从避免太空垃圾说起，SpaceX的星链哪些地方值得我们学习
- 航天爱好者网
- 2024-08-16 05:59:31
【从避免太空垃圾说起，SpaceX的星链哪些地方值得我们学习】最近，因为众所周知的原因，太空垃圾和碎片的话题在中外互联网火爆一时。现在的互联网上，只要说星链（Starlink）哪里好，就一帮人要给你扣上“崇美媚外”的帽子。但有一说一，星链作为人类第一个实际进入大规模组网的万星低轨星座，其在太空碎片和垃圾的减缓策略上，虽然不能说十全十美，但的确是已经尽其所能，这些都值得后来者借鉴和参考。
1.首先就是猎鹰9的星链组网发射非常干净，猎鹰9火箭二级发射结束后不只是泄放钝化，而是直接受控离轨再入大气层烧毁，轨道不残留任何物体，而且残骸预定落区一般是无人区。除此之外，猎鹰9火箭一级直接回收，两半整流罩也海上打捞回收。一场发射下来，除了极个别烧不干净的COPV气瓶，既没有太空垃圾风险，也没有落区砸人的风险。猎鹰9二级离轨机动经常被拍到，如图1所示（图源：DigDougDigDig） 。
2.第二就是星链自身的升轨策略设计的比较合理，上万颗卫星组网，而且是堆叠布置，天女散花式分离（如图2），出现分离就坏的卫星难以避免。因此星链分离后不是直接进入工作轨道，而是分离在超低轨（200多公里高度），然后进行在轨测试，卫星状态正常后再利用自带电推升入工作轨道。这就避免了等同于太空垃圾的坏卫星直接分离就占用工作轨道，而未升轨的失效卫星的再入周期甚至短到以天记（Starlink Group 4-7碰上地磁风暴那次，几天就干下来了）。当然星链分离轨道低也有充分利用猎鹰9轨道越低运力越强的设计特点的考量。
3.第三就是星链的工作轨道挑的很低，550km左右，即使卫星入轨工作后突然失效，完全无法控制，其500km级轨道自然衰减再入时间也不大于5年。根据图3，ULA制作的不同高度再入时间表，轨道高度和自然衰减再入用时并不是线性关系，当轨道高度增加一倍到1000km时，自然再入时间突增至几十年。而实际情况更糟糕，受光压、引力摄动等因素影响，甚至有可能轨道不降反升，搞不好根本就下不来。之前OneWeb首期648颗部署星的轨道比较高（1200km），就被业界指责轨道过高，再入不便，之后果然就有部分卫星失效，已经无法控制，也没有离轨动作，自然衰减再入基本没指望，已经成为太空垃圾。当然低轨星座的轨道高度是多种因素决定的，某星座第一阶段弄这么高可能实非所愿。
4.第四就是星链卫星在后期设计制造时，开始考虑避免或减少使用难熔零部件，以使卫星再入大气层过程中能尽量烧光，因为卫星自然衰减再入的落点完全不可控，因此其避免有未烧尽残骸比猎鹰9二级更重要。图4是猎鹰9早期二级未烧尽的COPV，砸到了村子里，主动离轨后几乎都落进海里。
5.第五就是主动及时公开星链星历，提供避碰API。当然有些网友还记得此前星链升轨过程中与我国天宫空间站近距离擦过的事情，实际上这也凸显了当时中美两国缺乏空间沟通的问题，当然阻断中美航天交流的不是我们，这个责任在美方。SpaceX后期已经对其他卫星运营商建立了协调网页（图5），并实时公布的星链轨道星历表，并对特定交会（conjunction，合点）活动，并设置有“星链避碰操纵员”岗位（Starlink collision avoidance operators），24小时全天候响应其他卫星运营商的避碰协调申请。此外，SpaceX还专门提供了协调API（图6），可以将其他卫星运行商的星历针对星链卫星进行筛选，筛查结果可在几分钟内获得，并导入星链的自主防撞系统（当然这个是SpaceX自主宣传的）。
6.第六就是及时甚至提前主动降轨和离轨，在SpaceX在2024年2月发布的空间可持续报告中，在发射的近6000颗星链卫星中，SpaceX已经启动了406颗卫星的受控离轨。另有17颗卫星是不受控的，只能自然衰减再入，但SpaceX对其轨道进行持续跟踪，有助于减少与其他活动卫星的碰撞风险。另外95%由SpaceX主动发起降轨的卫星已经脱离轨道，当时还计划对大约100颗早期版本的星链卫星进行降轨操作（图7），SpaceX称虽然这批星仍可正常工作，但是未来故障风险较高（可能初期星设计不完善），即使承受经济损失也选择主动离轨。我们的低轨星座也会碰到同样的问题，初期批次卫星总会有设计不完善的地方，批次报废或大规模受控离轨都是可以预见的。
7.第七就是星链设置有应急避碰模式，星链会自动机动以避开碰撞（图8）。但在碰撞风险极高，且提前避碰未能如期的情况下，星链卫星可以调转方向，以最小面积交会，降低碰撞风险（图9），也减少碰撞产生太空垃圾的风险。这一功能在之前的Starlink Group 4-7碰上地磁风暴阶段就有使用，但当时是为了减少卫星迎风面，降低所受阻力，以使其能够即使升轨，但可惜当时没管用，电推还是熬不过稀薄大气的阻力。
8.第八就是星链为减少对地基天文观测，星链卫星对地面涂敷了特殊涂料，使得“星链火车”目前只能在分离初期可见，入轨工作后干扰就小多了。此外近期还在针对射电天文望远镜开辟“观测窗口”，也就是在射电天文望远镜附近暂时关机不工作，详见图10。
以上就是SpaceX的星链为减少太空垃圾和碎片做出的设计，这些设计并非一蹴而就，业界和监管的不断施压和互动，才使得SpaceX自身历经多年多批次的迭代和更新才达到目前的水平。说起动辄上万颗卫星的低轨互联网星座，虽然好多国家和公司都有计划，但实际开始部署的也就中美两家，颇有些“今天下英雄，唯使君与操耳”的架势，我们作为后来者，既然前面有这些经验，还是希望咱多吸收多学习。
当然各国低轨卫星公司肯定比我更懂，都知道星链这套好，但很多时候不能说的限制很多，是“并非不愿，实属不能”。
再加上我国的国际舆论环境不好，做好事没人表扬，翻点小车却经常被放大，所以还尽量自己做到最好，不要给人家口实为好。
带着微博看发射
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1.首先就是猎鹰9的星链组网发射非常干净，猎鹰9火箭二级发射结束后不只是泄放钝化，而是直接受控离轨再入大气层烧毁，轨道不残留任何物体，而且残骸预定落区一般是无人区。除此之外，猎鹰9火箭一级直接回收，两半整流罩也海上打捞回收。一场发射下来，除了极个别烧不干净的COPV气瓶，既没有太空垃圾风险，也没有落区砸人的风险。猎鹰9二级离轨机动经常被拍到，如图1所示（图源：DigDougDigDig） 。
2.第二就是星链自身的升轨策略设计的比较合理，上万颗卫星组网，而且是堆叠布置，天女散花式分离（如图2），出现分离就坏的卫星难以避免。因此星链分离后不是直接进入工作轨道，而是分离在超低轨（200多公里高度），然后进行在轨测试，卫星状态正常后再利用自带电推升入工作轨道。这就避免了等同于太空垃圾的坏卫星直接分离就占用工作轨道，而未升轨的失效卫星的再入周期甚至短到以天记（Starlink Group 4-7碰上地磁风暴那次，几天就干下来了）。当然星链分离轨道低也有充分利用猎鹰9轨道越低运力越强的设计特点的考量。
3.第三就是星链的工作轨道挑的很低，550km左右，即使卫星入轨工作后突然失效，完全无法控制，其500km级轨道自然衰减再入时间也不大于5年。根据图3，ULA制作的不同高度再入时间表，轨道高度和自然衰减再入用时并不是线性关系，当轨道高度增加一倍到1000km时，自然再入时间突增至几十年。而实际情况更糟糕，受光压、引力摄动等因素影响，甚至有可能轨道不降反升，搞不好根本就下不来。之前OneWeb首期648颗部署星的轨道比较高（1200km），就被业界指责轨道过高，再入不便，之后果然就有部分卫星失效，已经无法控制，也没有离轨动作，自然衰减再入基本没指望，已经成为太空垃圾。当然低轨星座的轨道高度是多种因素决定的，某星座第一阶段弄这么高可能实非所愿。
4.第四就是星链卫星在后期设计制造时，开始考虑避免或减少使用难熔零部件，以使卫星再入大气层过程中能尽量烧光，因为卫星自然衰减再入的落点完全不可控，因此其避免有未烧尽残骸比猎鹰9二级更重要。图4是猎鹰9早期二级未烧尽的COPV，砸到了村子里，主动离轨后几乎都落进海里。
5.第五就是主动及时公开星链星历，提供避碰API。当然有些网友还记得此前星链升轨过程中与我国天宫空间站近距离擦过的事情，实际上这也凸显了当时中美两国缺乏空间沟通的问题，当然阻断中美航天交流的不是我们，这个责任在美方。SpaceX后期已经对其他卫星运营商建立了协调网页（图5），并实时公布的星链轨道星历表，并对特定交会（conjunction，合点）活动，并设置有“星链避碰操纵员”岗位（Starlink collision avoidance operators），24小时全天候响应其他卫星运营商的避碰协调申请。此外，SpaceX还专门提供了协调API（图6），可以将其他卫星运行商的星历针对星链卫星进行筛选，筛查结果可在几分钟内获得，并导入星链的自主防撞系统（当然这个是SpaceX自主宣传的）。
6.第六就是及时甚至提前主动降轨和离轨，在SpaceX在2024年2月发布的空间可持续报告中，在发射的近6000颗星链卫星中，SpaceX已经启动了406颗卫星的受控离轨。另有17颗卫星是不受控的，只能自然衰减再入，但SpaceX对其轨道进行持续跟踪，有助于减少与其他活动卫星的碰撞风险。另外95%由SpaceX主动发起降轨的卫星已经脱离轨道，当时还计划对大约100颗早期版本的星链卫星进行降轨操作（图7），SpaceX称虽然这批星仍可正常工作，但是未来故障风险较高（可能初期星设计不完善），即使承受经济损失也选择主动离轨。我们的低轨星座也会碰到同样的问题，初期批次卫星总会有设计不完善的地方，批次报废或大规模受控离轨都是可以预见的。
7.第七就是星链设置有应急避碰模式，星链会自动机动以避开碰撞（图8）。但在碰撞风险极高，且提前避碰未能如期的情况下，星链卫星可以调转方向，以最小面积交会，降低碰撞风险（图9），也减少碰撞产生太空垃圾的风险。这一功能在之前的Starlink Group 4-7碰上地磁风暴阶段就有使用，但当时是为了减少卫星迎风面，降低所受阻力，以使其能够即使升轨，但可惜当时没管用，电推还是熬不过稀薄大气的阻力。
8.第八就是星链为减少对地基天文观测，星链卫星对地面涂敷了特殊涂料，使得“星链火车”目前只能在分离初期可见，入轨工作后干扰就小多了。此外近期还在针对射电天文望远镜开辟“观测窗口”，也就是在射电天文望远镜附近暂时关机不工作，详见图10。
以上就是SpaceX的星链为减少太空垃圾和碎片做出的设计，这些设计并非一蹴而就，业界和监管的不断施压和互动，才使得SpaceX自身历经多年多批次的迭代和更新才达到目前的水平。说起动辄上万颗卫星的低轨互联网星座，虽然好多国家和公司都有计划，但实际开始部署的也就中美两家，颇有些“今天下英雄，唯使君与操耳”的架势，我们作为后来者，既然前面有这些经验，还是希望咱多吸收多学习。
当然各国低轨卫星公司肯定比我更懂，都知道星链这套好，但很多时候不能说的限制很多，是“并非不愿，实属不能”。
再加上我国的国际舆论环境不好，做好事没人表扬，翻点小车却经常被放大，所以还尽量自己做到最好，不要给人家口实为好。
带着微博看发射
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