本周三，SpaceX 将发射其首批星链卫星——一个由数千颗航天器组成的“巨型星座”，旨在为全球任何地点的数十亿人提供高速互联网接入。星链只是众多此类项目中的第一个；其他公司至少还有八个巨型星座正在筹备中。尽管它们有望彻底改变全球电信，但这些努力并非没有危险：随着卫星数量不可避免地增长，产生危险碎片并可能威胁地球轨道持续安全使用的风险也随之增加。“这是我们需要关注的事情，”总部位于加利福尼亚州埃尔塞贡多的航空航天公司高级工程专家格伦·彼得森说。“我们必须积极主动。”
如今，地球轨道非常繁忙。几乎有2,000 颗在轨卫星围绕我们的星球呼啸而过，同时还有近 3,000 颗报废卫星和 34,000 块大于 10 厘米的“太空垃圾”。每当碎片或报废航天器过于靠近在轨卫星时——通常当碰撞风险上升到几千分之一时——卫星运营商必须执行避碰机动。例如，当碰撞几率大于万分之一时，国际空间站就会移动。
这些近距离接触每年已经发生数千次，但像星链这样的巨型星座的巨大规模将改变游戏规则，如果所有这些星座都发射，预计每年将发生 67,000 次避碰机动。随着地球轨道被卫星塞满，风险也在增加。最坏的情况是凯斯勒综合征，这是一种正反馈循环，其中产生碎片的碰撞会产生更多碰撞，进而产生更多碎片，从而使部分地球轨道基本上无法使用。
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包括 SpaceX、亚马逊、Telesat 和 LeoSat 在内的九家公司已获得美国联邦通信委员会的许可，可以发射此类星座。仅 SpaceX 就计划在 2020 年代中期之前发射近 12,000 颗卫星，这些卫星将在距地面约 500 公里的低地球轨道 (LEO) 或约 1,200 公里的较高高度的非地球静止轨道 (NGSO) 运行。它是这九家公司中第一家发射其星座的任何功能齐全卫星的公司。下一个领跑者 OneWeb 计划在 NGSO 中建立一个 650 颗卫星的强大星座。其六颗测试卫星已于今年二月发射，首次正式发射约 36 颗卫星的计划定于今年晚些时候进行。随后将每月发射 30 至 36 颗卫星，服务将于 2021 年上线。其他每家公司都有类似计划，逐步发射数百甚至数千颗自己的卫星。
风险与回报
巨型星座的好处是多方面的。用高带宽、低延迟、始终在线的互联网接入覆盖整个地球意味着海上船舶、高空飞行的飞机和偏远、欠发达地区（甚至南极洲！）的人们将突然以前所未有的方式连接起来。“并非每个人都能[目前]获得连接，”OneWeb 的太空任务设计师迈克·林赛说。“世界上有一半人口缺乏负担得起的宽带互联网接入点。”
然而，关于如何在轨道上安全运行如此多卫星的问题仍然存在。如果卫星发生故障，它们很容易加剧日益严重的太空垃圾问题。在 500 公里的高度，故障卫星不会成为大问题：在几年内，大气阻力将自然地将它们拉回地球，并在重返大气层时烧毁。事实上，为了对抗太空垃圾，SpaceX 最近修改了其 FCC 许可证，将其 1,500 多颗卫星的计划高度降低了一半。但在 1,200 公里的高度，卫星将在空中停留更长时间，困境变得显而易见：“在这些高度上将持续数千年，”英国南安普顿大学工程和物理科学教授休·刘易斯说，他开发了一个名为 DAMAGE 的模型来跟踪和监测太空碎片。
目前没有关于卫星可以在轨道上安全停留多长时间的约束性规则。联合国建议卫星在任务结束后不超过 25 年内脱轨，但这些准则缺乏对不遵守规定的严格处罚。“它们是自愿准则，”安全世界基金会项目规划主任布莱恩·韦登说。卫星在轨道上停留的时间越长，与另一颗卫星碰撞的几率就越大。而此类碰撞并非史无前例——2009 年，美国铱星 33 号卫星撞上了报废的俄罗斯宇宙 2251号卫星，产生了数千块新的碎片。
一些公司正在积极主动地解决这个问题。例如，OneWeb 将在其每颗卫星上安装一个把手，为未来的轨道清扫器提供一种简单的方法，将它们拖回地球进行处理。尚无公司证明过这种技术，但日本的 Astroscale 等实体正在取得进展。“预计只有极少数卫星会发生故障，导致卫星运营商无法使其脱轨，”Astroscale 的业务分析师哈丽雅特·布雷特尔说。但“Astroscale 和其他新兴公司正在寻求提供备份服务，该服务将移除此类故障卫星并维持可持续的太空环境。”
然而，其他获得 FCC 许可的公司计划仅使用其每颗卫星的自带推进系统来确保安全脱轨。原则上，这样做似乎不错，但实际上，卫星故障率并非微不足道。即使巨型星座的可靠性达到 99%，仍然会有数百颗报废卫星在轨道上漂浮。随着这些数字的累积，灾难的可能性只会增加。
“真正的问题是，我们在将[卫星]移出轨道方面没有很好的记录，”欧洲航天局的太空碎片分析师斯蒂因·莱门斯说。“长期环境模拟表明，我们需要将发射到轨道的所有物体中约 90% 的轨道寿命缩短。但在现实中，我们看到这种情况成功发生的比例约为 5% 到 15%。因此，我们远远落后于目标。”
嘈杂的天空
另一个问题是卫星本身的无线电通信。每个卫星星座都将被分配一段电磁频谱用于通信，但在如此多的噪声中挑选出一颗卫星可能很棘手。随着数千颗卫星即将进入轨道，实际上与那些飞过头顶的卫星中的一颗进行通信可能会很困难。“无线电频率干扰是一个大问题，但被潜在的碰撞风险所掩盖，”韦登说。
这些巨型星座也可能给天文学带来问题。已经，使用光学望远镜的天文学家不得不应对卫星偶尔穿过他们视野的情况。芝加哥阿德勒天文馆的行星科学家马克·哈默格伦说，随着巨型星座的出现，这种干扰可能会增加数倍。对于射电天文学家来说，情况可能会变得更加棘手。“任何时候卫星穿过射电望远镜的观测波束，其传输都可能被接收并解释为天体信号，”哈默格伦说。
周三的星链发射将被正确地誉为将互联网带给大众的一种手段，但将轨道上在轨卫星数量增加一倍以上的更大计划不可避免地会带来巨大的复杂性，而且似乎几乎没有回旋余地。即使每次巨型星座运营商的发射和运营都顺利展开，但其中一家运营商遇到财务困难也可能使太空垃圾的风险突然飙升。“最坏的情况是：你发射了所有卫星，你破产了，它们都留在那里，”莱门斯说。“那么你就有数千颗没有计划移出轨道的卫星。你就会患上凯斯勒综合征。”