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刚刚一箭60星!特朗普宣称的6G正式开始启动 -卫星6G技术将推翻任何型式的防火墙

北京时间5月24日上午10点30分,随着“猎鹰9”运载火箭烈焰升腾、拔地而起,SpaceX雄心勃勃的“星链(Starlink)”计划终于拉开组网序幕。

首次一箭60星 真不简单

火箭升空

这是此前马斯克在twitter上披露的60颗卫星叠放在猎鹰9火箭整流罩内的情景

根据SpaceX公布的任务简介,此次发射并非由火箭将卫星挨个送入预定位置。二级火箭进入高度为440公里的轨道后,发动机关机并释放卫星,之后卫星依靠自身的动力系统转移到550公里轨道上的指定位置。

什么是“星链”计划?

“星链”计划 规模惊人庞大

2015年1月,SpaceX提出“星链”计划,旨在建立覆盖全球的卫星互联网星座。“星链”最突出的特点就是规模大。根据美国联邦通讯委员会(FCC)在今年4月26日批准的方案,该计划将在高度为550公里和340公里的轨道面上分别“撒上”4409颗和7518颗卫星,总数高达11927颗,而当前全球在轨工作的全部卫星不到2000颗!

SpaceX原计划到2027年完成“星链”部署。5月16日,其创始人马斯克表示,SpaceX计划加快部署“星链”,将其生产和发射速度将从每年1000颗卫星提高到2000颗卫星。如果SpaceX能够坚持这一计划,那么两年内“星链”卫星数量将超过其他在轨卫星之和。

马斯克对“星链”的盈利前景非常看好。他认为“星链”将抢占全球3%到5%的电信市场,年收入3万亿美元。他说,我们相信这是太空探索公司创收的一种方式,将为开发越来越先进的火箭和宇宙飞船提供资金支持。

除了马斯克外,几家主要的公司竞相在太空中建立下一代宽带网络,它们计划使用一个由数百甚至数千颗小卫星组成的所谓“星座”来提供互联网连接。

亚马逊的提案是建立一个由3236颗卫星组成的网络。建造、发射和运行这些卫星需要密集的资金,可能需要数十亿美元。但是贝索斯已经每年为蓝色起源公司提供超过10亿美元的资金,而亚马逊本身仍然是世界上最有价值的公司之一。

此外,上个月,软银支持的OneWeb公司发射了其由650颗卫星组成的网络的前六颗卫星。

波音和加拿大运营商Telesat也宣布了其开发高速互联网卫星星座的计划。

美国很可能绕过5G,直接升级到6G!用卫星做基站,速度是5G的1000倍!

最近美国总统特朗普谈到了6G。其实6G并不遥远。美国实际上可能跳过5G,直接过渡到6G。理由如下:

1,5G所需要的那种地表大规模基建能力是中国的强项而不是美国的强项。如果美国硬搞,会花很多钱、很多年才能完成。而那时已经落后于时代。

2,6G的特点是以卫星为基础组建互联网,而非光纤和基站。基建工作主要在太空完成,而且主要是卫星发射和部署工作。由于美国是航天强国,深空探测、遥感、操控技术都很发达,可重复火箭技术日趋成熟,芯片技术发达,美国直接过渡到6G反而相对容易。

3,太空组网分为高轨道卫星和低轨道卫星。实际上目前波音的太阳能无人机已经相当成熟,可以全年不间断飞行,取代低轨道卫星。又由于地球大气层1万2千米以上就已经没有雨雪雾霾等天气变化的干扰,高轨道卫星之间和高轨道与无人机之间的通讯可以采用可见光激光,而无人机跟地面之间用无线电波。

随着5G连接规模不断扩大,网络压力越来越大,6G一定会到来。它正在路上,一些机构和厂商已经着手研发。尽管它看起来像是5G的扩展,但随着新技术的不断发展,特别是人工智能、新材料、开源等技术的进步,它很有可能对通信业带来颠覆性的影响。

不能忽视的一个历史怪像,移动通信每次更新换代的那个“G”似乎都遵循着一个奇怪的规律:遇到奇数的“G”命运都不太好,每次都会被下一个偶数的“G”快速代替。

走进科学小编一声长叹,些许遗憾,些许欣慰,不是不明白,世界变化快,超级大国之间在通讯科技方面孤注一掷的竞争,也许让6G会来得远远比你想象得更。

SpaceX星链计划的“一箭60星”是怎样实现的?

刚刚(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。

在本文发布之前1秒(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。

这是:

第1次:实用版星链计划卫星的首次发射

第3次 :B1049猎鹰9号可重复使用运载火箭第一级的第3次使用

第5次: 今年(2019年)猎鹰9号运载火箭的第5次发射

第6次: 今年SpaceX公司的第6次火箭发射

第60颗: 一口气,一箭60星

第71次: 猎鹰9号系列运载火箭的总第71次发射

第78次: SpaceX公司的第78次火箭发射

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公司的星链计划准备这样搭建,基本上分三步走:

11943颗

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。

小火箭风格: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。

小火箭风格: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,轨道倾角为53.8°;

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,轨道倾角为74°;

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,轨道倾角为81°;

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,轨道倾角为70°。

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。

随后,在不到半个月的时间内,中国航天科技集团航天咨询联合小火箭一起,主办了2018年的低轨星座论坛

小火箭有幸主持会议,与会单位和团体有小火箭联合会、中国航天科技集团鸿雁星座、中国航天科工集团虹云工程、中国卫通集团、中国长城工业集团、瑞典空间公司、蓝箭航天、神州企业家俱乐部等。

在这个总师和总裁云集的小范围沙龙中,大家对当下和未来的低轨星座进行了深入的探讨。

(本次讨论为近期的一些低轨星座计划奠定了合作基础,同时,这也是小火箭的学术与技术沙龙罕有的全程对外直播。)

转眼之间,到了2019年的5月份。咱们当年预测和分析的事情,开始逐渐变为现实。

本文,小火箭继续和大家探讨这第一批较成规模的星链计划卫星的部署相关的问题:

  1. 这么多卫星怎样上的天?
  2. 使用了怎样的运载火箭
  3. 星链计划1年前的那两颗技术验证星,得到了怎样的结果?
  4. 星链计划这1年多来,有没有调整
  5. 星链计划的商业应用场景;
  6. 星链计划的军事应用场景;
  7. 星链计划的月球和火星应用展望
  8. 潜在的机遇和挑战

注:本报告的引用格式:《小火箭对SpaceX星链计划低轨巨型星座的分析》[M/OL],邢强,小火箭微信公众号,2019.5

卫星

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。

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。

像上图这样,整流罩内剩余的空间就比较大。运载火箭能够同时发射的卫星数量就会比较少。

而采用堆叠式布局,扁平的卫星就能够比较充分地利用整流罩内的空间。

啥?上面这张照片在很多地方都能看到,有没有其他角度的更清晰的细节?

有的,小火箭满足你:

上图为猎鹰9号运载火箭的整流罩内包络尺寸。

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。

上图为猎鹰9号运载火箭不同载荷的等比例对比图。

左数第一:载人版龙飞船;

左数第二:整流罩外观;

左数第三:当年(2018年)产生轰动效应的那辆奔向小行星带的红色跑车;

左数第四:等比例的马斯克本人;

右数第三:上下布局的下一代铱星;

右数第二:60颗星链计划卫星效果图;

右数第一:60颗星链计划卫星实拍图。

小火箭注:下一代铱星在猎鹰9号运载火箭的整流罩内的那个示意图,实际上是10颗铱星,上层5颗,下层5颗。

这是上下两层铱星,看起来依然是传统的方盒子设计啊?

不是的,实际上每一层都是5颗铱星:

5颗铱星,以中心对称的花瓣状布局,环绕在分离和适配器周围,组成1层卫星组。

由此可见,在当下和未来的卫星星座时代,卫星的外形要根据星座的卫星数量、卫星载荷情况和火箭的整流罩包络进行综合优化。

大方盒子的时代,过去了;考验工程师美感和空间感的时代,到来了。

哈!人类的科学和技术迎来了又一次轮回:数学到力学,弹道学、轨道设计,运动学、动力学,然后在一箭多星的巨型星座时代,迎回了立体几何学。

上图为把几何学推向哲学的高度的毕达哥拉斯学派正在心怀感激地迎来新一天的日出。

另,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。

另,公元2017年4月20日,北京时间19时41分28秒,由中国自主研制的首艘货运飞船天舟1号,搭载长征7号火箭成功升空,然后优雅地造访了天宫空间站。

天舟1号是中国航天自1970年4月24日具备独立自主的太空发射能力以来,发射的最大最重的航天器。

天舟1号满载货物后,其发射质量为13.5吨

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,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

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。

附:小火箭对氙和氪的对比:

可见,高纯度氙(纯度在99.999%以上)的价格是高纯度氪的18.5

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。

(正是因为氪在地球上的丰度是氙的7.5倍,所以才便宜一些。)

所以,工程师们开发以氪为工质的电推进发动机,还是应该有足够的动力的。

第四,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。这个小火箭在下文和大家一起详细探讨。

第五,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

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!

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?

答: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。

当然,按小火箭好友们探讨的结果,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,影响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。

(1天下线3颗卫星,而按传统产业的做法,3年都不一定能完成1颗卫星的可行性评审。)

火箭

卫星,用了薯片式的堆叠布局,极大地利用了整流罩内的空间。

那么,有关这次发射的火箭,小火箭有什么要说的么?

有的。

这是这枚火箭第一级的第三次使用。也就是回收成功后,复用成功,然后再次复用。

小火箭好友提供的SpaceX公司这次发射的许可文件和天气情况预报文件。

按小火箭联合会数据库的统计和分析,这次发射,SpaceX公司使用的是B1049.3第一级运载火箭。

啥?怎么看起来像是航班编号?

嗯,B-1049恰好是中国东方航空公司一架空客A330-343E客机的编号。

就是这架A330。

小火箭借此机会详细说明一下SpaceX的猎鹰9号系列运载火箭的编号规则和具体型别吧!

猎鹰9号运载火箭是一系列二级运载火箭。按SpaceX方面的惯例,将第一级运载火箭称作助推级(Booster),第二级则是上面级(Upper)

所以,第一级运载火箭就取Booster的首字母B来打头。

第一级采用B字母领着4位阿拉伯数字的方式。

B0001到B0007这7个第一级运载火箭全部用于技术验证和技术展示。

到B0007的时候,猎鹰9号运载火箭已经证明了能够向国际空间站运送货运飞船的能力。

上图是公元2013年3月27日,货运版龙飞船从国际空间站返回,溅落在太平洋后被打捞上船的瞬间。这是人类首款实用型可返回式货运飞船。

这艘飞船为国际空间站送去了限量版的摇滚乐队30秒奔赴火星的专辑,同时也送去了898公斤的货物。

在获取了来自美国宇航局NASA的16亿美元的国际空间站货运大单之后,该公司的财务状况大为改善。

之前SpaceX的苦日子,详见小火箭的公号报告《小火箭聊美国军方与商业航天产业的关系》。

B0007是SpaceX公司的猎鹰9号系列运载火箭的最后一个验证箭。

B0001到B0007,也被称作猎鹰9号系列运载火箭的V1.0版本。

从此之后,第一位就从1开始了。

B1001到B1018,这18枚猎鹰9号运载火箭的第一级,被称作V1.1版本。

这个版本的猎鹰9号运载火箭,从2012年用到了2016年1月份。

B1019到B1038,这20枚猎鹰9号运载火箭的第一级,被称作完全推力版本

其近地轨道运载能力从V1.1版本的13.15吨提升到了22.8吨,并且开始尝试可回收和可重复使用能力。

大部分人,是通过猎鹰9号系列运载火箭的这个型别来认真看待这个系列的。

从猎鹰9号运载火箭的完全推力版本开始,运载火箭不仅需要发射场,还需要着陆场。

上图为一个工程师站在猎鹰9号运载火箭的着陆场上的场景。

其中,猎鹰9号系列运载火箭的重型版本,其中间的芯级编号为B1033,同样属于完全推力版本。

B1039到B1045这7枚猎鹰9号系列运载火箭的第一级,属于Block 4型。

这是向猎鹰9号系列运载火箭的最终版本过渡的型号。(从7枚这个生产数量上,也能看出来。)

大名鼎鼎的X-37B的第5次飞行任务和ZUMA绝密军用卫星,搭乘的,就是这个型号的猎鹰9号运载火箭。

从B1046开始,猎鹰9号系列运载火箭开始技术固化,以Block 5版本成为最终形态,完成了长达11年,涉及产品53个的快速迭代过程。

详见小火箭在首枚Block 5版本的猎鹰9号运载火箭刚刚发射后不久就发布的公号报告《小火箭 | 剖析SpaceX公司的最新版猎鹰运载火箭》。

如今,猎鹰9号系列运载火箭的Block 5型运载火箭第一级已经从B1046挨个生产到了B1057,共12个。

从这次发射星链计划的60颗卫星的B1049运载火箭第一级来看,其可回收已经不是目的,回收之后的复用才是大家更为关注的。

而如今,复用一次之后,火箭也不会退役,而是再次复用。从二手到三手、四手。

那么,问题来了:

复用之后,火箭的编号不就乱了么?后发射的火箭的第一级,有可能“辈分”“年龄”比先发射的还要老。

答:有办法。

自从复用之后,类似B1049这样的编号,后面就加了一个小数点,然后用小数表示使用次数。

比如,这次以一箭60星的发射发射星链计划首批星的猎鹰9号运载火箭的第一级,正式编号为:B1049.3。

这个3,就是指的第3次使用,也就是第2次复用。

多年来,小火箭跟踪和分析猎鹰9号运载火箭,精确到每一枚的每一次使用。

公元2018年9月10日,一枚猎鹰9号运载火箭把电视之星18V通信卫星送入了预定轨道。

执行这次任务的第一级,就是崭新的B1049。

因为当初发射的时候,就考虑到这个第一级是要复用的,所以正式编号为:

B1049.1。

随后,B1049.1回收成功。

接着,一辆长得非常像擎天柱大哥的大卡车,将B1049.1装到托架上,横穿整个北美洲,把她从佛罗里达州的卡纳维拉尔角第40发射场运到了加利福尼亚州范登堡空军基地的第4发射场的4E工位。

小火箭开了一下导航看了看,这一路,不眠不休地开至少40个小时才能到。

走I-10W公路会好一些。这就是德克萨斯州(或译得克萨斯州,以和山东德州区分开)和新墨西哥州的人有时候会拍到猎鹰9号运载火箭躺着大卡车里赶路的场景的原因。

全程2719英里,也就是4376公里。这个距离,相当于火星赤道半径的1.3倍。

然后,在2019年1月11日,翻修之后的B1049被赋予新的编号B1049.2,执行将10颗下一代铱星送入太空的任务。

然后,B1049.2在无人驾驶回收平台上,完成海上回收。

随后,她再次登上大卡车。今年1月初,她是从东到西横跨了整个北美洲,到1月底,她又从西到东再次横跨了整个北美洲。

这一趟,又跑了4376公里。

小火箭考虑到猎鹰9号运载火箭的第1级的弹道最高点说什么也不会超过200公里的(具体的弹道,详见小火箭的公号报告《SpaceX可回收火箭技术与成本分析》。)

比如按小火箭的建模和计算,猎鹰9号运载火箭发射近地轨道一箭多星星座的弹道最高点为141.261公里

那么,弹道积分后,可知猎鹰9号运载火箭在高空和太空中的总路程为794.8公里

B1049,在发射星链卫星之前,已经两度进入太空,同时也两度横跨北美洲。

她离开地面的总里程(稠密大气层内+稠密大气层外),为1589.5公里;两次横跨北美洲,路上总里程,为8752公里!

这是什么概念?

答:有这么一枚火箭,在陆上搭乘大卡车的总里程,是她在太空飞行里程的5.5倍!

因为之前,在《SpaceX可回收火箭技术与成本分析》这份报告中,小火箭和大家一起对猎鹰9号运载火箭的成本进行了细致分析。

所以,今天我们可以对这次发射的具体成本和单星平均成本进行详细分析了!

上图是今天刚刚发射的这枚B1049.3猎鹰9号运载火箭的第一级刚刚运抵卡纳维拉尔角第40发射场的场景。

老版本:

第1次发射,全新的火箭。第一级的成本为3534.2万美元第二级的成本为812.4万美元,给测控的弟兄们1242万美元,利润为621万美元

第1次发射报价:6209.6万美元

第2次发射,检修费用295万美元,第一级成本为1767.1万美元,第二级的成本为812.4万美元,给测控1242万美元。成本为4116.5万美元,利润为457.4万美元(成本的九分之一)

第2次发射报价:4573.9万美元(是首次报价的73.3%)

第3次发射,检修费用295万美元,第一级成本为1178.1万美元,第二级的成本为812.4万美元,给测控1242万美元。成本为3527.5万美元,利润为391.9万美元(成本的九分之一)

第3次发射报价:3919.4万美元。(是首次报价的63.1%)

新版本:

新的Block 5的量产型,成本本身就进一步降低,维护保养成本也大幅降低。

略去繁琐的核算细节,算起来,这次发射的实际成本为:2140万美元。

平摊到每颗卫星上的发射成本,仅35.6万美元(244.8万元人民币)

好便宜!

要知道,如果是用小型运载火箭打一颗卫星的话,这个量级,发射报价通常在400万美元到600万美元之间。

也就是说,这次发射,实现了之前说的把单位发射成本调低一个数量级的设想。

考虑到卫星量产之后的成本大幅降低,星链计划的每颗卫星的研制+发射总成本,能够控制在100万美元以内!

这样算来,10000颗卫星的星座总成本,为100亿美元。

另,那么漂亮的发射画面是怎么拍到的?

答:小火箭专门找弟兄们提供了一下现场照片,以供有志于拍摄火箭发射的优质画面的各位好友参考。见下图:

三脚架的最下端的三分之一要埋入草地;摄像机要用放热材料或者耐火材料包裹好,当然更好的材料是聚酰亚胺薄膜,这个咱们之前已经详细聊过了。《卫星表面的金色薄膜,一种重要的军事和工业材料》

弹道

考虑到这次发射和以往非常不同(卫星数量多,且总质量较大,并且要组建星座),小火箭觉得有必要专门把这次发射的弹道说一下。

从核对的发射区(上图下侧中部)和第一级降落区(上图上侧红色多边形)的具体坐标,可以对第一级的弹道进行反推计算。

具体过程,小火箭准备专门写一个系列。

这两个区域,

A区为发射区,多边形的各个顶点的具体坐标为:

北纬28-36-28N  西经080-35-36W;

北纬29-06-00N  西经080-11-00W;

北纬28-31-59N  西经080-33-42W。

B区为第一级降落区:

北纬32-08-00N  西经077-13-00W;

北纬32-48-00N  西经076-53-00W;

……

北纬31-58-00N  西经077-03-00W。

按着陆区的划分坐标和实际的飞行情况,通过小火箭计算中心的弹道计算验证,猎鹰9号运载火箭Block 5型发射60颗星链计划卫星的时候,其第一级的着陆点距离发射点(弹道坐标系中)620.98公里

这个相较于B1049.1的709.18公里要近了不少。

这是弹道核算之后的猎鹰9号运载火箭的第二级把60颗卫星送入预定轨道后,在第二圈再入大气之后的剩余碎片分布区域,基本上位于澳大利亚南部海域。

弹道为什么要这样设计?非得把剩余碎片扔到这里么?

这个问题,小火箭在《神秘海域!数百个军用民用航天器的最终归宿》中已经有过比较长篇的分析,点击链接即可进入,本文不再赘述。

验证

两颗星链计划的技术验证卫星丁丁-A和丁丁-B在2018年2月22日被送入太空,旨在为星链计划低轨巨型星座奠定技术基础。

星链计划的前两颗星,被马斯克本人私底下叫做丁丁A和丁丁B。来自《丁丁历险记》中的名字让小火箭一下子就想到了上图和上上图的场景。

丁丁历险记的火箭,同时也是小火箭的logo的原型。

丁丁-A和丁丁-B卫星,长1.1米,宽0.7米,高0.7米,有两个2×8米的太阳能电池帆板。卫星质量为385.8公斤。

目前,丁丁-A技术验证卫星状态良好。

小火箭风格,具体运行轨道为:

近地点:503.4 公里

远地点:522.3 公里 ,轨道倾角:97.5 °,轨道周期:94.7 分钟

丁丁-B的状态也正常。

具体轨道为:

近地点:503.7 公里 ,远地点:521.7 公里 ,轨道倾角: 97.5 °,轨道周期:94.7 分钟

这是弟兄们在美国华盛顿州拍到的星链计划的移动式测试用地面站。

调整

调整,有两点:

第一点:把其中1584颗卫星从轨道高度1150公里下降到550公里

这样做,有两个好处,一是可以避开范艾伦辐射带,有效延长卫星有效载荷的寿命;二是可以在失效后,更快地坠入稠密大气销毁,减少太空垃圾在轨存在的时间。

11927颗

第二点:早期阶段的4425颗卫星的计划减少到4409颗。这样,星链星座的卫星总数修正为11927颗。

通常,每次发射,都是要有任务徽章的。

有关火箭发射的徽章文化,详见小火箭的公号报告《小火箭对美国SpaceX绝密军事发射任务的分析》。

上图为猎鹰9号运载火箭发射货运版龙飞船的一次任务的徽章。

上图为设想中的星链计划的任务徽章(捂嘴笑)

不用数了,4409+2颗卫星。注意靠近中心位置的2颗星,是丁丁-A和丁丁-B。

实际上,这才是这次发射的正式任务徽章。

从这个徽章里,小火箭和大家还是能够读出一些信息的:

第一,四叶草,象征幸运,同时也意味着这次发射的技术难度是4级(最高等级)

第二,淡黄色的弧长与地球的比例,与首发60颗星座测试通信的覆盖程度一致;

第三,那些白色圆点代表60颗卫星,重要暗示:一次发射,满足同一轨道倾角,均为分布到圆轨道上,与一年多前小火箭和大家探讨的推论一致;

第四,扁长方形,代表单颗卫星的外形,与传统卫星很不同,长得像是薯片或者扑克牌;

第五,朝向北美的倒过来的WiFi符号,象征首批60颗卫星的服务范围和服务方式;

第六,白色圆点组成的环带,有倾斜角度,按地球球面做投影几何并用量角器测量后,小火箭确认轨道倾角为53°。这暗示了首批60颗星的轨道倾角为53°。

又考虑到咱们去年按最优轨道理论计算的结果,可推断:星链计划的前1440颗卫星,应该是以每个轨道60颗卫星的方式,平均分布在24条轨道上,每个轨道的倾角都为53°。

再考虑到补网和备份的需要,最终的星链计划的方案,在这次发射之后,基本上可以断定为:

1584颗卫星,平均分布在24条轨道上,每条轨道66颗卫星。24条轨道的倾角均为53°,轨道高度为550公里。基本上能够满足初步的全球覆盖要求。

上图为星链计划卫星入轨后,太阳能帆板展开过程示意图。

商业

星链计划的低轨巨型星座,拥有高带宽(单用户带宽超过1G/s,几秒钟可以下载一部高清电影);低延迟(《小火箭聊SpaceX的星链天基互联网星座》)的特点。

SpaceX公司的星链计划与传统的地球同步轨道上部署少量大卫星的方案不同。

为了能够尽量减少时间延迟,同时降低对单一卫星的功率的要求,SpaceX公司的星链计划采用了不同的方案:用轨道高度在1000多公里近地轨道卫星代替轨道高度为35786公里的地球同步轨道卫星。

如此说来,卫星与地面的距离近了很多,电磁波以光速从地球同步轨道传输到地面,需要119.29毫秒,而从1000多公里的近地轨道传输到地面,则仅需3.3毫秒,为同步轨道的36分之一。

如今,轨道高度降低为550公里,延迟时间单程为1.15毫秒了。

商业上的应用场景,除游戏和对低延迟要求很高的直播和转播之外,还有一个,那就是:

高频交易

多年前,曾经有资本机构找到小火箭联合会,以重金寻求提升高频交易中获取信息提速的方案。

小火箭当然没有拿出计算中心的算力来支持高频交易,但是给出了相应的探讨:

处理交易信息和自动决策,的确需要耗费大量的算力,需要依赖强大的计算中心。但是,小火箭计算中心只对能够提升人类太空探索技术水平的事情感兴趣,所以不会向交易方出售算力。

不过,还是有其他方法可以改善他们的计算条件。

小火箭分析后,认为,该资本机构计算系统的硬件已经相当不错了(虽然远不及小火箭计算中心,但是已经可堪使用),但是网速却不够快。

该资本机构不服气,认为这已经是最好的光纤宽带网络了。

实际上,问题恰恰出在光纤上面。

光纤,本质上是光信号依靠玻璃介质的全反射来传输,而光速在玻璃中会减慢31%左右。考虑到全反射带来的路程增加,实际上,会减速35%。

(光,在真空中传播的速度为299792458米/秒。嗯,没有小数位,因为在1983年,地球上的1米,被重新定义为光在真空中,用1/299792458秒的时间传播的距离。

光,在光纤中传播的速度,为194865097.7米/秒。

光,在空气中传播的速度,约为299700000米/秒,比在真空中慢了90公里/秒的样子。

光,在真空中的传播速度是在钻石中传播速度的2.4倍。)

正是这样的减速,成为了高频交易的瓶颈。

改用军用微波直接点对点传输技术后,高频交易效率提升明显!

因为电磁波以光速在真空中传播,而空气对电磁波速度的拖慢程度,不足1%。

从传输速度的角度来看,介质的改变,让高频交易的信息处理效率,提升了35%。

这段往事,让小火箭了解了在经济领域对极高网速的极致追求。

另外的应用,咱们之前说过了:

这个地球上,有75亿人,而还有整整30亿人不能接触到互联网,享受不到人类文明近几年来发展带来的便利。究其原因,是某些地区人口不够稠密,或者本身就是小岛,各大运营商从商业利益的角度考虑,是不会给他们铺设光纤或者海底电缆的。

而低轨星座,天生就是向着覆盖全球的目标努力的,甚至自入轨之后,就不会受地球表面的地形地貌的限制。无论是险峻高山还是茫茫大漠,无论是大城市还是小海岛,都能够享受到天基互联网的好处。

这次一箭60星发射之后,按计划还会有6次一箭60星的发射,初步完成一个由420颗星链计划卫星构成的星座,具备初步商业化运营能力。

紧接着,还会有12次一箭多星的发射。

按目前SpaceX的融资情况,初步1000颗卫星量级的星座是可以实现的。而且,很有可能的是,星链计划会成为该公司最有盈利能力的项目。

小火箭统计,每年SpaceX公司的营收在30亿美元的量级,而如果星链的天基互联网哪怕今后仅占到全球互联网运营商市场3%的份额,也将会带来每年300亿美元的收益。

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。

这张照片拍摄得有些仓促了。

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,详见小火箭后续的报告。

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!

人类,真的很了不起。

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。

但愿人类对技术本身的追求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。

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2 Comments

  1. 小人

    中国应该花大力气研发微型化的量子通信了,量子通信才是未来的终极通信技术

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