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马斯克的“星链”卫星为什么会坠毁?

Starlink-32坠毁

当地时间2020年9月11日23:03,几个闪耀的光点出现在巴西圣保罗的城市上空,随着高度的降低,光点越来越亮,最后拖着长长的尾焰消失在视野中。航天专家们判断,这几个亮点是2019年5月24号美国太空探索公司发射的星链-32号卫星残骸,其坠落时间比此前的预计(22:34)晚了半个小时。

坠毁的Starlink-32

一部分媒体说此次事件是“SpaceX星链卫星集体入大气层”,这个表述不准确。Starlink-32就是一颗卫星,只不过在焚烧之前它就已经解体,因此我们看到的是四个亮点。

在Starlink-32坠毁之前,也有多颗星链卫星脱离轨道,并且至今已经有多达31颗星链卫星坠入大气层。这些卫星中的绝大多数都是2019年发射,从这个角度说“集体进入大气层”也对。

燃烧的卫星

马斯克的“雄心”

埃隆·马斯克正在打造一个太空宽带互联通讯网络,这个网络类似于许多年前的“依星计划”,就是用12000颗小型低轨道通信卫星构建起一个网络,以实现与地面之间的宽带通讯。这个计划在2019年10月进一步扩大到42000颗以上的通讯卫星,希望实现全球范围的宽带覆盖。

星链裹地球

马斯克原先打算将他的“星链”发射到距离地面600公里的近地轨道,这里高度更高,卫星覆盖范围更大并且更节省燃料。但人们担心这些卫星失效后迟迟掉不下来,从而变成危险的太空垃圾。作为回应,马斯克将卫星的轨道高度降低到550公里以下,这样当卫星燃料耗尽,它会更容易掉落到地面。

与传统的通信卫星不同,“星链”是一种微小卫星,它的发射重量大约在227~260千克,这种卫星在SpaceX的卫星工厂里批量制造,一天大约可以生产7颗,而一枚猎鹰9火箭一次可以把60颗这样的小卫星播撒到近地轨道上,这可以大大压缩成本。

批量生产批量发射以节省成本

马斯克宣传说这种卫星可以服务于偏远地区的互联网用户,实际上“星链”的第一个大客户是美国国防部,因为这种全球性的宽带网络未来不仅可以服务于地面部队和海面舰队,还能为空军战机和无人机提供高速通讯支持。因此,我们有理由相信未来五角大楼会是“星链”最大的客户。

美军是“星链”的大客户

空气阻力

地球大气层有多厚?你可能会说:“100公里呀!”

确实,在我们大气层约100公里的高空,有一个“卡门线”,一般认为只要过了这条线,再往上就进入太空了。空气动力飞行器只能在卡门线之下飞行,而在卡门线之上机翼完全不起作用,卫星不用翅膀也能飞行。

星链实际上受到空气阻力的影响

但地球的大气层其实并没有一条清晰的边界,即使是在400多公里的高空依然还存在稀薄的空气。在这个高度飞行的国际空间站和其它低轨道卫星每年都要依靠喷气发动机做几次加速运动,通过速度来提升轨道高度,否则受空气阻力的影响它们的速度会越来越慢,最终坠入大气层烧毁。

“星链”卫星的轨道高度降到550公里后,它受到的空气阻力比600公里高度要大,因此卫星需要依靠氪霍尔效应推进器来保持速度,当卫星的燃料耗尽时,卫星会在两年内坠入稠密的大气层并烧毁。

卫星坠毁

“星链”的淘汰

除了专门用于测试的实验卫星外,星链卫星的在轨服役时间大致在5年左右,之后卫星会脱离轨道掉落下来,由新发射上去的新卫星填补空缺。

但2019年发射的V0.9版本卫星并不是实验卫星,这个版本的卫星中有两颗是为了验证坠落安全性而故意坠毁的,其它二十几颗卫星应当位于很低的轨道。在2020年新发射的卫星中也有4颗坠毁,在已公开的资料显示,这4颗卫星的坠落都与美国空军的测试有关。

火箭回收技术降低了卫星发射成本

未来会有更多“星链”卫星更频繁地坠落地面,因为SpaceX的通信卫星中有相当多的部分位于340公里的近地轨道,这里的空气更加稠密,使得小卫星的在轨寿命更短。那些失控的卫星也给其他国家的航天发射造成麻烦,因为“星链”的轨道并不向所有国家公开,并且在卫星燃料耗尽后它就不再受控,从而对各国航天器构成重大威胁。

轨道拥挤,以后发射卫星会越来越难

总之,以后的太空飞行是越来越难了。

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