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詹姆斯·韦伯太空望远镜|马斯克打造的首批“星链”卫星，缘何已经损失过半？

说起近年来最引人注目的商业航天计划 ， 美国SpaceX公司的星链计划可以说是其中的翘楚了 。 从2015年1月该公司正式对外公布星链计划 ， 到2019年5月23日猎鹰9火箭成功将首批60颗星链卫星送入太空 ， 可以说是风头一时无两 。
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即将被释放到太空的首批星链卫星
然而 ， 近日大家却忽然发现 ， 星链卫星开始排着队 ， 像下饺子一样 ， 接二连三地受控再入 ， 返回大气层烧毁 。 截至目前 ， 首批发射的60颗星链卫星只有26颗在轨运行 ， 有26颗已经再入地球大气层烧毁 ， 另外8颗发生了显著的轨道衰变 。
这是怎么了？为什么这么多昂贵的卫星 ， 还没投入使用就自行销毁了呢？要回答这些问题 ， 那就需要我们细细捋一下商业航天发展的一些门道 。
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首先 ， 商业流水线模式下制造的卫星 ， 其价格一般远远低于传统航天模式下制造的卫星 。
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荷兰科学家在夜空中拍到的首批60颗星链卫星
大家对于航天的印象是“高大上”的代名词 。 即使是拧一颗螺丝 ， 也需要好几个人来保障确认、取证备查 ， 从零部件、整机到全系统都需要大量的地面测试、试验 ， 这样庞杂的过程自然花费不菲 。 传统卫星的这种定制化生产模式 ， 单星成本通常高达数千万美元以上 ， 生产周期也至少超过1年 。 其中最极端的代表就要数詹姆斯·韦伯太空望远镜了 ， 它从1996年就开始筹备 ， 目前已经投资近100亿美元 ， 花费了数千位科学家、工程技术人员20多年的时间 ， 仍然没有发射上天 。
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计划2021年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜
然而 ， 当前巨型星座所要用到的卫星已经是另一种制造模式了 ， 即通过流水线化来进行制造 。 和其他定制卫星不同 ， 巨型星座的卫星是模块化、标准化的产品 ， 适于进行大规模工业量产 ， 所以产品从一开始就考虑了低成本和迭代升级的要求 。
2019年7月22日 ， 一网公司正式启用自己先进的卫星批量制造工厂 。 该工厂开创了利用自动生产、组装流水线进行大规模、低成本卫星生产的模式 。 工厂目前有两条生产线 ， 每条生产线每天可制造1颗卫星 。 通过采用这种工业级大规模生产技术 ， 大大缩短了卫星制造的时间 ， 生产成本也可降至传统卫星的1/50 。
与一网公司相似 ， SpaceX公司也建立了自己的卫星制造流水线 。 该公司在今年7月份提交给美国联邦通信委员会的报告中 ， 就显示其“星链”部门具备每月可建造120颗星链卫星的能力 。 目前 ， 单颗星链卫星的造价还不到100万美元 ， 随着未来产能的提高 ， 造价还能进一步降低 ， 同时 ， 标准化卡槽的设计也降低了后续卫星升级的难度和要求 。
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装在整流罩中的星链卫星
这个规律其实在二战时期就已经被发现 。 当时 ， 通过大批量的飞机制造 ， 人们发现每当产量翻倍 ， 用于制造飞机的生产时间就会减少20% ， 相应的制造成本也会下降 。 早在上世纪90年代 ， 摩托罗拉公司批量生产铱星星座的近百颗卫星 ， 实现了每5天生产1颗铱星 ， 生产成本降低了80% 。
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其次 ， SpaceX公司首批发射的60颗卫星本来就是一批试验型的卫星 ， 在后续大批业务型卫星成功发射之后 ， 首批卫星继续在轨运行的意义已经不大了 。
实际上 ， 在首批星链卫星成功发射后不久 ， SpaceX公司在公布这些卫星的在轨运行情况时 ， 就表示有3颗卫星对地面指令没有反应 ， 似乎已经报废 。 另有5颗卫星仍在向550公里预定工作轨道爬升的路上 ， 还有5颗依旧在较低的初始轨道上开展测试 。 那些卫星何时或能否最终抵达其工作轨道不得而知 。
SpaceX公司称首批发射的60颗星链卫星为“v0.9版本”的卫星 ， 基本上是一次规模空前的测试版本 。 在2019年11月12日发射的第二批60颗星链卫星就已经升级为“v1.0版本” ， 其后至今发射的10多批卫星也都是“v1.0版本”的 。
相比于“v0.9版本” ， “v1.0本版”的卫星在升级Ku波段硬件的同时 ， 增加了许多Ka波段天线 ， 总带宽增加至原来的4倍 。
Ka和Ku指的是相似但不同的通信频率 。 Ku波段通常提供更高的可靠性和云/雨环境容忍度 ， 而Ka波段对环境因素更敏感 ， 但提供了更高的理论带宽 。 此外 ， “v1.0版本”卫星可以有效地同时服务于更多的区域 。
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最后 ， 国际社会对于巨型星座在空间环境方面影响的担忧 ， 可能是未来严重阻碍SpaceX公司网络业务拓展的障碍 。 该公司利用这批试验型卫星进行大量的主动控制再入试验 ， 将有助于解决这方面的问题 。
目前 ， 星链卫星的设计寿命约为5~7年 。 退役后的几个月内 ， 卫星将会利用星上的推进器自行脱轨 。 如果推进器失效 ， 由于卫星处在近地轨道 ， 它们也会在1~5年内自然衰减 ， 返回大气层销毁 。
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星链卫星星座示意图
另外 ， “v1.0版本”卫星也已经升级为“100%可分解”的水平 。 这意味着 ， 当它们重新进入地球大气层时 ， 直到最后一丝聚酯薄膜 ， 都将在到达地面之前燃烧殆尽 ， 从而降低碎片伤害地面人员和财产的风险 。
随着航天进入商业化的时代 ， 一些新的、目前看似还挺疯狂的做法可能会层出不穷 ， 这些都需要我们不断回归本源去探索分析 ， 让我们拭目以待吧！
来源/中国航天报
【詹姆斯·韦伯太空望远镜|马斯克打造的首批“星链”卫星，缘何已经损失过半？】文/李宇飞


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