”（Aeolus）气象卫星执行了规避机动，以避免撞上星链-44号卫星。美国军方在碰撞概率超过千分之一后才告知ESA这一风险，这比ESA设定的避碰风险阈值高出了10倍。

去年4月，星链卫星又险些与英国的OneWeb卫星相撞，二者最近时仅相距57.9米。美国太空部队第18太空控制中队当时发出“红色警报”，OneWeb太空探索公司指责SpaceX关闭了“星链”卫星上的人工智能自动防撞系统。

美国“太空”网站去年8月的卫星碰撞评估数据显示，星链卫星每周都会发生1600次接近事件，几乎是每周总事件数的一半；除去星链卫星彼此间的接近，其中有500次都是星链和其他航天器的接近，甚至包括二者在小于1公里的距离之间飞过的情况。而这还只是星链计划只有少部分卫星在轨的情况，一旦1.2万颗卫星全部部署完成，90%的空间接近事件都将与星链有关。

就连NASA也在质疑星链计划。2月8日，NASA致信FCC，对SpaceX的第二代星链计划（Starlink Gen2，部署约3万颗卫星）表示担忧，称此举可能会导致近地轨道严重拥堵，增加卫星碰撞的风险，且将导致安全发射窗口越来越小，进而干扰NASA的科技活动。NASA强调，希望谨慎部署第二代星链系统，对当前发射窗口可用性进行分析比较，以证明星链卫星发射增加不会显著影响未来NASA的发射任务，支持航天飞行安全和太空环境的长期可持续性。

为此NASA也开始提前布局，去年和SpaceX签署了联合太空飞行安全协议。该协议的焦点包括NASA航天器和SpaceX星链卫星之间的避让问题。协议要求SpaceX对任何靠近国际空间站或NASA航天器的星链卫星实施机动，NASA不做机动。

业内专家王亚男也表示，整个星链系统事实上处于一种不断调整姿态和轨道的过程中，这种不透明的状态也对其他国家的航天器构成严重的安全隐患，可能会对其他国家的航天器造成大量的近距离接近，甚至是碰撞的危险。

此外，越来越多的科学家们担心，以星链卫星如此庞大的规模，无论是在轨卫星发生危险靠近，还是退役卫星失控，一旦它们造成太空碰撞事故，很可能引起连锁反应，产生的太空碎片将横扫近地轨道。

值得注意的是，绝大部分的人类航天器都在近地轨道运行，包括国际空间站和中国空间站（轨道高度通常在300公里-400公里）。星链卫星失控的潜在威胁之大，可见一斑。

然而，马斯克在接受《金融时报》（Financial Times）采访时却声称，低地球轨道足够空旷，能够容纳“数以百亿计”的航天器，星链“不会阻碍任何人在太空做任何事”，并且星链卫星配备有自动避碰系统，可以跟踪在轨碎片和航天器并自动回避。

但事实可能并不像马斯克所言。

首先，即便星链卫星真像马斯克说的那样具备完美的自主避障功能，但在日益拥挤的近地轨道上，如果一颗卫星为避免碰撞而变轨，就如同开车时在拥挤的高速公路上随便变道一样，这可能引起其他具有类似能力的卫星的连锁反应，从而增加而不是降低太空碰撞的风险。

其次，麻省理工学院航空航天教授，航天动力学、太空机器人和控制实验室（ARCLab）负责人Richard Linares指出，马斯克“数以百亿计”的说法混淆了卫星体积和轨道容量的概念，这就像路上能停多少辆车和路上能让多少车同时通行的问题上一样荒谬，是有误导性的。

Richard Linares强调，速度越快，两个运动物体的间隔必须增加，才能保证不会碰撞，所以卫星之间的距离，是要远远大于高速公路的车间距的。哈佛史密森天体物理学中心的天体物理学家乔纳森·麦克道威尔计算出，如果航天器以每小时约2.7万公里的速度飞行，为了保持三秒的间隔，一个轨道层的空间仅能容纳1000颗卫星。

四、主导近地空间？

欧洲航天局局长约瑟夫·阿施巴赫尔（Josef Aschbacher）去年12月警告称，通过庞大的卫星群，SpaceX正在利用国际电信联盟的规定和国际太空治理的不完善来排挤竞争对手，主导近地轨道的“规则”。

此外，星链计划还将影响太空的无线电频率和轨道空间情况。按照国际电信联盟的规定，卫星轨道和频谱资源主要以“先到先得”的方式进行分配。这意味着其他国家需要避开已申请的频段和轨道，太空探索的空间被严重压缩。而且，马斯克一人就拥有全球近一半的活跃卫星，他敦促欧洲大陆领导人停止为马斯克主宰新太空经济的野心提供便利。

不仅仅是主导规则，星链卫星的垄断所带来的潜在军事潜力更加令人担忧。SpaceX宣称是利用星链提供互联网服务，但事实上，考虑到整体投入、网速、性价比和偏远地区的人口数量（仅占全球3%），星链计划从商业角度来说让人费解。外界纷纷猜测星链的真正用户并非位于偏远地区的普通民众，而是美国军方。

根据美国军方于2020年5月同SpaceX签署的协议，美军要求在未来3年时间内使用星链服务。而在2020年10月，SpaceX拿下为美军打造导弹跟踪卫星合同之时，美国媒体更是直言：“星链不再只是用于宽带服务。”更何况，SpaceX的部分发射场就建在美军的范登堡空军基地内。

SpaceX同美国军方的联手，以及“星链”的快速扩张势头，正引起越来越多的担忧，恐会引发新一轮“星球大战”。

第一，一旦目前已获批的1.2万颗星链卫星发射到位后，它就会在近地轨道筑起一道屏障，其他国家的火箭要确定发射窗口，就要和SpaceX商量和协调，否则就可能相撞。如果在战时，掌握这项话语权的SpaceX就相当于对敌方实行“太空封锁”。

第二，以往每颗高轨卫星的成本动辄十亿美元，由于其高价值和数量少，使得动能反卫星武器获得了极大的性价比优势。例如，美国GPS系统只有24颗卫星，一旦以低成本的动能武器实施攻击，将瘫痪美国的全球导航定位和授时通信系统，对美军的全球兵力部署和多域联合作战造成致命打击。而星链的卫星多达上万颗，能让动能武器的优势不复存在。并且一旦硬杀伤击毁若干卫星，就会产生大量碎片，其影响是任何国家都难以接受的。

第三，目前星链卫星上搭载的是通信设备，未来也可以搭载各类军用观测设备，对于全球主要地区，可实现全方位、全天候侦察监视，且具有成本低、数量多、覆盖面广、重访周期短、识别率高等优点，这必将大大提升美国对地面移动物体和太空目标的监控能力。

第四，未来星链或将代替GPS，成为美军下一代“可靠导航定位与授时”的首选。目前，美军使用高轨道卫星通信存在250毫秒的延迟传输，而星链卫星可提供25毫秒的延迟速度，实现实时通信，并在各类武器平台交换数据。

五、21世纪天文学发展的最大阻碍

2019年5月，首批60颗星链卫星的发射立刻引发了天文学界的强烈抗议。国际天文学联合会（IAU）发表声明，表示担心星链卫星反射太阳光导致的光污染会严重影响天文观测。反光对人类来说很微弱，肉眼不可见，但是大批星链卫星穿过夜空的轨迹，会破坏那些需要长时间曝光的天文观测。

马斯克在2019年5月底称，这一影响是暂时的，等星链从400多公里的临时轨道转移到550公里的工作轨道，就不会再显得这么亮。

然而问题并未随着卫星进入更高轨道而消失。由于光学望远镜常常依靠长时间曝光来成像，掠过空中的卫星群不但会在画面中留下一道道白线，遮挡大量信息，还会令夜空的平均亮度提升2-3倍，进一步妨碍观测。

美国天文学会发布的一份执行摘要将巨型卫星星座描述为“21世纪天文学的严重问题”，与城市光污染相当。并且就算只考虑星链已确定发射的12000颗卫星，等它们全都部署就位之后，在地球上的任意地点和任意时刻，天空中都会有140颗这样的卫星。虽然亮度大概接近人类肉眼可见的极限，但对于地面上的光学和射电望远镜来说，这些卫星会是一场灾难。

一项发表在《天文物理期刊》上的研究表明，星链卫星正在导致望远镜图像中出现越来越多的条纹。上月，美国加州理工学院就发文称，研究人员依托美国帕洛玛山天文台（Palomar Observatory）兹威基瞬变探测器（Zwicky Transient Facility）拍摄的天文图像，分析出从2019年11月到2021年9月，图中出现了多达5301条星链卫星组成的轨道痕迹。加州理工学院这张官网图，就是其中一处。

 加州理工学院官网截图

在知名天文摄影师丹尼尔·洛佩兹（Daniel Lopez）拍摄新智彗星（NEOWISE）的延时照片里，星链卫星也掺和了进来，完全掩盖了主角彗星的光彩。

随着越来越多星链卫星进入轨道，黎明和黄昏的观测图像受到的影响最大，在2019年，只有0.5%的这类图像受到星链的影响，到2021年，受影响的图像达到20%。天文学家估计，目前有0.04%的概率会导致天文学家没能发现一些罕见的天文事件，比如错过一个新的小行星。

天文学家预计，如果在轨星链卫星达到1万颗之后，全部的黎明或傍晚的天文观测图像都会至少出现一条星链卫星形成的轨道痕迹。

最终，SpaceX不得不做出妥协，为新发射的卫星安装了一种叫“Visorsat”的折叠板来降低反光率，但这没有达到美国天文学会等组织的标准，仍不能让人满意。已发射的卫星也无法安装这些装置，只能将卫星太阳能板调整到不会反射光线至地面的角度。这在一定程度上缓解了可见光污染问题，但是漫反射太阳光的部分仍未消除。

来源 SpaceX.com

此外，在可见光波段以外，星链也在严重干扰着天文观测。IAU指出，卫星星座通过无线电（射频）信号与地球进行通信，产生的大量射频噪音很难被射频观测忽略。比如，目前众多针对黑洞的前沿研究所使用的事件视界望远镜（EHT）就正苦于巨型卫星星座的射电干扰。

空间利用不受监管，使得天文学家们无处告状，他们已大声疾呼设计者、部署者和政策制定者与天文学家合作来减轻影响。2月2日，国际天文联合会宣布成立保护黑暗宁静天空免受卫星干扰中心（Centre for the Protection of the Dark and Quiet Sky from Satellite Constellation Interference），该中心由天文学家、卫星运营商和监管机构组成，致力于保护天空免受卫星光污染。

六、退休了还要污染大气

有学者指出，巨量的人造卫星会对地球大气和全球气候产生难以估量的影响。一篇于2021年5月20日在《科学报告》（Scientific Reports）上发表的论文表明，卫星中含有的铝在卫星寿命终结再入大气层时会燃烧生成氧化铝（陨石主要由氧、镁和硅组成，极少含铝）。氧化铝不但会严重消耗臭氧，导致臭氧层吸收紫外线的能力变弱，还会散射太阳光，改变大气层的反照率，对全球气候产生影响。

相比等量的普通大气固体污染，退休卫星的污染更为显著。化石燃料燃烧产生的污染物主要位于大气底部（高度10公里以内），在几周内就能随重力或大气中的水沉降。但从太空进入大气的物质会停留在接近100公里高度的大气层顶部，有可能在那里永久存在。

根据星链计划的卫星寿命（每5年发射新卫星替换原卫星）计算，平均每天坠落的退休卫星将重达2.2吨，留在大气中的氧化铝会随着时间推移不断增加，对臭氧层和反照率的影响也会日渐显著。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的研究人员指出，几十年后星链卫星燃烧所积累的污染物带来的气候影响，或许会与目前化石燃料燃烧引起的气候变化相当，这种可能性无法排除。

英属哥伦比亚大学物理和天文学教授 Aaron Boley说，人类非常擅长低估自身改变环境的能力。我们曾经认为，人类倾倒入海的塑料远远无法对海洋环境产生影响，人类排放到大气的二氧化碳远远无法对全球气候产生影响。但海洋塑料污染问题来了，全球气候变化也来了。而如今，我们即将在开发太空时犯下同样的错误。

不论是出于自身和“邻居”安全考虑，还是为了对全人类负责，星链计划都必须在设计和运营时珍惜有限的公共资源，努力提高轨道效率，并减轻各方面的负面影响。否则，未来的低地球轨道一定不会欢迎它们。

参考资料

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24. 中国新闻社，《美国狠起来，连自己都怕……》

25. Ethan Siegel，Starts With A Bang，《在地球上仰望星空的自由，快被星链“锁死”了 | 迈向太空》，果壳

26. 科研圈，《马斯克的星链威胁中国空间站安全，科技巨头送上天的卫星带来的麻烦越来越多》

本文来自微信公众号：瞭望智库（ID：zhczyj），作者：库叔说