Starlink 2.0: Что известно про вторую фазу проекта Илона Маска

Мы уже привыкли к тому, что примерно раз в две недели SpaceX отправляет в космос очередную партию из 60 спутников Starlink. Что можно включить YouTube и посмотреть трансляцию еще одного успешного старта.

Но с конца июня до середины сентября стартовал только один Falcon 9, груженый спутниками связи. Чтобы выйти на плановые показатели, SpaceX должна выполнять не менее 4 пусков в месяц. Иначе группировка из 12 000 так и останется на бумаге. В чем дело? Неужели SpaceX столкнулась с какими-то проблемами?

Инженеры SpaceX решили, что пора завершать первый этап и переходить на второй. Изначально планировалось, что в рамках "Фазы 1" на орбите появится 12 000 спутников. Но планы пришлось менять.

По состоянию на 14 сентября 2021 года всего по программе Starlink на низкую околоземную орбиту вывели ровно 1800 космических аппаратов. Из них 1673 находятся в рабочем состоянии. А 1420 официально числятся в составе группировки. Остальные находятся в стадии выхода на рабочую орбиту.

Этого количества оказалось достаточно для того, чтобы покрыть почти всю поверхность Земли. Исключение − полярные шапки. Последним пакетом в сентябре SpaceX отправила партию спутников, орбиты которых позволят полностью охватить Арктику и Антарктику. Теоретически теперь покрыта вся Земля, но на полярных шапках система работает не стабильно − мало спутников. Хотя для полярных исследователей даже этого оказалось вполне достаточно.

Похоже, Илон Маск решил поменять все. Следующую партию спутников Starlink должна доставлять новая ракета-носитель. Тот самый Starship, который он так красиво взрывал во время испытаний. Да и сами спутники будут новыми. У них появятся возможности, о которых ранее Маск даже в Твиттере не писал. Конечно, для пользователей готовят новый терминал.

Один спутник Starlink текущей модели v 1.0 весит 260 кг. Полный пакет из 60 космических аппаратов − 15 600 кг. Эти параметры выбраны неслучайно. Они точно соответствуют полной грузоподъемности ракеты-носителя Falcon 9 v1.2 Full Thrust ("Полная тяга") в конфигурации, рассчитанной на посадку первой ступени на баржу. Стоимость одного пуска − около $50 млн. То есть, вывод на орбиту одного спутника Starlink обходится (по завышенной оценке) в $833 333.

Грузоподъемность тяжелой ракеты-носителя Starship составляет 100-150 тонн в многоразовой конфигурации. Получается, что за один старт на орбиту можно будет выводить от 384 до 576 спутников Starlink.

Эти расчеты подтвердила президент SpaceX, Гвинн Шотвелл (Gwynne Shotwell), когда сообщила, что компания сможет выводить за один старт на орбиту 400 спутников.

"SpaceX может использовать свою мощную ракету-носитель Starship, тяжелую ракету нового поколения, которая сможет доставлять больше спутников на орбиту за один раз и размещать их таким образом, чтобы облегчить более быструю активацию", − заявила она.

Новая ракета решит сразу несколько сложных проблем. Каждую из них скептики считали непреодолимой, когда предрекали провал программе Starlink.

Чем ближе космодром к экватору − тем меньше топлива требуется запускаемой с него ракете. Поэтому Россия использует Байконур, Франция − Куру (в Гвиане), а SpaceX − космический центр имени Джона Кеннеди на мысе Канаверал в штате Флорида. Единственная проблема − это погода. В экваториальной зоне она не отличается особенной стабильностью.

А SpaceX приходится учитывать состояние атмосферы сразу в двух местах − старта и посадки первой ступени. Если хотя бы в одном из них прогноз будет плохим, старт переносят. Минимальный срок переноса − 5 дней.

Чтобы создать заявленную группировку из 12 000 космических аппаратов, SpaceX нужно было бы запускать Falcon 9 каждые 5-6 дней на протяжении трех лет. То есть, использовать практически все возможные стартовые окна. И любой перенос отодвигал финишную черту минимум на 1 неделю. И этот марафон не имел бы конца. Ведь когда к группировке присоединились бы последние спутники, у первых бы уже заканчивался срок плановой эксплуатации. Поэтому заявления Илона Маска о 12 000 и, тем более, о 40 000 космических аппаратов, ранее казались слишком уж рискованными.

Но если у SpaceX появится ракета-носитель, способная сразу же доставлять на рабочую орбиту по 400 аппаратов, то это в корне меняет ситуацию. В этом случае для завершения второй фазы (12 000 спутников), потребуется сделать "всего-навсего" 28 запусков. Звучит вполне реалистично.

Вторая проблема − выход на рабочую орбиту. Мало просто доставить космические аппараты на заданную высоту. Каждый из них еще должен занять свое место в "цепи" группировки. Поэтому сейчас, в сентябре 2021, из 1800 запущенных спутников Starlink полноценно работают только 1420. Еще примерно 253 аппарата только "добираются до места работы". Это процесс может занимать до нескольких месяцев.

А главная проблема в том, что количество топлива на борту спутника ограничено. Аппараты оснащены маломощными электростатическими двигателями работающими на эффекте Холла. Для создания тяги им необходимо рабочее тело − газ криптон. Расходовать весь запас спутник не может. У него обязательно должен быть "аварийный запас" для того, чтобы иметь возможность уклониться от столкновения с другим телом на орбите. И еще спутнику нужны "пенсионные накопления" − запас топлива для схождения с орбиты. Когда запасы криптона доходят до критического значения, двигатели отправляют спутник на сгорание в атмосферу. Чтобы он не остался на орбите и не превратился в опасный (для других космических аппаратов) мусор.

Ожидаемый срок службы спутника Starlink в конфигурации v.1.0 составляет 8 лет. Это в идеальных условиях, если не придется много маневрировать. И не придется тратить много топлива для выхода на свое "рабочее место".

Использование Starship позволяет резко увеличить ожидаемое время службы каждого спутника. Сейчас Falcon 9 доставляет пакет из 60 аппаратов в одну точку. А потом они уже сами расходятся. Starship − это многоразовый космический аппарат. Его, в отличие от последней ступени Falcon 9, можно перезаправлять. То есть, Starship может каждый из 400 находящихся у него на борту спутников доставить точно в нужную точку. Чтобы они не тратили драгоценный криптон. А потом Starship вернется, заправится керосином и жидким кислородом, возьмет на борт новых "пассажиров" и совершит следующую миссию.

Красиво и легко все выглядит только на бумаге. В реальной жизни все намного сложнее. SpaceX Starship − это очень амбициозный проект. Илон Маск "разбил" только первые два прототипа своей Falcon 9. Остальные пуски были успешными. А из первых 20 испытаний Starship только 12 закончились успехом. Три раза результатом был "частичный успех", сама ракета при этом очень красиво взрывалась. Остальные 5 испытаний закончились неудачей.

Starship − одна из самых больших и мощных ракет-носителей в истории человечества. Она уступает только знаменитому Сатурну-5, на котором американцы отправляли свои миссии на Луну. Да и то, не по всем параметрам. Расчетная тяга у Starship должна составить рекордные 75 315 кН. У Сатурна-5 было "только" 35 000 кН. Для сравнения − новейшая версия первой ступени Falcon 9 выдает 7 607 кН в атмосфере и 8 227 кН в вакууме.

Советскому Союзу так и не удалось создать собственную тяжелую ракету-носитель такого класса. Поэтому гражданин СССР так и не ступил на поверхность Луны.

Никто не даст гарантии, что у Илона Маска получится. Риск неудачи очень высокий.

В среду, 18 августа SpaceX подала заявку Федеральной комиссии по связи (FCC), запросив разрешение на развертывание спутниковой группировки второго поколения. Этот документ − единственный официальный источник информации.

В заявки говорится, что "Система второго поколения была разработана для того, чтобы дополнить группировку первого поколения, которую SpaceX развертывает в настоящее время. Хотя первоначальная группировка обеспечивает беспрецедентную пропускную способность, спрос на широкополосную связь продолжает расти, а потребность в подключении новых пользователей еще никогда не была так важна".

Ожидается, что все спутники Starlink второго поколения оснастят системой передачи информации по лазерному лучу. Сейчас космические аппараты работают, как простые ретрансляторы. Они принимают сигнал с Земли, от пользователя, и тут же возвращают его обратно − на ближайшую базовую станцию. Это накладывает ограничение по зоне покрытия. Чтобы выйти в интернет, пользователь должен находиться не далее чем в 900 км от ближайшей наземной станции SpaceX.

Если же спутники оснастят системой обмена информации, то сигнал будет "путешествовать" с одного космического аппарата на другой. Тогда выйти в интернет смогут все жители нашей планеты. Даже те, кто живет в тысячах километров от шлюзов SpaceX. Просто для доставки их сигнала будет задействован не один спутник, а сразу несколько.

Появление этой технологии сделает компанию Илона Маска самым быстрым трансконтинентальным провайдером в мире. Дело в том, что скорость движения лазерного луча в оптоволоконном кабеле значительно ниже, чем в вакууме. Когда речь идет о нескольких километрах, разница роли не играет. Но если требуется передавать сигналы между континентами, то одна каждая миллисекунда стоит миллиарды долларов. Это важно, в первую очередь, для биржевых спекулянтов. Кто первым сможет передать информацию с Лондонской биржи на Нью-Йоркскую, получит весомое преимущество перед своими конкурентами.

В заявке, поданной SpaceX в FCC, дословно говорится: "...Спутники будут несколько больше и (они будут) генерировать больше энергии, что позволит им поддерживать расширенные возможности сейчас и вмещать дополнительные полезные нагрузки в будущем…"

Если перевести эту сухую официальную формулировку на простой и понятный язык, то получается, что на спутниках Starlink Gen2 появится место и энергия для дополнительного оборудования. То есть, уже сейчас SpaceX собирается производить космические аппараты с возможностью установки антенн, передатчиков или других устройств от третей стороны.

Илон Маск совершает еще одну революцию на рынке космических услуг. Сначала он снизил примерно в три раза стоимость вывода спутника на орбиту. До этого многие бизнесы даже не мечтали о собственном спутнике. Они разрабатывали наземные решения. Снижение стоимости с $80-100 млн до примерно $20 млн увеличило объемы рынка. Теперь компании сразу думают про орбиту, они разрабатывают уже не наземные, а космические решения.

С началом развертывания группировки Starlink Маск начал продавать не целые запуски, а лишь место среди своих спутников. Это еще больше снизило цену. Теперь третий этап − бизнесам уже даже не нужно разрабатывать свой спутник. Теперь они смогут лишь арендовать место и энергию на аппарате Starlink.

В сентябре 2021 финансовый директор SpaceX, Брет Джонсен (Bret Johnsen) сообщил журналистам на конференции в Мэриленде, что компания производит 5000 пользовательских терминалов в неделю. Цифра впечатляющая, но явно недостаточная.

В том же месяце SpaceX заявила, что уже получила более 600 000 заявок от потенциальных клиентов. То есть, тем, кто внес предоплату 1 сентября 2021 года, придется ждать, как минимум, до 1 декабря 2023 года. В том же выступлении Джонсен обнадежил − по его словам, компания в ближайшие месяцы собирается увеличить производство в несколько раз. Но не все так просто, как хотелось бы руководству SpaceX.

В 2020 году президент Дональд Трамп отправил Америку на карантин. Американцы не пошли на работу и в школу, а остались дома. Поэтому они начали заказывать больше компьютеров, ноутбуков, игровых консолей, тренажеров и другой электроники. Производители микросхем не смогли справиться с возросшим спросом.

Поэтому в следующем, 2021 году, даже производителям автомобилей пришлось резать свои производственные планы. Что поделать, в любом современном устройстве есть микросхемы.

Изначально SpaceX приходилось платить за производство одного комплекта оборудования примерно $3000. Но компания продавала эти "Тарелки на палочке" конечным пользователям всего за $499.

Ничего удивительного − впервые в истории потребительская электроника комплектовалась антеннам с фазированными решетками. Никто раньше не применял эту технологию в терминалах, производимых десятками тысяч.

Инженеры SpaceX в очередной раз доказали, что не зря получают свою зарплату. Им удалось уменьшить себестоимость сначала до $1500, а потом и до $1300. Пока она еще выше, чем продажная цена. Президент SpaceX, Гвинн Шотвелл считает, что еще до конца 2021 года компании удастся еще в два раза снизить себестоимость.

В отличие от производителей смартфонов, SpaceX не маркирует свое оборудование названием модели. Поэтому мы точно не знаем, какую сейчас версию терминала получают новые заказчики. Фанаты Starlink и Илона Маска считают, что Гвинн Шотвелл, анонсируя выход новой версии до конца года, имеет в виду уже третью модель.

Конечно, информация о Starlink terminal v3.0 не разглашается. Мы можем только догадываться, опираясь на интервью Илона Маска, Гвинн Шотвелл, Брета Джонсена и других представителей компании. А еще − на заявки, поданные американскому регулятору радиочастотного рынка − Федеральной комиссии по связи (FCC).

В текущей версии комплект оснащен одной антенной круглой формы, диаметром в 58,42 см. Третья версия (судя по заявлению, поданному в FCC) будет комплектоваться двумя антеннами квадратной формы. Сторона квадрата − 31 см.

Теперь понятно, как именно инженеры SpaceX собираются уменьшить себестоимость оборудования в два раза. Две маленькие фазированные решетки стоят дешевле, чем одна большая. Ведь в них нужно синхронизировать работу меньшего количества элементов. Соответственно, сократится и расход драгоценных микросхем.

Двухантенная схема, по крайней мере, в теории, способна еще и вдвое повысить пропускную способность. Ведь тогда терминал сможет одновременно обмениваться данными с двумя спутниками. Но, скорее всего, этого не будет. Той скорости, которую Starlink показывает сейчас, вполне достаточно для рядовых пользователей. Антенны, очевидно, будут использоваться для плавного перехода с одного космического аппарата на другой. По мере того как спутники будут выходить из зоны видимости.

По всему видно, что Starlink 2.0 будет очень сильно отличаться от того, что представляли нам Илон Маск и Гвинн Шотвелл ранее. Нельзя сказать, что проект стал хуже. Но он резко изменил вектор своего развития.

Отметим также, что Маск все реже говорит о колонизации Марса. И все больше его компания SpaceX становится похожей на обычную транснациональную корпорацию. Такую, как Гугл, Амазон или Майкрософт. Нельзя сказать, что это плохо. Но все мы ожидали немного другого. Мы ждали подготовки к колонизации чужой планеты. Реализации смелых мечт визионера, меняющих саму суть нашей цивилизации. А получаем, видимо, обычный коммерческий продукт. Хороший, быстрый, качественный и дорогой. Как новенький Айфон вместо машины времени.