马斯克Starlink星链计划全面详细解析

马斯克Starlink星链计划全面详细解析

如流星一般划过夜空一串光点,像科幻片一样闪着蓝色光芒的推进器,这就是狂人埃隆马斯克像连珠炮一样发射到太空的星链卫星。有多狂呢?根据欧洲航天局5月份的数据,当时只有大约4300颗活跃的人造卫星在地球轨道上,人类有史以来一共只发射过11670颗卫星,而马斯克的星链已经发射了1944颗,也就是说,现在天上一半的卫星都是马斯克的,并且他计划一共要把42000颗卫星送到近地轨道上。

这就是马斯克的Starlink,星链计划,隶属于他的SpaceX公司。他要用这几万颗卫星,为地球上每一个角落提供互联网上网服务,无论天涯海角,都不耽误刷视频。那么,星链会颠覆现有的通讯网络吗?比如家里的宽带以及4G,5G等等,星链是怎么运作的,这个科幻一样的离子推进器又是什么呢?而更重要的是,星链是一项重大创新呢,还是一项对人类的威胁呢?今天咱们就详细聊一聊埃隆马斯克的星链计划,只聊技术。内容虽然有点长,但是你可以从中得到更为详细准确的内容,请耐心看完。

什么是星链

星链是Elon Musk的航天公司SpaceX的一个卫星网络的名称,马斯克最终希望在近地轨道上部署多达42000颗卫星,为全球尤其是偏远地区提供低成本的互联网覆盖。近地轨道,简称LEO,是指离地面高度比较低的轨道,它并没有严格的定义,一般认为2000公里以下的都叫近地轨道。由于离地面比较近,上下方便,所以一般空间站,通信卫星都会采用近地轨道。比如国际空间站就在距离地面319.6公里到346.9公里到轨道上运行。而我国的天宫空间站的天和核心舱,目前在大约396公里的轨道上。

那么Elon Musk的卫星在哪里呢?根据SpaceX的计划以及联邦通信委员会FCC的批准,初期在550公里的近地轨道上部署1600颗卫星,原计划在1110公里轨道上要部署2814颗卫星,但是后来SpaceX提出了修改申请,全部都改到在540到570公里处运行。而FCC也不顾亚马逊及其他SpaceX的竞争对手的反对,最终批准了。也就是说,在550公里轨道范围内,将会有4408颗卫星运行。而在345公里的超近地轨道上,SpaceX还将部署7500颗卫星。

每一颗星链的卫星大约重260公斤,大小就像一张普通桌子的桌板,主要部件包括激光通讯设备,可展开的太阳能电池板,离子推进器以及4个相控阵天线。

卫星以堆叠的方式摞在一起,这样,就可以一次把几十颗卫星同时送上天。比如使用猎鹰9号火箭,一次可发射60颗左右,到达位置后,把这一摞卫星扔下来,然后这些卫星会自己慢慢地部署到相应的轨道位置上。

离子推进器

这个非常具有科幻色彩的喷着蓝色光芒的推进器,就是星链卫星使用的氪离子推进器。他的原理就是先把气体电离,然后通过电场力把离子加速之后,向后喷出,以此来产生推力。一般比较理想的气体是氙气,因为它原子质量大,可以提供更大的冲击力,同时又具有惰性和高存储密度,适合长期储存在卫星上。但是唯一的缺点就是贵,因此星链选择了大约便宜6~7倍的氪气。

离子推进器非常具有科技感,很多科幻片里的飞船都是喷着这样的蓝色火焰跑来跑去,但实际上,离子推进器的推力非常的小,有多小呢?几十到一百多毫牛,大约只能够吹起一张纸。换句话说,还不如一个P的推力大。

这么点推力有啥用呢?咱们平时把卫星送上天,因为需要克服地球引力,所以需要很大的推力才行,比如发射Starlink用到的猎鹰9号火箭,它的初始推力就达到了7600千牛,这么大的推力,目前只能通过化学燃料燃烧产生,猎鹰9号烧的就是煤油。而马斯克的下一代火箭,也就是Starship星舰,就改烧甲烷了。这估计是因为火星上找不到煤油。因为在马斯克的计划中,将来星舰是用来往返火星的。为了能够在火星上补充燃料,就把煤油改成了甲烷。

化学燃料虽然推力巨大,但是它的效率实际上是十分低下的。记得马斯克说过,目前的火箭只能送2%的有效载荷到轨道上,最最聪明到人也许能够做到2.5%。2%是什么概念呢,也就是说,你要送个40吨的东西,火箭的起飞重量就得要2000吨,这剩下的1960吨重量,几乎全是燃料。

而离子推进器的效率就高多了,比火箭的效率至少高10多倍。只不过我们现在还做不到很大的推力。但是就这点推力,在太空的环境下,却大有用武之地。

离子推进器属于细水长流式的加速,正是由于它效率高,因此几公斤重的推进剂,可以让离子推进器连续工作几千个小时。首先,太空重力很微弱,也不存在空气阻力,因此虽然离子推进器加速很慢,但是通过不断地持续地加速,几天几月甚至几年,它也会达到非常快的速度。想象一下,虽然你的车百公里加速只需要几秒钟,而离子加速器百公里加速得需要1~2天,但是你没法一脚油门踩好几天吧。

其次,离子推进器可以做到更精准的推力控制,精度可能达到0.1微牛,这就可以更精确地控制航天器。而靠爆发力的化学燃料则根本没法做到这一点。不夸张地说,你在太空漂浮的时候,很有可能因为突然的一个P让自己失控呢,这时候就明白精细控制的重要性了。

当然,离子推进器的推力小也只是现阶段的问题,也许在以后科技更加发展了,就会有更大推力的离子推进器出现呢,那时候,科幻就是现实了。

星链使用离子推进器,主要是为了三个目的。

首先是维持星链卫星大约3万公里的时速,也就是第一宇宙速度。保持这个速度,才能够围绕着地球旋转而不会掉下来。由于星链的卫星都在近地轨道上,没有彻底地离开地球的大气层,因此还会受到微弱的空气阻力的影响,这会导致卫星无法仅仅依靠惯性来保持速度和轨道高度。因此就需要推进器来维持速度提升轨道。

第二个就是需要保证卫星有一定的机动性,以避免与轨道上的碎片以及其他航天器进行碰撞。

由于星链卫星只能缓慢地加速,它的机动性不可能做到及时闪避。因此每颗Starlink卫星实际上是通过NORAD获得最新的碎片跟踪信息,使用人工智能软件提前进行预判,然后再慢慢地进行规避动作。

既然说到近地轨道的太空垃圾,马斯克这么痛痛痛地要发上去几万颗卫星,岂不是雪上加霜吗?这点咱们后面会继续聊。这里先说离子推进器的第三个作用,就是为了自毁,避免雪上加霜。当星链的卫星达到设计寿命之后,为了不让它成为另一块轨道上的垃圾,就会通过推进器主动地让它进入大气层主动烧毁,而且可以调整方向面向无人区,万一有烧不坏的零件也不至于砸到花花草草。在Starlink的初始设计中,SpaceX声称有95%的材料都会在大气中烧毁,也就是说,还有5%的东西会掉下来,这很有可能是用于激光通讯链路的碳化硅组件,这种碳化硅组件是用于激光通讯的反射镜,可以承受2750度的高温。但是在2019年SpaceX提交给FCC的报告中表示,新版的卫星经过了重新设计,可以保证完全烧毁,但是并没有明说是用什么材料取代了碳化硅组件。当然,即便是离子推进器损坏了,卫星也会因为空气阻力的原因,在1~5年内被地球引力拉回大气层烧毁,只不过这样即没有办法主动地控制它的坠落方向,也会导致它在近地轨道上停留过长的时间,这都是潜在的安全风险。

卫星间激光通讯

早期的星链卫星是没有办法互相直接通讯的,卫星之间如果要进行通讯必须要通过叫做Gateway的地面站进行中转,这会导致它无法覆盖到没有办法建立地面站的地方。而2.0版的星链卫星最重大的改进,就是具备了卫星间激光通讯能力,这被称作 Inter-Satellite Communication,2021年1月24日发射了第一批改进后的卫星。如此一来,信号漫游就不再需要地面站了,数据就可以在卫星之间直接传输。这一方面彻底解放了星链信号的覆盖能力,因为星链相对于传统互联网无论是光纤宽带还是4G5G等无线网的最大的优势,就是全球覆盖的能力,这一点很好理解。卫星之间在轨道上的直接通讯大大减少了对地面站的依赖,可以说把全球覆盖的优势发挥到了极致。

而激光通讯带来的另一个好处,也正是星链相对于传统互联网的第二大优势,那就是低延迟。

低延迟

卫星那么高,信号要上去再下来,怎么会比直接用光纤延迟还要低呢?这是因为光速在不同的介质当中是不一样的。我们所熟知的30万公里每秒,是指光在真空中的速度。而光在玻璃中的速度,要比真空光速慢47%。所以光在光纤中的速度比星链卫星在太空中直接发射激光的速度要慢。当通讯距离很长时,这个优势就比较突出了。这听起来就好像很有道理的样子,那这个低延迟到底是怎么做到的呢?咱们举一个例子来说明下。

假设,一个在伦敦的人,想知道纽约纳斯达克的实时信息,使用传统互联网时,他会面临多大的延迟呢?

使用现有的网络线路,来回大约12800公里。虽然光在玻璃中的速度与折射率及波长有关,但为了简单,咱们就按照比真空中慢1.47倍来估算。那么数据包来回需要63毫秒,也就是有63毫秒的延迟。再加上其他因素比如光电转换等等,总时间大约是76毫秒。

那Starlink的延迟是多少呢?现在没有办法实测,伦敦大学的Mark Handley教授给出了估算方法。

信号在Starlink中传输的第一个延迟来自于从地面到卫星之间的往返。通讯使用相控阵天线完成,这种天线可以在不需要移动的情况下,控制传输方向。每颗卫星在550公里的轨道上,可以覆盖半径为500公里的范围。这段距离的延迟大约在3.6毫秒。

数据到达卫星后,它就开始使用激光向其他的卫星传输信息了。激光传输的难点可能也在这里了,需要保证这边发出去的激光能准确命中另外一颗卫星的接收器。

Starlink的组网方式,是把一批卫星组成一个一个的轨道平面,叫做Plane。同一个平面内的相邻卫星之间通讯会比较简单,因为这些卫星之间的位置相对稳定。而不同平面之间就要复杂一些,因为另一个平面上的卫星相对速度比较快,很有可能刚传一半它就跑掉了,还需要再切换到新的卫星上。Starlink每一个卫星有5个激光通讯组件,可以始终保持与4颗卫星的稳定链接。根据这些信息估算最终延迟是43毫秒。

那么,就差这么2~30毫秒,值得搞出这么大的动静吗?

在美国和英国的两个金融市场的数据中心之间,如果使用公有线路,时间延迟是65毫秒。而为了给一些群体提供更低延迟的线路,通信公司专门拉了一条私有光缆,把延迟降低到了59.95毫秒。用3亿美元的成本,提升了5毫秒的速度。那么可想而知,大家愿意为2~30毫秒的速度花多少线了。

小结一下星链针对传统互联网的三个优势,第一:高覆盖率,全球每个地方都能上网。这一点很好理解。第二:远距离之间的低延迟传输,上面已经讲过,但是近距离还是光纤占优。第三:低成本。一般听到卫星,首先想的就是一个字,贵。怎么会低成本呢?马斯克号称100亿美元就能完成整个Starlink项目。作为对比,美国如果把4G升级到5G,光是光纤布线就得需要1500亿美元。马斯克之所以能做到这么低的成本,很大一个原因就是,SpaceX目前依然是世界上唯一一个能够重复利用火箭的公司。

价格

目前的价格,我随便输个地址,纽约,看看。主要包括一个天线,499美元,每月服务费99美元。星链的网速目前最高是150Mbps,这个价格不便宜,但也不算有多离谱。我特地搜了一下美国家庭宽带的价格,和千兆网的价格一样。

创新还是威胁

Starlink目前已经为20个国家的10多万用户提供了服务,同样的技术也可以用于火星移民。就像SpaceX的COO Shotwell 以前说过,你既然送了百万人去火星,就得照顾人家的需求啊,他们可不想用老式电话,他们还想用手机刷axton的视频呢。

技术的发展终将造福大众,无论是有意识地也好,还是顺带的也好。马斯克的星链无疑是一个宏大的计划,但是对此也少不了质疑。质疑的声音目前主要集中在以下几个方面

光污染

当首次发射的60颗星链卫星后,天空中出现了一串珍珠灯,人们首先感到好壮观啊,但是随之而来的就是震惊了,因为这些卫星太亮了。首先表示不满的就是天文学界。这是两张2019年,两个天文台分别拍摄的长曝光照片,上面那些白色斜线就是Starlink,这还让天文学家们怎么干活啊。

因此,SpaceX随后采取了一系列措施来降低星链卫星的亮度,包括改变飞行方式,发射一颗名叫DarkSat的试验卫星,把相控阵天线改成暗色从而降低卫星亮度,以及在卫星上增加遮阳板等等,至于最终效果如何,拭目以待吧。

太空碎片

虽然Starlink采用了AI避障,主动自毁等技术手段来避免太空碎片等产生,但是到底效果如何目前还真不好下结论。但无论如何,太空碎片是一个不容忽视的问题。这里插播一条我以前做的短视频。

现在情况并没有多大好转,随着太空互联网的进一步扩展,如何有效地清理太空垃圾也会变得越来越紧迫。根据国际电信联盟收到的申请估算,到2030年,除SpaceX之外的其他机构可能向近地轨道发射10万颗通讯卫星。比如亚马逊也在搞太空互联网,他的柯伊伯计划已经获得了3236颗卫星的批准。OneWeb公司已经发射了200多颗,目前正在申请发射6400颗等等。

人类的未来由谁决定

新的技术发展很有可能会遇到道德困境,就像自动驾驶汽车,将会遇到电车难题一样,在AI面临两难取舍的时候,谁才能决定他人的命运呢?马斯克或者贝佐斯等等科技大佬为了自己宏大的理想,在天空布满卫星,给全人类都提供了高速互联网,但却同时也改变了每个人的天空,这真的是大家都想要的未来吗?


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