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一箭60星不僅6G 美太空軍將能徹底癱瘓中俄洲際導彈?

(編者註:本文摘編選自邢強博士《小火箭對SpaceX星鏈計劃低軌巨型星座的分析》)

北京時間公元2019年5月24日星期五,上午10點30分,SpaceX公司的一枚獵鷹9號運載火箭Block5型B1049.3在卡納維拉爾角第40發射場點火成功,隨後將60顆星鏈計劃的衛星推舉升空。

2019年5月24日11點37分03秒,60顆衛星剛剛確定與第二級成功分離。

另,這枚獵鷹9號運載火箭的第一級是第3次使用,已成功回收,初步判定具備第4次使用條件。

回顧

1年零3個月之前(2018年2月),小火箭給出了《小火箭聊SpaceX的星鏈天基互聯網星座》這份報告,對低軌星座的必要性、可行性進行了分析計算。並在全球範圍內,率先給出了SpaceX公司的星鏈計劃巨型低軌星座的天基互聯網建設情況的軌道可視化視圖。

SpaceX公司的11943顆星鏈計劃準備這樣搭建,基本上分三步走:

第一步:用1600顆衛星完成初步覆蓋。

其中,前800顆衛星滿足美國、加拿大和波多黎各等國的天基高速互聯網的需求。這1600顆衛星分佈在32條軌道上,每條軌道50顆衛星。軌道高度1150公里,軌道傾角53°。

第二步:用2825顆衛星完成全球組網。

這2825顆衛星分為4組。

第1組由1600顆衛星組成,佈於32條軌道上,每條軌道50顆,軌道高度為1110公里;

第2組由400顆衛星組成,分佈在8條軌道上,每條軌道50顆,軌道高度1130公里;

第3組由375顆衛星組成,分佈在5條軌道上,每條軌道75顆,軌道高度1275公里;

第4組由450顆衛星組成,分佈在6條軌道上,每條軌道75顆,軌道高度1325公里。

前兩步的衛星總數量為4425顆,這些衛星工作在較為傳統的Ka波段和Ku波段,力爭以量取勝。

第三步:用7518顆衛星組成更為激進的低軌星座。

這些衛星的運行軌道比第一步和第二步的4425顆衛星的1110公里到1325公里軌道高度要更低,為340公里高度附近。

質疑與破疑

按小火箭的統計,人類自公元1957年開始擁有向太空發射人造地球衛星的能力以來,年均發射次數為85次。

質疑是這麼來的:如果按照SpaceX在去年(2018年)2月份發射星鏈計劃的丁丁A和丁丁B兩顆技術驗證衛星的節奏,一箭雙星。

哪怕全世界的發射次數全由SpaceX公司來佔據,並且全部用來發射星鏈計劃的衛星,那麼11943顆衛星,也至少需要5972次發射,以年均發射次數來算,至少需要70年才能完成如此龐大的星座的建設,這還不算期間的衛星損壞和再入大氣需要的補網和補軌發射。

今天,質疑是這樣被打破的:一箭60星!

60顆星鏈計劃首批衛星是這樣放到獵鷹9號運載火箭的整流罩里的。上圖,分為兩堆,每堆30顆扁平的衛星。單星質量:227公斤。(馬斯克/SpaceX推特)

當火箭和衛星都是自己家造的,而且衛星的產量還不小的時候,會有什麼好處呢?

答:可以進行星箭一體優化,對衛星的外形和火箭的整流罩進行綜合分析,最終形成能夠最大限度利用運載火箭運力和整流罩內包絡的方案。

傳統的衛星平台,有自己單獨優化的邏輯,通常是個大方盒子,外帶翼狀的太陽能帆板和鍋狀或者桿狀、錐狀的天線。這樣的衛星,放入火箭的整流罩內,就會形成一些空間浪費。比如,如果星鏈計劃的首批衛星按照傳統衛星的方案來設計的話,同等質量的衛星,佔據的體積就會比較大。

堆疊式設計,讓小火箭想起了薯片。原本放置少量薯片就需要充氮氣的大袋子,而當有一個比較堅固的圓筒的時候,薯片就可以用堆疊的方式以非常節省空間的形式存放起來了。不知SpaceX的工程師們是不是在吃筒裝薯片的時候迸發出的靈感。

關於首批這60顆衛星,小火箭有什麼要補充的?答:有的。在本文,僅補充十點。

第一,僅從載荷質量的角度來看(暫不考慮軌道類型),這次發射的工程技術難度也是非常高的。

實際上,這是SpaceX公司自2002年成立以來,發射的最重的載荷(對,比重型獵鷹的兩次發射的載荷質量加起來還大)。

註:兩次重型獵鷹運載火箭發射,第一次打的是馬斯克本人的一輛紅色特斯拉跑車,質量為1.25噸,第二次打的是6.465噸重的通信衛星。

60顆星鏈計劃衛星,單星質量為227公斤,所以就算是用了開創新地無適配器和分離器設計,光這60顆衛星的發射質量,就已經達到了13.62噸!

這是什麼概念?

SpaceX公司能夠掌握的最大單個航天器的運載能力,是12.055噸重的載人版龍飛船。這一次可以說是在碰觸工程師們目前的工程實踐的極限了。

這次SpaceX公司的發射質量,乾重13.62噸,加上少量附屬器件,將近13.7噸。此次發射之後,從近地軌道角度來看,排除紙面數據,SpaceX公司和中國航天在實際發射過程中打的最大載荷質量,已經是旗鼓相當了。

第二,所有60顆衛星,均自帶霍爾推進器。

有關離子電推進,詳見小火箭的兩份公號報告《離子發動機:星際遠征的重要動力》《有關電推進發動機的幾個設想》,本文不再贅述。

但是,小火箭發現,這次發射的60顆衛星對霍爾推進器的要求比較高:需要衛星們靠自己的推進器從440公里軌道高度抬升到550公里軌道高度。

這對於近地軌道的質量僅227公斤的衛星來說,是個巨大的工程挑戰。

第三,而這次的60顆衛星的電推進發動機,工質用的是氪。

小火箭的電推進系列報告中已經指出,目前人類能夠掌握的性能最好的離子電推進的工質是氙。(就是汽車大燈和體育場大燈裏面充填的惰性稀有氣體。)

而這次的60顆衛星的電推進發動機,工質用的是氪。這也就是為什麼發射之前,SpaceX的部分員工穿上了超人的T恤的原因。氪星石在超人漫畫中具有舉足輕重的地位。

一些媒體按字面意思,直接翻譯成:SpaceX公司的星鏈計劃衛星的發動機據稱採用了氪星技術。

這個就是把這個梗給直接譯過來了,如果不加以解釋,恐怕會引起誤解。這是人類第一次在太空中以氪為工質,用霍爾電推進的方式來完成小衛星的變軌和組成星座的操作。

氪氣的英文名和氪星接近,不過這個的確是人類在地球本土上誕生的科技。說起來,以氪作為工質,在離子電推進的性能方面,會有一些損失,但是相較於氙,氪的價格要低一些。考慮到星鏈計劃的衛星超過1萬顆,用氪來代替氙,雖然性能有損失,而且要有比較昂貴的研發成本,但是平攤到每一顆衛星上,還是很值的。

這也就是衛星能夠大量生產之後的另外的好處:可以放心大膽地做一些投入比較高的技術研發。因為巨大的產量可以攤巨額的研發成本。而且,如上表所示,除了價格和丰度之外,氙與氪的其他性能,尤其是和離子電推進相關的性能,都沒有量級程度的差別。

第四,今後的星鏈計劃星座,不僅僅要服務於地球上還沒有互聯網接入的地區,還能夠在人口稠密地區提供多樣化的有競爭力的服務。

關於星鏈計劃星座可能的6G應用,請看一箭60星!美國可能繞過5G直接升級到6G(圖)

第五,星鏈計劃的這首批60顆衛星,擁有巨大的太陽能帆板,如果完全展開並且能夠有效工作的話,其總發電功率將會超過國際空間站!

折騰過高級路由器或者微波雷達的好友們應該有切身的體會:通信是耗電大戶。

小火箭註:國際空間站的峰值總發電功率為120千瓦,常規發電總功率為84千瓦。

第六,這60顆衛星該怎樣布置到軌道上呢?

衛星是扁平的長方形,長得像撲克牌。實際上,在部署過程中,也像發牌。

獵鷹9號運載火箭的第二級在要釋放載荷的時候,會慢慢起旋,而這60顆衛星在製造的時候,就通過調整內部元器件而擁有不同的慣量。整個60顆衛星先以一個整體,與二級分離。隨後,這些細微的轉動慣量差別使得衛星慢慢地以有規律的間隔逐個逐次地完成釋放過程。

第七,這60顆衛星在研製過程中,就考慮到了將來再入大氣焚毀的問題。

在選材上,盡量少地採用難熔金屬或者阻燃複合材料,而是努力做到在進入稠密大氣後不久就完全燒毀(目前能夠做到95%以上),以免帶來再入碎片問題。

第八,帶有離子電推進發動機的巨型星座,具備巨大軍事潛力。

 

(Adobe Stock)

 

帶有離子電推進發動機的星鏈計劃衛星,能夠實時接收到來自地面的太空碎片監控情況。必要的時候,能夠自主進行最優規避軌道的在軌優化計算並實施變軌,以免被太空碎片擊中後,自身形成更多碎片引發空間災難。

這或許是巨型星座具備軍事潛力的一個點:

能夠接收地面指令;能夠按最優軌道規避碎片,也就同時具備了按最優軌道攔截洲際彈道導彈彈頭的能力。

2018年5月份的小火箭計算中心彈道對抗演習中,部署完成的星鏈星座完成了對來自某地經過北極上空飛向華盛頓、洛杉磯和西雅圖的總計51枚核彈頭的在軌攔截。

在2018年7月份進一步地飽和打擊對抗演習中,星鏈星座對多達350枚洲際彈道導彈的彈頭進行了攔截,全部成功。

單星攔截成功率略低於標準系列反導系統,但是配合地面陸基中段攔截彈,這個系統對於每顆彈頭,都有5到7次的攔截機會,使得突防變得極其困難。

必要時,星鏈星座相鄰的衛星,可以實施對撞自毀,產生上百個碎片,封鎖整條軌道,甚至多星自毀可以布置成太空碎片網,顯著削弱某些國家的二次核反擊能力。

第九,星鏈計劃Starlink的星座被寄予厚望,其未來十餘年的持續盈利將為奔赴火星的星艦計劃Starship提供資金支持。這是SpaceX公司減輕對資本市場的過度依賴的一次富有冒險精神的努力。

第十,這60顆衛星的生產,用了3個月的時間。如果在軌試運營情況良好,則生產會加速,達到年產和年發射1000顆衛星的速度。

軍事

2019年2月,美國空軍的相關人員拜訪SpaceX,和公司的創始人馬斯克還有公司的首席運營官奎恩・肖特薇兒(航天器熱分析專家、工程數學家)一起探討星鏈計劃的低軌星座用于軍事的可行性。

會後,美國空軍向SpaceX贊助了2870萬美元,扶持該公司把星鏈計劃的應用場景拓展到軍用。

實際上,按小火箭聯合會的消息,早期的星鏈低軌技術驗證試驗,包括了衛星和美國空軍戰鬥機的天線陣列進行直接互聯的內容。

實際上,在2019財年,有2.15億美元的專項軍費,撥給了向商業航天企業尋求高速軍用互聯網的計劃。

按目前的合同情況,毫無疑問,美國空軍已經成為了星鏈計劃的早期啟動用戶。有關星鏈計劃低軌巨型星座對無人機數據鏈的直接支持和1萬多顆在軌衛星對洲際彈道導彈彈頭的直接碰撞式攔截的可行性分析,將有後續的報告。

火星

小火箭認為,低軌星座還有另外的好處,而且這個幾乎很少有人提及:

那就是可以成為地外天體的通信基礎設施建設的標準模式。無論是在月球、火星還是歐羅巴星或者泰坦星,環繞整個星球的可以擁有大單寬星間鏈路的星座,能夠實現地外星球覆蓋全球的高速通信和對地球的高可見度通信。

展望

算上其他公司的星座計劃,到2027年,也就是人類把第一顆人造地球衛星送入太空70年的時候,人類在軌運營的衛星就將超過2萬顆!

當然,這期間,在太空千萬不要爆發戰爭。否則,一旦硬殺傷擊毀若干衛星,就會產生大量碎片。這些碎片一定會擊中更多衛星,從而引發不可逆的連鎖反應,形成覆蓋整個地球的碎片雲,讓子孫後代失去進入太空的機會。

所以,在低軌星座大量建設之後,對於反衛星的硬殺傷手段,一定要慎重。

在這個地球上,有些事情還是很複雜。我們在其中奮力拚搏,有時候互相協助,有時候則難免互相傷害。有時候哪怕是工程師,也難免會覺得疲憊和孤單。但願人類對技術的追求的同時,能夠讓我們保留那份簡單,找回那最淳樸的情感。技術本身,是小王子的沙漠玫瑰;是征戰的騎士在戰場上被刺落馬下,躺在草地上最後一瞥的那片林木間的藍天。

阿波羅網責任編輯:李華 來源:小火箭微信公眾號 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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