快3走势图:SpaceX的免費wifi要來了?中俄洲際導彈卻面臨“失效”

來源:快報
責任編輯:魯曉倩
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小火箭出品

本文作者:邢強博士

本文共11575字,101圖。預計閱讀時間:1小時15分鐘。

剛剛(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Block 5型B1049.3在卡納維拉爾角第40發射場點火成功,隨后將60顆星鏈計劃的衛星推舉升空。

在本文發布之前1秒(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。

這是:

第1次:實用版星鏈計劃衛星的首次發射;

第3次 :B1049獵鷹9號可重復使用運載火箭第一級的第3次使用;

第5次: 今年(2019年)獵鷹9號運載火箭的第5次發射;

第6次: 今年SpaceX公司的第6次火箭發射;

第60顆: 一口氣,一箭60星;

第71次: 獵鷹9號系列運載火箭的總第71次發射;

第78次: SpaceX公司的第78次火箭發射。

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。

并在全球范圍內,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公司的星鏈計劃準備這樣搭建,基本上分三步走:

11943顆

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。

小火箭風格:這1600顆衛星分布在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。

小火箭風格:這2825顆衛星分為4組。

第1組由1600顆衛星組成,布于32條軌道上,每條軌道50顆,軌道高度為1110公里,軌道傾角為53.8°;

第2組由400顆衛星組成,分布在8條軌道上,每條軌道50顆,軌道高度1130公里,軌道傾角為74°;

第3組由375顆衛星組成,分布在5條軌道上,每條軌道75顆,軌道高度1275公里,軌道傾角為81°;

第4組由450顆衛星組成,分布在6條軌道上,每條軌道75顆,軌道高度1325公里,軌道傾角為70°。

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。

隨后,在不到半個月的時間內,中國航天科技集團航天咨詢聯合小火箭一起,主辦了2018年的低軌星座論壇。

小火箭有幸主持會議,與會單位和團體有小火箭聯合會、中國航天科技集團鴻雁星座、中國航天科工集團虹云工程、中國衛通集團、中國長城工業集團、瑞典空間公司、藍箭航天、神州企業家俱樂部等。

在這個總師和總裁云集的小范圍沙龍中,大家對當下和未來的低軌星座進行了深入的探討。

(本次討論為近期的一些低軌星座計劃奠定了合作基礎,同時,這也是小火箭的學術與技術沙龍罕有的全程對外直播。)

轉眼之間,到了2019年的5月份。咱們當年預測和分析的事情,開始逐漸變為現實。

本文,小火箭繼續和大家探討這第一批較成規模的星鏈計劃衛星的部署相關的問題:

這么多衛星怎樣上的天?

使用了怎樣的運載火箭?

星鏈計劃1年前的那兩顆技術驗證星,得到了怎樣的結果?

星鏈計劃這1年多來,有沒有調整?

星鏈計劃的商業應用場景;

星鏈計劃的軍事應用場景;

星鏈計劃的月球和火星應用展望;

潛在的機遇和挑戰。

注:本報告的引用格式

《小火箭對SpaceX星鏈計劃低軌巨型星座的分析》[M/OL],邢強,小火箭微信公眾號,2019.5

衛星

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。

質疑是這么來的: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公司來占據,并且全部用來發射星鏈計劃的衛星,那么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。

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,會有什么好處呢?

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。

傳統的衛星平臺,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,占據的體積就會比較大。

像上圖這樣,整流罩內剩余的空間就比較大。運載火箭能夠同時發射的衛星數量就會比較少。

而采用堆疊式布局,扁平的衛星就能夠比較充分地利用整流罩內的空間。

啥?上面這張照片在很多地方都能看到,有沒有其他角度的更清晰的細節?

有的,小火箭滿足你:

上圖為獵鷹9號運載火箭的整流罩內包絡尺寸。

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。

上圖為獵鷹9號運載火箭不同載荷的等比例對比圖。

左數第一:載人版龍飛船;

左數第二:整流罩外觀;

左數第三:當年(2018年)產生轟動效應的那輛奔向小行星帶的紅色跑車;

左數第四:等比例的馬斯克本人;

右數第三:上下布局的下一代銥星;

右數第二:60顆星鏈計劃衛星效果圖;

右數第一:60顆星鏈計劃衛星實拍圖。

小火箭注:下一代銥星在獵鷹9號運載火箭的整流罩內的那個示意圖,實際上是10顆銥星,上層5顆,下層5顆。

這是上下兩層銥星,看起來依然是傳統的方盒子設計???

不是的,實際上每一層都是5顆銥星:

5顆銥星,以中心對稱的花瓣狀布局,環繞在分離和適配器周圍,組成1層衛星組。

由此可見,在當下和未來的衛星星座時代,衛星的外形要根據星座的衛星數量、衛星載荷情況和火箭的整流罩包絡進行綜合優化。

大方盒子的時代,過去了;考驗工程師美感和空間感的時代,到來了。

哈!人類的科學和技術迎來了又一次輪回:數學到力學,彈道學、軌道設計,運動學、動力學,然后在一箭多星的巨型星座時代,迎回了立體幾何學。

上圖為把幾何學推向哲學的高度的畢達哥拉斯學派正在心懷感激地迎來新一天的日出。

另,關于首批這60顆衛星,小火箭有什么要補充的?

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)。

注: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!

這是什么概念?

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。

另,公元2017年4月20日,北京時間19時41分28秒,由中國自主研制的首艘貨運飛船天舟1號,搭載長征7號火箭成功升空,然后優雅地造訪了天宮空間站。

天舟1號是中國航天自1970年4月24日具備獨立自主的太空發射能力以來,發射的最大最重的航天器。

天舟1號滿載貨物后,其發射質量為13.5噸。

這次SpaceX公司的發射質量,干重13.62噸,加上少量附屬器件,將近13.7噸。

此次發射之后,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。

這對于近地軌道的質量僅227公斤的衛星來說,是個巨大的工程挑戰。

第三,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里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。

這也就是為什么發射之前,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采用了氪星技術。

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,但是相較于氙,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后的另外的好處: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。

附:小火箭對氙和氪的對比:

可見,高純度氙(純度在99.999%以上)的價格是高純度氪的18.5倍!

而且,如上表所示,除了價格和豐度之外,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。

(正是因為氪在地球上的豐度是氙的7.5倍,所以才便宜一些。)

所以,工程師們開發以氪為工質的電推進發動機,還是應該有足夠的動力的。

第四,今后的星鏈計劃星座,不僅僅要服務于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。這個小火箭在下文和大家一起詳細探討。

第五,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。

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

小火箭注: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?

答: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顆衛星在制造的時候,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。

隨后,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顆衛星在研制過程中,就考慮到了將來再入大氣焚毀的問題。在選材上,盡量少地采用難熔金屬或者阻燃復合材料,而是努力做到在進入稠密大氣后不久就完全燒毀(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并實施變軌,以免被太空碎片擊中后,自身形成更多碎片引發空間災難。

當然,按小火箭好友們探討的結果,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于標準系列反導系統,但是配合地面陸基中段攔截彈,這個系統對于每顆彈頭,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,影響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,其未來十余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。

(1天下線3顆衛星,而按傳統產業的做法,3年都不一定能完成1顆衛星的可行性評審。)

火箭

衛星,用了薯片式的堆疊布局,極大地利用了整流罩內的空間。

那么,有關這次發射的火箭,小火箭有什么要說的么?

有的。

這是這枚火箭第一級的第三次使用。也就是回收成功后,復用成功,然后再次復用。

小火箭好友提供的SpaceX公司這次發射的許可文件和天氣情況預報文件。

按小火箭聯合會數據庫的統計和分析,這次發射,SpaceX公司使用的是B1049.3第一級運載火箭。

啥?怎么看起來像是航班編號?

嗯,B-1049恰好是中國東方航空公司一架空客A330-343E客機的編號。

就是這架A330。

小火箭借此機會詳細說明一下SpaceX的獵鷹9號系列運載火箭的編號規則和具體型別吧!

獵鷹9號運載火箭是一系列二級運載火箭。按SpaceX方面的慣例,將第一級運載火箭稱作助推級(Booster),第二級則是上面級(Upper)。

所以,第一級運載火箭就取Booster的首字母B來打頭。

第一級采用B字母領著4位阿拉伯數字的方式。

B0001到B0007這7個第一級運載火箭全部用于技術驗證和技術展示。

到B0007的時候,獵鷹9號運載火箭已經證明了能夠向國際空間站運送貨運飛船的能力。

上圖是公元2013年3月27日,貨運版龍飛船從國際空間站返回,濺落在太平洋后被打撈上船的瞬間。這是人類首款實用型可返回式貨運飛船。

這艘飛船為國際空間站送去了限量版的搖滾樂隊30秒奔赴火星的專輯,同時也送去了898公斤的貨物。

在獲取了來自美國宇航局NASA的16億美元的國際空間站貨運大單之后,該公司的財務狀況大為改善。

之前SpaceX的苦日子,詳見小火箭的公號報告《小火箭聊美國軍方與商業航天產業的關系》。

B0007是SpaceX公司的獵鷹9號系列運載火箭的最后一個驗證箭。

B0001到B0007,也被稱作獵鷹9號系列運載火箭的V1.0版本。

從此之后,第一位就從1開始了。

B1001到B1018,這18枚獵鷹9號運載火箭的第一級,被稱作V1.1版本。

這個版本的獵鷹9號運載火箭,從2012年用到了2016年1月份。

B1019到B1038,這20枚獵鷹9號運載火箭的第一級,被稱作完全推力版本。

其近地軌道運載能力從V1.1版本的13.15噸提升到了22.8噸,并且開始嘗試可回收和可重復使用能力。

大部分人,是通過獵鷹9號系列運載火箭的這個型別來認真看待這個系列的。

從獵鷹9號運載火箭的完全推力版本開始,運載火箭不僅需要發射場,還需要著陸場。

上圖為一個工程師站在獵鷹9號運載火箭的著陸場上的場景。

其中,獵鷹9號系列運載火箭的重型版本,其中間的芯級編號為B1033,同樣屬于完全推力版本。

B1039到B1045這7枚獵鷹9號系列運載火箭的第一級,屬于Block 4型。

這是向獵鷹9號系列運載火箭的最終版本過渡的型號。(從7枚這個生產數量上,也能看出來。)

大名鼎鼎的X-37B的第5次飛行任務和ZUMA絕密軍用衛星,搭乘的,就是這個型號的獵鷹9號運載火箭。

從B1046開始,獵鷹9號系列運載火箭開始技術固化,以Block 5版本成為最終形態,完成了長達11年,涉及產品53個的快速迭代過程。

詳見小火箭在首枚Block 5版本的獵鷹9號運載火箭剛剛發射后不久就發布的公號報告《小火箭 | 剖析SpaceX公司的最新版獵鷹運載火箭》。

如今,獵鷹9號系列運載火箭的Block 5型運載火箭第一級已經從B1046挨個生產到了B1057,共12個。

從這次發射星鏈計劃的60顆衛星的B1049運載火箭第一級來看,其可回收已經不是目的,回收之后的復用才是大家更為關注的。

而如今,復用一次之后,火箭也不會退役,而是再次復用。從二手到三手、四手。

那么,問題來了:

復用之后,火箭的編號不就亂了么?后發射的火箭的第一級,有可能“輩分”“年齡”比先發射的還要老。

答:有辦法。

自從復用之后,類似B1049這樣的編號,后面就加了一個小數點,然后用小數表示使用次數。

比如,這次以一箭60星的發射發射星鏈計劃首批星的獵鷹9號運載火箭的第一級,正式編號為:B1049.3。

這個3,就是指的第3次使用,也就是第2次復用。

多年來,小火箭跟蹤和分析獵鷹9號運載火箭,精確到每一枚的每一次使用。

公元2018年9月10日,一枚獵鷹9號運載火箭把電視之星18V通信衛星送入了預定軌道。

執行這次任務的第一級,就是嶄新的B1049。

因為當初發射的時候,就考慮到這個第一級是要復用的,所以正式編號為:

B1049.1。

隨后,B1049.1回收成功。

接著,一輛長得非常像擎天柱大哥的大卡車,將B1049.1裝到托架上,橫穿整個北美洲,把她從佛羅里達州的卡納維拉爾角第40發射場運到了加利福尼亞州范登堡空軍基地的第4發射場的4E工位。

小火箭開了一下導航看了看,這一路,不眠不休地開至少40個小時才能到。

走I-10W公路會好一些。這就是德克薩斯州(或譯 得克薩斯州 以和山東德州區分開)和新墨西哥州的人有時候會拍到獵鷹9號運載火箭躺著大卡車里趕路的場景的原因。

全程2719英里,也就是4376公里。這個距離,相當于火星赤道半徑的1.3倍。

然后,在2019年1月11日,翻修之后的B1049被賦予新的編號B1049.2,執行將10顆下一代銥星送入太空的任務。

然后,B1049.2在無人駕駛回收平臺上,完成海上回收。

隨后,她再次登上大卡車。今年1月初,她是從東到西橫跨了整個北美洲,到1月底,她又從西到東再次橫跨了整個北美洲。

這一趟,又跑了4376公里。

小火箭考慮到獵鷹9號運載火箭的第1級的彈道最高點說什么也不會超過200公里的(具體的彈道,詳見小火箭的公號報告《SpaceX可回收火箭技術與成本分析》。)

比如按小火箭的建模和計算,獵鷹9號運載火箭發射近地軌道一箭多星星座的彈道最高點為141.261公里。

那么,彈道積分后,可知獵鷹9號運載火箭在高空和太空中的總路程為794.8公里。

B1049,在發射星鏈衛星之前,已經兩度進入太空,同時也兩度橫跨北美洲。

她離開地面的總里程(稠密大氣層內+稠密大氣層外),為1589.5公里;兩次橫跨北美洲,路上總里程,為8752公里!

這是什么概念?

答:有這么一枚火箭,在陸上搭乘大卡車的總里程,是她在太空飛行里程的5.5倍!

因為之前,在《SpaceX可回收火箭技術與成本分析》這份報告中,小火箭和大家一起對獵鷹9號運載火箭的成本進行了細致分析。

所以,今天我們可以對這次發射的具體成本和單星平均成本進行詳細分析了!

上圖是今天剛剛發射的這枚B1049.3獵鷹9號運載火箭的第一級剛剛運抵卡納維拉爾角第40發射場的場景。

老版本:

第1次發射,全新的火箭。第一級的成本為3534.2萬美元,第二級的成本為812.4萬美元,給測控的弟兄們1242萬美元,利潤為621萬美元。

第1次發射報價:6209.6萬美元。

第2次發射,檢修費用295萬美元,第一級成本為1767.1萬美元,第二級的成本為812.4萬美元,給測控1242萬美元。成本為4116.5萬美元,利潤為457.4萬美元(成本的九分之一)。

第2次發射報價:4573.9萬美元。(是首次報價的73.3%

第3次發射,檢修費用295萬美元,第一級成本為1178.1萬美元,第二級的成本為812.4萬美元,給測控1242萬美元。成本為3527.5萬美元,利潤為391.9萬美元(成本的九分之一)。

第3次發射報價:3919.4萬美元。(是首次報價的63.1%

新版本:

新的Block 5的量產型,成本本身就進一步降低,維護保養成本也大幅降低。

略去繁瑣的核算細節,算起來,這次發射的實際成本為:2140萬美元。

平攤到每顆衛星上的發射成本,僅35.6萬美元(244.8萬元人民幣)。

好便宜!

要知道,如果是用小型運載火箭打一顆衛星的話,這個量級,發射報價通常在400萬美元到600萬美元之間。

也就是說,這次發射,實現了之前說的把單位發射成本調低一個數量級的設想。

考慮到衛星量產之后的成本大幅降低,星鏈計劃的每顆衛星的研制 + 發射 總成本,能夠控制在100萬美元以內!

這樣算來,10000顆衛星的星座總成本,為100億美元。

另,那么漂亮的發射畫面是怎么拍到的?

答:小火箭專門找弟兄們提供了一下現場照片,以供有志于拍攝火箭發射的優質畫面的各位好友參考。見下圖:

三腳架的最下端的三分之一要埋入草地;攝像機要用放熱材料或者耐火材料包裹好,當然更好的材料是聚酰亞胺薄膜,這個咱們之前已經詳細聊過了?!段佬潛礱嫻慕鶘∧?,一種重要的軍事和工業材料》

彈道

考慮到這次發射和以往非常不同(衛星數量多,且總質量較大,并且要組建星座),小火箭覺得有必要專門把這次發射的彈道說一下。

從核對的發射區(上圖下側中部)和第一級降落區(上圖上側紅色多邊形)的具體坐標,可以對第一級的彈道進行反推計算。

具體過程,小火箭準備專門寫一個系列。

這兩個區域,

A區為發射區,多邊形的各個頂點的具體坐標為:

北緯28-36-28N 西經080-35-36W;

北緯29-06-00N 西經080-11-00W;

北緯28-31-59N 西經080-33-42W。

B區為第一級降落區:

北緯32-08-00N 西經077-13-00W;

北緯32-48-00N 西經076-53-00W;

。。。

北緯31-58-00N 西經077-03-00W。

按著陸區的劃分坐標和實際的飛行情況,通過小火箭計算中心的彈道計算驗證,獵鷹9號運載火箭Block 5型發射60顆星鏈計劃衛星的時候,其第一級的著陸點距離發射點(彈道坐標系中)為620.98公里。

這個相較于B1049.1的709.18公里要近了不少。

這是彈道核算之后的獵鷹9號運載火箭的第二級把60顆衛星送入預定軌道后,在第二圈再入大氣之后的剩余碎片分布區域,基本上位于澳大利亞南部海域。

彈道為什么要這樣設計?非得把剩余碎片扔到這里么?

這個問題,小火箭在《神秘海域!數百個軍用民用航天器的最終歸宿》中已經有過比較長篇的分析,點擊鏈接即可進入,本文不再贅述。

驗證

兩顆星鏈計劃的技術驗證衛星丁丁-A和丁丁-B在2018年2月22日被送入太空,旨在為星鏈計劃低軌巨型星座奠定技術基礎。

星鏈計劃的前兩顆星,被馬斯克本人私底下叫做丁丁A和丁丁B。來自《丁丁歷險記》中的名字讓小火箭一下子就想到了上圖和上上圖的場景。

丁丁歷險記的火箭,同時也是小火箭的logo的原型。

丁丁-A和丁丁-B衛星,長1.1米,寬0.7米,高0.7米,有兩個2×8米的太陽能電池帆板。衛星質量為385.8公斤。

目前,丁丁-A技術驗證衛星狀態良好。

小火箭風格,具體運行軌道為:

近地點: 503.4 公里

遠地點: 522.3 公里

軌道傾角: 97.5 °

軌道周期: 94.7 分鐘

丁丁-B的狀態也正常。

具體軌道為:

近地點: 503.7 公里

遠地點: 521.7 公里

軌道傾角: 97.5 °

軌道周期: 94.7 分鐘

這是弟兄們在美國華盛頓州拍到的星鏈計劃的移動式測試用地面站。

調整

調整,有兩點:

第一點:把其中1584顆衛星從軌道高度1150公里下降到550公里。

這樣做,有兩個好處,一是可以避開范艾倫輻射帶,有效延長衛星有效載荷的壽命;二是可以在失效后,更快地墜入稠密大氣銷毀,減少太空垃圾在軌存在的時間。

11927顆

第二點:早期階段的4425顆衛星的計劃減少到4409顆。這樣,星鏈星座的衛星總數修正為11927顆。

通常,每次發射,都是要有任務徽章的。

有關火箭發射的徽章文化,詳見小火箭的公號報告《小火箭對美國SpaceX絕密軍事發射任務的分析》。

上圖為獵鷹9號運載火箭發射貨運版龍飛船的一次任務的徽章。

上圖為設想中的星鏈計劃的任務徽章(捂嘴笑)。

不用數了,4409 + 2顆衛星。注意靠近中心位置的2顆星,是丁丁-A和丁丁-B。

實際上,這才是這次發射的正式任務徽章。

從這個徽章里,小火箭和大家還是能夠讀出一些信息的:

第一,四葉草,象征幸運,同時也意味著這次發射的技術難度是4級(最高等級);

第二,淡黃色的弧長與地球的比例,與首發60顆星座測試通信的覆蓋程度一致;

第三,那些白色圓點代表60顆衛星,重要暗示:一次發射,滿足同一軌道傾角,均為分布到圓軌道上,與一年多前小火箭和大家探討的推論一致;

第四,扁長方形,代表單顆衛星的外形,與傳統衛星很不同,長得像是薯片或者撲克牌;

第五,朝向北美的倒過來的WiFi符號,象征首批60顆衛星的服務范圍和服務方式;

第六,白色圓點組成的環帶,有傾斜角度,按地球球面做投影幾何并用量角器測量后,小火箭確認軌道傾角為53°。這暗示了首批60顆星的軌道傾角為53°。

又考慮到咱們去年按最優軌道理論計算的結果,可推斷:星鏈計劃的前1440顆衛星,應該是以每個軌道60顆衛星的方式,平均分布在24條軌道上,每個軌道的傾角都為53°。

再考慮到補網和備份的需要,最終的星鏈計劃的方案,在這次發射之后,基本上可以斷定為:

1584顆衛星,平均分布在24條軌道上,每條軌道66顆衛星。24條軌道的傾角均為53°,軌道高度為550公里?;舊夏芄宦慍醪降娜蚋哺且?/STRONG>。

上圖為星鏈計劃衛星入軌后,太陽能帆板展開過程示意圖。

商業

星鏈計劃的低軌巨型星座,擁有高帶寬(單用戶帶寬超過1G/s,幾秒鐘可以下載一部高清電影);低延遲(《小火箭聊SpaceX的星鏈天基互聯網星座》)的特點。

SpaceX公司的星鏈計劃與傳統的地球同步軌道上部署少量大衛星的方案不同。

為了能夠盡量減少時間延遲,同時降低對單一衛星的功率的要求,SpaceX公司的星鏈計劃采用了不同的方案:用軌道高度在1000多公里近地軌道衛星代替軌道高度為35786公里的地球同步軌道衛星。

如此說來,衛星與地面的距離近了很多,電磁波以光速從地球同步軌道傳輸到地面,需要119.29毫秒,而從1000多公里的近地軌道傳輸到地面,則僅需3.3毫秒,為同步軌道的36分之一。

如今,軌道高度降低為550公里,延遲時間單程為1.15毫秒了。

商業上的應用場景,除游戲和對低延遲要求很高的直播和轉播之外,還有一個,那就是:

高頻交易

多年前,曾經有資本機構找到小火箭聯合會,以重金尋求提升高頻交易中獲取信息提速的方案。

小火箭當然沒有拿出計算中心的算力來支持高頻交易,但是給出了相應的探討:

處理交易信息和自動決策,的確需要耗費大量的算力,需要依賴強大的計算中心。但是,小火箭計算中心只對能夠提升人類太空探索技術水平的事情感興趣,所以不會向交易方出售算力。

不過,還是有其他方法可以改善他們的計算條件。

小火箭分析后,認為,該資本機構計算系統的硬件已經相當不錯了(雖然遠不及小火箭計算中心,但是已經可堪使用),但是網速卻不夠快。

該資本機構不服氣,認為這已經是最好的光纖寬帶網絡了。

實際上,問題恰恰出在光纖上面。

光纖,本質上是光信號依靠玻璃介質的全反射來傳輸,而光速在玻璃中會減慢31%左右??悸塹餃瓷浯吹穆煩淘黽?,實際上,會減速35%。

(光,在真空中傳播的速度為299792458米/秒。嗯,沒有小數位,因為在1983年,地球上的1米,被重新定義為光在真空中,用1/299792458秒的時間傳播的距離。

光,在光纖中傳播的速度,為194865097.7米/秒。

光,在空氣中傳播的速度,約為299700000米/秒,比在真空中慢了90公里/秒的樣子。

光,在真空中的傳播速度是在鉆石中傳播速度的2.4倍。)

正是這樣的減速,成為了高頻交易的瓶頸。

改用軍用微波直接點對點傳輸技術后,高頻交易效率提升明顯!

因為電磁波以光速在真空中傳播,而空氣對電磁波速度的拖慢程度,不足1%。

從傳輸速度的角度來看,介質的改變,讓高頻交易的信息處理效率,提升了35%。

這段往事,讓小火箭了解了在經濟領域對極高網速的極致追求。

另外的應用,咱們之前說過了:

這個地球上,有75億人,而還有整整30億人不能接觸到互聯網,享受不到人類文明近幾年來發展帶來的便利。究其原因,是某些地區人口不夠稠密,或者本身就是小島,各大運營商從商業利益的角度考慮,是不會給他們鋪設光纖或者海底電纜的。

而低軌星座,天生就是向著覆蓋全球的目標努力的,甚至自入軌之后,就不會受地球表面的地形地貌的限制。無論是險峻高山還是茫茫大漠,無論是大城市還是小海島,都能夠享受到天基互聯網的好處。

這次一箭60星發射之后,按計劃還會有6次一箭60星的發射,初步完成一個由420顆星鏈計劃衛星構成的星座,具備初步商業化運營能力。

緊接著,還會有12次一箭多星的發射。

按目前SpaceX的融資情況,初步1000顆衛星量級的星座是可以實現的。而且,很有可能的是,星鏈計劃會成為該公司最有盈利能力的項目。

小火箭統計,每年SpaceX公司的營收在30億美元的量級,而如果星鏈的天基互聯網哪怕今后僅占到全球互聯網運營商市場3%的份額,也將會帶來每年300億美元的收益。

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。

這張照片拍攝得有些倉促了。

會后,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斗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,詳見小火箭后續的報告。

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!

人類,真的很了不起。

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云,讓子孫后代失去進入太空的機會。

所以,在低軌星座大量建設之后,對于反衛星的硬殺傷手段,一定要慎重。

在這個地球上,有些事情還是很復雜。我們在其中奮力拼搏,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。

但愿人類對技術本身的追求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,躺在草地上最后一瞥的那片林木間的藍天。

版權聲明:

本文是邢強博士原創文章,騰訊獨家內容?;隊笥訝ψ?,引用部分內容請注明出處。

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注:本報告的引用格式:

《小火箭對SpaceX星鏈計劃低軌巨型星座的分析》[M/OL],邢強,小火箭微信公眾號,2019.5

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