上一篇，我們重點(diǎn)談到了星鏈計(jì)劃是如何在省成本方面各種摳細(xì)節(jié)的。今天我們繼續(xù)再聊一聊星鏈其他的關(guān)鍵技術(shù)。

還記得我們上篇聊到霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的時(shí)候，提到它幾個(gè)關(guān)鍵作用嗎？1. 可以在近地軌道被獵鷹火箭釋放后，漸進(jìn)加速到達(dá)指定位置。2. 可以實(shí)現(xiàn)0.1微牛的控制精度做方向角度的精準(zhǔn)微調(diào)。3. 可以維持星鏈衛(wèi)星的軌道運(yùn)行。其實(shí)這個(gè)推進(jìn)器還有兩個(gè)作用，這兩個(gè)作用都和一個(gè)話題有關(guān)系，那就是太空垃圾（Space debris）。

現(xiàn)在在太空上飛的航天器，還真的會有很大概率碰到太空垃圾的。還記得上篇我們聊到的銥星33和已報(bào)廢俄羅斯衛(wèi)星Kosmos 2251相撞的事情嗎？那次相撞產(chǎn)生了巨大的太空垃圾云。

人類的太空發(fā)展史也就是幾十年，1957年10月4日，地球的近地軌道還只有一個(gè)人造物，那就是蘇聯(lián)發(fā)射的“斯普特尼克1號”（俄語:Спутник-1，又稱“衛(wèi)星一號”，俄語名原意“旅行者”）。截至到現(xiàn)在人類已經(jīng)發(fā)射了1萬多顆衛(wèi)星在太空里，而真正還在工作的只有7000多顆。但是在這幾十年期間，由于各種原因制造出大量的太空垃圾。截至 2019 年 1 月，估計(jì)有超過 1.28 億塊小于 1 厘米（0.4 英寸）的碎片，約 90萬塊 1-10 厘米的碎片，以及約 34,000 塊大于 10 厘米（3.9 英寸）的碎片在環(huán)繞地球的軌道上。太空垃圾是太空中已廢棄的人造物體，包括廢棄的航天器、無功能航天器和廢棄的運(yùn)載火箭級、與發(fā)射任務(wù)相關(guān)的碎片。除了遺留在軌道上的廢棄人造物體外，還包括報(bào)廢衛(wèi)星本身，以及報(bào)廢衛(wèi)星解體、腐蝕和碰撞產(chǎn)生的碎片，甚至油漆斑點(diǎn)、航天器排出的凝固液體以及固體火箭發(fā)動機(jī)未燃燒的顆粒等等。

不要以為小的太空垃圾顆粒是無害的，在太空飛行，以 28,200 公里/小時(shí)的速度繞地球運(yùn)行，如此小的一塊垃圾可以像子彈一樣擊中航天器或其他軌道物體。早在2011年，美國國家研究委員會的一份報(bào)告警告美國宇航局，軌道空間碎片的數(shù)量處于臨界水平。根據(jù)一些計(jì)算機(jī)模型，空間碎片的數(shù)量“已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)臨界點(diǎn)，目前在軌道上的空間碎片足以持續(xù)碰撞并產(chǎn)生更多碎片，從而增加了航天器故障的風(fēng)險(xiǎn)”。這也就是早在1978年，被美國宇航局科學(xué)家唐納德·J·凱斯勒提出的一種情景：凱斯勒綜合征（Kessler syndrome），也就是所謂的一發(fā)不可收拾的連鎖反應(yīng)。記得十年前看的那個(gè)桑德拉·布洛克主演的《地心引力》（Gravity），展示的凱斯勒連鎖反應(yīng)，還是超級震撼的。而根據(jù)NASA的數(shù)據(jù)，2011年，太空中的大于10厘米的碎片數(shù)量還只有22000個(gè)。短短10多年過去，這個(gè)數(shù)量就漲了超過50%。

那么未來這個(gè)太空垃圾的增長速度和曲線是什么樣子的呢？我們可以簡單預(yù)測一下。上篇我們提到了，星鏈現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)射了4543顆衛(wèi)星在近地軌道上。而星鏈未來的終極計(jì)劃是要在近地軌道一共部署42000顆衛(wèi)星！如果我們的視角再擴(kuò)大一下的話，星鏈計(jì)劃的商業(yè)成功，也刺激了其他的競爭對手：OneWeb要在近地軌道部署48顆通訊衛(wèi)星，亞馬遜的Project Kuiper要發(fā)射2336顆通訊衛(wèi)星，所以保守估計(jì)在2030年，近地軌道的衛(wèi)星數(shù)量很可能會達(dá)到75000顆！衛(wèi)星的數(shù)量增多，自然伴隨著太空垃圾增多的風(fēng)險(xiǎn)。

從環(huán)繞地球飛行軌道高度上來看，絕大部分太空垃圾都擁擠在近地軌道（LEO）這個(gè)范圍，也就是160公里～2000公里這個(gè)范圍。近地軌道中的碎片包括報(bào)廢的衛(wèi)星、用過的火箭級、爆炸或碰撞產(chǎn)生的碎片以及其他物體。由于大量衛(wèi)星部署和歷史活動，近地軌道特別容易受到碎片的影響。近地軌道中的碎片對運(yùn)行中的衛(wèi)星和國際空間站 (ISS) 構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)。

很不幸，星鏈衛(wèi)星，也都部署在近地軌道范圍內(nèi)。

既然已經(jīng)處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，就得想辦法規(guī)避別撞上太空垃圾。

由于太空垃圾有大有小，單獨(dú)靠衛(wèi)星自身的能力，是很難預(yù)判在什么時(shí)候可能存在和太空垃圾的撞擊風(fēng)險(xiǎn)的。所以星鏈采取了借“眼睛”的做法。星鏈與北美空防司令部NORAD（North American Aerospace Defense Command）合作，后者通過地面雷達(dá)系統(tǒng)和復(fù)雜的跟蹤網(wǎng)絡(luò)提供的太空垃圾跟蹤信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測和識別潛在的碎片威脅。NORAD是一個(gè)由美國和加拿大共同組成的軍事機(jī)構(gòu)，首腦為美國總統(tǒng)和加拿大***。該機(jī)構(gòu)成立于1958年5月12日，作用是由美加兩國作北美地區(qū)空中的聯(lián)合防衛(wèi)。人造衛(wèi)星發(fā)射后，NORAD開始編制一個(gè)數(shù)據(jù)庫（太空物體目錄），主要是跟蹤到直徑大約為10厘米以上的物體。這個(gè)尺寸范圍包括了許多廢棄的衛(wèi)星、火箭殘骸和其他碎片。也有信息說，太空垃圾的信息也有來自美國太空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò) (SSN) 和美國空軍第 18 空間控制中隊(duì)。

星鏈衛(wèi)星獲取這些數(shù)據(jù)之后，可以智能計(jì)算當(dāng)前的運(yùn)行軌跡和這些太空垃圾碎片與其路徑的交會概率，如果這個(gè)概率超過一定閥值，可以通過機(jī)動來規(guī)避潛在的碰撞。這些機(jī)動由上文提到的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器進(jìn)行，可以包括微小的姿態(tài)調(diào)整或者大范圍的軌道改變，以避開可能的碎片路徑。

當(dāng)然，大的碎片能監(jiān)控到的可以規(guī)避躲開，但是小的呢？衛(wèi)星的主體的堅(jiān)固性設(shè)計(jì)上，還是要考慮到更加微小的太空垃圾撞擊風(fēng)險(xiǎn)。比如：防護(hù)盾或護(hù)罩，用于保護(hù)重要部件免受太空垃圾的撞擊。這些防護(hù)措施可以減輕碰撞的影響，保持衛(wèi)星的運(yùn)行穩(wěn)定性。

任何衛(wèi)星都有達(dá)到使用壽命退役的一天，因此每一個(gè)衛(wèi)星也都需要審慎地回答一個(gè)問題，如何避免自己成為太空垃圾？何況星鏈一上來就要部署42000顆衛(wèi)星，遠(yuǎn)遠(yuǎn)把其他競爭對手甩在后面，如果這個(gè)問題處理不好，勢必害人害己。SpaceX的星鏈在設(shè)計(jì)之初確實(shí)審慎考慮了這種情況。

第一，就是星鏈衛(wèi)星達(dá)到其預(yù)期壽命，也不能放任自流。采用霍爾效應(yīng)推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星的角度，通過改變衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)，使其受到大氣阻力的影響，加速下降并盡快進(jìn)入大氣層。這有助于減少衛(wèi)星在軌道上滯留的時(shí)間，降低成為太空垃圾的風(fēng)險(xiǎn)。不過如果在衛(wèi)星達(dá)到設(shè)計(jì)壽命時(shí)，推進(jìn)劑已經(jīng)用盡或推進(jìn)器失效，就無法依賴霍爾效應(yīng)推進(jìn)器進(jìn)行角度調(diào)整了，這時(shí)候就要啟動備份方案，就是使用彈簧機(jī)構(gòu)或推出結(jié)構(gòu)來推動衛(wèi)星離開軌道，以確保它能夠快速進(jìn)入大氣層并盡快墜落。

第二，就是要讓衛(wèi)星盡量在大氣層中燒毀，因?yàn)榧幢銢]成為太空垃圾，掉到地面砸到花花草草也不好啊。SpaceX的設(shè)計(jì)指標(biāo)，會要求95%的材料都會在大氣層中燒毀，但還是有5%的東西會掉下來。這很有可能就是用于激光通信用的碳化硅組件。因?yàn)檫@種碳化硅組件，它是用于激光通信的反射鏡。能承受2750度的高溫。但是2019年，SpaceX提交給FCC的報(bào)告中，說衛(wèi)星進(jìn)行了產(chǎn)品升級，使用可降解材料替代碳化硅組件，可以做到在大氣層中完全燒毀。但是他也沒有明說到底用什么材料取代了碳化硅組件。

不過即便星鏈衛(wèi)星已經(jīng)在設(shè)計(jì)中考慮了各種情況，還是出現(xiàn)了百密一疏。而且這一疏簡直是引起了太空觀測領(lǐng)域的人神共憤。那就是太亮了！

一般而言，近地軌道部署的衛(wèi)星，在深夜是很難直接反射陽光的，因?yàn)樗麄兲幱诘厍虻年幱爸?。但是也會存在例外，就是在“黃昏”和“黎明”的時(shí)候。太陽在地平線以下，但它的光線仍然可以到達(dá)高層大氣并照亮天空。位于地球陰影上方的 近地軌道衛(wèi)星仍然可以接收陽光并將其反射回地球表面。這種反射的陽光然后會在大氣中散射，產(chǎn)生一種稱為“衛(wèi)星耀斑”（satellite flares）的可見效果。當(dāng)陽光從衛(wèi)星的大而平坦的表面（例如它們的太陽能電池板或天線）反射并產(chǎn)生瞬間的亮度爆發(fā)時(shí)，就會發(fā)生衛(wèi)星耀斑。即使在較暗的黃昏時(shí)期，這些耀斑也非常引人注目，并且可以增加夜空的整體亮度。衛(wèi)星耀斑對夜空亮度的影響相對短暫且局部。它們是暫時(shí)的，并在特定條件一致時(shí)發(fā)生，包括衛(wèi)星的位置、觀察者的位置和暮光時(shí)期的時(shí)間。此外，耀斑的亮度取決于衛(wèi)星反射面的大小和方向等因素。

但是，星鏈衛(wèi)星數(shù)量太多。什么東西，量變導(dǎo)致質(zhì)變。隨著更多衛(wèi)星的部署，觀測到這些衛(wèi)星耀斑的機(jī)會及其對天文觀測的影響也在增加。下圖就是在2019 年 11 月 20 日， Cerro Tololo 美洲天文臺(CTIO)的四米（13'）布蘭科望遠(yuǎn)鏡記錄到強(qiáng)烈的信號丟失和DECam拍攝中出現(xiàn)的 19 條白線。這些白線就是星鏈衛(wèi)星。好好的星空，被劃成這么多道道，簡直就是在割裂星空的畫布，這還怎么讓人觀測??？

一開始的時(shí)候，馬斯克還辯解，說這些衛(wèi)星的影響很小，可以通過像素掩蔽和圖像疊加輕松緩解。結(jié)果又在被天文學(xué)家圍毆之后，不得不放下身段，聲明一定要解決這個(gè)問題。最先想到的方式，就是通過一些減少反射的涂料。為了驗(yàn)證這種涂料是否有效，SpaceX發(fā)射了一顆試驗(yàn)衛(wèi)星（Starlink 1130 / DarkSat）。帶有實(shí)驗(yàn)涂層以降低其反照率。g 波段幅度的減少為 0.8 幅度 (55%)。天文學(xué)家實(shí)測效果，還是太亮！

2020 年 4 月 27 日，馬斯克宣布該公司將推出一種新的遮陽罩，旨在降低 Starlink 衛(wèi)星的亮度。截至 2020 年 10 月 15 日，已有 200 多顆 Starlink 衛(wèi)星安裝了遮陽罩。2020 年 10 月的一項(xiàng)分析發(fā)現(xiàn)它們僅比 DarkSat 暗一點(diǎn)。差不多是原始設(shè)計(jì)的31%。天文學(xué)家實(shí)測效果，還是太亮！

馬斯克也熄火了，他感覺單靠他自己恐怕很難解決這個(gè)問題了。2022 年 2 月，國際天文學(xué)聯(lián)合會(IAU) 成立了一個(gè)中心，以幫助天文學(xué)家應(yīng)對 Starlink 等衛(wèi)星星座的不利影響。工作將包括為天文學(xué)家開發(fā)軟件工具、推進(jìn)國家和國際政策、社區(qū)外展以及與行業(yè)合作開發(fā)相關(guān)技術(shù)。IAU 還搞了一個(gè)網(wǎng)站，供天文學(xué)家通過衛(wèi)星跟蹤處理一些不利影響。這將使天文學(xué)家能夠跟蹤衛(wèi)星，從而能夠避開衛(wèi)星并為其計(jì)時(shí)，以將對當(dāng)前工作的影響降到最低。但這都是治標(biāo)不治本，隨著近地軌道衛(wèi)星數(shù)量的增加，光學(xué)污染只能越來越嚴(yán)重，這個(gè)問題到底未來的終極解決方案是什么，還有待觀察。

這事兒也給我們一個(gè)啟迪。人類社會文明的發(fā)展過程中，經(jīng)常是這樣，本來是解決一個(gè)問題，結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)新問題，然后又解決新問題，結(jié)果又產(chǎn)生了另外的問題，如此不斷反思和創(chuàng)新，去逐漸修正。比如：為了讓人們夏天不感到炎熱，發(fā)明了空調(diào)，結(jié)果氟利昂又破壞了臭氧層；發(fā)現(xiàn)化石燃料產(chǎn)生動力，提升了人類的效率，但是也帶來了大氣污染、水污染和土壤污染等環(huán)境問題，對生態(tài)系統(tǒng)造成了損害，造成了溫室效應(yīng)，然后又去想辦法怎么減少碳排放；比如提高糧食產(chǎn)量，發(fā)明滴滴涕（DDT）殺蟲劑，發(fā)明者還獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。結(jié)果從《寂靜的春天》開始，發(fā)現(xiàn)不僅僅影響生態(tài)系統(tǒng)，甚至難于降解，對人類也有慢性毒性和致癌性，而遭受廣泛批評。類似情況還有很多很多，真可謂人無完人，人算不如天算，也成為人類社會發(fā)展的常態(tài)。悲觀的人每次都認(rèn)為我們肯定扛不過這次了，但樂觀的人會說，我們都不一直扛過每個(gè)坎兒了嘛，為啥這次就不行？

回到星鏈計(jì)劃，相信馬斯克盡管在規(guī)劃星鏈的時(shí)候，考慮了各種各樣可能產(chǎn)生的負(fù)面影響以及如何規(guī)避，但還是百密一疏。至于“太亮“問題到底未來能不能徹底解決，以及解決了，會不會產(chǎn)生新的問題？以及關(guān)于太空垃圾的一系列看似完美的解決方案實(shí)操效果如何？這真的都有待時(shí)間的考驗(yàn)。

好了，今天我們?nèi)亩荚诹摹袄：Α?，下次我們專心聊一下星鏈?jì)劃的核心優(yōu)勢：它是如何做到比地面光纖傳輸效率還要快的。