Автор Александр Ермаков
В последние годы на первый план в освоении орбиты Земли вышли новые спутниковые группировки: «мегасозвездия» из сотен и тысяч небольших унифицированных спутников. Наиболее известное из них – Starlink американской компании SpaceX – превысило по численности активных аппаратов на орбите все остальные спутники вместе взятые. Однако оно далеко не единственное из строящихся и тем более запланированных.
Конец прошлого и начало нынешнего века в коммерческом и военном освоении космоса прошли под знаком в первую очередь крупных многотонных спутников, которые выводились зачастую на геостационарные орбиты (около 35,7 тыс. км над Землей). Разумеется, если назначение требовало иного, то выбирались другие (например, для навигационных сервисов высота орбит составляет около 20 тыс. км), но, как правило, достаточно высокие, чтобы обеспечить длительный срок жизни аппарата. Для обеспечения развертывания и поддержания таких спутниковых группировок требовалось относительно небольшое количество пусков, преимущественно с единичной полезной нагрузкой.
Так, для примера, чуть более десяти лет назад, в 2012 году, в мире было произведено всего 77 запусков ракет-носителей, в том числе 26 из них осуществила Россия и всего 13 – США. Подавляющее большинство их имели единичную полезную нагрузку, причем в России зачастую коммерческую, а в США тогда запускали практически исключительно государственные, часто военные спутники, что неудивительно из-за крайне высокой стоимости запуска, которую диктовал фактический монополист – ULA (объединенный пусковой бизнес Lockheed Martin и Boeing).
Спустя десять лет, в 2022 году, произведено уже 186 запусков ракет-носителей, более чем двукратный рост! В 2023 году сотый запуск был произведен 9 июля, чуть позже календарной середины года. Начиная с 2021 года рекорды по количеству орбитальных пусков обновляются ежегодно. Эту статистику обеспечивают как рост количества пусков в Китае, так и революция на рынке пусковых услуг (появление множества новых игроков сегменте легких ракет-носителей, снижение цены запуска в США благодаря успехам частично многоразовых ракет компании SpaceX). Быстрое изменение облика спутниковых группировок и развитие отрасли во многом продиктовано резко возросшим спросом.
Развитие микроэлектроники, сетевых технологий, средств связи с высокой пропускной способностью (в первую очередь отработка лазерной связи в космосе) позволили перейти от крупных спутников связи, в одиночку обслуживающих крупный регион, к многочисленным, из сотен и тысяч аппаратов, группировкам, развернутым на низкой орбите, – «мегасозвездиям». При таком подходе нагрузка распределяется параллельно на множество аппаратов, расположенных при этом в разы ближе к наземным терминалам (спутники на геостационарной орбите дают задержку сигнала, «пинг», не менее 500 мс). В совокупности это дает возможность обеспечить спутниковый доступ в интернет, приближающийся по качеству к широкополосному кабельному «наземному».
При этом услуги связи – вовсе не единственное, хотя и главное, применение нового подхода к построению спутниковых группировок. Сервисы дистанционного зондирования Земли, построенные на большом количестве низкоорбитальных аппаратов, могут обеспечивать регулярные сьемки каждой точки в мире, в то время как крупные военные разведывательные аппараты порой заставляют ждать (особенно если при редких пролетах над целью не везет еще и с метеоусловиями над ней).
Потенциал коммерческих сервисов съемки Земли, проявленный в ходе конфликта в Украине, столь заинтересовал западных военных, что Пентагон, и так сотрудничающий с рядом сервисов на правах «премиального подписчика», стал работать над механизмом упрощенной закупки услуг и даже продумывать механизмы компенсации фирмам в том случае, если их группировки будут нести боевые потери. Кроме того, американские военные начали создание собственного многоцелевого «мегасозвездия».
Созвездия различных назначений зачастую объединяет то, что их функционирование не зависит от каждого отдельного аппарата – спутники, входящие в них, зачастую дешевы и имеют относительно небольшой срок жизни. Но при этом возможности созвездия как системы растут с увеличением количества входящих в него спутников: у группировок связи – напрямую, по пропускной способности и покрытию, а у сервисов дистанционного зондирования Земли – косвенно, например, по частоте обновления снимков каждой точки.
Представим краткий обзор развертываемых и наиболее интересных из планируемых спутниковых созвездий.
SPACEX STARLINK
Наиболее известное из мегасозвездий, без сомнения, это спутниковая группировка Starlink, предназначенная для предоставления не привязанного к наземной инфраструктуре широкополосного доступа в интернет. Ее известность обусловлена как субъективными факторами (активная рекламная кампания, применение в конфликте в Украине, публичная деятельность достаточно одиозного главы компании SpaceX И. Маска), так и объективными (на данный момент это самая крупная спутниковая группировка в мире и первая, которая начала предоставлять частным пользователям спутниковый интернет, по ценам и качеству сопоставимый с «наземным»).
Так, в США на лето 2023 года частным абонентам предлагается скорость 20–100 мбит/с за 90–120 долларов в месяц (плюс цена антенны: 599 долларов). Для Штатов, где даже в крупных городах не все районы обеспечены дешевым высокоскоростным интернетом и до сих пор активно используется ADSL, это достаточно конкурентное предложение. Для бизнес-клиентов доступны приоритетные по скорости тарифные планы, существуют также и более дорогие, но уверенно выигрывающие по сравнению с аналогами варианты для мобильных пользователей с установкой антенны, например, на крышу машины. На данный момент предел возможностей по скорости составляет, вероятно, порядка 350 мбит/с, которые компания готова обеспечить в открытом океане – по очевидным соображениям: там вокруг мало абонентов и чист горизонт. В плотной городской застройке система может и вовсе не работать, так как антенне необходимо «видеть» небо – чем больше, тем лучше.
Кроме Штатов, сервис представлен в 56 странах. Разумеется, теоретически спутникам безразличны государственные границы, но международные правила регулирования (в частности, правила Международного союза электросвязи) требуют от провайдеров заключения отдельных соглашений на предоставление услуг с национальными органами, так что расположенные в «неправильном» месте антенны «искусственно» не будут работать. С другой стороны, отсутствие национальной юрисдикции позволяет свободно работать в открытом океане. Единственная страна, которой «провели интернет» без разрешения местных властей, это Иран: так было сделано в сентябре 2022 года в качестве реакции на подавление местных протестов. Практичность этого пиар-хода вызывает большие вопросы, так как трудно представить, чтобы в этой стране было значительное количество терминалов связи Starlink, но все это создало серьезный прецедент. Общее количество абонентов сервиса в мире в мае 2023 года превысило полтора миллиона и ограничивается скорее лишь возможностями компании по производству терминалов и пропускной способностью находящегося в развертывании созвездия.
Для обеспечения работы сервиса уже развернута крупнейшая в истории спутниковая группировка – по состоянию на 10 июля 2023 года, на орбите находилось 4397 работающих спутников Starlink двух поколений (и нескольких промежуточных ревизий). С учетом того, что общее количество работающих на орбите спутников всех стран, компаний и типов составляет порядка 8400, на спутники Starlink приходится чуть более половины из них. Закончено развертывание первого этапа системы и по совместительству первого поколения спутников, с весны 2023 года начато развертывание второго поколения.
Чтобы система была экономически жизнеспособной, нужно иметь порядка 1000 спутников. Если мы выводим на орбиту гораздо больше спутников, это очень хорошо – это означает, что на систему есть большой спрос
Илон Маск, СЕО компании SpaceX
Спутники первого поколения имеют массу 260–300 кг и развертывались преимущественно на круговых орбитах высотой 540–570 км с наклонением 530, что обеспечивает плотное покрытие на широтах менее 550. Видимо, это продиктовано тем фактом, что основная территория США и наиболее населенная южная часть Канады «заканчиваются» на 51–520 широты. Для обеспечения связи на более высоких широтах часть спутников выводится на полярные орбиты, и в конце 2022 года компания заявила, что готова предоставлять сервис для абонентов на Аляске и в Скандинавии. Вероятно, малое число «полярных» спутников компенсируется тем, что, по очевидным причинам, в тех регионах будет меньше абонентов.
Спутники второго поколения, более мощные, массой 800 кг, выводят на орбиту высотой 530 км с наклонением 430. Подана заявка на развертывание до 7500 спутников этого поколения, в будущем их более крупные версии (текущие официально называются «v. 2.0 mini») должна будет выводить в огромном количестве создаваемая сверхтяжелая многоразовая ракета-носитель Starship/Super-Heavy, однако сроки ввода ее в эксплуатацию неясны. На данный момент для запуска используется ракета-носитель Falcon 9, за один раз запускающая до 60 спутников первого поколения (с переходом в мае 2021 года к «полуторному» поколению их количество будет чуть меньше – 53–56) или 21–22 спутника второго поколения.
Общие итоговые размеры созвездия Starlink на данный момент предсказать трудно, так как это будет зависеть от успешности развития программы. На сегодняшний день Федеральная комиссия по связи США одобрила компании SpaceX развертывание почти 12 тыс. спутников, однако SpaceX подала запрос на развертывание в перспективе группировки общей численностью до 42 тыс. спутников. В том числе, почти 20 тыс. будут располагаться на низкой орбите высотой 340–360 км и смогут обеспечивать еще более мощный сигнал для абонентов, что позволит радикально повысить пропускную способность всей сети. Однако на такой орбите они будут обладать серьезно ограниченным сроком жизни, и созвездие станет требовать постоянного обновления.
ONEWEB
Созвездие OneWeb одноименной английской компании примечательно тем, что его первоначальное развертывание закончено: в марте 2023 года индийская ракета LVM3 вывела последние 36 спутников. Для России оно интересно, потому что до событий весны 2022 года именно «Роскосмос» на ракетах-носителях «Союз-2.1Б» выполнил 13 из 19 пусков, потребовавшихся для развертывания системы. Последующие запуски английской компании пришлось оперативно переориентировать на ракеты индийские и американские (что примечательно, американская ракета принадлежит конкуренту OneWeb в качестве интернет-провайдера – SpaceX). Однако этот пример показывает, что даже достаточно старые российские ракеты-носители вполне могут подойти для коммерчески оправданного вывода крупной спутниковой группировки: на данный момент OneWeb – второе по размерам созвездие в мире, пусть и с большим отрывом от Starlink (на орбите развернуто 632 спутника). Для работы системы необходимо 588, оставшиеся выступают резервными.
В отличие от Starlink, большинство спутников OneWeb было выведено на полярную орбиту высотой около 1200 км. На данный момент сервис предлагается в первую очередь для морских бизнес-клиентов, которым гарантируется скорость «не менее 100 мбит/с». Сервис для наземных абонентов предлагается в основном в высоких широтах, распространение его на широты более низкие (и более заселенные) связывается со строительством сети наземных станций. Переговоры с клиентами пока ведутся, судя по всему, в индивидуальном порядке, так же формируется и коммерческое предложение.
Спутники OneWeb развернутого первого поколения весят около 150 кг. В отличие от системы Starlink, они не оснащены средствами связи между собой, то есть в «поле зрения» спутника должны находиться одновременно и абонент, и наземная приемная станция, и этого помогает достигать более высокая орбита.
[Система] Starlink не разрабатывалась и не предназначена для использования в составе наступательных или оборонительных вооружений либо совместно с ними, или в иных сопоставимых конечных примененияхИз условий предоставления услуг Starlink
В конце мая 2023 года был запущен демонстратор второго поколения спутников с теми же массовыми характеристиками, но иным оборудованием, которое позволит более эффективно распределять мощность в регионах с повышенной нагрузкой. После 2025 года планируется развертывание порядка 300 спутников второго поколения, а также интеграция с французским геостационарным сервисом Eutelsat, который будет частично снимать нагрузку в низких широтах.
AMAZON KUIPER
Настоящим конкурентом SpaceX Starlink планирует стать созвездие американского гиганта Amazon, названное в честь пояса Койпера (области за орбитой Нептуна, заполненной малыми телами Солнечной системы). Как и Starlink, это американский проект, продвигаемый харизматичным бизнесменом (в данном случае главой корпорации Дж. Безосом), и его тоже планируют запускать на «родной» ракете-носителе. Правда, это в перспективе. Безосу принадлежит ракетостроительная компания Blue Origin, и она, в числе прочего, ведет разработку частично многоразовой тяжелой ракеты-носителя New Glenn, которая, возможно, с 2025 года начнет вывод созвездия «сестринской» компании. До того спутники Kuiper планируют выводить на ракетах-носителях других компаний: «Ariane 6» от Arianespace и «Vulcan Centaur» от ULA, которые, впрочем, тоже еще не начали эксплуатацию.
О реальной производительности системы пока судить трудно, но Amazon планирует, пользуясь своими запредельными финансовыми ресурсами, активно демпинговать и на этом рынке, продавая оборудование по цене ниже, чем у SpaceX. При этом обещают достигнуть скорости до 400 мбит/с для частных пользователей и до 1 гигабит/с для коммерческих решений. Впрочем, надо отметить, что не уточняется, сколько спутников понадобится развернуть для такого уровня пропускной способности, и не будет ли она достигаться только в «открытом море-океане» – тогда при подобной производительности конкурировать со SpaceX будет трудно.
Цель здесь – широкополосная связь повсеместно, но сама природа тысяч спутников на низкой околоземной орбите сильно отличается от геостационарных спутников. У вас одинаковая широкополосная связь по всей поверхности Земли. Не совсем одинаковая, к сожалению, она имеет тенденцию быть намного более сконцентрированной в направлении полюсов. Но в итоге вы обслуживаете весь мир. По определению, вы в конечном итоге получаете доступ к людям, у которых «недостаточно пропускной способности». Сельские районы, отдаленные районы
Джефф Безос, СЕО Amazon
На данный момент планируется развертывание 3236 спутников Kuiper на орбитах высотой 590–630 км, причем примерно поровну на наклонениях 33,420 и 520. Таким образом, сервис еще более «географически ориентирован», чем Starlink, и, возможно, не будет физически доступен в таких регионах, как Скандинавия, Шотландия, Аляска и др. Начать коммерческую эксплуатацию планируют в конце 2024 года, а полностью развернуть группировку уже в 2026 году, но этот план выглядит излишне оптимистично, учитывая, что, по удивительному совпадению, все выбранные ракеты-носители испытывают задержки в создании и в 2023 году даже не начнут полеты. Вероятно, заявленные сроки стоит сдвигать минимум на год-два. При этом, активно рекламируя пользовательское оборудование, Amazon и Blue Origin практически ничего не рассказывают о спутниках и своей ракете-носителе.
SATNET GUOWANG
Китайским ответом на западные спутниковые созвездия, предназначенные для обеспечения доступа в интернет (естественно, об их свободном доступе на китайский рынок не может быть и речи), должно стать в первую очередь созвездие GuoWang. Отдельные проекты китайского спутникового интернета созвездия предлагали в середине 2010-х годов такие аэрокосмические китайские концерны, как CASC и CASIC, но в начале 2020-х государство вывело развитие космического интернета в приоритет и сформировало в апреле 2021 года специальную корпорацию China Satellite Network Group (коротко – SatNet), которая будет заниматься развертыванием и эксплуатацией созвездия, согласно заявке, из почти 13 тысяч спутников. Возможно, в большей степени, чем упомянутые выше системы, GuoWang будет ориентирована на предоставление телефонной связи, хотя экспериментировать в этой области планируют и Starlink и другие.
Несмотря на огромный промышленный потенциал Китая и рост его ракетно-космической отрасли, развертывание подобного созвездия будет ему доступно не так уж скоро. Пекину для подобного масштабного проекта не хватает тяжелой или хотя бы средней частично многоразовой ракеты. С другой стороны, никто не говорит, что необходимо сразу же реализовывать всю систему полностью, вполне возможно, это просто заявление о намерениях – ведь Starlink тоже не состоит из сорока с лишним тысяч спутников, однако находится в коммерческой эксплуатации.
Пример OneWeb, развернутого в основном на «Союзах», показывает: если Китаю удастся наладить серийное производство небольших спутников с приемлемыми возможностями и сосредоточиться на своем регионе, то он вполне сможет через несколько лет создать систему, которая обеспечит хотя бы низкоскоростной доступ в труднодоступных районах (благо у Пекина не стоит задача, как в США, в 2020-е годы обеспечивать людям в городах альтернативу модемному доступу в сеть). Кроме того, в Китае продвигаются ряд иных проектов – например, Galaxy Space начала развертывание своего созвездия из малогабаритных спутников связи, которое в будущем должно достигнуть тысячи аппаратов.
PLANET LABS
Обзор не будет полным, если рассматривать только коммерческие интернет-созвездия. В качестве примера иного применения можно привести группировку дистанционного зондирования Земли компании Planet Labs. Ее основу составляют спутники типа Dove – это дешевые и легкие, массой всего около 5 кг, спутники, непрерывно снимающие земную поверхность с разрешением около 3 м на пиксель. Этого достаточно для экологического мониторинга, картографии, анализа ситуации при чрезвычайных ситуациях и подобного.
Группировка из полутора сотен постоянно действующих на полярной орбите высотой около 500 км спутников (на 10 июля 2023 года было 164 работающих Dove) ежедневно несколько раз снимает всю земную поверхность и отправляет данные в архив, доступный для подписчиков сервиса, где снимки появляются, согласно заявлению фирмы, не позднее чем через три часа. Спутники обладают ограниченным сроком службы, и для поддержания такой группировки было запущено в общей сложности уже 555 спутников. Для более детальной съемки используется 21 спутник SkySat с разрешением 50 см на пиксель.
Planet Labs – далеко не единственный частный сервис дистанционного зондирования Земли. Наиболее известной в этой сфере, вероятно, можно считать компанию Maxar, которая обладает спутниками с качеством съемки, близким к разведывательному, при этом более многочисленными, и имеет эксклюзивное партнерство с разведкой США.
PWSA
Пентагон также видит будущее построение спутниковых группировок в многотысячных созвездиях. В 2019 году было объявлено о плане построения «национальной космической архитектуры» в виде многослойной группировки из сотен небольших, менее 500 кг, спутников. В качестве приоритетов изначально назывались глобальная связь для военных, отслеживание пусков ракет (в том числе, гиперзвуковых боевых блоков в полете, что возможно на относительно низких орбитах), дистанционное зондирование Земли, наблюдение за космической обстановкой, предоставление резервного сервиса навигации. В январе 2023 года военное созвездие получило название «Масштабируемая военно-космическая архитектура» (Proliferated Warfighter Space Architecture, PWSA). Спутники связи, или «транспортного слоя», будут передавать информацию не только между наземными абонентами, но и внутри системы.
Развертывание начато в апреле 2023 года с запуском первых десяти прототипов спутников «нулевого этапа» (Tranche 0), который должен быть закончен с запуском еще 17, также в течение этого года. В экспериментальный этап развертывания вошло 19 спутников связи и восемь – отслеживания ракетных пусков. Первоначальной оперативной готовности созвездие должно достигнуть к 2026 году с развертыванием еще примерно 170 спутников «первого этапа» (из них от 28 до 35 – спутники отслеживания ракетных пусков, остальные – спутники связи). Второй этап, по текущим планам, будет включать порядка 270 спутников, в том числе около полусотни для отслеживания ракетных пусков и, возможно, спутники с каким-то новым назначением. Впрочем, необходимо отметить, что средне- и долгосрочные планы на PWSA регулярно меняются: «плывут» количественные параметры группировок, да и само название появилось только полгода назад и вполне может не прижиться. Конечный размер созвездия предсказать трудно, вероятно, оно станет расширяться и обрастать новыми возможностями, однако очевидно, что в 2030-х годах в нем будет не менее тысячи аппаратов.
PWSA играет ключевую роль в планах США по освоению космоса в военных целях. Его развертывание необходимо как для получения принципиально новых возможностей по отслеживанию ракетных пусков и гиперзвуковых ракет в полете, так и в области связи и реализации сетецентрического подхода к управлению боевыми действиями.
«СФЕРА»
В России ведется проработка национального спутникового созвездия «Сфера», которое должно состоять из различных аппаратов и решать ряд задач – предоставление доступа в интернет в труднодоступных районах, цифровое телевещание, глобальный «интернет вещей» (IoT), дистанционное зондирование Земли в оптическом и других диапазонах и пр. В наиболее масштабных планах предполагалось развертывание к 2030 году более 600 спутников различных типов.
Описать актуальные планы по «Сфере» и тем более делать прогнозы трудно, так как облик программы от заявления к заявлению меняется и постоянно становится ареной для выходящих в публичную область споров между «Роскосмосом» и рядом министерств. Первый уже многие годы жалуется на недостаточное финансирование программы, а правительство отвечает, что причина проблем в отсутствии утвержденного плана работ и в том, что даже выделенные средства не осваиваются в полном объеме.
Цель – предоставление космической услуги. Информацию еще нужно принять, обработать и раздать потенциальным потребителям. Это очень сложная задача. Значит, надо научиться делать универсальные космические платформы, которые будут перевыпускаться в большом количестве, служебную аппаратуру для спутников. Вот этот переход от стапельной сборки к конвейерной – достаточно серьезный и мучительный. Он требует, помимо перестройки производства и пересмотра подходов при проведении НИОКР, смены привычного образа мысли
Юрий Борисов, генеральный директор ГК «Роскосмос»
В рамках программы в октябре 2022 года ракетой-носителем «Союз-2.1б» запущен «Скиф-Д» – демонстратор спутника по предоставлению доступа в интернет. В рамках «Сферы» планируется развернуть на орбитах высотой 8070 км 12 полноразмерных «Скифов», однако даже шести хватит для постоянного покрытия в высоких широтах. О высокой пропускной способности сети речь не идет, но такая система сможет обеспечить устойчивый доступ в интернет для удаленных районов Севера или на протяжении Северного морского пути.
Также в «Сферу» должно входить «подсозвездие» дистанционного зондирования Земли «Беркут», состоящее из различных спутников числом до сотни: для съемки радиолокационной, оптической с высоким разрешением и панорамной. Однако с перспективами «Беркута» ясности в текущих условиях также мало.
Для нас интереснее всего «Марафон-IoT» – «подсозвездие» из 264 50-килограммовых спутников, которые планируется разворачивать на орбитах высотой около 750 км. «Марафонцы» должны будут обеспечивать глобальный низкоскоростной предельно дешевый доступ в сеть для сервисов «интернета вещей», поисково-спасательных служб, авиации и т.д. Демонстраторы «Марафон-IoT» планируется запустить в 2024 году, а сами спутники – производить максимально серийно: именно их в первую очередь имеют в виду отечественные спикеры, когда говорят о необходимости выпуска «по одному спутнику в день».
***
Можно уверенно сказать, что на наших глазах развивается еще одна космическая революция, по меньшей мере, сравнимая с освоением геостационарной орбиты и созданием навигационных спутниковых сервисов. Возможно, уже в скором времени понятие «вне зоны доступа» – во всех значениях – потеряет смысл.
©«Новый оборонный заказ. Стратегии»
№ 4 (81), 2023 г., Санкт-Петербург
