Как работает космическая отрасль и почему новый проект SpaceX ни разу не сенсация

Не смотря на всю загруженность я просто не мог не отреагировать на эту ^[1] новость. Почему? — Это безумие. Но давайте обо все по порядку.

Из чего состоит космическая отрасль:

1. Это разработка самих спутников
2. Это наземный комплекс
3. Это запуски — которые объединяет первые две

Спутник

Итак, давайте начнем со спутника. Планируемый спутник имеет массу в 386 кг. т.е. он относится к классу малых аппаратов. Что это значит? — Очень многое.

Какие проблемы встанут у инженера, восжелай он делать спутник?

1. Энергобаланс.
2. Радиационная стойкость.

Радиация

И прежде о чем я подумал, когда увидел диапазон высот 1100-1300 км это именно радиационная стойкость.

Перед вами честно взятая из Виикпедии иллюстрации радиационного пояса Земли ^[2] (или пояс Ван Аллена ). На ней хорошо видно, что внутренняя его часть начинается с 1000 км.

И что тут такого страшного? Дело в том, что именно в этих зонах накапливается уйма высокоэнергетичных частиц. И на этих орбитах аппарат испытывает максимальное радиационное воздействие. Да такое, что в тот диапазон высот никто не запускает. А на спутниках, которые все же пересекают эти высоты (Хаббл, например) выключают всю аппаратуру, пока они проходят этот пояс.

Какие еще проблемы несет радиация? — Это ускоренная деградация солнечных батарей и химической батареи.

А теперь давайте сравним это с микроспутниками, работающие на орбитах 500 км, где уровень радиации на порядок ниже. Типичный их срок существования 5-7 лет. Т.е. чтобы добиться заявленного срока жизни инженерам нужно активно бороться с радиацией. И выбор у нас невелик:

1. Ставить поглощающие экраны.
2. Дублирование всей электроники
3. 10-кратный запас мощности как по солнечным панелям, так и по химической батареи.

В любом случае это несет за собой увеличение массы и 400 кг там не будет ни разу.

Энергобаланс

Чуть выше я говорил про солнечные батареи и химические батареи — это проблема энергоприхода. Давайте немного порассуждаем.

Спутник находится на низкой орбите. На него нельзя навести антену, а это значит, что диаграмма направленности как минимум полусфера. На существующих спутниках пропускная способность таких антенн — 10 кбитс. Почему? — Энергетически передатчик не обеспечивает соотношение сигналшум на расстояниях 500 км для более скоростной передачи. Т.е. чтобы обеспечить скорость хоты бы 1 Мбитс нужно повышать мощность передатчика в ~100 раз.

Но в энергобалансе есть вторая составляющая — сброс тепла. В космосе воздуха нет и конвекция не работает. Весь сброс происходит благодарю излучение. Обычно это делают так: все выделяемое тепло «сбрасывают» на один огромный радиатор, который ставят так, чтобы он не засвечивался Солнцем.

И вот тут начинается самое интересное для меня.

Орбита

Позвольте мне сначала дать пояснение. Движение спутника подчиняется законам Кеплера: траектория описывается эллипсом, в одном из фокусов находится центр масс Земли. Поэтому в небесной механике движение спутника описывается так:

Этот эллипс сохранял бы свое положение в идеальном случае. Но в реальности оно меняется, его орбита эволюционирует. Темп этой эволюции меняется с наклонением и эксцентриситетом (мера отклонения от круга).

Все вместе это означает, что для каждой группы спутников направление на Солнце и его диапазон изменений свой. Это означает, что придется делать перерасчет компоновки спутника.

Т.е. снизить затраты, благодаря конвейерному производству не получится. Но на самом деле все гораздо хуже. Из-за перекомпоновки будут постоянно меняться условия в которых будут работать приборы. Что тут плохо почему расскажу в следующем разделе.

Наземный комплекс

Но прежде чем отвечать на вопрос поставленный в конце предыдущего раздела я снова вынужден дать некие предварительные.

Допустим мы решили все проблемы со спутником. Но ведь им надо как-то управлять. Так вот, под наземным комплексом в космической отрасли я понимается та часть инфраструктуры, которая отвечает за управлением спутником.

Что значит управлять на практике? — Это значит обрабатывать массив телеметрических данных с многочисленных датчиков на борту. Чтобы оценить масштабы бедствия: 3 космических аппаратах в легкую генерируют 100 Гб телеметрии менее чем за месяц.

А после обработки правильно перевести аппарат в нужное состояние.

Теперь помножим на 4000+ аппаратов с зоопарком компоновок и датчиков, а еще с индивидуальным списком проблем.

Совершенно очевидно, что даже при всей возможной автоматизации ЦУП всей системы будет выглядеть как ЦОД какого-нить Яндекса. Со всеми вытекающими.

Но ключевое слово «возможной автоматизации»: т.к. подобной системы для хотя бы 50 спутников нет. А планируется разворачивать систему начиная с 800.

Итого, не рассматривая третий момент — запуск (о нем я всеже надеюсь написать отдельно), уже можно сказать, что заявленные параметры спутников достигнуты не будут, а изменения в наземной инфраструктуре просто титанические, затраты на которые невозможно спрогнозировать сейчас.

Автор: DancingOnWater

Источник ^[3]