Часть 2. Космические аппараты

Космические аппараты Starlink специально сконструированы для группового запуска двумя стопками по 30 спутников под обте­кателем ракеты Falcon 9 и имеют размеры: длина – 3,2 м, ширина – 1,6 м, высота – 0,2 м (оценка размеров сделана по фото ниже).

На фото показана укладка спутников Starlink под обтека­те­лем ракеты Falcon 9. Обведены параболические антенны для фидер­ной линии связи с гейтвеями в Ка-диапазоне

Cпутники Starlink в момент отделения от второй ступени ракеты Falcon 9. Синим обведены параболические антенны для фидерной линии связи с гейтвеями в Ка-диапазоне.

Здесь можно посмотреть видео отделения спутников от ракеты Falcon9

https://www.youtube.com/watch?v=aKI1ZzSRkjw&feature=emb_logo

После вывода группы спутников на опорную орбиту (как правило, это 280 км) спутники рас­крывают солнечные батареи, устанавливают контакт с наземным Центром управления и проводят проверку на работоспособность и отсутствие повреждений при отделении от ракеты. Далее они акти­вируют электроракетные двигатели (ЭРД) на криптоне и начинают движение на рабочую орбиту, которое занимает 2-3 месяца.

Солнечные батареи при запуске сложены «гармошкой» и имеют 12 сегментов, где длинная сторона каждого сегмента равна ширине спутника (3,2 м)

Мы можем оценить размеры каждого сегмента в 3 м x 0,8 м. Таким образом, общая площадь солнечной батареи составляет 12 x 3 x 0,8 = 28,8 м². Из-за потерь между солнечными элементами и по краям (коэффициент заполнения равен 0,9) можно округлить это значение до 26 м².

Примем плотность потока солнечного излучения как 1300 W/м², КПД панелей в 18% и по­лучим примерно 6 кВт максимальной (пиковой) электрической мощности. (Для сравнения спутники «Экспресс» на платформе «Экспресс-1000» весом 1450 кг имеют мощность солнечных батарей около 3 кВт, но возможно это среднее значение).

Реальная мощность зависит от положения панелей солнечных батарей относительно Солнца: оптимально падение лучей на панель – под прямым углом.

Для перемещения спутника с опорной орбиты 280 км на рабочую 550 км и удержания его на ней используются плазменные двигатели или ЭРД. Если отталкиваться от ЭРД для малых спутников типа российских СПД-100 либо зарубежных BHT-1500, то их потребляемая мощность равна примерно 1,5 кВт, а тяга 100 мН, при удельном импульсе на уровне 1700-1800 секунд. ЭРД выглядит примерно так (см. рисунок ниже) и имеет габариты примерно 20х20х15 см.

ЭРД имеют запас криптона ориентировочно 5-10 кг, который заправлен в шаробаллоны высо­кого давления. Данный запас позволит поднять спутник на круговую орбиту 550 км, удержать спут­ник на ней в течение пяти лет, а потом изменить орбиту с круговой на эллиптическую, изменив пе­ри­гей с 550 км до, допустим, 250 км, где за счет торможения об остатки атмосферы спутник достаточно быстро затормозится и сгорит.

Основной полезной нагрузкой спутника Starlink являются 2 антенных комплекса для связи со шлюзовыми станциями (гейтвеями) и с абонентскими терминалами.

Антенный комплекс для связи с гейтвеями (или фидерная линия) представляет собой парабо­ли­ческие антенны, наводимые в процессе полета на точку Земли, где находится гейтвей. Фидерная линия работает в Ка-диапазоне (18/30 ГГц).

Как следует из таблицы, в распоряжении спутника имеется 2100 МГц в направлении от шлю­зовой станции к спутнику и 1300 МГц в обратном направлении. При использовании обоих вариантов поляризации (левой и правой в случае круговой) это позволяет использовать для передачи трафика максимум 4200 МГц от гейтвея на спутник и 2600 МГц в обратном направлении.

Также на борту находятся 4 плоские квадратные антенны с фазированной решеткой – три на пе­ре­дачу информации от спутника на абонентский терминал и одна для приема сигнала от терминала.

Связь между абонентским терминалом и спутником осуществляется в Кu-диапазоне, при этом для передачи от спутника к абоненту можно использовать 2000 МГц, а от абонента к спутнику только 500 МГц. С учетом двух поляризаций для передачи трафика спутник располагает 4000 МГц вниз и прием на 1000 МГц.

Также на борту имеется комплекс оборудования для командной радиолинии и передачи телеметрии, использующий по 150 МГц соответственно в Ка и Кu диапазонах.

Спутник Starlink является ретранслятором и не производит обработки информации: на его борту происходит только изменение частоты принимаемого сигнала и его усиление. Также спутники первого поколения не имеют межспутниковой связи (ISL – Inter Satellite Link) и могут получать и передавать информацию только на Землю. В качестве станции TT&C (управления, контроля, приема телеметрии) заявлены 4 земные станции, в том числе телепорт Брюстнер, расположенный в штате Вашингтон. В зоне видимости станции TT&C спутник Starlink находится не более пяти минут, при этом объем данных, собираемых с группировки, составлял в июне 2020 года около 5 Тбайт в сутки, то есть не менее 10 Гбайт с одного спутника в сутки.

На борту каждого спутника Starlink находится около 70 отдельных процессоров под управлением Linux и порядка 10 микроконтроллеров.

Находясь на орбите в 550 км, спутник может покрыть своим сигналом пятно на Земле радиу­сом 950 км (то есть диаметром примерно 1900 км) при условии, что угол места для абонентского терминала не будет менее 25°. Отметим, что эффективная работа антенн с плоской фазированной решеткой возможна при угле места 40° и более.

Рис. Вид четырех квадратных антенн с фазированной решеткой Кu-диапазона до нанесения покрытия для уменьшения видимости с Земли и после.

Рис. Радиус зоны видимости спутника под углом 25 градусов в зависимости от его высоты.

Можно легко рассчитать сколько нужно спутников, чтобы обеспечить 100% покрытие Земли между северной и южной 50 параллелями, при условии, что сигнал со спутника покрывает всю зону видимости спутника на Земле. Площадь поверхности Земли между северной и южной 50 парал­леля­ми равна 300,4 млн кв. км (вся поверхность земного шара 510 млн кв.км). Так как нам необходимо 100% покрытие без пробелов, круги зон будут накладываться друг на друга и 100% покрытие обеспе­чено, если мы будем использовать только «квадраты» в круге зоны освещения. Сторона такого квад­рата равна L=D/_√2

Или в нашем случае L=1356 км, а площадь закрываемая квадратом 1,84 млн квадратных кило­метров. Таким образом, всего лишь 164 спутника обеспечат 100% покрытие Земли между 50 север­ной и южной параллелями?