Starlink: чистота и порядок на орбите

За три дня до нового, 2022 года Министерство иностранных дел КНР обвинило США в игнорировании договоров о космосе. Чжао Лицзянь, представитель китайского МИД, заявил, что чрезмерные амбиции Илона Маска чуть не привели к гибели астронавтов. Чтобы избежать столкновения со спутниками Starlink, китайской пилотируемой космической станции пришлось дважды совершать маневры уклонения.

Это не первое и далеко не последнее обвинение, прозвучавшее в сторону группировки Starlink и Илона Маска лично. Конкуренты, общественные деятели и даже целые страны стараются помешать проекту. SpaceX готова им противостоять. У Илона Маска с самого начала был план.

Все спутники находятся под управлением наземного центра. Каждый космический аппарат способен на протяжении пяти − семи лет менять траекторию полета. Чтобы "уступить дорогу" пилотируемым аппаратам или другим спутникам. А после завершения срока службы их планомерно сведут с орбиты. Каждый спутник Starlink, отслуживший свой срок, сгорит в атмосфере. Илон Маск даже предусмотрел такой нюанс, как уменьшение альбедо (характеристика отражательной способности поверхности − ред.). Спутники не будут мешать астрономам и влюбленным любоваться ночным небом.

Давайте узнаем детали плана Илона Маска.

Глобальный план Илона Маска − сделать человечество мультипланетной цивилизацией. Основать колонию на другой планете, которая могла бы существовать даже если жизнь на самой Земле исчезнет. Звучит слишком пафосно, да?

SpaceX не держит в секрете свою "дорожную карту". И, что самое важное, шаг за шагом выполняет пункты своего плана. Иногда быстрее, иногда с задержками, как при испытаниях Starship. Но компания продолжает движение к своей цели.

Главное: в планы Илона Маска точно не входит засорение орбиты космическим мусором, создание помех для астрономических исследований. И тем более он не собирается создавать даже малейшие помехи для пилотируемой космонавтики.

Создание глобальной спутниковой группировки было первоначальной целью SpaceX. Илон Маск купил долю в компании Surrey Satellite Technology еще в 2004. Сразу после того, как основал SpaceX. Поэтому можно сказать, что коммерческие запуски Falcon 9 были необходимы только для того, чтобы получить деньги на собственную спутниковую группировку.

У проекта Starlink две главные цели:

1. Создать полностью рабочую услугу в отдельных регионах Земли

a) Запустить достаточно спутников, чтобы покрыть значимые участи поверхности планеты

b) Построить наземные базовые станции, создать терминал, начать продавать услугу

2. Увеличивать спутниковую группировку на орбите, полностью покрыв всю поверхность планеты

3. По мере эксплуатации системы совершенствовать каждый ее компонент.

a) Разрабатывать новые спутники, наземные базовые станции, пользовательские терминалы

b) Получать разрешение от местных государственных регуляторов на продажу услуги на территории отдельных стран мира

4. Постепенно заменять спутники в группировке. Сводить с орбиты устаревшие, сжигая их в атмосфере, запускать новые

a) Второе поколение спутников − с возможностью обмена данными между космическими аппаратами по лазерному лучу

b) Освоение L-диапазона, позволяющего получить более защищенную и надежную передачу данных между спутником и Землей

5. Создать оператора связи, способного по цене, скорости и качеству связи конкурировать с наземными кабельными операторами.

Чтобы добиться своей цели, Илон Маск должен очень тесно сотрудничать с государственными органами и правительственными организации по всему миру. Поэтому ему изначально следовало бы продумать решение всех проблем. В первую очередь − экологических и имиджевых. И он справился с этой задачей.

Инженеры SpaceX сумели найти целый ряд гениальных решений. Конечно, они не могли заранее предугадать все трудности, с которыми придется столкнуться. Но они сумели создать систему, позволяющую изменять и совершенствовать спутниковую группировку с наименьшими затратами.

Каждый запуск по программе Starlink транслируется в прямом эфире. В самом конце пакет из 60 спутников отделяется от второй ступени ракеты-носителя. На этом трансляция заканчивается. Но, в инженерном плане, именно в этот момент начинается самое интересное.

Спутники отлетают от ракеты, как стопка игральных карт из руки крупье. В отличие от аппаратов в других проектах, они не расходятся сразу. SpaceX не использует механизмы разделения непосредственно во время отрыва от ракеты-носителя. Инженеры ждут, когда спутники отойдут друг от друга на безопасное расстояние сами по себе, под действием инерции и гравитации. И только тогда на аппаратах включатся их собственные двигатели. Это позволяет экономить деньги на устройствах разделения.

Дальше спутники двигаются за счет собственных двигателей. Про эти творения инженерной мысли стоит сказать пару слов.

Работают на эффекте Холла. Ионы инертного газа разгоняются в осевом направлении под воздействием электростатического поля. Электричество на орбите ресурс возобновляемый, его генерируют солнечные батареи. Но рабочее тело, инертный газ, это ресурс конечный. Его количество определяет срок службы спутника. Как только рабочее тело закончится, аппарат превратится в неуправляемый космический мусор. Если, конечно, не свести его с орбиты немного раньше.

Обычно в двигателях на эффекте Холла используется ксенон. При одинаковом расходе электроэнергии он дает большую тягу, по сравнению с другими инертными газами. Но в SpaceX экономят на всем. Поэтому спутники Starlink используют криптон вместо ксенона. Ведь в США за литр промышленного ксенона просят примерно $9,2. А литр криптона можно купить за $1,4.

Разница может показаться небольшой. Но в масштабе группировки с десятками тысяч аппаратов она становится ощутимой. Точно не известно, какова вместительность баков у спутников Starlink. Но элементарные подсчеты показывают, что на каждом аппарате должно быть не менее 12 литров криптона.

Из таких мелочей и складывается экономичность космической программы Илона Маска. Поэтому SpaceX может позволить себе потратить часть средств на расчистку орбиты.

После того как спутники удалились на достаточно большое расстояние друг от друга, чтобы можно было безопасно раскрыть солнечные батареи, инженеры SpaceX начинают передавать на них команды.

Аппараты включают двигатели и начинают подъем вверх.

Но аппараты не сразу занимают свое место на рабочей орбите в 540-570 км. Сначала они поднимаются на так называемую "парковочную орбиту". Она находится на высоте примерно в 380 км. Это нужно под двум причинам:

То есть, у Илона Маска есть план на каждый случай. Если спутник выйдет из строя, на каждом этапе его жизненного цикла есть механизм, позволяющий быстро свести его с орбиты. Чтобы аппарат сгорел в атмосфере, а не превратился в космический мусор.

После того как спутник займет свое место в горизонтальной плоскости, его поднимают на рабочую высоту. Такую же технологию использует главный конкурент SpaceX − британский проект OneWeb. У них спутники тоже начинают подъем на рабочую орбиту только после того, как их распределят по орбитам в горизонтальной плоскости.

На этот маневр космические аппараты тратят больше всего топлива.

Но что будет, если на дороге у спутника, летящего со скоростью 7,70 км/сек (27 720 км/час) появится другой объект? А если это будет космический аппарат, несущийся с такой же скоростью? Ничего страшного не случится.

Во-первых, каждый спутник Starlink оборудован системой уклонения под управлением искусственного интеллекта. Во-вторых, траекторию его движения можно изменить по команде из центра управления полетами. Надежность работы этих систем подтвердил не кто-нибудь, а прямой конкурент Илона Маска − представитель компании OneWeb. Вот, что произошло.

В пятницу, 2 апреля 2021 года траектории полета спутников OneWeb и Starlink сблизились до сверхкритического расстояния − 59 метров. Представители компаний связались и совместно решили проблему. Инженеры Starlink отключили на своем аппарате автоматическую систему предотвращения столкновений. Чтобы он остался на траектории и не реагировал на маневры встречного спутника. В это же время космический аппарат OneWeb совершил маневр уклонения.

То есть, современные системы навигации позволяют центрам управления полетов заранее предсказывать ситуации опасного сближения. У инженеров есть время на то, чтобы обсудить возможные решения и предпринять действия.

"Стороны ясно дали понять, что не было никакого “возможного столкновения”. SpaceX и OneWeb успешно скоординировали свои действия, что привело к положительному результату", — сообщается в пресс-релизе SpaceX.

На каждом этапе проекта находилось достаточно скептиков, считавших, что он потерпит провал. Они говорили, что создание низкоорбитальной группировки такого размера в принципе невозможно. Потому, что срок жизни космического аппарата на НОО (Низкая околоземная орбита − ред.) слишком мал.

Земная гравитация постоянно тянет его вниз. Поэтому приходится расходовать слишком много топлива для поддержания текущей рабочей орбиты. По подсчетам скептически настроенных специалистов, спутники за такой короткий период времени просто не смогут себя окупить.

Инженеры SpaceX, похоже, нашли решение этой проблемы. Они не стали спорить, а приняли условия задачи как данность, которую невозможно изменить. Вот, что они сделали.

Вот мы и подошли к самому главному. Спутники Starlink не превратятся в космический мусор просто потому, что к ним изначально другое отношение. В то время как другие операторы дорожат каждым аппаратом и стараются использовать его как можно дольше, SpaceX изначально планирует сжигание спутников в атмосфере. Их сводят с орбиты сразу после обнаружения любого недостатка.

Вот он, главный секрет плана Илона Маска − SpaceX относится к спутникам, как к расходному материалу. Для них космические аппараты, это не "машина", а "топливо", питающее глобальную систему связи.

Даем слово конкуренту:

Поэтому можно сказать с полной уверенностью − инженеры SpaceX не допустят, чтобы спутники превращались в космический мусор. Кстати о нем.

Спутник связи, даже в нерабочем состоянии, не представляет большой угрозы для других космических аппаратов. Он достаточно большой для того, чтобы его засекли радары. Перемещения каждого спутника еще и отслеживаются с Земли. Да вы и сами можете это делать. Достаточно зайти на любой трекер звездного неба, чтобы увидеть, где именно находятся все аппараты Starlink и в каком они состоянии.

Мусор − это мелкие обломки. То, что сложно обнаружить радаром космического аппарата или отследить с Земли. Именно они представляют большую угрозу для освоения орбитального пространства. Например, в Минобороны России подтвердили, что 15 ноября было проведено испытание, в результате которого был поражен недействующий российский космический аппарат "Целина-Д", находившийся на орбите с 1980-х годов. В результате образовалось около 1500 мелких обломков, которые и несут угрозу МКС и другим космическим аппаратам.

Инженеры SpaceX постоянно экспериментируют. Они прекрасно понимают, что "пунктирные линии" из спутников, пересекающие ночное небосвод, не улучшат имидж проекта. Поэтому они испытывали разные технологии. Вначале экспериментировали с разными красками, чтобы уменьшить альбедо. Но позже они остановились на другой технологии.

Оказалось, что больше всего солнечного света отражают поверхности антенн спутника. Покрасить их не получится − изменятся приемо-передающие характеристики. Поэтому инженеры решили прикрыть их от попадания солнечного света. На поверхности спутника устанавливается устройство, получившее название "солнечный козырек" (sun visor).

Инженеры также заметили, что лучше всего спутник видно с Земли во время подъема его на рабочую орбиту. Этот процесс занимает примерно неделю после запуска. Илон Маск решил, что нужно изменить параметры траектории ракеты-носителя. Он сказал: "Моя цель состоит в том, чтобы сделать спутники невидимыми в течение первых семи дней и свести к минимуму влияние на астрономию".

Удалось ли SpaceX сделать спутники невидимыми? Проверьте сами − и попробуйте найти их на ночном небе. Их там уже почти две тысячи.

Каждый маневр в космосе − это расход топлива. То есть, сокращение срока службы космических аппаратов. Большинство из них не могут дозаправиться на орбите. А чтобы дозаправить китайскую космическую станцию Тяньгун, нужно провести дорогостоящий запуск.

SpaceX серьезно опережает всех своих конкурентов по стоимости запусков и цене самих космических аппаратов. Поэтому они недовольны. Конкуренты, в том числе и правительства некоторых стран, делают все возможное, чтобы лишить SpaceX преимущества.

Космическая гонка продолжается. Илон Маск сейчас вырвался вперед на пол корпуса. Отстающие конкуренты используют нерыночные методы для того, чтобы догнать лидера. В первую очередь − пытаются изменить имидж Starlink. Но в маркетинге Илон Маск чувствует себя еще лучше, чем в космических технологиях. Его Тесла производит меньше автомобилей, чем "старые" автокомпании. Но превосходит их по рыночной капитализации. Не потому, что сами машины лучше. Просто Маск лучше старожилов работает с маркетингом.

Кто бы ни победил в космической гонке, будь то Starlink, OneWeb или другая компания, в выигрыше окажемся мы с вами. Получим дешевый и быстрый интернет со спутника в любой точке мира.