文丨飞观,作者丨魏初韡
最近,马斯克和他的SpaceX 春风得意。
2020年2月11日,阔别2年多的“星舰”发布会在简易舞台和“星舰”堆栈组合体前开幕,钢铁侠从阴影中款款出场。
作为有着“价格屠夫”名号的马斯克,一上来先给大家表演了一下自己的拿手好戏:
哭穷。
他侃侃而谈首先回击了外界,对于耗费如此巨资探索太空是否值得的问题。
他举例道,“NASA 2020 财年预算占联邦预算的份额为0.36%,还不到美国GDP的0.1%”。所以他认为我们并没有将很多资源用到了航天领域,但这点少到可怜的投入却有望使人类成为跨行星物种,让人类的文明更加灿烂、辉煌。
接着,发布会在钢铁侠不断拿出吸引眼球的航天成果和口吐莲花的画大饼中交织完成。
对于钢铁侠来说,画大饼和吹牛逼是一方面。但更绝的是,他却总能将他吹过的牛逼实现。
本次发布会上,马斯克不仅拿出了推力达到230吨的迭代版“猛禽V2.0”,还凡尔赛地表示,“这个推力水平还可以进一步扩大到250吨,并且实现一天量产一台。”
作为人类史上推力最强大的火箭,这个名号也许还不算啥,但能够实现1天3次的高频率发射以及单次1000万美元的发射成本(“猎鹰9号”的单次发射报价在6200万美元),并且还能够实现,包括重型火箭助推器(SHB)在内的全部回收复用,这着实让人惊讶。
钢铁侠也在发布会上表示,未来“星舰”完成轨道级试射后,将会首先用于发射自家的“星链”卫星。 2021年8月18日,SpaceX在向美国联邦通信委员会(FCC)报送的发射方案中显示,将会用“星舰”来发射其二代星链星座(Starlink Gen 2),该方案明确将29,996颗卫星部署到轨道高度为328到614公里之间的12条轨道上,并将以星舰作为载具执行发射任务。
SpaceX当时在文件中表示,“利用‘星舰’部署卫星,能够让卫星在‘发射后数周而不是数月’投入使用。” 作为当前Space X超过1000亿美元估值的重要支撑,Starlink“星链”计划却在最近走了背运。
就在2月9日,马斯克被美国国家工程院(NSA)增补为院士的前一天。Space X官网发布消息称,“由于受到地磁风暴的影响,导致大气密度的少许上升,致使卫星所受空气阻力剧增50%,该公司最新发射的49颗星链(Starlink)卫星中的40颗将重返或已经重返地球大气层烧毁。”
这批编号为“Group 4-7”的49颗星链卫星,是在美东时间2月3日1时13分由“猎鹰9号”火箭发射升空的,并在距海平面210公里的低轨轨道将卫星释放,进行正式入轨前的调试和准备工作。 但没成想,卫星却在随后遭到太阳风导致的地磁暴冲击,使得40颗卫星无法完成升轨,随后开始再入大气层。
本来,“星链“卫星坠落是一条旧闻。但本次事件中,却有不少值得中国商业航天企业和卫星互联网“新基建”建设的问题值得谈一谈。本文将以“40颗星链卫星坠落”作为引子,一起来探讨:
1.星链卫星坠毁的深层次原因
2.星链计划,不仅仅是一门生意
3.什么是中国"星链"建设的特色主义?
1、星链坠毁:天灾还是人祸?
2月7日,一家天文学机构发布了视频,视频中显示了“星链”卫星再入地球大气层的景象,几个火球在大气中燃烧,像是一场美丽的流星雨。
此次事件的诱因是太阳风引起的地磁暴,它是由太阳风激波或磁场云与地球磁场相互作用引起的地球磁层的一种暂时扰动现象。
美国国家海洋与大气管理局(NOAA)空间天气预测中心也作出说明,“太阳风的吹拂使得地球磁场发生变化,地球上层大气由此升温,密度升高,这使得上层大气变得比原来更厚实和紧密。”
对于我们普通吃瓜群众来说,太阳风和地球磁场的变化会给我们带来很多意外的惊喜,比如某些不出现极光的区域会出现极光。
但事实上,太阳风和地磁异常会给人类航天活动造成一定的影响。 国外航天机构的专家塔米莎·斯科夫(Tamitha Skov )讲,“大多数人真的很喜欢这种现象,但他们根本没有意识到危害,因为他们所关注的是好看的极光。”
中科院的专家也曾经表示,地磁暴期间全球高层大气温度增加,卫星轨道附近的大气密度增加,使得卫星阻力增强。另外,大气成分改变、大气环流改变,地球大气的电离层也会发生变化,这会影响到卫星和地面的通讯。
中科院的太空气象专家还原了此次“星链”卫星的坠落事件,“这次的地磁暴,源头是1月29日太阳的M级耀斑,随后由1月30日中等强度的日冕抛射物质引起。之后,太阳风携带等离子体团,2月3日到达地球附近,与地球磁场相互作用产生地磁暴。”
地磁暴发生的原因已经大概清晰。那么,难道Space X就没有在发射前看看太空天气预报,以此来规避这场地磁暴吗?
但在外媒的报道中显示,Space X方面并非没有看太空天气预报,而是看了之后做出了正常发射的决定。 NOAA 空间天气预测中心2月2日的预报显示,当天会发生一次中等规模的地磁暴,在总共5级的分级中属于二级(G2),并且2月3日会降到一级。
中科院专家也在接受媒体采访时表示,“此次星链卫星损毁期间遇到的地磁暴,属于最低级别的地磁暴。这种级别的地磁暴,从1957年到现在,平均每年发生50多天。在太阳活动高年,一年发生120多天。”
这种级别的地磁暴对于普通卫星影响不大,这可能也是Space X忽略了天气预报的原因之一。
但“星链”卫星跟其他普通卫星却有着很大的区别,这个区别来源于Space X一项引以为豪的设计:
独特的升轨机制
在这项独特的升轨机制下,“星链”卫星将停泊在近地点210公里的极低轨道,在那里进行一系列在轨测试,确认卫星状态良好后,才会启动卫星自身的电推进器行升轨操作。
反之,如果卫星在轨测试状态不佳,那就不进行升轨。卫星自动再入大气层,再入过程会规划轨道,避免与其他卫星产生碰撞风险。
这项令Space X引以为豪的设计,目的是为了避免制造更多的太空垃圾。根据天体物理学知识,近地点距离地球越远的地方,航天器受到地球的引力越弱,那么它再入地球大气层的速度也会越慢。
有数据显示,近地点200多公里的轨道,一颗失效卫星再入大气层的时间为数周,而在550公里轨道则长达数年。并且,卫星在550公里轨道再入地球大气层,还有可能穿越目前人类的2个载人空间站,这会发生潜在的碰撞危险。
但独特的升轨机制也为此次“星链”卫星的再入埋下了伏笔,SpaceX的消息中表示,“初步分析表明,这场磁暴的升级速度和严重性导致大气阻力比以往各次发射增大了多达50%,使得卫星无法脱离安全模式。” 在遭受地磁暴后,“星链”卫星被地面人员调整成了“安全模式”,按照指令“像一张纸一样”侧着飞行,这样太阳能帆板的阻力能够大大降低,但事实证明这个策略似乎并未奏效。
近地点210公里是大气层与卫星轨道空间之间的过渡区域,也是大气层的最外层,这个区域的气象环境复杂,一般很少有卫星会选择在这个轨道停留。
航天专家斯科夫表示,“很多的商业航天公司并不了解太空天气对卫星的影响有多大,尤其是这些小型卫星。”
据资料显示,大气密度随高度指数衰减,轨道每抬升100公里,大气阻力要低1-2个数量级,400-500公里轨道高度的大气阻力相对较小。 毫无疑问,此次的“星链”卫星坠毁事件也给未来发射低轨小卫星的中国商业航天公司们提了一个醒,航天是一件极其复杂的系统性工作。
并且,当前人类对宇宙空间的了解还知之甚少,对于太空环境对人类航天器影响的研究,我们仍需要进行更多踏实的科学试验和实证探索。 此次,太阳活动对地球大气的影响,和“星链”卫星的独特升轨机制。以及更重要的,对太空气象预报的忽略,是这次“星链”卫星坠落的根本原因。
一直以来,马斯克和他的Space X以颠覆式创新和超高的效率成为航天圈的异类。但此次的事件却恰恰说明,过往无论是美国航天还是中国航天所坚持的“追求成功率和准确率“的目标并不过时。
“星链”计划作为一个低轨小卫星星座,其成本造价并不高,马斯克曾表示每颗卫星造价大概在50万美元。它从设计完成到发射上天也仅需要很短的周期,并且本质上作为一个机器人,就算发生损毁也不至于造成重大的影响。
但如果,“猎鹰9号”所搭载的载荷换成是载人飞船或者空间站这样的大型有人航天器呢?
上世纪末,美国几起航天飞机的爆炸事件造成了严重的生命和财产损失,也致使美国的航天事业在新世纪初遭受严重的倒退。
航天是一项重视试验和实证性研究的系统工程,当前,不少中国商业航天的从业者试图效仿马斯克快速迭代的所谓互联网和ICT思维,来实现航天项目的“弯道超车”。
殊不知,中美两国的商业航天市场全然不同,文化也不尽相似,中国民营商业航天公司们需要拥有强大的地面和空间保障、配套能力,来完成自身的航天梦想。 一些跨界进入航天领域的互联网公司,也不可能靠着复制过往互联网的打法来试图在“三高一长”的商业航天领域中快速收获一杯羹。
搞航天,想一步登天永远只会是空中楼阁。
2、星链计划:走自己的路,让别人无路可走
2015年,马斯克首次提出了发射1.2万颗低轨互联网卫星的“星链”计划。2018年,2颗“星链”计划试验星成功上天。
随后,“星链”计划的进展便驶入了快车道。 截止2021年年底,天上“星链”卫星的部署已经突破了2000余颗。
地面上,“星链”的商业化进程也丝毫没有落后。 去年11月10日,Space X在给美国联邦通信信委员会(FCC)的一份材料中显示,“‘星链’目前已在为20个国家,约14万用户提供了互联网接入服务,用户量比8月份的数字增加了约4万个,并且已收到超过75万份全球订单。”
今年2月17日,马斯克一篇推特上显示,“星链已经拥有了25万活跃用户”。随着“星链”在海外市场的高歌猛进,目前它已经在25个国家落地生根。
25万的活跃用户意味着每月2500万美元的收入流水,一年就有3亿美元。
马斯克曾经表示,待“星链”2027年组网完成后,将实现年收入300亿美元的规模,这需要大概2500万活跃用户。当前对于没有备选方案的情况下,这个目标实现起来难度并不大。毕竟,现在地球上有将近40亿人口没有接入互联网,这个市场空间十分广阔。
但随着“星链”的用户数逐渐增多,一些“星链”互联网服务的尝鲜用户却表示,自己的用户体验并不是很好。
去年夏天,一位来自美国亚利桑那州的用户就发帖表示,亚利桑那州炎热的夏天让他的 “星链” 终端天线过热,一度网络中断了7个多小时。
在网络中断时,软件自动蹦出了一条提示:当前已离线,并提示说等到温度降下来后 “星链” 将重新连接。
在他咨询了客服后,对方回应他,“卫星接收天线会在122华氏度(大约50摄氏度时进入热关断状态,降到104华氏度(40摄氏度)将会重新启动。”
根据Space X的官方信息显示,“星链”终端天线的使用温度范围是零下22华氏度到104华氏度,超过这个区间终端将无法运转。
这并不是个例,在Reddit上,一位来自弗吉尼亚州的网友也发了一篇帖子,讲述自己的“星链”终端突然中断的经历,但他讲那时的气温只有80华氏度。 2020年底,“星链”粉丝们迎来了“星链”终端的首次内测,不过从这个版本的终端名字“有总比没有好”(better than nothing)就能看出,首批的“星链”终端性能不敢恭维。
据Space X内部员工透露,能不能上网,全看卫星数量、覆盖程度、天气状况等因素,简而言之就是:总比没有强。
但秉承着还要啥自行车的“星链”终端,却在随后的1年多时间里在全世界完成了一波攻城略地。
2021年4月,“星链”进军澳大利亚。
去年,一位澳大利亚的推特网友发帖问,“自己开着特斯拉Model X,以时速100公里飞驰在高速公路上,这是一种什么样的体验”。 这位网友随后在评论区回答,“你可以享受到每秒200Mb的星链宽带服务,并且接收数据半径可以达到40公里。”
这位来自澳大利亚珀斯的“星链”和特斯拉双料用户,分享了自己的使用体验:他把直径近半米的第一代“星链”飞碟式天线架在特斯拉Model X的尾部,在高速上移动测试“星链”的网速有多快。
使用推特治理公司的马斯克也在底下谦虚地回复这位网友,“卫星和终端软件还有待进一步的改进。”
但马斯克并不总是这么谦逊,他的“星链”卫星在去年也并不总是那么顺利。
去年年底,一封中国常驻联合国和其他国际组织代表团向联合国秘书长的照会上披露了一起太空事故:2021年,星链卫星两次接近中国空间站,并对中国空间站和宇航员造成危险。
这起事件随后引起全世界媒体的讨论,外媒还翻出了2019年欧空局Aeolus卫星为躲避星链-44卫星的碰撞,进行规避制动的往事。
欧空局当时的数据显示,当时两颗卫星的碰撞几率为千分之一,但“星链”卫星却并没有任何机动躲避的意思。
后续,欧空局与Space X的沟通也闹出了不愉快,引得欧空局负责人阿施巴赫在媒体上警告,“全球仍在运行的卫星中有一半都归马斯克所有,事实上,他已经成为了规则制定者。”
随后,马斯克在《金融时报》反击了来自外界的指责,“近地轨道有足够的空间能容纳百亿颗卫星,几千颗卫星就像地球上有几千辆车一样,这压根不算什么。”
此事随后不了了之,Space X曾承诺将会采取一定的措施来预防太空意外相遇情形的出现。但并没有一些强制性的政策和规则要求他一定这么做。
相反,美国政府还一再纵容和偏袒马斯克和他的Space X。 这一点,在Space X在向美国联邦通信委员会(FCC)申请增加“星链”卫星数量以及更改轨道高度获批一事,就可以看出不少端倪。
对于“星链”来说,美国国防部和政府也是它的用户。
2021年4月,美国国防部希望与Space X一起制造一个微型天线,用于连接“星链”卫星网络,美国特种作战司令部(USSOCOM)对电池供电的微型卫星天线很感兴趣,这可以帮助他们的士兵在特种作战时随时与总部保持高效沟通和联系。
在“星链”卫星组网时,马斯克宣称的好处之一便是全世界任何地区的互联网全覆盖,包括海洋、高山和棘手的两极地区。
2021年1月,SpaceX向极地轨道部署了首批10颗“星链”卫星,包括美国阿拉斯加州在内的北极地区都被覆盖在内。 作为世界警察的美军在全球任何角落都有军事基地,但全世界有70%左右的区域没有建设地面通信基站,北极的美军基地一直以来深受互联网接入的困扰。
除了以上几个项目外,根据美国五角大楼公布的资料显示,“星链”计划本就是美军“星球大战计划”的一部分,它与美国空天军的联系十分密切。“星链”计划还承载着新一代美国太空安全战略转型的任务,是美军形成“空天地一体”作战能力的基础之一。
在海湾战争、科索沃战争、伊拉克战争等海外军事行动中,美军能够凭借卫星网络形成信息优势,牢牢把握战场的制信息权。
未来,在“星链”计划完成后,全世界最强大的指挥通信网也会随之诞生。 美国的无人机、战略轰炸机、航母战斗群、核潜艇随时接收命令,“星链”可提供全球无死角的高速率覆盖,大幅增强美军的作战通信能力。
试想,“星链”4.2万颗卫星中的每一颗卫星都可以将战区上空拍摄的高清图片和视频通过“星链”传输给前线指战员。 同时,无人机在战场上空拍摄的海量信息也不用在本地压缩处理,而是直接将原始数据通过“星链”传输到远在地球另一端的指挥部。
那么,未来美军将成为战场的主人,美军的指战员就可以像玩电子游戏一样打开“上帝视角”。这种开挂式的行为将使得它们的敌人在战争还没有开始时,便输掉了整个战争。
那么,作为一直被美国政府弹压的中国航天该如何做出反击呢?我们自己的“星链”计划在哪里?
3、新型举国体制,中国的特色药方
2022年春节前夕,国务院新闻办发布了5年一度的《2021中国的航天》白皮书。 作为官方对于中国航天事业的又一个“五年规划”,白皮书中将会是我国未来5年航天活动的行动纲领和建设目标。
在白皮书中,强调了我国将持续完善空间基础设施建设,“卫星通信广播地面系统持续完善,形成全球覆盖天地融合的卫星通信广播、互联网、物联网及信息服务能力。”
而5年前《2016中国的航天》白皮书中关于低轨通信星座建设的表述,“建设天地一体化信息网络,基本建成空间基础设施体系,形成连续稳定的业务服务能力,促进卫星及应用产业发展··· 逐步建成覆盖全球、与地面通信网络融合的卫星通信广播系统。”
对于低轨通信卫星星座的表述,两版规划中,2021年的白皮书强调了包括广播、互联网和物联网在内的“天地一体化信息网络”的融合建设。
可以看出,至少从2016年开始,官方对于卫星互联网的建设便已经提上日程。
从时间点上看,我们的低轨星座建设的启动时间其实也并不比马斯克晚多少。 2016-2018年间,航天科技、航天科工、中国电科、中国电信等航天和通信领域的国家队选手,纷纷提出了各自的低轨卫星星座计划。
2017年8月,航天科工集团在中国(国际)商业航天高峰论坛公布了自己的“五云一车工程”( 飞云、快云、行云、虹云、腾云和高速飞行列车),其中“虹云工程”便是低轨卫星互联网星座计划。2018年12月22日,“虹云工程”的首发星被成功送入轨道。
另一家航天央企航天科技在2016年提出了建设300颗低轨小卫星的“鸿雁星座”计划,2018年12月29日,“鸿雁星座”的首发星也被成功送入轨道。
往天上发射技术验证星并不是难事,当时包括国家队选手在内,国内有数个卫星星座的组网计划。PPT放眼望去都描绘了一番宏大的愿景,但卫星星座的建设却并不是那么容易。
马斯克曾经在接受采访时说,“星链”计划的先期投入成本在100亿美元左右,整个系统建设完成预计要花费300亿美元。虽然系统建成后能够每年为Space X带来300亿美元的收入,但整个“星链”系统自2015年提出,到预计2027年全部建成,周期长达12年。
作为商业航天产业的一部分,互联网星座的建设既具有基础设施行业所具备的高投入和回报周期长的特点,也兼具极高的技术和创新门槛。 巨型低轨星座的建设不仅需要耗费大量资金和时间进行轨道和地面的基础设施布局,未来还需要统筹和协调大量社会资源,对原本的地面市场进行深度开拓和渗透。
“星链”计划依靠的不仅仅是Space X一家公司的力量,马斯克背后站着的是挥舞美元的华尔街资本和提供新技术资料和订单的美国政府部门和国防部。
政策引导加上金融支持,才能让马斯克张开创新的翅膀,顺利起飞。
而对于我们自己来说,低轨卫星星座这项系统性和社会性极强的工程,我们能够依托新型举国体制的优势。在政府的引导下,统一协调社会资源,调动各方力量积极参与巨型低轨卫星星座的建设。
曾有一名中科院的领导探讨了科技和产业革命下的新型举国体制问题,“新型举国体制不是重走计划经济时期‘政府强力主导、忽视市场作用’老路,也不是效仿新自由主义倡导的‘完全依赖市场、不要政府介入’。
在新型举国体制中,政府与市场不是非此即彼的对立关系,而是相互依存、互为补充,既要贯彻国家意志,聚焦国家重大战略需求,实现国家战略目标,也要维护和激发各类创新主体的活力,发挥市场在科技资源配置中的作用。”
2020年4月,发改委召开新闻发布会将卫星互联网列为“新基建”中的信息基础设施工程,自此巨型低轨星座已经成为国家战略中的重要组成部分。
2021年4月28日,国务院国资委宣布成立一家名为中国卫星网络集团有限公司的新央企,这家央企注册资本100亿,公司的业务范围包括卫星互联网的论证设计、研究试验、工程设计、工程建设以及基础电信业务。
可以看出,这家新央企的定位将是未来我国卫星互联网工程建设的主力军和中流砥柱。 那么,既然主力已经有了,就需要大量的生力军围绕中流砥柱进行各个方面的创新和开拓。
以民营商业航天企业为代表的各类创新主体,将会在我国巨型低轨卫星星座的建设中大有用武之地,在这方面已有国内公司取得了一定的进展。
2021年底,国内商业航天领域的独角兽,估值达到10亿美金级别的银河航天传来了好消息。在银河航天的卫星批量化工厂内,6颗低轨互联网小卫星成功下线。 此前,银河航天在江苏南通布局了智能化的卫星批量化制造工厂,据银河航天透露,智能工厂的单星研制成本比银河航天的首发星已经下降一半以上。
后续,银河航天将进一步降低卫星批量化生产成本,助力我国卫星互联网星座的建设。
除了银河航天之外,另一家商业航天企业九天微星也在最近取得了一定进展。作为在2020年就加入了“国网计划”的民营商业航天企业,九天微星将自身定位在微小卫星产业链的供应商。
去年年底,他们宣布了低轨通信试验卫星通过出厂评审的消息。九天微星表示,“这颗卫星的通信能力将达到10Gbps,未来发射成功后可不限区域不限位置针对地面用户提供高速网络互联服务。”
2021年底,九天微星在唐山兴建的卫星批量化制造工厂一期工程完工,预计将可以实现年产100颗小卫星的产能。
卫星互联网作为6G时代空天地海一体化信息网络的基础设施,我国不能接受“星链”一家独大的事实。 在新型举国体制的指导下,国家队和我们的民营商业航天公司将会形成合力,突破欧美对我们空间基础设施建设的封锁。
尾声
在1993年的“银河号”事件中,美国霸道地让中国货轮无故地在公海漂流了33天。
并且美国为了逼停在印度洋正常航行的“银河号”,不仅派出了军舰和直升机,还切断了“银河号”货轮赖以导航的GPS系统,使得这艘巨大的货轮不得不像无头苍蝇一样在印度洋上漂流。
最后,事件以美方登船检查后,并没发现船上载有任何违禁的化学武器为告终,但此事却成为新中国历史上一个难以抹去的外交耻辱。
在央视访谈节目中,当时负责处理这起事件的外交部国际司副司长,后来的联合国副秘书长沙祖康忿忿地面对镜头讲,“窝囊啊,简直太窝囊了。”
这也是后来我国加速建设“北斗”导航星座的一个重要原因之一,因为我们意识到,GPS所宣称的24小时开放给民用和商用根本是无稽之谈。美国政府会动用一切力量和手段,来达到他自身的政治和战略目的。
后来,在“北斗”卫星星座组网的过程中,我国科研人员紧赶慢赶,终于惊险地先于欧洲“伽利略”计划一步,成功抢占了导航卫星所需的频率和轨道资源。
这些历历在目的往事,都在给中国“星链”的建设者们提了一个醒: 时不我待,只争朝夕
2022年春节前,新发布的《2021中国的航天》白皮书中,我们看到了更多有利于中国商业航天的好消息和新机会。
从政府扩大商业航天产品和服务的采购范围,到推动国家队和民营商业航天企业之间的科研基础设施共享,再到支持民营商业航天企业参与国家重大航天工程项目的研制。
一系列新推出的政策和办法就是要加快中国商业航天企业的成长,中国商业航天没有Space X,也没有马斯克,中国商业航天也不应该期待一个马斯克就能改变落后的现状。
在从航天大国向航天强国前进的路途中,中国商业航天从业者们所能做的就是自力更生,艰苦奋斗。
2005年11月26日,在庆祝“神舟六号”载人航天飞行成功的大会上,时任国家主席胡锦涛深情地对“神六”任务的工作人员们致辞时讲了一句话:
特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献
这句话在过去、现在和未来,都将是每一个中国航天人最好的写照!
参考资料:
新华社,《2021中国的航天》白皮书,2022年1月28日
新华社,《2016中国的航天》白皮书,2016年12月27日
科技日报,《49颗“星链”卫星遭遇地磁暴,都是太阳惹的祸?》,2022年2月12日
DeepTech深科技,《SpaceX “星链” 卫星天线又出问题,炎热天气导致断网》,2021年6月19日
根据《网络安全法》实名制要求,请绑定手机号后发表评论