太空探索是 SpaceX 核心使命的基礎(chǔ)。 因此，SpaceX 采取了前所未有的措施與天文學(xué)界合作，以更好地了解 SpaceX 以及所有衛(wèi)星運營商如何減輕衛(wèi)星反射太陽對天文觀測的影響。

通過這項深入的協(xié)作工作，SpaceX 實施了創(chuàng)新的技術(shù)解決方案和技術(shù)，以盡量減少衛(wèi)星對夜空的影響。 事實上，SpaceX 在開發(fā)和部署此類技術(shù)和工藝方面的投資比任何其他衛(wèi)星所有者/運營商都多。 以下是我們之前分享過的 SpaceX 工作的最新動態(tài)及其有益影響。

亮度緩解措施

通過與天文學(xué)界的合作，SpaceX 已經(jīng)識別并減輕了衛(wèi)星亮度的主要來源，并試圖使其衛(wèi)星在標(biāo)準(zhǔn)運行高度時肉眼看不見。

如果任何衛(wèi)星被太陽照亮并向地球觀察者散射光，那么在夜間從地球上就可以看到它。 當(dāng)衛(wèi)星剛好位于明暗界線（地球上的晝/夜邊界）的暗面上方時（對應(yīng)于入夜和黎明前的前幾個小時），衛(wèi)星通常是可見的。 有幾個因素決定了衛(wèi)星在地面上的可見度。 高度較高的衛(wèi)星在夜間會被照亮； 然而，在日落或日出后不久，海拔較低的衛(wèi)星的入射陽光將被地球阻擋。 例如，維拉魯賓天文臺（2010 年天體物理學(xué)十年調(diào)查中排名第一的大型地面項目）等天文臺在午夜可以看到 1200 公里處的衛(wèi)星。 由于不會被照亮，維拉魯賓天文臺在午夜將看不到 SpaceX 衛(wèi)星。

衛(wèi)星的可見度還取決于其表面所用的材料。 與路燈等會產(chǎn)生光污染的物體不同，衛(wèi)星通常不會發(fā)出自己的光。 相反，亮度是由于自然陽光從衛(wèi)星表面散射并反射回地球而產(chǎn)生的。 這種光可以通過兩種方式從衛(wèi)星上散射：鏡面反射或漫射。 鏡面光像鏡子一樣以單一角度反射。 相比之下，漫射光從各個角度從表面發(fā)出，雖然在觀察衛(wèi)星時呈現(xiàn)出無光澤的外觀，但從更多方向都可以看到反射光。 雖然違反直覺，衛(wèi)星平坦的最低點反射更像鏡子，但實際上對天文學(xué)的影響較小，因為完美的反射永遠(yuǎn)不會與地球相交。 相反，漫反射光會傳播到多個角度，因此可以從多個角度看到。 如下所述，SpaceX 因此投資了鏡面表面。

但并非所有材料都具有高反射率； 有些材料可以是“吸收性的”，這意味著表面反射的光遠(yuǎn)不如其反射的入射陽光明亮。 吸收材料可以是鏡面的或漫反射的。 但沒有一種材料是完全鏡面反射、漫反射或吸收的。 相反，所有材質(zhì)都具有不同程度的反射率以及不同數(shù)量的鏡面反射和漫反射內(nèi)容。 SpaceX 投資用于非平坦最低點表面的吸收材料。

SpaceX 衛(wèi)星的地面能見度有兩個主要驅(qū)動因素：衛(wèi)星主體（或“底盤”）散射的陽光，以及太陽能電池陣列散射的陽光。 SpaceX 已在其當(dāng)前的第一代衛(wèi)星上針對這兩個問題采取了緩解措施。 但由于 SpaceX 現(xiàn)在對亮度有了更好的了解，它計劃對其第二代衛(wèi)星采取更好的緩解措施。

第一代衛(wèi)星

SpaceX 在其第一代衛(wèi)星上開發(fā)了“遮陽板”，可以阻擋陽光照射到底盤的底部。 SpaceX 成功開發(fā)了一種對無線電頻率“透明”的遮陽板材料，并且不會遮擋 SpaceX 衛(wèi)星的用戶服務(wù)天線。 不幸的是，這種材料確實阻擋了 SpaceX 將覆蓋范圍擴(kuò)大到世界最偏遠(yuǎn)地區(qū)所需的激光鏈路。 遮陽板還對衛(wèi)星產(chǎn)生了很大的阻力。 由于 SpaceX 在如此低的高度運行，這種較高的阻力需要更多的推進(jìn)器燃料消耗，以增加軌道高度并在達(dá)到運行高度后保持空間站保持。 出于這些原因，SpaceX 最終確定其遮陽板不是一個可行的長期解決方案。

作為遮陽板的替代品，SpaceX 開始開發(fā)射頻透明鏡膜。 這種介電鏡膜將絕大多數(shù)陽光從地球上鏡面散射。 SpaceX 一直在不斷改進(jìn)其鏡膜，以減少反射回地球的光，并將在我們的下一代衛(wèi)星上部署該膜的新改進(jìn)版本。

SpaceX 在其第一代衛(wèi)星上實施的另一個顯著的亮度緩解措施是在太陽能電池陣列正面的太陽能電池之間使用較暗的材料。 如下圖所示，這種電池間背襯材料最初是白色的，但現(xiàn)在變成了深紅色，這降低了陣列的亮度。 使這種材料變暗會增加太陽能電池陣列的溫度，從而降低性能，但 SpaceX 選擇采用許多這樣的設(shè)計讓步來降低觀察到的亮度。

第二代衛(wèi)星

SpaceX 的第二代衛(wèi)星將為星鏈網(wǎng)絡(luò)增加更多容量，并連接更多地方的更多人。 客戶已有的所有用戶終端都能夠連接第一代和第二代衛(wèi)星。

盡管其第二代衛(wèi)星比第一代衛(wèi)星更大，但由于其亮度緩解措施，SpaceX 仍預(yù)計第二代衛(wèi)星將比第一代衛(wèi)星更暗。 第二代衛(wèi)星具有與第一代衛(wèi)星非常相似的“扁平衛(wèi)星”架構(gòu)，因為這使得衛(wèi)星能夠密集地封裝到星艦中，并在運行過程中提供低阻力。 為用戶服務(wù)的相控陣天線位于衛(wèi)星的底面，用于網(wǎng)關(guān)連接的拋物面天線和用于衛(wèi)星之間激光鏈路的激光終端位于周邊。 與第一代衛(wèi)星相比，這些衛(wèi)星具有更大的表面積與質(zhì)量比，因此在發(fā)生故障時它們可以更快地被動拖動脫軌（您可以在此處詳細(xì)了解我們的空間可持續(xù)性和安全方法）。

第二代衛(wèi)星將采用三種先進(jìn)的亮度緩解技術(shù)：

• 介電鏡膜

SpaceX 在衛(wèi)星底部覆蓋了第二代介電鏡膜，與使用雙向反射分布函數(shù) (BRDF) 指標(biāo)的第一代膜相比，該膜在降低觀察到的亮度方面效果好 10 倍。 下圖顯示了降低能見度的各種解決方案的 BRDF，包括 SpaceX 的新型介電鏡膜、舊膜、遮陽板上使用的黑色泡沫和黑色油漆。 該圖表中的峰值對應(yīng)于與入射角相反的鏡面反射，0 度處的值對應(yīng)于觀察者直接向上看。 正如您所看到的，雖然第一代鏡子比用于遮陽板的黑色泡沫更亮，但第二代鏡子為觀察者直視頭頂?shù)牧炼冉档土艘粋€數(shù)量級（請注意，y 軸是對數(shù)刻度） 。

這種改進(jìn)可以用肉眼看到，如下圖所示，顯示了位于新舊鏡子頂部的舊版本 Starlink WiFi 路由器的反射。

SpaceX 通過廣泛的研究和迭代，最大限度地提高了薄膜的鏡面散射效果。 薄膜的核心是布拉格鏡，它包括許多具有不同折射率的薄塑料層，這些塑料層在內(nèi)部產(chǎn)生干涉圖案以反射光線，但允許無線電波暢通無阻地通過。 為了在太空環(huán)境中（紫外線降解和原子氧存在問題）生存，需要沉積二氧化鈦 (TiO2) 和二氧化硅 (SiO2) 保護(hù)層來保護(hù)薄膜。 這些層足夠薄且純凈，不會影響薄膜的行為。

但 SpaceX 無法單獨減少對太空探索的影響——所有衛(wèi)星運營商必須共同努力。 為此，SpaceX 將在 Starlink 網(wǎng)站上以成本價提供這部影片作為產(chǎn)品，以便所有運營商都可以使用它來減少自己的星座對天文學(xué)和夜空的影響。

• 太陽能電池陣列緩解措施

太陽能電池陣列還可以作為衛(wèi)星亮度的來源。 具體來說，太陽能電池陣的正面包括太陽能電池，可以將陽光散射到地面上，而太陽能電池陣的背面可以像燈罩一樣被太陽照亮。 SpaceX 已采取措施降低其第二代衛(wèi)星上這兩個光源的亮度。 為了減輕太陽能電池陣列背面的亮度而不使太陽能電池過熱，SpaceX 為太陽能背板開發(fā)了一種不透明顏料。

為了散射照射到太陽能電池陣列正面的陽光，第二代衛(wèi)星將在穿越明暗界線（地球表面分隔黑夜和白天的線）時將太陽能電池陣列指向遠(yuǎn)離太陽的方向，這種操作稱為“明暗界線跟蹤”。 這種操作會將太陽能電池陣列的刀刃指向地球邊緣，從而最大限度地減少從地面觀看時的亮度，如下圖所示。

值得注意的是，這種偏離方向的操作會導(dǎo)致衛(wèi)星的可用功率減少 25%。 盡管成本高昂，SpaceX 還是專門設(shè)計了第二代衛(wèi)星，使其能夠適應(yīng)這種顯著的功耗降低，從而最大限度地減少從地面觀看的亮度。

• 黑漆

第二代衛(wèi)星上的許多小部件也共同提高了車輛的整體亮度。 因此，SpaceX 評估了衛(wèi)星上在任何飛行姿態(tài)下從地面可見的每個組件——每個天線、每個設(shè)備和每個支架等。SpaceX 使用電介質(zhì)鏡來最大限度地減少平坦表面的亮度 ，同時對具有復(fù)雜幾何形狀的組件使用黑色油漆，以最大限度地減少高鏡面散射與地球相交時出現(xiàn)的亮度和閃爍。 SpaceX 將對平坦的衛(wèi)星最低表面進(jìn)行定向，以使鏡面峰值永遠(yuǎn)不會與地球相交。 不幸的是，這種技術(shù)并不適用于所有衛(wèi)星組件。 例如，拋物面天線必須鉸接并指向地面站。 如果這些碟子是鏡面的（例如裸露的鋁），那么地球觀察者就會在某些方向看到閃爍。 為了減輕這些潛在的閃爍，SpaceX 內(nèi)部開發(fā)了一種“低反射率黑色”涂料，與最暗的可用太空穩(wěn)定涂料相比，其鏡面峰值低五倍。 SpaceX 還在其他部件上使用了黑色油漆。

飛行操作

SpaceX 的目標(biāo)是讓第二代衛(wèi)星在為用戶服務(wù)時肉眼看不見，覆蓋每顆衛(wèi)星生命周期的絕大多數(shù)時間。 然而，在飛行的幾個階段中，衛(wèi)星預(yù)計在其生命周期的一小部分時間內(nèi)是可見的。

• 發(fā)射后立即：在脫離火箭后的前幾次軌道上，衛(wèi)星需要穩(wěn)定并部署天線和太陽能電池陣列。 在部署過程中，光可能會從鏡膜反射到地面上，而不是反射到太空中。

• 升軌：在從插入軌道升軌到運行軌道期間，衛(wèi)星需要最大限度地提高發(fā)電量并最大限度地減少低空阻力，并且無法執(zhí)行太陽能電池陣列偏離指向。

• 站位保持和防撞灼燒：衛(wèi)星需要定期進(jìn)行駐站灼燒，以保持在軌位置并避免碰撞，在此類操作期間衛(wèi)星會變得更亮。

• 脫軌：就像軌道上升期間一樣，衛(wèi)星在其壽命結(jié)束時會變得更亮，同時降低軌道，直到它們在重返大氣層時燃燒殆盡。

為了解決這些情況，SpaceX 繼續(xù)改進(jìn)軌道提升和離軌期間的衛(wèi)星姿態(tài)和太陽能電池陣列指向技術(shù)，以減輕亮度，同時仍然滿足任務(wù)目標(biāo)。 此外，SpaceX 繼續(xù)與各種天文學(xué)家、天文臺和天文學(xué)相關(guān)團(tuán)體合作，了解天文學(xué)家的經(jīng)驗、描述緩解措施，并幫助最大限度地減少衛(wèi)星對圖像的影響。 SpaceX 還發(fā)布了非常準(zhǔn)確的 Starlink 衛(wèi)星狀態(tài)預(yù)測，主要是為了與其他衛(wèi)星運營商協(xié)調(diào)避免碰撞，同時也使高靈敏度的地面望遠(yuǎn)鏡能夠最好地安排觀測。

總結(jié)與未來

盡管 SpaceX 在降低地面衛(wèi)星亮度方面投入了大量的工程努力，但沒有一個工程模型是完美的。 因此，SpaceX 預(yù)計將繼續(xù)尋找并實施進(jìn)一步降低第二代衛(wèi)星亮度的技術(shù)和操作技術(shù)。 SpaceX 將繼續(xù)與天文學(xué)界密切合作，以減輕所有衛(wèi)星運行對其重要工作的影響。 SpaceX 工程師將在 2022 年維拉 C. 魯賓天文臺項目和社區(qū)研討會上親自演講并回答問題。SpaceX 還參加其他天文學(xué)會議和研討會。

我們鼓勵任何及所有問題、反饋和討論。 SpaceX 致力于通過星鏈連接盡可能多的人，改善地球上數(shù)百萬人的生活。

作為一家太空探索公司，SpaceX 是天文學(xué)和科學(xué)界的堅定支持者。 科學(xué)是我們?nèi)粘９ぷ鞯暮诵?，SpaceX 團(tuán)隊熱衷于努力成為我們共享空間環(huán)境的負(fù)責(zé)任的管理者。

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