本週三，SpaceX 將發射其首批星鏈衛星——一個由數千顆航天器組成的“巨型星座”，旨在為全球任何地點的數十億人提供高速網際網路接入。星鏈只是眾多此類專案中的第一個；其他公司至少還有八個巨型星座正在籌備中。儘管它們有望徹底改變全球電信，但這些努力並非沒有危險：隨著衛星數量不可避免地增長，產生危險碎片並可能威脅地球軌道持續安全使用的風險也隨之增加。“這是我們需要關注的事情，”總部位於加利福尼亞州埃爾塞貢多的航空航天公司高階工程專家格倫·彼得森說。“我們必須積極主動。”
如今，地球軌道非常繁忙。幾乎有2,000 顆在軌衛星圍繞我們的星球呼嘯而過，同時還有近 3,000 顆報廢衛星和 34,000 塊大於 10 釐米的“太空垃圾”。每當碎片或報廢航天器過於靠近在軌衛星時——通常當碰撞風險上升到幾千分之一時——衛星運營商必須執行避碰機動。例如，當碰撞機率大於萬分之一時，國際空間站就會移動。
這些近距離接觸每年已經發生數千次，但像星鏈這樣的巨型星座的巨大規模將改變遊戲規則，如果所有這些星座都發射，預計每年將發生 67,000 次避碰機動。隨著地球軌道被衛星塞滿，風險也在增加。最壞的情況是凱斯勒綜合徵，這是一種正反饋迴圈，其中產生碎片的碰撞會產生更多碰撞，進而產生更多碎片，從而使部分地球軌道基本上無法使用。
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包括 SpaceX、亞馬遜、Telesat 和 LeoSat 在內的九家公司已獲得美國聯邦通訊委員會的許可，可以發射此類星座。僅 SpaceX 就計劃在 2020 年代中期之前發射近 12,000 顆衛星，這些衛星將在距地面約 500 公里的低地球軌道 (LEO) 或約 1,200 公里的較高高度的非地球靜止軌道 (NGSO) 執行。它是這九家公司中第一家發射其星座的任何功能齊全衛星的公司。下一個領跑者 OneWeb 計劃在 NGSO 中建立一個 650 顆衛星的強大星座。其六顆測試衛星已於今年二月發射，首次正式發射約 36 顆衛星的計劃定於今年晚些時候進行。隨後將每月發射 30 至 36 顆衛星，服務將於 2021 年上線。其他每家公司都有類似計劃，逐步發射數百甚至數千顆自己的衛星。
風險與回報
巨型星座的好處是多方面的。用高頻寬、低延遲、始終線上的網際網路接入覆蓋整個地球意味著海上船舶、高空飛行的飛機和偏遠、欠發達地區（甚至南極洲！）的人們將突然以前所未有的方式連線起來。“並非每個人都能[目前]獲得連線，”OneWeb 的太空任務設計師邁克·林賽說。“世界上有一半人口缺乏負擔得起的寬頻網際網路接入點。”
然而，關於如何在軌道上安全執行如此多衛星的問題仍然存在。如果衛星發生故障，它們很容易加劇日益嚴重的太空垃圾問題。在 500 公里的高度，故障衛星不會成為大問題：在幾年內，大氣阻力將自然地將它們拉回地球，並在重返大氣層時燒燬。事實上，為了對抗太空垃圾，SpaceX 最近修改了其 FCC 許可證，將其 1,500 多顆衛星的計劃高度降低了一半。但在 1,200 公里的高度，衛星將在空中停留更長時間，困境變得顯而易見：“在這些高度上將持續數千年，”英國南安普頓大學工程和物理科學教授休·劉易斯說，他開發了一個名為 DAMAGE 的模型來跟蹤和監測太空碎片。
目前沒有關於衛星可以在軌道上安全停留多長時間的約束性規則。聯合國建議衛星在任務結束後不超過 25 年內脫軌，但這些準則缺乏對不遵守規定的嚴格處罰。“它們是自願準則，”安全世界基金會專案規劃主任布萊恩·韋登說。衛星在軌道上停留的時間越長，與另一顆衛星碰撞的機率就越大。而此類碰撞並非史無前例——2009 年，美國銥星 33 號衛星撞上了報廢的俄羅斯宇宙 2251號衛星，產生了數千塊新的碎片。
一些公司正在積極主動地解決這個問題。例如，OneWeb 將在其每顆衛星上安裝一個把手，為未來的軌道清掃器提供一種簡單的方法，將它們拖回地球進行處理。尚無公司證明過這種技術，但日本的 Astroscale 等實體正在取得進展。“預計只有極少數衛星會發生故障，導致衛星運營商無法使其脫軌，”Astroscale 的業務分析師哈麗雅特·佈雷特爾說。但“Astroscale 和其他新興公司正在尋求提供備份服務，該服務將移除此類故障衛星並維持可持續的太空環境。”
然而，其他獲得 FCC 許可的公司計劃僅使用其每顆衛星的自帶推進系統來確保安全脫軌。原則上，這樣做似乎不錯，但實際上，衛星故障率並非微不足道。即使巨型星座的可靠性達到 99%，仍然會有數百顆報廢衛星在軌道上漂浮。隨著這些數字的累積，災難的可能性只會增加。
“真正的問題是，我們在將[衛星]移出軌道方面沒有很好的記錄，”歐洲航天局的太空碎片分析師斯蒂因·萊門斯說。“長期環境模擬表明，我們需要將發射到軌道的所有物體中約 90% 的軌道壽命縮短。但在現實中，我們看到這種情況成功發生的比例約為 5% 到 15%。因此，我們遠遠落後於目標。”
嘈雜的天空
另一個問題是衛星本身的無線電通訊。每個衛星星座都將被分配一段電磁頻譜用於通訊，但在如此多的噪聲中挑選出一顆衛星可能很棘手。隨著數千顆衛星即將進入軌道，實際上與那些飛過頭頂的衛星中的一顆進行通訊可能會很困難。“無線電頻率干擾是一個大問題，但被潛在的碰撞風險所掩蓋，”韋登說。
這些巨型星座也可能給天文學帶來問題。已經，使用光學望遠鏡的天文學家不得不應對衛星偶爾穿過他們視野的情況。芝加哥阿德勒天文館的行星科學家馬克·哈默格倫說，隨著巨型星座的出現，這種干擾可能會增加數倍。對於射電天文學家來說，情況可能會變得更加棘手。“任何時候衛星穿過射電望遠鏡的觀測波束，其傳輸都可能被接收並解釋為天體訊號，”哈默格倫說。
週三的星鏈發射將被正確地譽為將網際網路帶給大眾的一種手段，但將軌道上在軌衛星數量增加一倍以上的更大計劃不可避免地會帶來巨大的複雜性，而且似乎幾乎沒有迴旋餘地。即使每次巨型星座運營商的發射和運營都順利展開，但其中一家運營商遇到財務困難也可能使太空垃圾的風險突然飆升。“最壞的情況是：你發射了所有衛星，你破產了，它們都留在那裡，”萊門斯說。“那麼你就有數千顆沒有計劃移出軌道的衛星。你就會患上凱斯勒綜合徵。”