文/杜駿豪
▲剛剛起飛的“獵鷹9 號(hào)”
▲正在著陸中的獵鷹9 號(hào)火箭一級(jí)
2022 年2 月3 日,太空探索技術(shù)公司使用一枚五手獵鷹9 號(hào)運(yùn)載火箭,十分熟練地發(fā)射了49 顆星鏈衛(wèi)星。一切都是那樣絲滑順利、穩(wěn)操勝券:一級(jí)正常分離,二級(jí)順利開機(jī),一級(jí)火箭又輕車熟路地飛回來(lái),穩(wěn)穩(wěn)地軟著陸在“不夠莊重”號(hào)駁船上。隨后整流罩分離、二級(jí)正常關(guān)機(jī),49 顆星鏈衛(wèi)星毫無(wú)懸念地進(jìn)入預(yù)定軌道。但是,美妙的開始之后卻是一個(gè)悲慘的結(jié)局。
▲著陸在駁船上的“獵鷹9 號(hào)”一級(jí)
整個(gè)發(fā)射任務(wù)是那樣平常,甚至有些無(wú)聊——這樣的“星鏈”發(fā)射任務(wù)已經(jīng)在2021 年進(jìn)行了多達(dá)17 次,戰(zhàn)無(wú)不勝,媒體對(duì)類似的發(fā)射任務(wù)早已見怪不怪,連航天愛好者也對(duì)這樣的發(fā)射直播失去了興趣。
然而,就在人們都認(rèn)為一帆風(fēng)順、所向披靡的太空探索技術(shù)公司不會(huì)出現(xiàn)什么疏漏時(shí),2 月8 日該公司一則聲明驚天雷般打破了這一切的平靜——“2 月3 日發(fā)射的同一批次49顆星鏈衛(wèi)星,其中40 顆因受地磁暴影響,已經(jīng)或?qū)⒁诖髿鈱訅嫐?。”媒體競(jìng)相報(bào)道這一消息,航天愛好者也對(duì)此十分關(guān)注,甚至喜聞樂見,飽受天文學(xué)界詬病的“星鏈”再入大氣讓他們直呼“解氣”和“過(guò)癮”。
截至2 月底,已經(jīng)有38 顆星鏈衛(wèi)星在本次事故中離軌再入,其余11 顆搶救成功得以茍活。然而,這背后的原因真的只有“遭受地磁暴”這么簡(jiǎn)單嗎?事實(shí)并非如此。
▲發(fā)射前密密麻麻的星鏈衛(wèi)星排列在整流罩中
▲2019 年5 月24 日發(fā)射的60 顆星鏈衛(wèi)星
地磁暴現(xiàn)象是一種空間天氣現(xiàn)象。當(dāng)太陽(yáng)平靜時(shí),太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)達(dá)成平衡狀態(tài);但是在這批星鏈衛(wèi)星發(fā)射后的第二天,太陽(yáng)就發(fā)生了一次耀斑事件,產(chǎn)生的太陽(yáng)風(fēng)暴打破了地球磁場(chǎng)的平衡,導(dǎo)致近地磁場(chǎng)紊亂。同時(shí)日冕物質(zhì)拋射引起地球高層大氣被加熱,大氣密度升高,發(fā)生了熱層暴現(xiàn)象。星鏈衛(wèi)星所受大氣阻力比預(yù)期升高了50%,因此衰減加快,提前墜毀。
中國(guó)空間站的軌道安全也在網(wǎng)絡(luò)上引起了不小的關(guān)注——空間站受地磁暴影響幾何呢?
我國(guó)空間站位于約400 千米高的軌道上,高度更高,大氣密度比210千米處低約一百倍。根據(jù)我國(guó)空間站大氣密度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),本次地磁暴事故中,中國(guó)空間站所處軌道高度的大氣密度僅升高了約11%,影響不大。我國(guó)空間站擁有常規(guī)燃料推進(jìn)、電推進(jìn)等多種升軌措施,面對(duì)這種等級(jí)的地磁暴可以做到游刃有余。
▲網(wǎng)傳本次星鏈衛(wèi)星再入墜毀圖像
馬斯克設(shè)想的星鏈星座計(jì)劃十分瘋狂,他將會(huì)在一期部署1.2 萬(wàn)顆、每顆重約300 千克的星鏈衛(wèi)星,遠(yuǎn)期還要達(dá)到4.2 萬(wàn)顆。馬斯克聲稱,為了防止衛(wèi)星入軌后失聯(lián)失控,對(duì)其他航天器產(chǎn)生威脅,“星鏈”的入軌軌道高度只有210 千米高。如果衛(wèi)星工作正常,它們將依靠自帶的氪離子推進(jìn)器緩慢爬升至340 千米或更高的工作軌道。如果衛(wèi)星工況異常,那么在210 千米的軌道高度上將會(huì)以比較快的速度衰減,在十幾日內(nèi)再入大氣層燃燒殆盡。因?yàn)樵谌绱说偷能壍郎蠜]有其他航天器存在,所以不會(huì)對(duì)其他航天器構(gòu)成威脅。
▲星鏈計(jì)劃第一期規(guī)劃:1584 顆星鏈衛(wèi)星將被放置在72 個(gè)軌道平面中,每個(gè)軌道平面由22 顆衛(wèi)星組成
據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2022 年3 月初已經(jīng)升空2234 顆星鏈衛(wèi)星中,正常提供服務(wù)的有1991 顆,剩余243 顆均因各種故障再入燒毀,損失率高達(dá)11%。太空探索技術(shù)公司稱,經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的最新版本星鏈衛(wèi)星的故障率將降低到1%以下。
然而正是由于這樣低的初始入軌高度,導(dǎo)致這一批星鏈衛(wèi)星入軌后遭受的空氣阻力過(guò)大,幾天后紛紛再入大氣層。后來(lái),太空探索技術(shù)公司吸取這次事故的經(jīng)驗(yàn),在2022 年2 月21 日發(fā)射的新一批星鏈任務(wù)上加以調(diào)整:將初始入軌高度從210 千米提高到325 千米。當(dāng)然火箭運(yùn)力是有限的,為了抬升初始軌道,運(yùn)載的星鏈衛(wèi)星數(shù)量被迫從49 顆降低到46 顆。
或許有人問:為何這一批工況正常的星鏈衛(wèi)星不點(diǎn)燃自己的推進(jìn)器,飛向更高的軌道呢?事實(shí)上,“星鏈”本身的設(shè)計(jì)缺陷使其沒有機(jī)會(huì)抬升軌道高度。
為了在整流罩內(nèi)一次性塞下如此多的衛(wèi)星,星鏈衛(wèi)星都被設(shè)計(jì)成薄薄的片狀,進(jìn)入太空后猶如一張張紙片飛舞于太空中。星鏈衛(wèi)星本身的確針對(duì)大氣阻力增加留有預(yù)案,它們可以進(jìn)入“安全模式”——收縮成薄片狀,以最窄的面向前飛行,這樣可以使受到的大氣阻力降到最低。
然而,“星鏈”自帶離子推進(jìn)器的推力有限,開啟離子推進(jìn)器需要消耗電力。若是需要推進(jìn)器向后噴射提高軌道高度,星鏈衛(wèi)星必須退出“安全模式”,以將太陽(yáng)能板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)獲取足夠的電力,承受更大的空氣阻力;然而若想減小空氣阻力,必須保持“安全模式”,這樣就無(wú)法開啟推進(jìn)器。魚與熊掌不可兼得,進(jìn)入“安全模式”的星鏈衛(wèi)星無(wú)力回天,太空探索技術(shù)公司只能眼睜睜看著它們?cè)偃氪髿猓装谆ㄥX制造“人造流星雨”。
▲星鏈衛(wèi)星在不同狀態(tài)下的不同構(gòu)型(制圖:杜駿豪)
▲星鏈衛(wèi)星的氪離子推進(jìn)器,箭頭指出了其在衛(wèi)星上的位置
▲對(duì)準(zhǔn)天鵝座Albireo 星曝光2.5 分鐘的圖像,畫面中一道道豎線均是星鏈衛(wèi)星對(duì)本次觀測(cè)造成的干擾
令公眾感到疑惑的是,美國(guó)已經(jīng)建立了相對(duì)完善的空間天氣預(yù)報(bào)及預(yù)警體系,為什么還會(huì)出現(xiàn)這樣的“事故”。
美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)、收集空間天氣信息,并像天氣預(yù)報(bào)一樣對(duì)未來(lái)的空間天氣情況作出預(yù)報(bào),以指導(dǎo)航天發(fā)射任務(wù)的時(shí)間窗口選擇。對(duì)太陽(yáng)黑子和耀斑等太陽(yáng)活動(dòng)的監(jiān)測(cè)是連續(xù)不斷的。在發(fā)射前的1 月29 日到2 月2日期間,NOAA 就已經(jīng)觀測(cè)到太陽(yáng)發(fā)生了M1 等級(jí)的耀斑事件,同時(shí)向地球方向拋射出大量日冕物質(zhì)。對(duì)日冕的監(jiān)測(cè)表明,日冕存在的冕洞還將在發(fā)射的前一天,也就是2 月2 日轉(zhuǎn)到直面地球的位置。NOAA 提前發(fā)布了預(yù)報(bào),可以供航天發(fā)射任務(wù)參考——本次日冕物質(zhì)拋射的高能粒子流速度約為每秒662 千米,在2 月1 日下午至2 月2 日上午到達(dá)地球附近,引起地球磁層、熱層和電離層的變化,可能會(huì)在2月3日引起G1級(jí)地磁暴現(xiàn)象。
在這種情況下,在其時(shí)間影響范圍內(nèi)的航天發(fā)射任務(wù)都應(yīng)審慎看待,重新審查發(fā)射可行性。一般來(lái)說(shuō),這一次耀斑事件是較低等級(jí)的,對(duì)常規(guī)的衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)不會(huì)產(chǎn)生較大影響,因?yàn)橐话愕暮教烊蝿?wù)初始入軌高度較高。然而太空探索技術(shù)公司卻無(wú)視了這一條信息,選擇莽撞地直接發(fā)射,加之星鏈衛(wèi)星的入軌高度較低,最終釀成了這一場(chǎng)事故。
▲NOAA 針對(duì)本次地磁暴現(xiàn)象做出的預(yù)報(bào)
▲馬斯克在遠(yuǎn)期計(jì)劃使用星艦超重型火箭,以一箭400 星的極高效率進(jìn)行星鏈組網(wǎng)發(fā)射
星鏈計(jì)劃自誕生之初便飽受詬病。首先,星鏈衛(wèi)星影響了天文觀測(cè)。2019 年5 月首批60 枚星鏈衛(wèi)星上天后,就遭到了天文學(xué)界的強(qiáng)烈抗議。即使馬斯克后來(lái)承諾將星鏈衛(wèi)星“涂黑”甚至加遮光罩以盡量降低其亮度,但陽(yáng)光在衛(wèi)星表面的漫反射卻是不能完全消除的。
其次,大量星鏈衛(wèi)星對(duì)近地空間的軌道安全構(gòu)成了威脅。星鏈衛(wèi)星每周都會(huì)發(fā)生1600 次接近事件,幾乎是總事件數(shù)的一半。2021 年12 月,中國(guó)常駐聯(lián)合國(guó)代表團(tuán)向聯(lián)合國(guó)秘書長(zhǎng)提交照會(huì)表示,美國(guó)的星鏈衛(wèi)星兩次危險(xiǎn)接近中國(guó)空間站引發(fā)中國(guó)空間站緊急規(guī)避。事發(fā)之后中方多次用郵件聯(lián)系美方有關(guān)部門,但是都沒有得到回復(fù)。
最后,是星鏈衛(wèi)星對(duì)于近地軌道空間及地球造成了污染。大量星鏈衛(wèi)星擠占珍貴的近地軌道資源,被人們直稱作“太空垃圾”?!靶擎湣痹谕艘酆筮€會(huì)落入大氣層燒毀,數(shù)量巨大的“星鏈”對(duì)大氣層造成的污染不可忽略。
是什么造成了太空探索技術(shù)公司此次竹籃打水一場(chǎng)空的失?。康卮疟┑拇_是直接誘因,但深究其背后,是由過(guò)低的軌道設(shè)計(jì)、不科學(xué)的升軌策略與莽撞的發(fā)射行動(dòng)等人為因素共同造成的。在馬斯克瘋狂發(fā)射成千上萬(wàn)顆“星鏈”衛(wèi)星的同時(shí),這次事故也應(yīng)該讓他和他的團(tuán)隊(duì)反思一下“星鏈”計(jì)劃的必要性、正當(dāng)性與科學(xué)性了。