我们可以在地球轨道上安全安装多少颗卫星？

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

“这将像暴风雪高峰时段的州际高速公路，每个人都开得太快了。

旧卫星在地球周围的空间中杂乱无章。

就在10年前，可能只有一千颗左右的运行卫星绕着我们的星球运行，但十年后会有数万甚至数十万颗。

多年来，专家们一直在敲响警钟，地球轨道变得有点过于拥挤。那么，在它变得太多之前，我们实际上可以向太空发射多少颗卫星呢？

乔纳森·麦克道尔（Jonathan McDowell）是哈佛-史密松天体物理中心的天体物理学家和天文学家，他研究宇宙中的超高能现象，例如银河系中心的喷射黑洞。然而，近年来，麦克道尔因其在完全不同的空间研究领域的工作而声名鹊起。在他的月度数字通告《乔纳森的太空报告》（Jonathan's Space Report）中，麦克道尔追踪了卫星发射数量不断增加以及地球轨道上物体数量不断膨胀的情况。

该项目始于“提供太空时代迂腐的历史记录”的雄心壮志，但在某种程度上，它已成为近地环境环境破坏的编年史。在他频繁的媒体露面中，麦克道尔一直直言不讳地表达他对日益拥挤的近地空间未来的看法。

“这将像一条州际高速公路，在暴风雪的高峰时段，每个人都开得太快了，”Space.com 当被问及如果SpaceX的Starlink，OneWeb和Amazon Kuiper等卫星巨型星座的现有计划实现时，轨道上的情况会是什么样子。“除了有多条州际高速公路相互交叉，没有红绿灯。

乔纳森·麦克道尔（Jonathan McDowell）是哈佛-史密松天体物理中心的天文学家和天体物理学家。他的主要研究重点是黑洞、类星体和遥远星系中的高能X射线辐射源。他是美国宇航局钱德拉X射线天文台背后的团队成员，但也作为领先的空间碎片专家而声名鹊起。麦克道尔是乔纳森太空报告的作者和编辑，这是一份通过电子邮件分发的通讯，记录卫星发射。

McDowell拥有英国剑桥大学的数学学士学位和剑桥大学的天体物理学博士学位。

机动，机动

事实上，事情变得有点过于紧张的最初迹象已经存在。麦克道尔的英国同事休·刘易斯（Hugh Lewis）是另一个经常听到的谨慎声音，他缓和了陷入新太空淘金热的企业家的信心。作为英国南安普敦大学的航天学教授，刘易斯几年来一直在他的Twitter页面上定期发布更新，详细介绍所谓的合相事件的增加，即太空中的两个物体 - 功能卫星或空间碎片 - 危险地彼此靠近的情况。

他的一些图表读起来发人深省。刘易斯在1月13日发布在推特上的一篇文章中表示，“预测2022年的合相总数比2020年高出134%，比2021年高出58%，超过400万。

刘易斯告诉 Space.com，这并不意味着太空中的物体有400万次接近碰撞 - 只是管理太空中的交通变得比以往任何时候都复杂得多。

以SpaceX的Starlink为例。根据这家埃隆·马斯克（Elon Musk）拥有的公司去年12月提交给美国联邦通信委员会（FCC）的信息，SpaceX的自主防撞系统在2020年12月1日至2022年11月30日的两年内，与其Starlink卫星进行了26，037次轨道回避机动。

这意味着迄今为止发射的近4，000颗Starlink卫星中的每颗平均在此期间进行了12次回避机动。

但SpaceX目前星座的规模还不到该公司计划部署的10%。在未来10年内，轨道上的Starlink卫星数量可能会增加到42，000颗。再加上OneWeb想要发射的多达4，000颗卫星，亚马逊的柯伊伯飞船的另外3，200颗以及中国设想的国网系统的13，000颗卫星，很明显，事情将变得更加激烈。

根据FCC的文件，SpaceX声称其每颗卫星都有足够的燃料，可以在其预期的五年寿命内执行350次防撞机动。但根据刘易斯的计算，这个数字很快就会达到。

“[所需的回避策略]数量正在非线性增加。刘易斯说。“到2027年或2028年左右，Starlink星座可能在其整个生命周期中总共进行了一百万次避免碰撞的演习。这也可能对应于它们（每颗卫星在五年生命周期内）达到350次防撞机动的最早时间。我们谈论的是每天可能进行数百甚至数千次演习。

简而言之，从现在起不到五年的时间里，Starlink卫星可能会在比其设计寿命更短的时间内耗尽燃料，因为它们必须执行大量的避让机动。

然而，刘易斯赞扬了SpaceX对太空安全的态度。该公司五年前在太空中没有一颗卫星，现在却以相当大的优势成为世界上最大的卫星运营商。自2019年发射第一颗卫星以来，SpaceX已经形成了一种强大的态度。该公司表示，每当Starlink卫星遇到1/10万的碰撞概率时，其自主避让系统都会进行机动。这种风险水平比NASA使用的阈值低一个数量级。该公司告诉FCC，SpaceX还在每种合相情况下承担责任并执行机动，除非参与合相的其他卫星的运营商更喜欢自己这样做。

近地空间充斥着大约36，500块大于4英寸（10厘米）的空间碎片，大约100万个0.4至4英寸（1至10厘米）的物体，以及惊人的1.3亿个小于0.4英寸（1厘米）的碎片。 （图片来源：欧空局）

休·刘易斯是英国南安普敦大学宇航学教授，也是原位和远程智能传感卓越中心的联合主任。他在空间碎片和空间可持续性领域工作了20多年，是DAMAGE空间碎片模型的作者。Hugh代表英国航天局出席机构间空间碎片协调委员会（IADC）的会议，担任第2工作组（专注于空间碎片建模）的主席。休还代表英国航天局作为空间碎片、空间运行和空间态势感知方面的专家出席了联合国和平利用外层空间委员会（COPUOS）科学和技术小组委员会会议。

碰撞

然而，运行卫星只是问题的一部分。欧洲航天局估计，近地空间充斥着大约36，500块大于4英寸（10厘米）的空间碎片，大约100万个尺寸为0.4至4英寸（1至10厘米）的物体，以及惊人的1.3亿个小于0.4英寸（1厘米）的碎片。

特别是较小的物体的数量继续增加，因为较大的物体以巨大的轨道速度相互碰撞，产生碎片云。

“有充分的证据表明，轻微碰撞的数量已经显着增加，”麦克道尔说。“我们看到的物体碎片不应该真正产生碎片。他们可能受到了一些小东西的打击，即使他们之后继续工作。

虽然定期跟踪尺寸超过4英寸的较大碎片碎片，但较小碎片的轨迹大多是未知的，它们可能引起的碰撞完全没有警告。

然而，碎片专家最关心的是两个大型废弃天体之间的相遇 - 死亡卫星或用过的火箭级。1月27日，在一艘已有数十年历史的俄罗斯火箭上级和一颗早已报废的俄罗斯卫星之间，发生了一次如此近距离的接近。由于两个物体都无法操纵，太空交通警卫只能交叉手指看着，希望两人会错过对方。这一次，他们做到了 - 仅20英尺（6米）。这一事件被描述为“最坏的情况”，可能产生数千个危险的碎片碎片，这些碎片将在轨道上停留几个世纪，威胁到它们路径上的一切。

越来越多的新卫星和越来越多的轨道垃圾导致一种危险的局面，在不远的将来，近地空间的某些地区可能会变成危险的禁区。

“像[1月27日事件]这样的事情将开始更频繁地发生，”麦克道尔说。“一次碰撞不会给事情带来太大的改变，但是一旦我们每年发生一次碰撞，你就会进入一个开始有很多卫星损失的政权。它真的将开始影响低地球轨道的经济性。公司将开始亏损，因为他们的卫星不断被摧毁。

大型失效物体之间的碰撞会产生大量的碎片。（图片来源：欧洲航天局）

那么我们可以安全的将多少颗卫星装入太空呢？

轨道还能安全容纳多少颗卫星呢？这个问题的答案并不简单。刘易斯说，某些轨道高度比其他轨道高度更容易受到攻击。例如，Starlink卫星在地球上空342英里（550公里）的轨道上运行。此高度的物体在停止操作后通常不会在混乱的空间中停留太长时间。即使他们的推进器在任务结束时发生故障，并且没有将飞船带回地球大气层立即燃烧（正如许多运营商所承诺的那样），由于大气阻力，这些卫星的轨道会在几年内自然衰减。然而，地球轨道的这种自然清洁能力随着高度而下降。

“太空环境就像一个系统，你有流入和流出，”刘易斯说。“我们将东西发射到太空中，通常由于大气阻力而流出的流动是我们真正自然地从环境中移除东西的唯一机制。但是在1000公里（600英里）以上，大气层并没有真正做任何事情，因为它太稀疏了。没有水槽;数字只能上升。

OneWeb的星座居住在这个危险的高度范围内，较小的Globalstar也是如此。

大多数巨型星座运营商承诺确保他们的飞船在任务结束时有足够的燃料，将自己带到地球大气层可以处理的事情的地方。但技术故障的可能性仍然让专家们感到担忧。2012年，欧洲航天局是可持续太空运营的直言不讳的拥护者，未能将其8.8吨（8公吨）的地球观测卫星Envisat从地球上空480英里（772公里）的轨道上移走。这艘飞船将继续绕地球运行几个世纪，现在是最危险的太空碎片之一。

麦克道尔说，人类很可能会“艰难地”发现近地空间的自然容量。尽管巨型星座运营商做出了承诺，但这位天体物理学家怀疑未来几年事情是否仍然可控。

“从现在起的五年或10年里，我们将拥有2万到10万颗卫星，我非常怀疑10万颗卫星是否可以安全运行，”麦克道尔说。

接下来呢？

问题是，接下来会发生什么？航天工业是否被新航天企业家的信心所迷惑，梦游般地进入了自己的气候变化版本？

“人类对环境问题的通常反应是做得太少，太晚，”麦克道尔说。“我认为我们会尝试在最后一刻争先恐后地做一些事情，也许可以让你继续在灾难的边缘冲浪。

麦克道尔看到了一个未来，这些州际高速公路最终将获得红绿灯，立交桥建成，交通规则得到实施和执行。

“我认为我们会看到限制每个轨道高度可以拥有多少颗卫星的法规，”他说。“不鼓励椭圆轨道并迫使每个人都处于圆形轨道的规定。我们已经看到越来越多的人支持禁止反卫星武器。

我们可能会开始看到对造成碎片的事件的实际处罚——比如，如果你不小心设计你的火箭，让它意外爆炸，你可能会因此而被罚款，比如乱扔垃圾。这种变化可能会说服相关制造商更加小心。

麦克道尔补充说，更严格控制进入太空的先例已经存在。地球静止轨道上的插槽，即地球上空约22，000英里（36，000公里）的热门高度，卫星似乎悬浮在地球上的固定点上方，可以稳定地看到地球的大部分地区，由国际电信联盟以先到先得的方式分配。然而，在低轨道上，许可证是由没有义务相互协调的国家机构颁发的。

“我认为这种情况会改变，”麦克道尔说。“像往常一样，随着资源变得稀缺，政府将对这些资源的分配行使更多的控制权。

专家们还呼吁空间机构开发技术，清除最危险的轨道碎片。到目前为止，这种服务还没有商业案例，因此胃口很低。但态度的改变可能正在酝酿之中。去年7月，美国政府发布了《国家轨道碎片实施计划》，概述了维持地球轨道秩序的步骤。无论发生什么，现状都不太可能长期存在。

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原标题：《『我们可以在地球轨道上安全安装多少颗卫星？》

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