闯入夜空的“星链”
2019年，太空探索技术公司一箭60星将首批大型卫星链送入太空。在接下来的几天里，天文爱好者发现这些卫星像火车一样从世界上空经过，甚至闯入了天文望远镜的视野，导致照片完全被卫星轨迹覆盖。
地球上空卫星链运行艺术示意图。资料来源:太空探索技术公司
国际天文学联合会和美国国家射电天文台都对此表示担忧。截至2020年6月8日，太空探索技术公司已将120颗类似卫星送入轨道，未来还会有更多卫星链。
谁要来？
事实上，每个人都非常熟悉太空探索技术公司。这家私营公司几乎凭借一己之力撼动了全球航天市场，凭借高性价比的猎鹰火箭拿下了不少订单。就在几年前，航天飞机的教训还历历在目，人们自然认为回收火箭是死路一条。即使能成功恢复，也将失去大部分运输能力，需要大量投资进行维护和改造。但通过快速的技术迭代，猎鹰火箭已经日趋成熟，火箭回收已经司空见惯，猎鹰在回收状态下仍然可以提供相当大的容量。太空探索技术公司的老板埃隆·马斯克有一个更加雄心勃勃的计划。他想更进一步，计划建造一个能把人类送上火星的巨型火箭。该火箭直径9米，重量超过土星五号，使用液氧和甲烷作为燃料。计划利用火星上的当地材料制造燃料，这样飞船就可以再次飞回地球。当然，更神奇的是Starship的测试机，在露天手工打造。不锈钢外壳甚至有明显的凹凸痕迹，看起来像个谷仓。果然，其中一台样机在压力测试时爆炸了。
图1 2019 165438+60十月发射前的卫星链。资料来源:太空探索技术公司
这一次的主角——星链项目是马斯克提出的又一个“疯狂”的想法。我们将用自己的高性价比运载火箭，在几年内将42000颗卫星送入近地轨道——是的，这个数字将是人类发射的所有卫星的5倍左右。
根据规划，“星链”是一个互联网卫星通信系统，计划通过大量低轨卫星实现完整的全球覆盖，形成一个具有高通容量和低时延的互联网通信网络。卫星网络提供的通信服务可谓极具吸引力。建成后，从偏远山区到大城市企业的所有用户都可以享受到无死角的通信覆盖便利。而且，卫星网络也可能取代地面的骨干网络。光纤横跨钱山，但使用卫星只需要几个中继。
与铺天盖地的网络计划相对应，星链卫星通过各种手段削减成本。发射时，板状卫星紧密堆叠在一起，没有单独的分离装置，但它们都像扑克牌一样被一次性释放，即使卫星相互碰撞。一枚猎鹰9号运载火箭可以将62颗卫星送入轨道，同时可以实现火箭级回收。在未来的计划中，猎鹰重型火箭可以向太空发射更多的卫星。
图2组网第一阶段约1600颗卫星将在550km高度绕地球运行。之后，2700多颗卫星将进入1100~1325km的更高轨道，完成全球组网。在第二阶段，7000多颗卫星将进入300公里的较低高度。来源:starlink
每个卫星链重227公斤，由一个板状卫星体和一个可折叠的太阳能电池板组成。每颗卫星装有四个相控阵天线用于网络服务，地面用户可以接收仰角为45°的卫星发出的信号。预计2020年卫星将配备激光通信系统进行星间通信。卫星的轨道改变和维持靠霍尔效应推力器，燃料是氪。为了避免与其他卫星相撞，卫星使用美国国防部提供的数据自动避开太空垃圾。卫星在轨寿命为1~5年。
2019年5月，首批60颗卫星进入550km近地轨道，2011年6月进行第二次发射，2020年6月进行第三次发射。根据计划，将每隔一个月发射一批卫星链。在组网的第一阶段，大约1600颗卫星将在550公里处绕地球运行。之后，2700多颗卫星将进入1100~1325km的更高轨道，完成全球组网。“星链”项目的第二阶段将把7000多颗卫星发射到300公里的较低高度，增加整个网络的带宽。
两个阶段的轨面参数见表1。其中，第一级中的卫星将按照不同的轨道平面运行，而第二级中的卫星将单独控制一颗卫星。
表1这些是卫星组网两个阶段的轨道平面参数，来自太空探索技术公司向FCC提交的申请频率资源的文件。其中，最初的覆盖计划已改为550km，72个轨道平面，每个轨道平面22颗卫星。首批发射的卫星链就属于这个壳。资料来源:太空探索技术公司/联邦通信委员会
根据美国联邦通信委员会对频段的批准，太空探索技术公司需要在2024年完成一半的发射工作，在2027年完成所有卫星。换句话说，在短短的7年里，太空探索技术公司将发射12000多颗卫星。
就在2019，10，太空探索技术公司提交了新一批卫星频率申请，计划再增加3万颗卫星，使卫星总数达到4.2万颗，约为人类发射的所有卫星的5倍。这3万颗卫星将运行328至580公里。
“新”星空
我们经常可以看到卫星在清晨和傍晚飞过天空。这些卫星经常出现在天文爱好者的深空照片中，去除这些卫星的轨迹是后期处理过程中几乎不可避免的一步。卫星链也不例外。单颗卫星的亮度其实并不突出，问题是太多了。
图3 2019年5月25日晚美国亚利桑那州洛厄尔天文台望远镜拍摄的NGC 5353和NGC 5354星系团图像。贯穿图像对角线方向的是卫星链通过望远镜视场时留下的痕迹。资料来源:维多利亚·吉尔吉斯/洛厄尔天文台
卫星链发射几天后，60颗卫星处于类似轨道。所以在地面上可以看到大量的卫星排成一排穿过天空。肉眼来看，这些卫星的亮度都是3或更暗，不同卫星的亮度也不一样。卫星的亮度与姿态有关。因为这些卫星的轨道相似，所以它们会依次经过同一个天空区域。当它出现在望远镜的视场中时，后果是破坏性的，如图3所示。
图4发烧友用自己的单反拍摄的卫星闪光灯。来源:更有甚者，一些发烧友在拍摄这些卫星时，甚至出现了“闪光”现象。在一段上传到网上的视频中，这位业余爱好者用他的单反拍摄到了一长串依次闪烁的卫星，比织女星还要亮。
图5中最亮的星星是织女星。来源:这个可以让天文圈一下子爆炸。如果未来天空布满了这样的卫星，天文学家和天文爱好者根本观测不到，卫星的运行轨迹将全部覆盖遥远的天体。IAU发表声明称，如此庞大的卫星网络将对天文观测产生严重影响。针对天文学家的质疑，太空探索技术公司最初表示“这颗卫星非常小，不会产生任何影响”，但在反对声越来越大后，又改口称“将采取办法降低后续卫星的亮度”。在2019，11的发射中，包含了一颗被熏黑的卫星，作为试图降低卫星亮度的手段。但变黑会对卫星的性能产生不利影响，因为卫星会吸收大量太阳的热量。
此外，卫星链工作在Ku和Ka波段，这些波段的射电天文观测也可能受到影响。由于卫星的工作波段含有重要的水汽谱线，大量的卫星通信也可能干扰气象卫星对水汽的观测，导致天气预报的准确率下降。
入侵者的痕迹
那么，这些卫星会以怎样的密度出现在我们的夜空中，会对我们的天文观测产生怎样的影响？笔者做了一个简单的计算:以12000颗卫星为研究对象，根据公开数据中的轨道分布，计算出地面观测者在天上看到的卫星数量。
结果表明，在中纬度地区，20°仰角以上的天空中，任何时候都有100多颗卫星。在北纬45度左右，这个数字达到了160以上。
图6以12000颗卫星为研究对象。作者根据公开数据中的轨道分布，计算出地面不同纬度的观测者在天上看到的卫星数量分布。蓝色、红色和黄色分别代表第二阶段的初始覆盖、最终覆盖和低轨卫星。
图6中，蓝色为第一批550km轨道卫星，红色为1000km以上轨道卫星，黄色为第二阶段低轨道卫星。可以看出，轨道倾角低的卫星在高纬度是看不见的，纬度35°到55°以上的卫星密度最高，可以随时维持在120以上，最高超过160。
天空中的卫星数量在一天内基本稳定，但被太阳照射的卫星数量与太阳的位置有关。比如北纬40°的春分和秋分前后，日落后的一个小时内，头顶上的150颗卫星都在反射太阳光，而随着太阳高度的逐渐降低，发光的卫星数量逐渐减少，只有一半左右的卫星在天文黄昏结束时发光。只有午夜前后的4个小时左右天空中基本没有发光卫星，也就是说这段时间的天文观测可以认为是“安全”的。
图7北纬40度附近春秋两季天空中同一位置所有卫星链和发光卫星链随时间的变化。
对于北纬40°来说，冬季至日时天空中长时间没有发光卫星，但夏季至日时天空中整夜都有发光卫星。对于赤道附近的低纬度地区，情况略好于中纬度地区，年变化不明显。对于极地来说，卫星的影响也是存在的。比如在南极的昆仑站，当地极夜开始的时候会有几十颗卫星通宵可见，当地冬季至日也有不少卫星可见。
乐章结尾部
当卫星链分散在轨道上时，对天空的“污染”是显而易见的。我们的天空并没有被完全夺走，但是光学天文观测会被逼到绝路，可利用的观测时间会大大缩短。许多望远镜的单次曝光可能长达15分钟，而在此期间，很有可能有一颗卫星闯入照片，使整张照片功亏一篑。这些轨迹确实可以通过算法去除，但是这些步骤必然会在图片中留下看不见的缺陷，使得数据不可靠。
图8艺术家绘制的星链中卫星分布示意图。资料来源:太空探索技术公司
随着卫星链的发射，这些“卫星列车”的过境也成为一种流行的天文现象，堪比正在消失的“铱闪光”现象。然而，铱星系统只有几十颗卫星，在同一个地方观测到的铱星闪光频率大约只有一天一次。如果把铱的闪烁频率提高几百倍，恐怕人们对它的看法会大相径庭。
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本文来源:深空游戏编辑:匿名王者之心2点击试玩