一箭60星不仅6G 美太空军将能彻底瘫痪中俄洲际导弹?(组图)

2019-06-08 07:31 作者: 邢强

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6G 马斯克 太空军
(JIM WATSON/AFP/Getty Images)

【看中国2019年6月8日讯】(编者注:本文摘编选自邢强博士《小火箭对SpaceX星链计划低轨巨型星座的分析》)

北京时间公元2019年5月24日星期五,上午10点30分,SpaceX公司的一枚猎鹰9号运载火箭Block 5型B1049.3在卡纳维拉尔角第40发射场点火成功,随后将60颗星链计划的卫星推举升空。

2019年5月24日11点37分03秒,60颗卫星刚刚确定与第二级成功分离。

另,这枚猎鹰9号运载火箭的第一级是第3次使用,已成功回收,初步判定具备第4次使用条件。

回顾

1年零3个月之前(2018年2月),小火箭给出了《小火箭聊SpaceX的星链天基互联网星座》这份报告,对低轨星座的必要性、可行性进行了分析计算。并在全球范围内,率先给出了SpaceX公司的星链计划巨型低轨星座的天基互联网建设情况的轨道可视化视图。

SpaceX公司的11943颗星链计划准备这样搭建,基本上分三步走:

第一步:用1600颗卫星完成初步覆盖。

其中,前800颗卫星满足美国、加拿大和波多黎各等国的天基高速互联网的需求。这1600颗卫星分布在32条轨道上,每条轨道50颗卫星。轨道高度1150公里,轨道倾角53°。

第二步:用2825颗卫星完成全球组网。

这2825颗卫星分为4组。

第1组由1600颗卫星组成,布于32条轨道上,每条轨道50颗,轨道高度为1110公里;

第2组由400颗卫星组成,分布在8条轨道上,每条轨道50颗,轨道高度1130公里;

第3组由375颗卫星组成,分布在5条轨道上,每条轨道75颗,轨道高度1275公里;

第4组由450颗卫星组成,分布在6条轨道上,每条轨道75颗,轨道高度1325公里。

前两步的卫星总数量为4425颗,这些卫星工作在较为传统的Ka波段和Ku波段,力争以量取胜。

第三步:用7518颗卫星组成更为激进的低轨星座。

这些卫星的运行轨道比第一步和第二步的4425颗卫星的1110公里到1325公里轨道高度要更低,为340公里高度附近。

质疑与破疑

按小火箭的统计,人类自公元1957年开始拥有向太空发射人造地球卫星的能力以来,年均发射次数为85次。

质疑是这么来的:如果按照SpaceX在去年(2018年)2月份发射星链计划的丁丁A和丁丁B两颗技术验证卫星的节奏,一箭双星。

哪怕全世界的发射次数全由SpaceX公司来占据,并且全部用来发射星链计划的卫星,那么11943颗卫星,也至少需要5972次发射,以年均发射次数来算,至少需要70年才能完成如此庞大的星座的建设,这还不算期间的卫星损坏和再入大气需要的补网和补轨发射。

今天,质疑是这样被打破的:一箭60星!


60颗星链计划首批卫星是这样放到猎鹰9号运载火箭的整流罩里的。上图,分为两堆,每堆30颗扁平的卫星。单星质量:227公斤。(马斯克/SpaceX 推特)

当火箭和卫星都是自己家造的,而且卫星的产量还不小的时候,会有什么好处呢?

答:可以进行星箭一体优化,对卫星的外形和火箭的整流罩进行综合分析,最终形成能够最大限度利用运载火箭运力和整流罩内包络的方案。

传统的卫星平台,有自己单独优化的逻辑,通常是个大方盒子,外带翼状的太阳能帆板和锅状或者杆状、锥状的天线。这样的卫星,放入火箭的整流罩内,就会形成一些空间浪费。比如,如果星链计划的首批卫星按照传统卫星的方案来设计的话,同等质量的卫星,占据的体积就会比较大。

堆叠式设计,让小火箭想起了薯片。原本放置少量薯片就需要充氮气的大袋子,而当有一个比较坚固的圆筒的时候,薯片就可以用堆叠的方式以非常节省空间的形式存放起来了。不知SpaceX的工程师们是不是在吃筒装薯片的时候迸发出的灵感。

关于首批这60颗卫星,小火箭有什么要补充的?答:有的。在本文,仅补充十点。

第一,仅从载荷质量的角度来看(暂不考虑轨道类型),这次发射的工程技术难度也是非常高的。

实际上,这是SpaceX公司自2002年成立以来,发射的最重的载荷(对,比重型猎鹰的两次发射的载荷质量加起来还大)。

注:两次重型猎鹰运载火箭发射,第一次打的是马斯克本人的一辆红色特斯拉跑车,质量为1.25吨,第二次打的是6.465吨重的通信卫星。

60颗星链计划卫星,单星质量为227公斤,所以就算是用了开创新地无适配器和分离器设计,光这60颗卫星的发射质量,就已经达到了13.62吨!

这是什么概念?

SpaceX公司能够掌握的最大单个航天器的运载能力,是12.055吨重的载人版龙飞船。这一次可以说是在碰触工程师们目前的工程实践的极限了。

这次SpaceX公司的发射质量,干重13.62吨,加上少量附属器件,将近13.7吨。此次发射之后,从近地轨道角度来看,排除纸面数据,SpaceX公司和中国航天在实际发射过程中打的最大载荷质量,已经是旗鼓相当了。

第二,所有60颗卫星,均自带霍尔推进器。

有关离子电推进,详见小火箭的两份公号报告《离子发动机:星际远征的重要动力》《有关电推进发动机的几个设想》,本文不再赘述。

但是,小火箭发现,这次发射的60颗卫星对霍尔推进器的要求比较高:需要卫星们靠自己的推进器从440公里轨道高度抬升到550公里轨道高度。

这对于近地轨道的质量仅227公斤的卫星来说,是个巨大的工程挑战。

第三,而这次的60颗卫星的电推进发动机,工质用的是氪。

小火箭的电推进系列报告中已经指出,目前人类能够掌握的性能最好的离子电推进的工质是氙。(就是汽车大灯和体育场大灯里面充填的惰性稀有气体。)

而这次的60颗卫星的电推进发动机,工质用的是氪。这也就是为什么发射之前,SpaceX的部分员工穿上了超人的T恤的原因。氪星石在超人漫画中具有举足轻重的地位。

一些媒体按字面意思,直接翻译成:SpaceX公司的星链计划卫星的发动机据称采用了氪星技术。

这个就是把这个梗给直接译过来了,如果不加以解释,恐怕会引起误解。这是人类第一次在太空中以氪为工质,用霍尔电推进的方式来完成小卫星的变轨和组成星座的操作。

氪气的英文名和氪星接近,不过这个的确是人类在地球本土上诞生的科技。说起来,以氪作为工质,在离子电推进的性能方面,会有一些损失,但是相较于氙,氪的价格要低一些。考虑到星链计划的卫星超过1万颗,用氪来代替氙,虽然性能有损失,而且要有比较昂贵的研发成本,但是平摊到每一颗卫星上,还是很值的。

这也就是卫星能够大量生产之后的另外的好处:可以放心大胆地做一些投入比较高的技术研发。因为巨大的产量可以摊巨额的研发成本。而且,如上表所示,除了价格和丰度之外,氙与氪的其他性能,尤其是和离子电推进相关的性能,都没有量级程度的差别。

第四,今后的星链计划星座,不仅仅要服务于地球上还没有互联网接入的地区,还能够在人口稠密地区提供多样化的有竞争力的服务。

关于星链计划星座可能的6G应用,请看一箭60星!美国可能绕过5G直接升级到6G(图)

第五,星链计划的这首批60颗卫星,拥有巨大的太阳能帆板,如果完全展开并且能够有效工作的话,其总发电功率将会超过国际空间站!

折腾过高级路由器或者微波雷达的好友们应该有切身的体会:通信是耗电大户。

小火箭注:国际空间站的峰值总发电功率为120千瓦,常规发电总功率为84千瓦。

第六,这60颗卫星该怎样布置到轨道上呢?

卫星是扁平的长方形,长得像扑克牌。实际上,在部署过程中,也像发牌。

猎鹰9号运载火箭的第二级在要释放载荷的时候,会慢慢起旋,而这60颗卫星在制造的时候,就通过调整内部元器件而拥有不同的惯量。整个60颗卫星先以一个整体,与二级分离。随后,这些细微的转动惯量差别使得卫星慢慢地以有规律的间隔逐个逐次地完成释放过程。

第七,这60颗卫星在研制过程中,就考虑到了将来再入大气焚毁的问题。

在选材上,尽量少地采用难熔金属或者阻燃复合材料,而是努力做到在进入稠密大气后不久就完全烧毁(目前能够做到95%以上),以免带来再入碎片问题。

第八,带有离子电推进发动机的巨型星座,具备巨大军事潜力。


(Adobe Stock)

带有离子电推进发动机的星链计划卫星,能够实时接收到来自地面的太空碎片监控情况。必要的时候,能够自主进行最优规避轨道的在轨优化计算并实施变轨,以免被太空碎片击中后,自身形成更多碎片引发空间灾难。

这或许是巨型星座具备军事潜力的一个点:

能够接收地面指令;能够按最优轨道规避碎片,也就同时具备了按最优轨道拦截洲际弹道导弹弹头的能力。

2018年5月份的小火箭计算中心弹道对抗演习中,部署完成的星链星座完成了对来自某地经过北极上空飞向华盛顿、洛杉矶和西雅图的总计51枚核弹头的在轨拦截。

在2018年7月份进一步地饱和打击对抗演习中,星链星座对多达350枚洲际弹道导弹的弹头进行了拦截,全部成功。

单星拦截成功率略低于标准系列反导系统,但是配合地面陆基中段拦截弹,这个系统对于每颗弹头,都有5到7次的拦截机会,使得突防变得极其困难。

必要时,星链星座相邻的卫星,可以实施对撞自毁,产生上百个碎片,封锁整条轨道,甚至多星自毁可以布置成太空碎片网,显著削弱某些国家的二次核反击能力。

第九,星链计划Starlink的星座被寄予厚望,其未来十余年的持续盈利将为奔赴火星的星舰计划Starship提供资金支持。这是SpaceX公司减轻对资本市场的过度依赖的一次富有冒险精神的努力。

第十,这60颗卫星的生产,用了3个月的时间。如果在轨试运营情况良好,则生产会加速,达到年产和年发射1000颗卫星的速度。

军事

2019年2月,美国空军的相关人员拜访SpaceX,和公司的创始人马斯克还有公司的首席运营官奎恩・肖特薇儿(航天器热分析专家、工程数学家)一起探讨星链计划的低轨星座用于军事的可行性。

会后,美国空军向SpaceX赞助了2870万美元,扶持该公司把星链计划的应用场景拓展到军用。

实际上,按小火箭联合会的消息,早期的星链低轨技术验证试验,包括了卫星和美国空军战斗机的天线阵列进行直接互联的内容。

实际上,在2019财年,有2.15亿美元的专项军费,拨给了向商业航天企业寻求高速军用互联网的计划。

按目前的合同情况,毫无疑问,美国空军已经成为了星链计划的早期启动用户。有关星链计划低轨巨型星座对无人机数据链的直接支持和1万多颗在轨卫星对洲际弹道导弹弹头的直接碰撞式拦截的可行性分析,将有后续的报告。

火星

小火箭认为,低轨星座还有另外的好处,而且这个几乎很少有人提及:

那就是可以成为地外天体的通信基础设施建设的标准模式。无论是在月球、火星还是欧罗巴星或者泰坦星,环绕整个星球的可以拥有大单宽星间链路的星座,能够实现地外星球覆盖全球的高速通信和对地球的高可见度通信。

展望

算上其他公司的星座计划,到2027年,也就是人类把第一颗人造地球卫星送入太空70年的时候,人类在轨运营的卫星就将超过2万颗!

当然,这期间,在太空千万不要爆发战争。否则,一旦硬杀伤击毁若干卫星,就会产生大量碎片。这些碎片一定会击中更多卫星,从而引发不可逆的连锁反应,形成覆盖整个地球的碎片云,让子孙后代失去进入太空的机会。

所以,在低轨星座大量建设之后,对于反卫星的硬杀伤手段,一定要慎重。

在这个地球上,有些事情还是很复杂。我们在其中奋力拼搏,有时候互相协助,有时候则难免互相伤害。有时候哪怕是工程师,也难免会觉得疲惫和孤单。但愿人类对技术的追求的同时,能够让我们保留那份简单,找回那最淳朴的情感。技术本身,是小王子的沙漠玫瑰;是征战的骑士在战场上被刺落马下,躺在草地上最后一瞥的那片林木间的蓝天。

(文章仅代表作者个人立场和观点)

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