地球轨道上我们能安全地装下多少颗卫星？

旧卫星充斥着地球周围的空间。(Image credit: ESA/ID&Sense/ONiRiXEL)

（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（By Tereza Pultarova）：就在10年前，可能只有一千颗左右的运行卫星在我们的星球上运行，但十年后将会有几万甚至几十万颗。

专家们多年来一直在敲响警钟，地球轨道变得有点太拥挤了。那么，在它变得太多之前，我们实际上可以向太空发射多少颗卫星呢？

乔纳森·麦克道尔是哈佛-史密森天体物理中心的天体物理学家和天文学家，他研究宇宙中的超能量现象，如银河中心的喷射黑洞。然而，最近几年，麦克道尔在一个完全不同的空间研究领域的工作获得了突出的地位。在其名为《乔纳森太空报告》的月度数字通报中，麦克道尔追踪了不断增长的卫星发射数量和地球轨道上不断膨胀的物体数量。

该项目一开始的目标是“提供太空时代的迂腐历史记录”，但在某种程度上，已经成为近地环境破坏的编年史。在频繁的媒体露面中，麦克道尔直言不讳地表达了他对日益拥挤的近地空间的未来的看法。

“这将像一条州际高速公路，在暴风雪的高峰时间，每个人都开得太快了，”当被问及如果SpaceX的Starlink、OneWeb和亚马逊Kuiper等卫星巨型星座的现有计划实现，轨道上的情况将会如何时，他告诉Space.com。"除了有多条州际公路相互交叉而没有红绿灯."

onathan McDowell是哈佛史密森天体物理中心的天文学家和天体物理学家

乔纳森·麦克道尔

哈佛史密森天体物理中心的天文学家和天体物理学家。

乔纳森·麦克道尔是哈佛史密森天体物理中心的天文学家和天体物理学家。他的主要研究重点是黑洞、类星体和遥远星系中的高能X射线辐射源。他是美国国家航空航天局X射线天文台钱德拉团队的成员，但也作为一名领先的空间碎片专家而闻名。McDowell是Jonathan's Space Report的作者和编辑，这是一份通过电子邮件分发的记录卫星发射的时事通讯。

麦克道尔拥有英国剑桥大学的数学学士学位和剑桥大学的天体物理学博士学位。

事实上，事情变得有点过于紧张的最初迹象已经出现。麦克道尔的英国同事休·刘易斯是另一个经常听到的警告声音，他给陷入新的太空淘金热的企业家们信心。作为英国南安普顿大学的航天学教授，刘易斯几年来一直在他的推特页面上定期发布更新，详细介绍所谓的会合事件的增加，这是指太空中两个物体——正常运行的卫星或空间碎片——危险地相互靠近的情况。

他的一些图表发人深省。在1月13日发布在Twitter上的一篇帖子中，刘易斯表示，“2022年预测的连接数量比2020年高出134%，比2021年高出58%，超过400万。”

路易斯告诉Space.com，这并不意味着太空中有400万次物体差点相撞——只是管理太空交通变得比过去复杂得多。

以SpaceX的Starlink为例。根据埃隆·马斯克(Elon Musk)旗下公司去年12月提交给美国联邦通信委员会(FCC)的信息，在2020年12月1日至2022年11月30日的两年时间里，SpaceX的自主防撞系统与其Starlink卫星进行了26，037次轨道规避机动。

这意味着迄今已发射的近4000颗Starlink卫星中的每一颗在此期间平均执行了12次规避动作。

但SpaceX目前的星座规模还不到该公司计划部署的10%。在未来10年内，轨道上的Starlink卫星数量可能会增加到42，000颗。再加上OneWeb想要发射的多达4000颗卫星，亚马逊的3200颗柯伊伯飞船和中国设想的13000颗卫星，事情显然会变得更加激烈。

根据FCC的文件，SpaceX声称其每颗卫星上都有足够的燃料，可以在预期的五年寿命内进行350次防撞机动。但是根据刘易斯的计算，这个数字可能很快就会达到。

"[所需规避动作]的数量正在非线性增加."刘易斯说。“大约到2027年或2028年，Starlink星座可能已经完成了100万次防撞机动。这也可能对应于每颗卫星达到350次防撞机动的最早时间[每五年寿命周期]。我们谈论的是每天可能进行数百次，如果不是数千次演习的话。”

简而言之，从现在起不到五年，Starlink卫星可能会在比其设计寿命更短的时间内耗尽燃料，因为它们将不得不执行大量的规避动作。

然而，刘易斯赞扬了SpaceX对太空安全的态度。仅在五年前，这家公司还没有一颗卫星在太空中，但现在，它已经是世界上最大的卫星运营商，拥有可观的利润。自2019年发射第一颗卫星以来，SpaceX已经形成了一种稳健的态度。该公司表示，每当Starlink卫星遇到十万分之一概率的碰撞情况时，其自主回避系统就会进行机动。这一风险水平比美国宇航局使用的阈值低一个数量级。该公司告诉联邦通信委员会，SpaceX还在每种会合情况下承担责任，并进行机动，除非参与会合的另一颗卫星的运营商愿意自己这样做。

近地空间充斥着大约36，500块大于4英寸(10厘米)的空间碎片，大约100万个大小为0.4至4英寸(1至10厘米)的物体，以及令人震惊的1.3亿个小于0.4英寸(1厘米)的碎片。(Image credit: ESA)

休·刘易斯是英国南安普顿大学的航天学教授，也是原位和远程智能传感卓越中心的联合主任。

休·刘易斯

英国南安普敦大学的航天学教授，原位和远程智能传感卓越中心的联合主任

休·刘易斯是英国南安普顿大学的航天学教授，也是原位和远程智能传感卓越中心的联合主任。他在空间碎片和空间可持续性领域工作了20多年，是《损害空间碎片模型》的作者。Hugh代表联合王国航天局出席机构间空间碎片协调委员会(IADC)的会议，并主持第2工作组(重点是空间碎片建模)。

Hugh还作为空间碎片、空间操作和空间态势感知方面的专家代表联合王国航天局出席了联合国和平利用外层空间委员会(COPUOS)的科学和技术小组委员会会议。

然而，运行中的卫星只是问题的一部分。欧洲航天局估计，近地空间充满了大约36，500块大于4英寸(10厘米)的空间碎片，大约100万个大小为0.4至4英寸(1至10厘米)的物体，以及令人震惊的1.3亿个小于0.4英寸(1厘米)的碎片。

随着较大的物体以巨大的轨道速度相互碰撞，产生碎片云，较小的物质的数量尤其会继续增加。

“有充分的证据表明，轻微碰撞的数量已经在显著增加，”麦克道尔说。“我们看到了不应该产生碎片的物体的碎片。他们可能被小东西击中了，即使他们之后继续工作。”

虽然尺寸超过4英寸的较大碎片被定期跟踪，但较小碎片的轨迹大多是未知的，它们可能引起的碰撞完全没有警告。

然而，碎片专家最担心的是两个大型废弃物体之间的相遇——废弃的卫星或用过的火箭级。1月27日，一枚使用了几十年的俄罗斯火箭末级和一颗废弃已久的俄罗斯卫星发生了如此近距离的接触。由于这两个物体都无法移动，太空交通警卫只能在一旁祈祷，希望这两个物体会错过对方。这一次，他们做到了——仅仅差了20英尺(6米)。这一事件被描述为千钧一发的“最坏情况”，可能会产生数以千计的危险碎片，这些碎片会在轨道上停留几个世纪，威胁到它们所经之处的一切。

越来越多的新卫星和越来越多的轨道垃圾导致了一种危险的局面，在不太遥远的将来，近地空间的一些区域可能会变成危险的禁区。

“像(1月27日事件)这样的事情将开始更频繁地发生，”麦克道尔说。“一次碰撞不会显著改变事情，但一旦我们每年发生一次碰撞，你就会开始有大量卫星损失。它真的会开始影响近地轨道的经济效益。公司将开始损失惨重，因为他们的卫星不断遭到破坏。”

那么，我们能安全地将多少颗卫星送入太空呢？

那么地球轨道还能安全容纳多少颗卫星呢？这个问题的答案并不简单。刘易斯说，某些轨道高度比其他高度更容易受到攻击。例如，Starlink卫星在地球上空342英里(550公里)的轨道上运行。在这个高度的物体通常不会在停止运行后的太长时间内保持杂乱的空间。即使他们的推进器在任务结束时失败，并且没有将飞行器带回地球大气层立即烧毁(正如许多运营商所承诺的)，由于大气阻力，这些卫星的轨道在几年内自然衰减。然而，地球轨道的这种自然净化能力随着高度而下降。

“太空环境就像一个系统，你有流入和流出，”刘易斯说。“我们将东西发射到太空，通常由于大气阻力，流出的气流是我们真正从环境中自然清除东西的唯一机制。但在1000公里(600英里)以上，大气层实际上没有什么作用，因为它太稀疏了。没有水槽。数字只会上升。”

OneWeb的星座位于这个危险的高度范围，较小的Globalstar也是如此。

大多数巨型星座运营商承诺确保他们的飞船在任务结束时有足够的燃料，以便在地球大气层可以处理事情的地方降落。但是技术故障的可能性仍然让专家们担忧。2012年，欧洲航天局，一个直言不讳的可持续太空行动的倡导者，未能将其8.8吨(8公吨)的地球观测卫星Envisat从地球上空480英里(772公里)的轨道上移除。该飞行器将继续绕地球运行几个世纪，现在是最危险的太空碎片之一。

麦克道尔说，人类可能会“艰难地”发现近地空间的自然容量。尽管巨型星座运营商的承诺，天体物理学家怀疑事情在未来几年将保持可控。

麦克道尔说:“五年或十年后，我们将拥有2万到10万颗卫星，我非常怀疑10万颗以上的卫星能否安全运行。”

问题是，接下来会发生什么？被新太空企业家的信心冲昏了头脑的太空工业，是否正在梦游进入它自己版本的气候变化？

“人类对环境问题的通常反应是做得太少、太迟，”麦克道尔说。“我认为，我们将尝试在最后一分钟采取紧急措施，或许能让你在灾难边缘继续冲浪。”

麦克道尔看到了这样一个未来:州际公路最终将会有红绿灯，立交桥将会建成，交通规则将会得到实施和执行。

“我认为，我们会看到一些规定，限制在每个轨道高度可以有多少颗卫星，”他说。“规定不鼓励椭圆轨道，强制每个人都在圆形轨道。我们已经看到越来越多的人支持禁止反卫星武器。

我们可能会开始看到对导致碎片事件的实际处罚——比如，如果你在设计火箭时粗心大意，导致它意外爆炸，你可能会因此被罚款，比如乱扔垃圾。这种变化可能会说服相关制造商更加小心。"

麦克道尔补充说，更严格控制进入太空的先例已经存在。地球静止轨道是地球上空约22，000英里(36，000公里)的热门高度，卫星似乎悬浮在地球上的一个固定点上方，可以稳定地看到地球的大部分，由国际电信联盟根据先到先得的原则分配。然而，在较低的轨道上，许可证是由没有义务相互协调的国家机构颁发的。

“我认为这将会改变，”麦克道尔说。"和往常一样，随着资源变得稀缺，政府将对这些资源的分配行使更多的控制权。"

专家还呼吁太空机构开发技术，清除最危险的轨道碎片。到目前为止，这种服务还没有商业案例，所以人们的兴趣很低。但是态度的转变可能即将到来。去年7月，美国政府公布了其国家轨道碎片实施计划，概述了维护地球轨道秩序的步骤。无论发生什么，现状都不太可能维持太久。