Еще один гигантский проект SpaceX, арифметика и здравый смысл

ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Заявка SpaceX находится в открытом доступе на сайте FCC, любой желающий может скачать ее целиком и ознакомиться.
Процитирую самые важные моменты оттуда.
Этапы создания спутниковой группировки, орбитальные плоскости, количество спутников, высота орбит и их наклонения указаны в таблице:

Размеры и вес спутника указаны в другой таблице в главе, посвященной сходу спутников с орбиты.

Спутники сконструированы так, что наземные абоненты будут работать только со аппаратами, находящимися выше 40° над горизонтом, и радиус видимости спутника таким образом составит 1060 км

АРИФМЕТИКА

Для понимания масштаба, сейчас на орбите находится примерно четыре с половиной тысячи спутников, из них работоспособны примерно полторы тысячи. Если проект Маска будет полностью реализован, количество работающих спутников увеличится в четыре раза.

В заявке указан срок активного существования одного спутника от 5 до 7 лет. Соответственно, уже развернутую группировку придется пополнять каждый год на от 632 до 885 спутников. Попробуем пересчитать это количество в запуски ракет–носителей Falcon 9. Но мы не можем просто взять и разделить официальную грузоподъемность Falcon 9 в 22800 кг на указанную в заявке массу спутника в 386 кг. Во–первых, такая грузоподъемность указана для низкой околоземной орбиты высотой 200 км. Рабочая орбита коммуникационных спутников SpaceX составляет от 1110 до 1135 км, что требует дополнительного топлива. В зависимости от конструкции на близкую по параметрам солнечно–синхронную орбиту высотой 600–800 км ракеты–носители выводят от 1/2 до 3/4 своей полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту. Во–вторых, полезная нагрузка в 22800 кг указана для одноразового варианта первой ступени. Если оставить запас топлива на посадку первой ступени, то масса полезной нагрузки упадет. У Falcon 9 не было очень тяжелых грузов на низкую околоземную орбиту (НОО), но по выводимой массе в почти пять тонн на геопереходную орбиту можно очень примерно прикинуть максимальную полезную нагрузку в 15 тонн на НОО, и, взяв от нее 2/3 как среднее между 1/2 и 3/4, получить примерно 10 тонн на целевую орбиту коммуникационных спутников. Наши расчеты подтверждаются тем, что на близкую полярную орбиту планируется выводить одним пуском 10 спутников Iridium NEXT массой по 900 кг каждый. Вычитаем из 10 тонн, навскидку, одну тонну на диспенсер, который будет разводить спутники по их местам на орбите, и поделив 9 тонн на массу одного спутника в 386 кг, получим максимальную теоретическую грузоподъемность в 23 спутника на один запуск Falcon 9 FT. Таким образом, для запуска 632–885 спутников нам потребуется 28–39 пусков в год. То есть в самом лучшем случае 2–4 раза в месяц должна будет стартовать одна ракета просто для того, чтобы спутниковая система продолжала работать. Но мы с вами совсем не учли размеры спутников — дело в том, что 23 таких спутника ну никак не влезут на ракету–носитель.

Открываем инструкцию по полезной нагрузке для ракеты Falcon 9 и на 36 странице видим размеры головного обтекателя:

Из таблицы выше мы знаем длину, ширину и высоту спутника — 4,0х1,8х1,2 метра. И если мы начнем раскладывать их в обтекателе, то в высоту нельзя поставить больше двух рядов высотой 4 метра, а в одном ряду нельзя разместить больше 4 спутников:

Таким образом, у нас не получается разместить больше 8 спутников на одной ракете. И на 632–885 спутников в год для поддержания системы в работоспособном состоянии нам потребуется 79–111 пусков — полтора–два пуска в неделю. А, чтобы было что запускать, нам потребуются заводские мощности, способные производить 1,7–2,4 спутника в день.

Если же SpaceX захочет развернуть хотя бы первую очередь системы в 1600 спутников за год, то им придется запускать 4 ракеты в неделю. Даже если разворачивать первую очередь 4 года, то потребуется пускать по одной ракете в неделю и производить больше одного спутника в сутки. Такая интенсивность производства и пусковых операций на порядки превосходит то, что мы наблюдали в реальной космонавтике.

НЕ БЫСТРЫЙ, НЕ МОБИЛЬНЫЙ И НЕ БЕСПЛАТНЫЙ

Площадь США без Аляски укладывается в прямоугольник 5000х2500 км, и для ее полного покрытия хватило бы 6 спутников. Но из–за того, что спутники будут находиться на высоте примерно тысячи километров, они будут довольно быстро двигаться, и на место уходящих за горизонт должны выходить новые. В принципе, для непрерывного покрытия территории США (и, заодно, других стран между 50° северной широты и 50° южной широты) хватило бы порядка 100–150 спутников, очевидно, числа 1600 первого этапа и 4425 полной группировки предполагают, что спутники будут работать на территории меньшей на порядок, с радиусом в районе 100–300 км. Но ирония заключается в том, что в густонаселенных районах даже на такую площадь будет приходиться очень большое количество людей. Чем больше будет клиентов на спутник, тем меньше скорости получит каждый, поэтому гигабитная скорость может быть принципиально достижима только при условии небольшого количества пользователей. В заявке утверждается, что между собой спутники будут обмениваться информацией в оптическом диапазоне. На сегодняшний день эта технология находится на уровне отдельных экспериментов, и, хоть и обещает большую скорость, чем радиодиапазон, потребует разработки и производства нового и сложного оборудования, поэтому спутники не получатся дешевыми. В заявке также утверждается, что для первой очереди спутниковой системы будут построены 200 наземных станций для приема/передачи данных в наземный интернет и 2 ЦУПа для управления спутниковой группировкой. Инвестиции в сами спутники и наземное оборудование должны будут исчисляться десятками миллиардов долларов, поэтому нет никаких реальных надежд, что такой интернет будут раздавать бесплатно. Ну и, наконец, с пользователями спутники будут общаться в Ku и Ka диапазонах, а мобильными антеннами для этого диапазона считаются такие, которые можно установить, например, на автомобиль.

Учитывая, что спутники двигаются, антенны должны будут либо сопровождать их, что требует дорогих антенн с системой наведения, либо иметь диаграмму направленности конусом углом 100° вверх, что, скорее всего, сделает их еще более громоздкими. Если вы вспомните спутниковые телефоны, они отличались большими антеннами, при этом работая в другом диапазоне (L–band) и обеспечивая невысокую скорость (голосовая связь, SMS и низкоскоростной интернет). Ну и, наконец, не стоит забывать, что даже в лучшем случае, когда сигнал от пользователя попадет на наземный узел через только один спутник, он должен будет преодолеть примерно 3000 км в одну сторону (1000 км до спутника * sqr(2)*2) и такое же расстояние должен будет пройти ответ. Это, конечно, лучше, чем 36000 км в одну сторону до геостационарной орбиты, но задержка при разговоре через спутниковый телефон заметна на уровне человеческого восприятия, и, конечно, проводной или сотовый интернет будут ощутимо быстрее. В общем, если кто вдруг успел обрадоваться, что система связи SpaceX даст бесплатный гигабитный интернет в каждый смартфон, то это очень сильное заблуждение.

УЖЕ БЫЛО

Любопытно, что похожие новости уже были. Например, в 2014 году новостные агентства писали, что Маск хочет, запустив 700 спутников массой 100 кг, обеспечить всех желающих интернетом. Как мы видим, за прошедшие два года и масса и количество спутников стали еще больше. Даже любопытно подождать еще пару лет и посмотреть, какие новости нас будут ждать в районе 2019 года, на который по заявке запланировано начало развертывания группировки.

А В РЕАЛЬНОСТИ

Из существующих систем по параметрам орбиты, количеству спутников и назначению на проект SpaceX больше всего похожа система спутниковой связи "Иридиум". В начале 1990–х годов появилась идея 77 спутников, которые будут находиться на полярных орбитах и обеспечивать сплошное покрытие всей поверхности Земли. Из числа 77 родилось название системы — химический элемент иридий имеет атомный номер 77. Но уже в процессе разработки требуемое количество спутников сократили до 66. Амбициозную программу поддержал один из тогдашних лидеров систем связи — компания Motorola. Для производства спутников использовалось инновационное решение — специальный многоосевой подвес, который позволял собирать спутник за недели, а не месяцы и снижать его стоимость до "всего" $5 миллионов.

Первые спутники были запущены в 1997 году, а в 1998 году вице–президент США Альберт Гор провел исторический первый разговор. Но, пока система не была полностью развернута, связь постоянно прерывалась. Кроме этого, стоимость разговора была высокой, спутниковые телефоны — дорогими и громоздкими, а менеджмент допускал ошибки. В результате, уже в августе 1999 года компания Iridium SSC подала на банкротство. В 2000 году в штате компании числились только сотрудники, ответственные за сведение спутников с орбиты. Блестящая мечта стоимостью в районе 7 миллиардов долларов близилась к бесславному концу. Ситуацию спасло Министерство обороны США, предложившее контракт на обеспечение связи на 100 миллионов долларов в год, и группа частных инвесторов, купивших активы за 35 миллионов долларов. В 2001 году "Иридиум" родился заново. Для выхода на точку безубыточности требовалось 60 тысяч клиентов. К 2007 году их количество превысило 160 тысяч. На настоящий момент исходные спутники постепенно выходят из строя из–за старости, а запасные уже закончились, и в системе опять начинаются перебои связи, особенно в районе экватора, где расстояние между спутниками максимально. В 2010 году компания Iridium подписала договор со SpaceX стоимостью рекордные тогда $492 миллиона на запуск 70 спутников нового поколения Iridium NEXT. Изначально запуск десяти первых спутников на одной ракете Falcon 9 FT планировался на 2015 год, но съехал сначала на 2016, а теперь уже наверняка сдвинулся на 2017 из–за недавней аварии Falcon 9.
Система связи Iridium обеспечивает голосовую связь со скоростью 2,2–3,8 килобита в секунду (используется очень сильное сжатие) и задержкой в среднем в 1,8 секунды. При передаче данных скорость составляет примерно 2,2 килобита в секунду, но текст или HTML могут передаваться со скоростью до 10 кбит/с. Обещают, что скорость передачи данных Iridium NEXT составит до 1,5 мегабита в секунду. Спутниковая связь недешевая — минута разговора с телефона Iriduim оценивается в $0,75–1,5, а звонки со стационарного или мобильного телефона на спутниковые могут стоить до $4 за минуту. Кроме этого, для звонка нужно выйти из здания — телефоны не могут пробиться сквозь потолки. Но для тех, кто работает в отдаленных от цивилизации местах эти недостатки непринципиальны — возможность в принципе связаться с "большой землей" перевешивает неудобства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вряд ли есть смысл спекулировать о причинах появления таких монструозных проектов. Может быть, Маск хочет отвлечь внимание от проблем с недавней аварией. Может быть, он очень серьезно переоценивает свои возможности. Более вероятна прагматичная версия, что это банальный пиар, чтобы держать весь мир в восхищении и ожидании новых чудес. Если мы и узнаем причины видимых решений, то это будет нескоро. Но, как и с недавним марсианским проектом, идею поддерживать на орбите 4425 спутников можно реализовать только в очень усеченном варианте. В котором, впрочем, в отличие от колонизации Марса, вполне могут быть доходы от клиентов.