巨型卫星星座产生的碎片可能危及自身运行
在接受评估的16项巨型卫星星座提案中，有9项可能产生不稳定或失控的空间碎片。
本报讯 目前，约有1.6万颗卫星在太空中穿梭。令天文学家和夜空爱好者担忧的是，随着运营商大规模发射互联网和通信卫星，这一数字在未来10年可能会增加10倍。如果美国太空探索技术公司（SpaceX）首席执行官埃隆·马斯克的愿望得以实现，这一数字可能会突破100万。
然而，近日公布于预印本服务器arXiv的一项研究表明，这些计划面临着一个物理限制，其根源并非卫星数量，而是它们碰撞产生的太空碎片。该研究发现，这些被称为“星座”的卫星群将达到一个名为“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。而这些预测仅基于对单个星座的评估，并未将现有卫星或计划中的数十万颗其他卫星考虑在内。
凯斯勒效应由美国国家航空航天局（NASA）的天体物理学家Donald Kessler于1978年提出，描述了航天器碰撞产生的空间碎片的数量超过了因大气阻力自然坠落的碎片数量。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，还限制了航天器和载人飞船的安全发射窗口。当这些碎片落回地球时，还将危及人类基础设施。
凯斯勒效应提出时，巨型星座还是遥不可及的幻想。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想看看当今的商业卫星提案能否跨越这一临界点。
Lewis汇总了美国联邦通信委员会、欧洲空间局（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个计划中或已部署的卫星星座数据。他将每个星座卫星已知的属性，如数量、轨道、尺寸和寿命输入一个简单模型中。后者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在大气阻力下的衰减速度。他还考虑了可能减缓太空碎片产生的两个因素：计划中的卫星能否有效避开潜在碰撞，以及是否能在寿命结束时安全返回地球。
在计划中的16个星座（共计近170万颗卫星）中，有6个超过了“失控碎片”的阈值，其中最引人注目的当数Starmind。这是SpaceX计划发射的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，即碎片数量会增多但不会无限增加。
Lewis发现，即便是小规模的星座也存在问题。欧洲通信卫星公司的一项提案仅需使用528颗卫星，但由于卫星的轨道布局存在问题，导致出现了不稳定迹象；另一项美国E-Space公司的提案则因每颗仅10公斤重的“纳型卫星”缺乏必要的推进力，可能引发凯斯勒效应。在Lewis看来，这些提案总体上“未能满足实现太空发展可持续性和安全性的要求”。
加拿大里贾纳大学的天文学家Samantha Lawler表示，实际情况可能比研究显示的更为“严峻”，因为该研究是将每个星座独立进行分析的。它做了一系列对巨型卫星星座运营商最有利的假设，但结果仍陷入了失控的碰撞状态。
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ESA使用的更复杂的模型解释单个卫星的行为。
Lewis承认，对于现实世界会发生什么，“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。”（文乐乐）
相关论文信息：
https://doi.org/10.48550/arXiv.2607.29644