盧旺達要發(fā) 30 萬顆衛(wèi)星，太空圈地背后的算計與亂象

本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：李賢煥

披著科技的外衣，一些匪夷所思的現(xiàn)象正在衛(wèi)星行業(yè)上演。比如地處非洲內(nèi)陸的盧旺達，就聲稱要向太空發(fā)射 30 萬顆衛(wèi)星。

且不說這個國家有沒意愿和必要實現(xiàn)這一目標，就算要實現(xiàn)，按照現(xiàn)有人類的火箭能力，或許需要超過 100 年才能部署完成。但這一沒有人會當真的目標，就這么堂而皇之地出現(xiàn)在了國際舞臺上，以正式文件申請的形式提交給了聯(lián)合國下屬機構(gòu)。

或許是因為發(fā)展得太快了，衛(wèi)星行業(yè)的矛盾和混亂在顯現(xiàn)。盧旺達例子只是其一，事實上，近年來各國提出的衛(wèi)星計劃都極為雄偉，預(yù)計發(fā)射總數(shù)量甚至達到了百萬級。但實際上，如今地球軌道上的衛(wèi)星仍不到一萬顆，計劃中的衛(wèi)星多數(shù)并沒有被造出來，只是永遠停在紙上而已。

原因何在？簡單的問題涉及到各國及各公司的航天愿景、航天任務(wù)的制造及發(fā)射成本、管理體系的迭代等復(fù)雜因素。本文我們以一個最新的研究入手，拆解龐大的衛(wèi)星體系的“亂象”以及背后的種種原因動機，進一步看清，未來我們的衛(wèi)星要如何管理？人類衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要走向哪里？

從 100 萬顆“紙”衛(wèi)星說起

近日，一篇發(fā)表在《科學》雜志上的文章指出，2017 年至 2022 年期間，各國向國際電信聯(lián)盟（ITU）提交的文件顯示：各家計劃發(fā)射的衛(wèi)星超過了一百萬顆，涉及 300 多個衛(wèi)星星座。

這是一個相當離譜的數(shù)字。綜合各國航天機構(gòu)的統(tǒng)計，目前在地球軌道上的人造衛(wèi)星數(shù)量約為 7000-8000 顆，其中相當部分已經(jīng)不在工作狀態(tài)。由此看來，目前各國提出申請的衛(wèi)星數(shù)量，超過這個數(shù)字的 100 倍。

這篇發(fā)表在 Science 上的文章，揭開了百萬顆“紙上”衛(wèi)星的荒誕現(xiàn)實。

先不說可行性，百萬衛(wèi)星計劃不管事實與否，產(chǎn)生的問題都是明顯的：

1、如果這些申請涉及的衛(wèi)星里，多數(shù)如約上天，意味著未來幾年時間里會有數(shù)千枚火箭點火升天，衛(wèi)星遍布軌道會讓太空變得更加擁擠，碰撞、信號沖突的問題會大幅加??；

2、如果各運營商壓根不打算發(fā)射這些衛(wèi)星，即這些衛(wèi)星停留在“紙上”，他們或許是為了先占一個衛(wèi)星位置、吸引投資者注意，或是最終把無線電頻譜倒賣出去，但這也就暴露出現(xiàn)在的管理體系有明顯的漏洞，已經(jīng)跟不上航天產(chǎn)業(yè)的進展。

是誰在申請？

其實，多數(shù)申請都肉眼可見的非常蹊蹺。典型的是盧旺達政府在 2021 年 9 月向 ITU 提交了兩個衛(wèi)星星座申請，總數(shù)超過 30 萬顆，在全球范圍內(nèi)都引起了轟動。相比之下，目前發(fā)射衛(wèi)星最多的 SpaceX，總數(shù)也就在 5000 顆左右。位處東非的盧旺達，至今仍是聯(lián)合國公布的世界最不發(fā)達國家之一，經(jīng)濟以農(nóng)牧業(yè)為主，但糧食仍不能自給。這個人口僅有 1000 余萬、面積不到兩個北京大的國家，2020 年的人均 GDP 不足一千美元，全國 GDP 約為 110 億美元，這個數(shù)字遠遠不夠他們造出這么多的衛(wèi)星。

穿透盧旺達政府背后的實際申請人，我們能進一步看到衛(wèi)星運營商們的數(shù)字游戲。事實上，這份通過盧旺達政府提交的申請，其背后的發(fā)起者是來自法國的公司 E-Space。除此之外，這家公司還在 2023 年通過法國官方提交了一份超過 10 萬顆的衛(wèi)星星座計劃。

但他們從未想過要實際發(fā)射這么多，公司 CEO 在公開場合的表態(tài)是“至少發(fā)射 3 萬顆”，而他們的產(chǎn)品開發(fā)總監(jiān)的口徑則是“只有幾千顆衛(wèi)星”。

正如他們所為，一家公司在不同國家、地區(qū)提交申請是一個相當常見的操作。比如運營著 600 余顆衛(wèi)星的 OneWeb，已經(jīng)通過三個國家（墨西哥、法國和英國）提交了 6118 顆衛(wèi)星的文件；SpaceX 則通過美國、挪威、德國、湯加提交了涉及數(shù)萬顆衛(wèi)星的文件申請。

類似的做法也可以在船運行業(yè)看到。由于法規(guī)和執(zhí)法力度更加寬松，運營成本更低，全球 44% 以上的船只注冊在巴拿馬、利比里亞和馬紹爾群島這三個國家。

通過申請、獲得衛(wèi)星軌道，后續(xù)進行轉(zhuǎn)賣賺錢也是動機之一。比如湯加，這個太平洋上的小島國家從來沒有發(fā)射過衛(wèi)星，但曾在上世紀 80 年代申請獲得了 9 個衛(wèi)星軌道，然后轉(zhuǎn)手租出去賺了數(shù)百萬美元。如今他們再次看上了衛(wèi)星生意，SpaceX 在 2023 年 10 月通過湯加提交了接近 3 萬顆的衛(wèi)星申請文件。

此外，包括中國、德國、西班牙、挪威、法國和所羅門群島等大大小小的國家，都向 ITU 提交了大量的衛(wèi)星文件申請?！暗鹞覀兣d趣的不僅僅是這些龐大數(shù)字，”英屬哥倫比亞大學研究生、前述論文作者之一伊萬?賴特在接受采訪時表示：“我們越深入研究這些星座的問題，就越發(fā)現(xiàn) ITU 的監(jiān)管已經(jīng)完全落后了?！彼硎?，由于資金問題、政局變化或技術(shù)問題，許多“紙上”的衛(wèi)星永遠不會被發(fā)射。

申請了為什么不發(fā)？

首先是能力。

人類把東西送上太空的能力是有限的。統(tǒng)計顯示，2022 年全球共執(zhí)行 186 次軌道發(fā)射，成功 178 次，涉及 8 個國家和地區(qū)，把 2497 個有效載荷和 24 名航天員送入軌道。在不計算今年數(shù)字的情況下，這已經(jīng)是火箭發(fā)射次數(shù)最多的一年，可以視為現(xiàn)階段全球最大的運送能力，最多就是兩千余個。照這個速度，一百萬顆衛(wèi)星發(fā)完需要四百多年。

然后是成本。

以最受關(guān)注的 Starlink 為例，摩根士丹利曾估計 Starlink 衛(wèi)星的制造成本為每顆 100 萬美元，而馬斯克曾公開表示單顆衛(wèi)星的成本有望降至 50 萬美元。由于 Starlink 未公布衛(wèi)星制造成本，且具體數(shù)字會隨著技術(shù)迭代、生產(chǎn)規(guī)模擴大而持續(xù)變化，本文取其區(qū)間，再以人民幣兌美元匯率 7:1 進行估算：Starlink 的單顆成本約為 350 萬至 700 萬元人民幣之間。作為對比，浙商證券在 2022 年 9 月發(fā)布的研報指出，我國目前低軌通信衛(wèi)星的平均造價大約在 3000 萬元左右。

由于 Starlink 衛(wèi)星規(guī)模已經(jīng)達到 5000 顆，遠超同行，因此在同級別衛(wèi)星里，業(yè)界普遍認為 SpaceX 能將衛(wèi)星成本壓至最低。但即便如此，造衛(wèi)星，尤其是衛(wèi)星組網(wǎng)仍是一個耗資百億美元起步的龐大生意。

還有占據(jù)成本結(jié)構(gòu)近一半甚至更高的發(fā)射成本。

SpaceX 自家的獵鷹 9 火箭是全球唯一實現(xiàn)常態(tài)化重復(fù)使用的運載火箭，平均單次發(fā)射載荷質(zhì)量達到 11.13 噸，成功回收的次數(shù)已超過 100 次，顯著降低了進入空間的成本。目前，獵鷹 9 低地球軌道發(fā)射服務(wù)的公開報價約為人民幣 2.6 萬元 / 千克（需要注意，這是對外報價而非成本價）。相較于市面上其他火箭發(fā)射服務(wù)，價格便宜了一半甚至更多。

在全方位獲得成本優(yōu)勢的情況下，Starlink 才勉強成為觸碰到盈利線的低軌衛(wèi)星星座。SpaceX 總裁兼首席運營官 Gwynne Shotwell 在接受媒體采訪時表示，Starlink 預(yù)期在 2023 年開始盈利。Starlink 系統(tǒng)預(yù)計每年成本約為 24.1 億美元，去年開始，Starlink 在全球用戶已經(jīng)超過 100 萬。

從這個維度再看別的制造成本、發(fā)射成本均高于 SpaceX 的公司，挑戰(zhàn)和質(zhì)疑聲都不小，盈利更是難以期待。因此大家對這門極度費力但未必討好的生意，大筆投入時的謹慎與保守都顯得非常合理。

不發(fā)為啥要申請呢？

這時候再看涉及到 100 萬顆的衛(wèi)星申請文件，當所有人都知道計劃不會被執(zhí)行的時候，不管是企業(yè)還是各國政府前仆后繼地遞材料，必然是有相當切實的利益考量，除了作秀（商業(yè)和政治層面），還有重要的戰(zhàn)略意義：搶占軌道資源。

衛(wèi)星的軌道和頻段被視為一種戰(zhàn)略資源，不僅有限，還有優(yōu)劣之分，因為不同頻段的傳播損耗不同，所以各方需要爭搶更好的位置。在國際上，對于衛(wèi)星頻率和軌道資源，主要采用“先占先得”的方式。因此，發(fā)達國家率先發(fā)射衛(wèi)星，占據(jù)優(yōu)先位置，導致優(yōu)質(zhì)軌道和頻率的擁擠現(xiàn)象。而收到各家申請的 ITU 就是負責協(xié)調(diào)和管理衛(wèi)星軌道的組織。

此外，不同軌道的情況也不相同。

比如在距離地面約 3.5 萬公里的地球靜止軌道，衛(wèi)星多以單顆存在，因此軌道資源較為充足，ITU 對該軌道的管理相對簡化，當衛(wèi)星的 10-15 年壽命結(jié)束時，通常會被人為控制上升約 300 公里高度，進入衛(wèi)星“墳?zāi)管壍馈背蔀樘绽?，原先的位置就會被釋放出來?/p>

但大家爭搶激烈的低地球軌道就不一樣了，成百上千顆低軌衛(wèi)星需要在 2000 公里以下的不同高度組成星座網(wǎng)絡(luò)，它們并不存在一次性全部退役的情況，當部分衛(wèi)星損壞或壽命結(jié)束時，運營商通常將會發(fā)射新衛(wèi)星來進行補充，而不是釋放整個軌道資源。所以情況會變成“先占永得”，后來者未來可能面臨沒有軌道可用的被動情況。

在地球低軌 300-1000 公里的軌道高度上，最終能容納多少顆衛(wèi)星？這個問題有多種版本的答案。但可以確定的是，人造衛(wèi)星安全性會成為一個愈發(fā)棘手的問題。假如已申請的衛(wèi)星里有 10% 最終被發(fā)射上去，近地軌道會多出 10 萬顆衛(wèi)星而變得更加擁擠，衛(wèi)星之間如果碰撞，將產(chǎn)生大量太空碎片，這反過來又會導致更多的碰撞。

在這樣的背景下，SpaceX 去年 12 月向監(jiān)管部門提交的文件顯示，Starlink 衛(wèi)星的自動避碰系統(tǒng)在 2020 年 12 月 1 日至 2022 年 11 月 30 日的兩年間，進行了 26037 次軌道避碰演習，平均每顆都進行了超過 10 次變軌，可見威脅是真實存在的。

不管從哪個角度推演，盡管太空無限大，但留給后來者的太空空間將變得越來越小，軌道資源將成為一個重要的門檻。

怎么辦？

矛盾變得愈發(fā)激烈，百萬“紙”衛(wèi)星的現(xiàn)象表明，現(xiàn)行的衛(wèi)星管理體系已經(jīng)不足以支撐衛(wèi)星行業(yè)的健康成長。

當然在很大程度上，這也是行業(yè)發(fā)展速度超出了過往預(yù)期造成的。參考航海業(yè)發(fā)展，我們在 15-17 世紀的大航海時代才開始涉足大洋，而后工業(yè)革命、現(xiàn)代船運技術(shù)的發(fā)展把我們拉入現(xiàn)代航海業(yè)的時代。從那時候開始，占全球海洋面積 6 成以上的公海該如何管理？各國在曠日持久的拉鋸中才逐漸形成了現(xiàn)在的共同治理體系。

太空開發(fā)就是新的大航海時代。而對于距離地面 100 公里以上的外太空，那是一片空間更大、目前管理也遠遠更為粗糙的空間。

此外，太空也是一個極度需要秩序的場域。衛(wèi)星在軌道上運行，像行走在太空上的高速公路，飛行速度動輒每秒 7-8 公里，一旦碰撞產(chǎn)生更多碎片，后果將是無人能夠承受和挽救的。在這種背景下，太空衛(wèi)星管理涉及對衛(wèi)星軌道、頻譜、太空碎片、國際合作等多個方面的監(jiān)管和協(xié)調(diào)，對于確保太空活動的安全性、可持續(xù)性和有效性至關(guān)重要。

這對 ITU 提出了更高的要求，這個聯(lián)合國下屬的機構(gòu)成立時間甚至早于聯(lián)合國本身，以每三到四年為周期讓 193 個會員國坐在一起，商討全球通信領(lǐng)域的新規(guī)則。他們并不是沒有努力，在 2019 年，ITU 會員國通過了一項針對衛(wèi)星星座組網(wǎng)的規(guī)定：在首次發(fā)射后兩年內(nèi)發(fā)射 10% 的衛(wèi)星，在五年內(nèi)發(fā)射 50%，并在七年內(nèi)完成整個星座的發(fā)射。

當時這一規(guī)定的出發(fā)點就是為了避免讓公司占著軌道不發(fā)衛(wèi)星的行為。其中有一條細則，“非規(guī)劃衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)空間電臺頻率指配的規(guī)則啟用時限為七年?！奔吹谝活w衛(wèi)星可以在提交文件后的 7 年內(nèi)發(fā)射。這里就存在漏洞，在如今這個大家超量提交申請的背景下，這句話可以理解為：大家需要等待 7 年時間才能確認這些“紙”衛(wèi)星是假的。而且根據(jù) ITU 的規(guī)則，衛(wèi)星星座成功申請后，7 年時間里未使用的情況下，最終的結(jié)果僅是“無線電頻率和相關(guān)軌道資源有效性到期，”說明這樣的“占位”行為并沒有太多成本和懲罰。

前述文章作者表示，ITU 應(yīng)該考慮加速這個過程，同時，還可以引入一些收費機制，對大規(guī)?；蛲稒C性的申請進行限制。

顯然，是時候調(diào)整規(guī)定、修補漏洞了。11 月 20 日至 12 月 15 日，世界無線電通信大會在阿聯(lián)酋舉辦，前述文章作者在文章里指出，ITU 應(yīng)該趕快修訂新規(guī)，解決衛(wèi)星星座現(xiàn)有的亂象。

作者在接受媒體采訪時表示，今年的會議將會重點關(guān)注衛(wèi)星星座相關(guān)的問題，同時也提出了參考思路，比如限制每個星座中衛(wèi)星的數(shù)量、對更大規(guī)模申報的更高費用、或是采取類似“收押金”的做法，讓公司申請衛(wèi)星軌道時先交錢，在衛(wèi)星結(jié)束服役后再把“押金”取回等等。

只要能夠讓公司、政府們別胡亂申請，一方面有限的衛(wèi)星軌道資源將能被更好地利用起來；與此同時，ITU 也將能夠更清晰地看到各方的真實意愿，以此預(yù)測未來衛(wèi)星的數(shù)量，進行相應(yīng)的軌道、頻率安排，最終減少無線電頻率干擾和衛(wèi)星間碰撞的風險。

此外，美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC) 對衛(wèi)星進行的較嚴格管理也值得參考。去年，F(xiàn)CC 通過了一項新規(guī)，要求處理好衛(wèi)星的“后事”，即低地球軌道衛(wèi)星必須在任務(wù)結(jié)束后的五年內(nèi)由運營商進行清理，避免成為在地球軌道上不受控制的垃圾。

這可不是說說而已。近期，美國電視公司 Dish 成為第一個因為這條新規(guī)被處罰的衛(wèi)星運營商。Dish 表示其運營的一顆衛(wèi)星在退役時燃料不足，無法移動到“墳?zāi)管壍馈?，公司因此領(lǐng)到一張 15 萬美元的罰單。雖然數(shù)字不大，但受此影響，公司股價大跌，導致市值蒸發(fā) 1 億美元。

隨著法規(guī)變得更加細致，業(yè)界判斷未來對太空碎片進行清理的需求將大幅提升。事實上，清理太空垃圾本就是近幾年商業(yè)航天領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)的方向之一。這些提議和新規(guī)指向了一個更有秩序、細致管理的空天時代。

而未來對太空的管理，眼下最迫切要做的就是處理好那上百萬顆“紙”衛(wèi)星，前述文章作者說，“地球軌道是屬于全人類的有限資源，我們應(yīng)該維護好它?！?/p>

參考文獻

• [1] https://theconversation.com/over-the-past-six-years-governments-proposed-launching-over-one-million-satellites-but-where-will-they-all-go-215979

• [2] https://www.space.com/million-satellites-congest-low-earth-orbit-study-shows

• [3] https://www.astronomy.com/science/study-satellite-traffic-jam-calls-for-urgent-changes/

• [4] https://adf-magazine.com/2022/08/rwanda-plans-to-launch-satellite-constellations/

• [5] https://phys.org/news/2023-10-itu-tighten-orbit-satellites.html

• [6] https://www.space.com/how-many-satellites-fit-safely-earth-orbit

• [7] https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2221343120

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