【原创发表】“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

作为SpaceX星链最关键的组成部分,星链卫星却成了整个星链网络计划中最常被人忽视的一项。这些造型迥异,和常规认知相去甚远且数量极多的卫星,似乎只在发射时能短暂吸引下注意力,对星链的争论也很少涉及卫星的设计。但这些看似普通的信息却潜藏着诸多星链卫星乃至整个星链未来发展的核心,常言道“恶魔”总是藏在细节当中。
首先从SpaceX公布的卫星效果图中预估,单颗星链卫星外尺寸接近长方形,长边长度大约为短边的两倍,两颗星链卫星并排放置便接近正方形。整流罩内的照片也印证了这点,星链发射时为交叉布置的两叠卫星,每叠30颗两叠构成一个长方体放入整流罩内,进入轨道后通过中心的支撑结构旋转释放。

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

由于猎鹰9火箭的整流罩内尺寸是公开的,我们可以根据堆叠方式反推出星链卫星的尺寸。根据猎鹰9的用户手册,整流罩内直径为4.6米,星链卫星并没有在整流罩顶端布置因此30颗卫星的高度不会超过6.7米,每一颗厚度为6.7/30=0.223米。考虑到剩余的安全空间,支撑结构和卫星太阳能电池板折叠后增加的厚度,卫星主体应该在0.2米,也就是20厘米厚较为妥当

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

卫星的长宽也不难预估,由于堆叠后的星链卫星为长宽大体一致长方体结构,而整流罩内除去顶部的空间为直径4.6米的圆柱体,因此卫星的长边便是圆内接正方形的边长。

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

考虑到安全卫星不能和整流罩接触,圆的直径也是正方形的对角线以两端各省去5厘米计算,正方形对角线长为4.7-0.05*2=4.6米。根据勾股定理,正方形边长为4.6/(2^0.5)=3.25米。同样考虑到安全和支撑释放机构需要的空间,3.2米较为妥当。因此我们有了星链卫星主体的大体外尺寸,一个3.2米*1.6米*0.2米长方体,和大型的家用餐桌类似。以此为基础便能根据SpaceX公布的其他图片推算出星链卫星的性能。

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

首先根据星链太阳能电池板的图中得知电池板由2列24块太阳能板组成。两个板子的长边长度大致和卫星主体长边长度一致,两个板子的短边长度大致和卫星主体短边长度一致,所以整个太阳能板的长度为1.6/2*12=9.6米,宽度为3.2米,面积为9.6*3.2=30.72平方米。考虑到太阳能板之间电线,连接固定和折叠装置都要占用面积,以30平方米预估较妥也方便计算这是非常夸张的一个数字,因为这意味着每次发射就送了30*60=1800平方米的太阳能电池板进入太空,国际空间站到现在为止也只有约2500平方米的电池板,以图对比或许更为直观。

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

星链卫星巨大的太阳能板意味着每颗卫星的功率都十分强悍。到达地球轨道的太阳能密度为每平方米1.367kW,30平方米的电池板能捕获1.367*30=41.01kW,但出于各种原因这些能量并非全部能被转换为电能,现如今高性能的太阳能板能在理想条件下能转换大约29.5%的能量。

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

假设星链卫星是用的是类似于载人龙飞船的太阳能电池板,虽然达不到29.5%的比例但也应该能达到15%到20%的转化率,也就是每颗卫星提供的电能在41.01*0.15=6.15kW和41.01*0.2=8.2kW之间。这同样是一个比较夸张的数字,尤其是对于一个在近地轨道工作且整体不过一个家用大型餐桌大小的卫星,因为这甚至超过了部分中型同步轨道卫星的功率。之前同样由SpaceX发射的商业通讯卫星SES-8,其在轨道高度上是星链60余倍的同步轨道才提供约5kW的电能。

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

我国去年发射的实践二十号同步轨道卫星,其整星功率为28kW+,以8.2kW计算,4颗星链卫星的功率就已经超过了实践二十号卫星,以6.15计算也只需要5颗,单次星链发射便送了相当于12颗实践二十号功率的卫星进入太空。

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

事实上根据UCS的数据统计,截止至2020年7月31日地球同步轨道上共有560颗各类型卫星。而仅现在便有893颗星链卫星在近地轨道上工作,明年年初该数字便会突破1000,由于并非每颗同步轨道卫星都有实践二十号的28kW+,非常有可能现在星链星座就已经有超过全部现役同步轨道卫星功率总和的功率,完全体的星链仅电能一项便会比同步轨道所有卫星的功率总和高出至少一个数量级。

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

换句话说便是星链不仅有足够的能量来完成覆盖全球的互联网通讯,还由于和同步轨道相比单次传送的距离较短能耗较小,外加上星链卫星的数量极多,所需天线更小传输的频谱效率更高,整个架构有远超一般卫星通讯的冗余。那么为了支撑功率,星链卫星的太阳能板质量为多少呢?根据给铱星制造太阳能电池板的Spectrolab公布的数据,他们生产的三款太阳能板的质量大约在每平方米1.76千克到2.06千克之间。

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

根据数据可以算出Spectrolab太阳能电池板的转换效率为366/1367=26.7%,比预估星链卫星的20%要高,毕竟SpaceX不是这方面的专攻,所以星链太阳能电池板的质量也应较高一些。以每平方米2.2千克预估电池板有30*2.2=66千克,星链卫星的发射质量根据公布的信息为260千克,也就是电池板仅占了约四分之一的质量,完全在可接受范围内。

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

不过只有太阳能电池板是不够的,星链卫星550千米的轨道意味着96分钟便能环绕地球一圈,有至少48分钟是在地球的阴影中太阳能电池板无法供能。考虑到日出日落时的阳光和电池反复充电的老化,星链卫星的电池要至少提供1小时的能量,按照8kW计算便是需要8kWh(千瓦时)的能量。特斯拉Model 3现在使用的,由松下提供的2170型电池能量密度为每千克260Wh,以250Wh/kg计算,8000/250=32千克。加上电池板的质量和其他电能分配装置的质量,总共在100千克左右,只占到了卫星质量的一半不到,星链依然有160千克用来放置推进装置和相控阵天线。且上述一切计算都是以保守估计,未来转换效率更高的电池板和能量密度更高的电池,都会进一步提升星链卫星的性能。换个角度上来说,就像特斯拉是一个电技术公司只不过恰好在卖电动车,SpaceX是一个太空技术公司只不过恰好在造火箭一样,星链是研发了一个可大量生产的,提供8kW功率和160千克额外载荷的卫星主体,只不过SpaceX恰好给装上了通讯设备而已。而这有着远超提供一个低延迟高带宽互联网的意义。

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

今年十月美国国防部太空发展局给了SpaceX合同让其生产试验型导弹跟踪卫星,正式揭开了星链卫星设计军用化序幕。星链卫星充足的功率适合安装随着性能提升耗能越来越高的红外探测器,近地轨道的高度更减少了对探测器的精度要求和单一探测器需要覆盖的范围,独特的架构使整个探测体系不再依赖单一或少数几个卫星,进而形成一个红外追踪目标的“网络”,更难以躲避和干扰。
 

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

军用化星链的概念其实有点像是另一个私人商业卫星公司Planet Lab的多次快速访问概念的升级版,值得一提的是Planet Lab 150颗光学遥感对地拍摄卫星中有8颗SkySat也是SpaceX发射的。近地轨道卫星几个小时便会绕地球一圈,巧妙组合多颗卫星的轨道便可对地面一片区域完成一天内多次过境拍摄。由于SkySat数量有限,Planet Lab每天12次的高访问更多集中在南北纬53度的地区,不过其他地方也可达到平均一天7次左右,已经非常接近航拍所能达到的覆盖频率了。
 

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

数量接近乃至超过的红外检测星链卫星,对于红外追踪来讲是革命性的,不仅在于追踪的性能和覆盖程度,还在于红外星链可以把收集到的数据图像乃至视频,借助通讯星链低延迟高带宽的优势传输到需要的地方,完成几乎实时的监视。除此之外红外跟踪星链还能解决之前同步轨道监测卫星视角的限制,及地球自身的弧度阻挡了传统同步轨道卫星对高纬度地区的监视能力,星链则没有这个担忧,现在便能完成一定覆盖,若有特别需求则可补充极轨道的卫星完成直接在南北极上方过境。

“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)

想当初马斯克成立SpaceX的原因之一,便是认为政府机构合同和政府资助是“魔鬼”,使得商业航天公司对他们产生了过度依赖,进而阻碍了太空技术发展。但现如今SpaceX却也要和“魔鬼”做交易来获取更多的资金,真香的看来并不只是美国军方和NASA。

(全文完)


“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)


想了解更多的航天科普新闻,请关注我们的公众号“航天爱好者”!

欢迎各位爱好者投稿,各抒己见,畅所欲言!

欢迎访问我们的网站:www.spaceflightfans.cn

最新的航天新闻聚合和发射预报

《【原创发表】“麻雀”虽小,功能不少——Starlink(星链)的故事(第三期)》上的5个想法

  1. 本来星链系统是不能覆盖北极高纬度区域的,但是最近老马也嚷嚷着星链要增加极轨,看来跟军方的需求脱不了关系。从纯商业角度来说,资本家才不会给高纬度极地搞什么互联网通讯呢~~~

  2. F9的4.6m包络是考虑了间隙的,整流罩有5.2m外径,打星链时整流罩拆了隔音棉,可用包络实际上更大一些

评论已关闭。