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人造卫星

2月前
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6月前
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探索太空是未来一大趋势,随着越来越多国家的太空机构、太空企业发射火箭和卫星,地球轨道将布满各种人造“残骸”,日子渐久有可能形成一个太空垃圾地带,形成“凯斯勒现象”。在未来,这些太空垃圾会不会对火箭的发射过程构成威胁?人们需要担心头顶上的太空垃圾吗? 报道:本刊 林德成 今年5月份,国际太空站的机械手臂“Canadarm2”遭遇太空碎片“袭击”,导致出现一个直径5毫米的洞口,所幸没有太大影响,一切能正常运行。不过,鲜少人知道,国际太空站从1999年升空以来,曾经调整轨道多达30次,以便避开太空垃圾的威胁。 国际太空站并不是与我们相隔十万八千里,恰恰是在地球表面的420公里高空,以每秒7.66公里的速度运行。太空垃圾的时速是2万8000公里,意即每秒可达到7.7公里,比子弹速度还要快10倍。倘若一不小心与多件太空垃圾相撞,恐怕会酿成严重危害。 [vip_content_start] 其实,太空垃圾数量比我们想像的还要多。根据美国航空航天局在5月份所发布的文告,目前追踪到有大约2万7000件太空碎片绕着地球轨道运行,大部分体积是10厘米(cm)或以上;超过1厘米的太空垃圾有50万件,而大约1毫米(mm)的碎片就超过1亿。至于那些无法追踪和计算的微小碎片更是恒河沙数,围绕在地球周围。 或许你会问,为何有这么多太空垃圾?太空垃圾是指废弃的航天器残骸,包括探测器、卫星、火箭零件碎片。航天器又可分为“载人”与“不载人”,前者就如国际太空站、SpaceX的载人龙飞船(SpaceX Dragon);后者是人造卫星、探测器等。毕业自航天飞行器设计与工程系的刘泽威说,以现在的技术而言,太空垃圾是一个无可避免的副产品。 “人类探索太空的历史还很短,(当年)只要能够登陆月球已经值得庆祝,谁又会想到回收太空垃圾?”如今为了确保火箭顺利和安全发射,许多国家开始提倡太空安全的概念,陆续构思方案去解决这些太空垃圾。 卫星像是放风筝 卫星就像风筝,那根线是地面控制站遥控卫星的通讯方式。通讯一旦中断,风筝就放飞自我,漂游在轨道上。“你想像每一个轨道有一个停车位(位置),你需要去申请准证才能发射卫星到那个停车位。”倘若偏离原定的轨道位置,地面控制站又无法遥控,那么它会变成失控卫星。 当一颗卫星报废以后,会成为轨道上的永久居民,持续数十年在轨道上运行,有机会威胁到其他航天器。按照正常程序,当卫星寿终正寝,地面控制站可以为它减速,让它掉入大气层燃烧殆尽,又或者进行变轨,令它永远进入“太空墓地轨道”(graveyard orbit)。刘泽威坦言,凡事没有完美,一切都要讲求概率,谁也无法百分百保证通讯系统操作正常、卫星的推进系统完好无缺。 当然不能一直保持负面想法,NASA在1977年派出的“旅行者1号”探测器已经“活”到44岁,是人类最伟大的航天器之一,至今依然正常运作,继续迈向无垠的宇宙,探索太阳系和外太阳系太空。 【太空垃圾4问】 Q1:太空垃圾有哪些? 一个航天器会变成太空垃圾不外乎3个主要原因:自然“死亡”、发生故障和设计不良。所谓百密必有一疏,即使周密计算也有可能出现细微失误。假设人造卫星送入轨道后,发现计算不精准,没有办法抵达正确的位置。那么它必须动用储备的燃料,“驶入”轨道之中,无形中就浪费了部分燃料,会面对提前退役的命运。 另一种人造“残骸”是火箭发射后所遗留的垃圾,比如保护卫星的整流罩、第一级火箭、助推器等。那么到底什么是第一级火箭? 一支火箭是由几支火箭组合起来,如果火箭要挣脱地心引力飞向太空,需要进行“接力赛”。底部是第一级火箭,当它达到特定速度,耗尽燃料以后会自动脱落。接着,轮到第二级火箭全力加速,以此类推直至冲到外太空。以科学理论来说,这种方式可以超越“第一宇宙速度”,以每秒7.9公里的速度,摆脱地心引力束缚。 那么单靠第一级火箭可以将卫星送上轨道吗?答案是不行,因为它最快的速度只有每秒6公里,不能突破“第一宇宙速度”。 第二级火箭无法回收 “火箭最少会有两级,如果发射低轨卫星,两级就够了。如果要奔到月球,可能需要三级以上的火箭。同时,每一级火箭有自己的燃料箱,可以提供特定的飞行速度和航程。” 以往发射火箭是用完即弃,无法回收。不过,随着科技更迭演进,特斯拉灵魂人物马斯克的SpaceX公司就有能力回收第一级火箭,留待下一次使用。至今,SpaceX已经成功回收9次“Falcon 9”的第一级火箭。但是,第二级火箭就得看造化,分离之后可能会被大气层烧毁,又或者变成太空垃圾。 “如果要回收第二级火箭,需要装备更多燃料,还得具备制导能力,让控制站操控它安全飞回来。据我所知,目前没有一间公司能够做到。” Q2:低轨商机越大,危机越高? “如今因为商业价值因素,可以预想低轨道的太空垃圾会比其他轨道来得多。”严格来说,卫星是难持续在既定的轨道上面。刘泽威以低轨卫星为例,除了受到空气阻力影响,还要顾虑摄动的因素,那就是会被其他天体的引力所影响,从而偏离轨道。因此,地面控制站需要观察人造卫星的移动轨迹,不时让卫星变轨一次。“所以为什么卫星需要燃料,如果燃料耗尽,这颗卫星会受到扰动,慢慢远离轨道,任由太空中各种引力去指引这颗失效卫星运行。” 不过,无需太担心低轨卫星会相撞。倘若一家公司要组织低轨卫星的星网,这些卫星体积较小,两颗卫星之间的距离可以相差几万公里。他说,轨道不是高速公路,它是一个广阔无垠的空间。因此,低轨卫星相撞是一件低概率的事,但这些卫星是有可能撞到废弃卫星,“虽然是一件低概率(相撞)的事,万一发生意外会造成很大祸害。如果不小心撞到国际太空站,驻守的太空人很可能命丧太空。” 换一个角度思考,由于太空轨道是有限的资源,许多大国也想在太空部署军事力量,开发专属的导航卫星,以便能应用在军事行动。无论是军队通讯、导弹系统、战斗机、航空母舰都需要卫星服务。倘若发生军事冲突,双方恐怕会率先摧毁敌方的卫星。 Q3:该不该担心太空垃圾? 刘泽威说,大部分的第一级、第二级火箭会经过大气层烧毁,或以受控方式掉入海里。反观第三或第四级火箭已经是朝向月球的方向,便会留在太阳轨道,或地球跟月球之间的轨道。 不过,他认为,平民百姓不需要过度担心太空垃圾,因为还不会威胁到人类的生命。除非太空垃圾数量太多,已经形成太空蔽障,令到火箭无法顺利发射。 “对我来说是概率的问题,比如说我现在发射火箭,被撞到的概率是多少?如果概率很高,那么我就担心了。比方说一个数十亿的发射项目,我的火箭有5%的概率会被太空垃圾撞到,那我肯定不敢发射。实际上,这个是很难片面回答的问题,需要有一个机构去定义什么程度被归类为危险,超过多少颗卫星才被定义为拥挤。” Q4:谁已经着手处理太空垃圾? 这几年多家公司开始测试和发射特殊卫星,希望可以尽早清除太空轨道的垃圾。英国太空署(UKSA)2021年拨出70万英镑,与瑞士新创公司ClearSpace、日本清除轨道碎片公司Astroscale签署合约,要求他们提出解决方案,以便能在2025年之前清除两颗失效的卫星。 欧洲太空总署(ESA)则将在2025年发起清理太空垃圾任务,ClearSpace会制造一款拥有4个手臂的“ClearSpace-1”特殊卫星,去捕捉约100公斤重的太空垃圾,然后拖到大气层烧毁。据ESA文告指出,在正式执行任务以前,“ClearSpace-1”会先发射到距离地球500公里远的轨道进行测试。 【重点资讯】 凯斯勒现象 1978年,美国航空航天局(NASA)科学家唐纳德.凯斯勒(Donald J. Kessler)曾发表一篇关于太空碎片的论文,题为“Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt”(《人造卫星的碰撞频率:碎片带的诞生》)。他认为,随着人造卫星数量越来越多,彼此相撞的几率也会越来越高。当卫星相撞,会造成很多太空碎片,形成一种恶性循环,慢慢变成一个太空碎片地带,进而有可能让人类无法继续发射火箭探索太空。 卫星坟场与轨道 据NASA资料显示,在太平洋有一个特定区域被称为“卫星坟场”。卫星运营商可以将这个地点设置为退役航天器的最终目的地。当大型的航天器经过大气层时,未必会全数烧毁,剩下的残留物便会坠海。针对退役的卫星,有两种做法,第一是降速,让它进入大气层;第二是将它推送到“太空坟场轨道”。这个轨道比地球静止轨道(GEO)高出数百公里,因此不会危害到正在运行的卫星。 【上篇】人造卫星01:满天星斗 卫星网络无处不在
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1957年10月4日,苏联发射了第一颗人造卫星“斯普特尼克号”(Sputnik),掀开外太空的神秘纱帘,更激发各国积极探索深不可测的宇宙。如今,我们头顶上有数以千计的人造卫星随着轨道运行,满足人类对通信、娱乐、导航、气象监测等需求。这几年,低轨道卫星迅速成为发展焦点,很多太空科技企业竭力抢占有限的太空轨道,发射大量低轨道卫星组成星链,以打造一个万物联网的时代。我国也赶着乘搭这趟太空经济列车,并计划在2023年发射低轨道卫星,奋力追逐大马太空梦。 报道:本刊 林德成照片:取自亚太航天集团网站 “很多人不知道天上有许多小型人造卫星在运行,重量从最小的两公斤,到二十多公斤。”亚太航天集团(Angkasa-X)执行主席拿督谢溢高博士说,人造卫星主要分成3大类: (一)地球静止轨道卫星(GEO),距离地球3万6000公里。 (二)中地球轨道卫星(MEO),距离地球2000公里以上。 (三)低轨道卫星(LEO),距离地球约500公里至2000公里。 轨道上的每一颗卫星扮演着特定角色和功能,比方说GEO卫星是供通讯和广播用途,大家所熟悉的收费电视台Astro便是采用MEASAT通讯卫星,可以随心所欲地观看国际体育赛事直播、追看英超联赛。MEO卫星大多数是导航卫星,比如人们所熟悉的全球卫星定位系统(GPS)、北斗卫星导航系统、伽利略定位系统等等。MEO卫星是全天候为全球航空运输、远洋航海、交通系统提供定位导航。 [vip_content_start] 说到低轨道卫星(以下简称低轨卫星),马斯克所创办的太空探索技术公司(SpaceX)可谓带动了整个太空经济发展和规模。以往是政府主导航天发射项目,如今私营企业慢慢参与其中,形成了“太空竞赛”,纷纷入驻地球轨道,创建属于自己的太空影响力。 科技让低轨卫星减重 我国在1996年发射MEASAT-1和MEASAT-2之后,陆续几年将TiungSAT-1(2000年)、MEASAT-3(2006年)和RazakSat(2009年)送上天空。相比其他卫星,RazakSat是一颗低轨卫星,肩负着观测地球变化的任务,并拍摄高分辨率图像传回地面。这些图像可以应用在农业、灾害管理、森林覆盖率、城市规划、道路规划等等。谢溢高说,这是大马较为需要的卫星用途,然而该卫星后来失联,即“lost in space”(迷失太空)。 他补充,当年乘搭SpaceX“Falcon 1”火箭升空的“RazakSAT”一点也不轻,重量大约150公斤。如今科技日新月异,一颗低轨卫星已经可以缩减至12公斤。“制造卫星成本也跟着大幅降低,以前可能需要1亿,现在100万美元就能做到了。” 过往探索太空是一门高风险产业,卫星造价过于昂贵,许多公司不愿冒险,担心投入的资本会化为乌有。当成本降低以后,市场有很多新创科技公司崛起,投入研发和制造卫星的产业。对此,美国摩根士丹利曾预计,直至2040年,全球太空产业的经济规模,将从3500亿美元增长到1兆美元。 低轨卫星是大势所趋 人造卫星不受任何地理条件限制,覆盖面积亦很广,再配合地面的网络通讯站,便能打造全方位的网络服务。谢溢高强调,卫星网络是大势所趋,尤其低轨卫星拥有低成本、低延时、低功耗、覆盖广的特性,可以让偏僻郊区的人们有机会连接网络,消除数码鸿沟。 有数据显示,东盟国家总人口超过6.68亿,有3亿多的人是无法上网。“因为网络没有覆盖到海岛、山区的居民。东盟国家有很多海岛和森林,当地居民无法使用4G或5G网络。既然不能上网,也就无法改变生活素质和命运。” 他说,亚太航天集团计划未来打造一个500颗卫星的星链,并会在赤道附近运行。若无意外,最快会在2022年杪,到法国发射第一颗自产的低轨卫星。他希望成立一个A-SEANLINK LEO卫星链,提供“卫星即服务”(SAAS),为东盟郊区提供互联网和宽带服务。 “5G+卫星”模式可以互补 卫星网络服务会比5G网络快吗?虽然低轨卫星距离地面很近,但依然有30至40毫秒的网络延迟时间。相反地,5G网络的延迟时间是在5毫秒以内。他说,5G网络赋予人们一个美好的情景,例如:5G网速可以让医生在地球的另一端,通过网络操作机器人,替病人开刀。倘若回到现实,病人内心还是希望这位医生可以亲手操刀,毕竟性命攸关。 由于地理因素限制,不是每一个地方都能建立通讯站。因此,光纤网络和卫星网络可以互补不足,商业公司可以架设一个简便的卫星接收站,变成“网络热点”(hotspot),让住在偏僻森林郊区的居民也能连接网络。 当低轨卫星越来越多,无形中加速智能城市和工业的发展。以自动驾驶车子为例,不是每个地区都会铺设5G网络基站,如果单纯依靠5G网络,一定会遇到“网络盲区”。因此,卫星网络就能派上用场,才能推进自动驾驶发展。 低轨会变得更拥挤? “如果天空有几百颗低轨卫星就能组成星链,提供卫星服务。”虽然亚太航天集团在未来会发射500颗低轨卫星,但未必能确保无人驾驶顺畅同行。“500颗只是简单预算,如果想要一个国家顺利推行无人驾驶,这个数目恐怕要大幅增加。”对他而言,A-SEANLINK的目标不是为了智能交通或物流,而是关注贫困群体的权益,希望他们可以上网,与世界接轨,提高自己的知识和经济收入。 目前有几家知名卫星营运商正在抢占轨道,分别为SpaceX、OneWeb、亚马逊(Kuiper)和Telesat。SpaceX可说是低轨卫星的“龙头”,拥有最多活跃低轨卫星。马斯克说过,SpaceX未来将会发射4万2000颗低轨卫星,组成一个庞大的“星链”(Starlink)卫星网络。至于其他竞争对手,亚马逊的Kuiper项目计划发射3200颗低轨卫星,OneWeb则打算在2022年结束之前发射648颗低轨卫星。夸张地说,未来地球每个角落都能上网。 倘若全球各国相继发射低轨卫星,会不会造成太空轨道过于拥挤?谢溢高轻而易举地解答了这个疑惑,他举例,人类拥有漫长的海运历史,可否曾听说海上有太多船舶而导致海上交通拥挤?海洋是无边无垠,无论船舶体积再大,都能容纳这些海上交通。 “太空比地球大几千或几万倍,要把太空变得拥挤是不太可能的。”大多数人当下没意识到太空真的很大。除非人类持续发射卫星长达100年,那么有可能导致太空轨道出现拥挤的情况。至于电影常会出现骇客入侵卫星系统的情节,然后操控卫星拍摄目标人物的一举一动,这一切有可能吗?“这是好莱坞(电影)的效果,我们还没有具备这种技术可以即时zoom(变焦)到你在路上走。卫星所拍摄的画面,已经是1小时之前的事。” 各国争夺轨道使用权 近年不只美国卫星企业在发射低轨卫星,韩国、中国也相继开拓低轨卫星商机。他说,地球轨道是一个有限的资源,因此联合国旗下的国际电信联盟(ITU)机构会负责分配和管理无线电频谱、卫星轨道。同时还会制定技术标准,以确保全球网络和技术可以无缝连接。 现在每个国家正在争夺轨道使用权,由于每一颗卫星有特定距离,不能太靠近。倘若被其他公司抢先申请轨道位置,届时要再发射其他卫星,就有可能发生相撞事件。目前,他们选择在赤道上发射卫星,可以用较低的成本将卫星送进轨道。“马来西亚是第一个申请赤道低轨卫星的使用权。” 目前,美国和中国正在互相角力,抢占太空经济市场,“未来10年要发射的7万颗卫星发射准证,这两个国家包办了90%。”这也证明一个国家若不发射卫星,其他国家会抢占先机和轨道的使用权。 不过,他说,最大的问题不是制造卫星,反而是发射过程,因为需要动用火箭。“哪里有这么多火箭送卫星上太空?马斯克就具备这两大优势,拥有火箭和卫星,如果我要发射卫星必须租用火箭。” 希望未来打造“太空城” 虽然科技强国可以帮忙制造和发射卫星,但谢溢高坚持由本地公司设计和制造低轨卫星,如此一来才能提升国家的太空科技能力,减少依赖其他国家。 “我们想要自己创造和研发卫星才成立Angkasa-X。”谢溢高希望未来可以拥有一个“太空城”(Angkasa City),以创造一个生产链和生态圈,能够一手包办研究、组装、制造、应用开发等等。“当你的梦想大过能力,那么是在发梦。因此你能力必须大过梦想,才有能力实现。” 【下篇】 人造卫星02:大量“造星”有隠忧 太空垃圾威胁地球?
3年前
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