另一个巨大的SpaceX项目，算术和常识

上周，SpaceX向美国联邦通信委员会（FCC）提交了允许发射4425颗卫星的请求，引起了另一场轰动。如果仔细阅读文档，它会显示“ 4425颗卫星（每个轨道平面最多有两个备用卫星）”，也就是说，在83个轨道平面上，卫星群最多只能制造4591颗卫星。如此庞大的数量在现有卫星系统中没有类似物，并对该项目的可行性提出了合理的怀疑。让我们尝试找出答案。

一般资讯

SpaceX应用程序可在FCC网站上公开获得，任何人都可以完整下载并了解它。我将引用最重要的观点。下表列出了创建卫星星座的阶段，轨道平面，卫星的数量，轨道的高度及其倾斜度：



在卫星从轨道下降的那一章的另一个表中，显示了卫星的尺寸和重量。



卫星经过精心设计，地面用户只能使用位于地平线上方40°以上的设备，这样卫星的能见度半径将为1060 km

算术运算

为了了解规模，现在大约有四千五百颗卫星在轨，其中约有一千五千颗正在运行。如果完全实施Mask项目，则工作卫星的数量将增加四倍。

该申请指出，一颗卫星的活跃生存期为5至7年。因此，已经部署的星座每年将需要补充632至885颗卫星。让我们尝试在Falcon 9运载火箭的发射中重新计算这个数字，但是我们不能仅仅将Falcon 9的官方承载能力22800 kg除以386 kg的应用指定的卫星质量。首先，这种有效载荷表示为高200 km的低地球轨道。 SpaceX通信卫星的工作轨道为1110至1135 km，这需要额外的燃料。根据设计的不同，运载火箭在接近参数同步高度为600-800 km的太阳同步轨道时，将其有效载荷的1/2至3/4发射到低地球轨道。其次第一阶段的一次性版本显示有效载荷为22,800 kg。如果您将燃料供应留在第一阶段着陆，则有效载荷的质量将下降。猎鹰9号在低地球轨道（DOE）上没有很重的负载，但是进入地理转换轨道的近5吨的输出重量可以非常粗略地估算出DOE的最大有效载荷15吨，并以平均水平的2/3在1/2至3/4之间，将约10吨的卫星送入通信卫星的目标轨道。我们计划将10颗重900公斤的铱星NEXT卫星送入近极轨道，这一事实证实了我们的计算。从每架分配器的10吨临时重量中减去1吨重量，这将使卫星在其轨道上的位置繁殖，并用9吨重量除以386千克中的一颗卫星的质量，每枚Falcon 9 FT发射，我们获得的理论最大有效载荷为23颗卫星。因此，要发射632-885颗卫星，我们每年需要发射28-39颗卫星。也就是说，在最佳情况下，一个火箭将不得不每月启动2-4次，这样卫星系统才能继续工作。但是您和我完全没有考虑到卫星的大小-事实是23颗这样的卫星绝对不会装在运载火箭上。

我们打开了 Falcon 9火箭的有效载荷指令，在第36页上，我们看到了整流罩的尺寸：

从上表中，我们知道卫星的长度，宽度和高度-4.0x1.8x1.2米。如果我们开始将它们布置在整流罩中，那么就不可能在高4米的高度上放置超过两排的卫星，并且不能在一排中放置四颗以上的卫星：



因此，我们在一枚火箭上不能放置八颗以上的卫星。为了使每年的632-885颗卫星保持系统正常运行，我们需要发射79-111颗卫星-每周发射一枚半到两枚。为了发射东西，我们将需要能够每天生产1.7-2.4颗卫星的工厂设施。

如果SpaceX希望在一年内至少部署1600颗卫星系统的第一阶段，那么他们将不得不每周发射4枚火箭。即使您部署了4年的第一阶段，您也将需要每周发射一枚火箭，每天生产多于一颗卫星。生产和发射作业的强度比我们在实际太空探索中观察到的强度大几个数量级。

不快，不移动，也不免费

没有阿拉斯加的美国区域适合一个5000x2500公里的矩形，而六颗卫星就足以覆盖整个范围。但是，由于卫星将处于约一千公里的高度，因此它们将很快移动，因此，新卫星应代替那些离开地平线的卫星。原则上，对于美国（以及同时在北纬50°和南纬50°之间的其他国家）的连续覆盖，大约100-150颗卫星就足够了，显然，第一阶段的1600个和4425个完整分组表明，这些卫星将工作在较小范围内，半径约为100-300 km。但具有讽刺意味的是，在人口稠密的地区，即使这样的地区也将占很大的人口。每个卫星的客户越多，每个人获得的速度就越小，因此，原则上只有少数用户才能实现千兆位速度。该申请指出，卫星将在它们之间的光学范围内交换信息。如今，这项技术处于单个实验的水平，尽管它有望提供比无线电范围更高的速度，但它将需要开发和生产新型复杂的设备，因此卫星将不会便宜。该申请还声称，在卫星系统的第一阶段，将建立200个地面站，以接收/传输数据到地面Internet和2个MCC，以控制卫星星座。对卫星和地面设备本身的投资将必须达到数百亿美元，因此没有真正的希望。这样的互联网将免费发放。最后，卫星将与Ku和Ka频段的用户通信，该频段的移动天线是可以安装在例如汽车上的天线。


Ka-


Ku-

考虑到卫星在移动，天线要么必须陪伴它们，这需要昂贵的带有导向系统的天线，要么是其锥角为100°的波束图，这可能会使它们变得更大。如果您回想起卫星电话，它们的特点是大天线，同时在不同的频段（L频段）工作并提供低速（语音，SMS和低速Internet）。最后，不要忘了，即使在最佳情况下，当用户发出的信号仅通过一颗卫星进入地面节点时，他也将不得不单向覆盖3000公里（距卫星1000公里* sqr（2）* 2 ），并且距离必须相等。当然，这比对地静止轨道要好36,000公里，但是在人们的感知水平上，通过卫星电话通话的延迟是显而易见的，当然，有线或蜂窝Internet的速度将大大加快。总的来说，如果有人突然感到高兴的是，SpaceX通信系统将为每台智能手机提供免费的千兆互联网，那么这是一个非常强烈的误解。

已经

奇怪的是，已经存在类似的新闻。例如，2014年，新闻机构写道，马斯克希望通过发射700颗重100千克的卫星，为所有人提供互联网。如我们所见，在过去两年中，卫星的质量和数量都变得越来越大。甚至还要再等几年，看看在2019年该地区有什么新闻在等待我们，这是很好奇的。根据申请，该小组计划开始部署。

但实际上

在现有系统中，铱星卫星通信系统在轨道参数，卫星数量和SpaceX项目的目的方面最为相似。在1990年代初期，出现了77颗卫星的想法，它们将处于极轨道，并提供对整个地球表面的连续覆盖。在77个系统中，系统的名称诞生了-化学元素铱的原子序数为77。但是，在开发过程中，所需的卫星数量已减少到66个。雄心勃勃的计划得到当时通讯系统的领先者之一摩托罗拉的支持。对于卫星的生产，使用了创新的解决方案-特殊的多轴悬架，这使得在数周而不是数月内组装卫星成为可能，并将其成本降低到“仅” 500万美元。



第一颗卫星于1997年发射，1998年，美国副总统阿尔·戈尔举行了历史性的首次对话。但是，在系统完全部署之前，通信一直在中断。此外，通话费用高昂，卫星电话昂贵而笨重，管理人员犯了错误。结果，铱铱SSC于1999年8月申请破产。在2000年，该公司只有负责将卫星带出轨道的员工。价值约70亿美元的辉煌梦想即将结束。美国国防部提出了一份每年1亿美元的通信合同，以及一群私人投资者以3500万美元购买资产的提议挽救了局势。 2001年，铱星再次诞生。为了达到收支平衡点，需要6万个客户。到2007年，他们的数量已超过16万。目前，最初的卫星由于老化而逐渐失效，备用卫星已经失效，通信中断再次在系统中开始，尤其是在卫星之间的距离最大的赤道区域。 2010年，铱星公司与SpaceX签署了一项协议，当时以创纪录的4.92亿美元，发射了70枚新一代铱星NEXT卫星。最初，计划于2015年在Falcon 9 FT火箭上发射头十颗卫星，但最初转移到2016年，现在由于最近的Falcon 9事故可能已转移到2017年。备用天线已经结束，通信中断再次在系统中开始，特别是在卫星之间的距离最大的赤道区域。 2010年，铱星公司与SpaceX签署了一项协议，当时以创纪录的4.92亿美元，发射了70枚新一代铱星NEXT卫星。最初，计划于2015年在Falcon 9 FT火箭上发射前十颗卫星，但最初转移到2016年，现在由于最近的Falcon 9事故可能已转移到2017年。备用天线已经结束，通信中断再次在系统中开始，特别是在卫星之间的距离最大的赤道区域。 2010年，铱星公司与SpaceX签署了一项协议，当时以创纪录的4.92亿美元，发射了70枚新一代铱星NEXT卫星。最初，计划于2015年在Falcon 9 FT火箭上发射前十颗卫星，但最初转移到2016年，现在由于最近的Falcon 9事故可能已转移到2017年。最初，计划于2015年在Falcon 9 FT火箭上发射头十颗卫星，但最初转移到2016年，现在由于最近的Falcon 9事故可能已转移到2017年。最初，计划于2015年在Falcon 9 FT火箭上发射头十颗卫星，但最初转移到2016年，现在由于最近的Falcon 9事故可能已转移到2017年。



铱星通信系统以每秒2.2-3.8 kb的速度（使用非常强的压缩力）和平均1.8秒的延迟提供语音通信。传输数据时，速度约为每秒2.2 KB，但文本或HTML可以高达10 kbit / s的速度传输。他们承诺铱IEXT的数据传输速率将达到每秒1.5兆比特。卫星通信并不便宜-从Iriduim电话通话一分钟的费用估计为0.75-1.5美元，而从固定电话或移动电话拨打卫星电话的费用每分钟可能高达4美元。此外，对于通话，您需要离开建筑物-电话无法穿透天花板。但是对于那些在远离文明的地方工作的人来说，这些缺点是没有原则的-从原则上讲，联系“大陆”的可能性比不便之处要大得多。

结论

推测出现这种庞大项目的原因几乎没有道理。也许马斯克希望将注意力从最近发生的事故中转移出来。也许他非常认真地高估了自己的能力。更为实用的说法是，让整个世界赞叹和期待新的奇迹是一种平庸的公关。如果我们找出做出明显决定的原因，那将不会很快。但是，与最近的火星计划一样，支持4425颗在轨卫星的想法只能在非常短的版本中实现。但是，与火星的殖民化不同，其中很可能会有来自客户的收入。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN399245/