上萬近地衛星將升空 太空垃圾管理引憂

  2017-11-01

美國國防部的太空監控系統目前定位到近 2.2 萬個環地垃圾。這個數字，還不包括數十萬個小於 10 厘米的、也在環繞地球的碎片。（ Getty Images ）

隨著多個近地衛星寬帶項目的獲批，在未來幾年內，將有成千上萬顆新衛星升空。行業專家和政府議員們開始擔心日趨嚴重的太空垃圾管理問題。

繼聯邦通信委員會（ FCC ）今年批准了首個 OneWeb 近地衛星寬帶系統後，該機構也在審議來自 SpaceX 、 Boeing 和其它多個同類項目的申請。日前，美國兩位參議員 Cory Booker 和 Dan Sullivan 已致信 FCC 主席，要求該機構與國家航空航天局（ NASA ）、聯邦航空管理局（ FAA ）合作，成立跨機構工作組，發展一個全面的太空垃圾國家級政策框架。

目前，地球上空共有 4000 多顆衛星，其中只有 1400 多顆在使用中。而 SpaceX 計劃，打算在 2019 至 2024 年間，投放 4425 顆離地面約 1110 至 1325 公里的衛星，另外還有 7500 顆離地更近的「超近地軌道」衛星。 OneWeb 獲批的計劃，將投放 720 顆近地軌道衛星。 Boeing 的計劃將投放 1396 至 2956 顆。三家機構的申請中都囊括了將太空垃圾最少化的舉措。

「級聯」碰撞的潛在顧慮

Booker 和 Sullivan 在給 FCC 的信中，沒有具體提到哪個公司的名字，但闡明產生此顧慮的幾個原因：

「如你們所知，美國國防部的太空監控系統目前定位到近 2.2 萬個環地垃圾——即環繞地球而行、但已不在使用中的人造物體。這個數字，還不包括數十萬個小於 10 厘米的、也在環繞地球的碎片。這些 10 厘米左右的小碎片一旦撞上衛星，會對衛星造成嚴重損壞；那些 1 厘米左右更小的碎片，會破壞太空飛行器的運作。而每一個碰撞會讓下一個碰撞的幾率成指數級增加，這將造成太空垃圾『級聯』碰撞的風險，將對未來的通信系統、國家安全和其它近地太空活動造成嚴重影響。

在上個十年裡發生的兩起較嚴重的衛星碰撞事件，導致目前環地垃圾碎片大幅增加。分析模型預計，哪怕所有的管控措施都到位且得到執行，近地太空垃圾在未來 200 年裡仍會平均增加 30%。多個國內和國際的研究報告稱，環地軌道垃圾可能已經達到了一個臨界點。」

負責審批衛星寬帶運營計劃的 FCC ，都會要求申請系統確保電頻波段不會和其它用戶「撞車」、互相干擾，但近來，他們還增加了對最小化太空垃圾「撞車」措施的要求。

如今的衛星系統都是由一整個大群組近地衛星組成，參議員敦促 FCC ，有責任確保任何獲批的衛星群組不能離其它群組太近，以降低相撞、損壞國內或國際資產，破壞太空環境的可能性。兩位參議員還透露， NASA 已經「就大型群組衛星系統進行一項內部研究了」，要求待研究報告出爐後， FCC 能在未來審批的系統中應用報告提出的建議和最佳做法。

儘管如此，兩位參議員對近地衛星提供高速寬帶，尤其是能很好服務偏遠地區美國居民的潛力感到「非常激動」。

專家：此問題「無經驗可循」

太空垃圾研究員、安全世界基金（ Secure World Foundation ）的項目規劃主任 Brian Weeden 說，對成千上萬個近地衛星造成太空垃圾的顧慮，部份是由於這是一個全新的問題，以前從未投放過這種群組衛星系統。「我們目前可能還沒考慮到所有潛在的挑戰和後果。」

Weeden 稱，兩位參議員提出的建議很在理，「因為這是一個新的問題，他們得確保 FCC 的技術專家和 FAA 、 NASA 的專家們有溝通的渠道。」但這只能是過度手段。從長期來看，美國政府應當更新執照審批系統，定下一個最合適的機構進行交通監管。目前，多家機構都涉足這個領域。

以前，通信衛星都在離地 3.6 萬公里的高空，且靜地軌道環行。在那樣的高度，「這些衛星一般就是永遠地在那裏了。」 Weeden 說。

如今這些離地較近的衛星有一個好處就是，即便不用特意去回收，由於各種自然因素它們終究會自己「掉下來」。「在近地軌道，由於大氣的牽引，隨著時間的流逝，它們會被拉出軌道，返回大氣層內。」

但壞處是，「近地軌道上已經有很多垃圾了。」 Weeden 說，「在這樣已經很擁擠的情況下，你不能再投放成千上萬個衛星在那裏。由於它們所在的高度，如果你讓它們『自生自滅』，大約要兩百年，它們才會掉下來。」

目前國際標準為，衛星棄用後 25 年內應回收。 Weeden 說這個標準是在 2000 年初制定的，在那之後衛星領域已大幅發展，這個年限標準應該縮短了。而且除了這個回收年限，國際上對這個領域沒甚麼其它的規定和監管機制了。

垃圾管理計劃

一個很大的問題是，如果衛星用不到既定年限提前損壞了怎麼辦。 Weeden 說， OneWeb 的計劃是先把衛星投放在 500 公里的「過渡軌道」上測試一陣，如果有問題，較容易回收。

而在 1100 公里的高空，「你沒法掏張信用卡，僱一個人弄輛拖車到天上幫你把損壞的衛星給拉下來。」但是，這個問題最終應該還是有解決辦法的， Weeden 說很多公司已在開發回收問題衛星的策略了。

SpaceX 對 FCC 說，他們計劃「在衛星接近使用壽命（通常使用年限為 5 到 7 年）之時，使其自行脫離軌道，移到一個待棄用軌道上，從那裏，靠大氣引力，大約一年的時間將會自己掉下來。這比國際標準要求的年限短得多。」

這是 SpaceX 對他們的 1100 公里到 1325 公里軌道衛星的計劃。

然而，他們還有「超近地軌道衛星」（ VLEO ），在離地 335~346 公里的軌道上運行。公司稱「在正常運作下，這些衛星不會成為太空垃圾。一旦有甚麼問題，它們很快會在大氣層中解體，不會對那裏的太空環境造成任何威脅。」

OneWeb 對 FCC 說，他們的衛星設計使用年限為至少 5 年。「計劃在棄用後一年時間內得到處置。」還稱他們在這些衛星網絡的設計中避免了與太空站或其它垃圾相撞的問題，稱他們將「主動和定期地檢視『聯合太空運作中心』（ JSpOC ）的信息錄，查看它們的衛星是否和其它物體有交匯點」。

如何確保 OneWeb 的衛星不會撞到其它物體而成為新的垃圾呢？

OneWeb 說：「OneWeb 對衛星與小碎片撞擊後失控、無法啟動既定棄用程序而成為垃圾的可能性已評估過，結果符合 NASA 的技術標準，也就是可能性小於 0.01 。」

Boeing 也有提交計劃，稱其每顆衛星每年平均要進行 3.3 次「躲閃操作」，能夠避免撞上其它物體。

至於那些損壞的、不能操控進行「躲閃操作」的衛星， Boeing 稱只有不到 1%的比例。他們用 NASA 軌道垃圾規劃辦公室的「垃圾評估軟件」（ DAS ）進行了計算，稱這些衛星撞上超過 10 厘米物體的幾率每年只有 0.00258 ， 10 年間不會超過 2.7%。

衛星寬帶前景令人激動

近地軌道衛星提供互聯網服務有著令人激動的前景，其低延遲率能和有線網絡相比，比以前的衛星互聯網更快、更流暢。這對那些有線網絡難以舖設到的地區尤其有益。 SpaceX 宣稱其衛星寬帶延遲率僅 25ms ，而且網速可達千兆比特。

但這離全面商業化運作還有幾年的時間，而且面臨著如何應對太空垃圾的挑戰。