计划中的巨型卫星星座可能产生失控的空间碎片
计划中的巨型卫星星座可能产生失控的空间碎片
模型表明，凯斯勒效应将使这些卫星群难以为继
目前，约有1.6万颗卫星正在人们头顶的三维太空“高速公路”上飞驰。但令天文学家和暗夜爱好者感到忧心的是，随着运营商大规模发射互联网和通信卫星，未来10年内这一数字可能会增加10倍。如果美国太空探索技术公司（SpaceX）首席执行官埃隆·马斯克如愿以偿，不久之后这一数字可能突破100万。
在接受评估的16项卫星巨型星座提案中，有9项可能导致空间碎片出现不稳定或失控现象。图片来源：欧洲航天局科学办公室
然而，7月31日公布于预印本服务器arXiv上的一项新分析表明，这些计划面临着物理限制，其根源并非卫星的数量，而是它们碰撞产生的太空碎片。该研究发现，这些被称为“卫星星座”的卫星群将达到一个被称为“凯斯勒效应”的临界点——即碎片失控式激增，最终导致卫星群自身无法维持。这些预测仅基于对单个卫星星座的评估，尚未将现有卫星以及计划发射的数十万颗其他卫星纳入考量。
“在无法充分掌握这些卫星运营计划的情况下，这已经是最好的结果了。”加拿大里贾纳大学的天文学家Samantha Lawler表示，“这清楚地说明了这些提案是多么脱离现实。”
凯斯勒效应由美国国家航空航天局（NASA）天体物理学家Donald Kessler于1978年提出，描述了一种情景，即航天器之间的碰撞产生的太空垃圾数量超过了因阻力自然坠入大气层的太空垃圾数量。随着时间推移，这将导致碎片数量呈指数级增长，不仅对其他卫星构成威胁，还限制未来航天器和宇航员的安全发射窗口。当这些碎片坠回地球时，还将危及人类基础设施。
当Kessler提出以他名字命名的效应时，巨型卫星星座只是遥不可及的幻想，而非由上市公司兜售并由政府监管机构认真评估的严肃提案。因此，英国伯明翰大学的太空垃圾科学家、Kessler的昔日合作者Hugh Lewis想看看当今商业卫星提案在这一问题上表现如何。
Lewis汇总了来自美国联邦通信委员会、欧洲航天局（ESA）以及长期从事卫星追踪工作的天文学家Jonathan McDowell提供的关于16个已规划或已部署的卫星星座数据。他将每个卫星星座已知的属性——例如数量、轨道、尺寸和寿命，输入一个简单模型中，该模型用于追踪卫星或由此产生的太空碎片通过大气层中某一点的频率，从而确定这些物体的模拟轨道因大气阻力作用而衰减的速度。他还考虑了两个可能减缓太空碎片产生的因素：计划中的卫星能否有效规避潜在碰撞，以及它们是否被设计为在寿命结束时安全重返地球。
在16个计划的卫星星座（共计近170万颗卫星）中，有6个已达到“失控碎片”的阈值，其中最引人注目的碎片来源当属Starmind，这是SpaceX计划用于轨道数据中心建设的100万颗卫星。另有3个提案达到了不稳定状态，即碎片数量会增加但不会无限增加。
Lewis发现，即便是目标并不远大的卫星星座，也存在问题。欧洲通信卫星公司提出的一项提案仅需使用528颗卫星就会变得不稳定，部分原因在于这些卫星的轨道布局；另一项来自E-Space的提案，每颗仅10公斤的“纳型卫星”便可引发凯斯勒效应，这是基于这样一种假设，即如此小的卫星缺乏避免碰撞所需的推进能力。在Lewis看来，这些提案总体上“未能满足人们所认为的在太空维持或实现可持续性和安全性的要求”。
Lawler表示，实际风险可能比研究显示的还要“不乐观”，因为该研究是将每个卫星星座单独考虑的。这项研究做了一系列对巨型卫星星座运营商最有利的假设，但结果仍然陷入了失控的碰撞状态。 “这真的非常可怕。”她说。
美国政策研究机构“战略与国际研究中心”航空航天安全项目副主任Clayton Swope对这种简化的模型持怀疑态度，他更倾向于采用NASA和欧洲航天局（ESA）所使用的更复杂的模型来解释单个卫星的行为。
加拿大不列颠哥伦比亚大学太空可持续性研究员Aaron Boley指出，这项分析凸显了一个关键问题：目前针对太空活动的规则少之又少，包括在发生碰撞风险时应由谁进行规避操作。虽然任何一家公司都可以制定自己的政策——平均而言，SpaceX的卫星每75秒就会进行一次避撞机动，但Boley表示：“如果我们面临拥有数十万颗卫星的局面，很难想象不会发生一些严重的灾难。”
研究人员表示，仅凭这一理由就应促使卫星公司重新评估其提案，哪怕只是为了避免损失航天器和资金。事实上，Lewis的研究表明，一些微小的调整，例如增加卫星的表面积使其受到更多阻力并在撞击前脱离轨道，或者延长卫星的运行寿命以减少替补发射的次数，就足以让一项提案起死回生。
Lewis承认，对于现实世界中会发生什么，“模型存在不确定性”。“但在某个时刻，我们必须在不确定性中做出决策。”
相关论文信息：https://doi.org/10.48550/arXiv.2607.29644