Создавая вселенную: cпутниковая революция

Создавая вселенную:
cпутниковая революция
Аналитический обзор SES
Декабрь 2015 года
Спутники на взлёте
Испытанный метод
Спутниковые технологии достигли впечатляющих высот
за последние десятилетия: с их помощью создана
многомиллиардная индустрия вещания, контента и
передачи информации. Сегодня спутники делают
квантовый скачок в новую эру передачи данных.
Традиционный метод доставки
спутника на орбиту отработан до
мелочей: построив новый тяжелый
спутник, нужно заправить его
химическим топливом в объеме,
достаточном для вывода аппарата
на орбиту и удержания в
орбитальной позиции в течение
срока эксплуатации.
Спутники, как и отрасль космических запусков в целом,
претерпевают невероятные изменения. С одной
стороны, существующие технологии строительства и
запуска спутников хорошо отработаны, а с другой—на
смену им приходят революционные решения, а с ними—
впечатляющая экономия и демократизация отрасли.
Высочайший профессионализм конструкторов в
сочетании со стремительным прогрессом в
ракетостроении дают мощный синергетический эффект.
Уже сегодня спутниковые операторы получают
ощутимые преимущества, а впереди нас ждут новые
впечатляющие возможности.
Вес стандартного спутника может достигать шести
тонн. Причем, половину его веса или даже больше
составляет топливо, и две трети которого сгорают в
первые день-два полёта. Остатков топлива—чуть более
четверти— должно хватить для удержания аппарата на
орбите в течение как минимум пятнадцати лет. Для
запуска нужна массивная ракета-носитель, способная
поднять в космос не только спутник, но и свой
собственный вес.
Новый подход
Новые спутниковые заповеди
Новый подход объединяет радикальные качественные
изменения в технологиях строительства спутников с
реинжинирингом процессов запуска, финансирования,
управления и коммерческого использования.
Колоссальные коммерческие преимущества откроют
перед спутниковой индустрией новые горизонты, новые
рынки, новые сферы бизнеса и пути к новым
потребителям.
Современное спутникостроение опирается на новые
технологические заповеди:
1. Легкий вес
2. Эффективное использование лучей
3. Быстрый выход на рынок
Схема спутника SES-121
1. В лёгком весе: электродвигатель
Представим, что спутник можно освободить от
колоссального веса топлива.
Снижение веса даст экономию расходов на запуск и
возможность увеличить полезную нагрузку.
Добиться этого результата как раз и позволяет
электрореактивный двигатель. Двигатель на
химическом топливе, вес которого составляет
значительную часть массы традиционного спутника,
заменяется на электрореактивный. В качестве топлива
он потребляет нетоксичный газ ксенон, который
закачивается в топливный отсек и составляет пятую
часть массы химтоплива. Благодаря меньшей массе и
высокой плотности сжатого ксенона, можно
устанавливать до 10 раз меньшие по размеру топливные
резервуары, освободив место для полезной нагрузки.
Как работает установка? Ксенон ионизируется катодом
и разгоняется сильным электрическим полем, которое
создается под воздействием высокого электрического
напряжения величиной до 2000 Вольт. Частицы ксенона
выталкиваются из двигателя с экстремальной скоростью
50 000 км/час и выше, и возникает тяга, которая
доставляет аппарат на орбиту.
1 Изображение предоставлено Airbus Defence and Space
Аналитический обзор SES | 2
Хорошая новость заключается в том, что необходимое
электричество производится “бесплатно” солнечными
панелями спутника, которые могут генерировать до 20
кВт и больше на постоянной основе.
Однако за снижение веса спутника придётся заплатить
снижением скорости: для выхода на орбиту спутнику
потребуется несколько месяцев вместо нескольких
дней. Но что значат несколько месяцев по сравнению с
десятилетиями работы спутника? К тому же, время
вывода на орбиту несложно включить в уже
существующие планы запуска.
Большой высокотехнологичный спутник, вроде SES-12,
который без топлива весит 4 тонны, при заправке
химическим топливом весил бы все 10 тонн. Для вывода
10-тонного спутника понадобится запуск ракеты Ariane
5, которая как правило несёт на себе два аппарата. А
если заправить топливные баки SES-12 ксеноном,
спутник будет весить лишь 5 тонн и может быть запущен
на ракете среднего класса, такой как Falcon 9, или на
Ariane 5 вместе с другим похожим спутником.
Использование полностью электрических спутников
дает компаниям беспрецедентную свободу в
управлении своими орбитальными активами. Одна
ракета-носитель теперь может поднять два легких
спутника, при этом обеспечив им срок эксплуатации
традиционных 6-тонных спутников, а операторам –
пропорциональную экономию на запуске.
Сэкономленные две тонны веса добавят спутникам
функциональности и производительности. Их станет
легче конфигурировать для работы на нескольких
рынках, что увеличит прибыльность и позволит
обслуживать новые запросы заказчиков.
эксплуатации спутника составляет около 15 лет.
Рациональное использование химтоплива может
продлить этот срок до 17 лет или даже больше.
Электрическая тяга снимает эти ограничения. Конечно,
по истечении 15 лет или расчетного срока эксплуатации,
могут отказать другие элементы, но использование
электрического двигателя означает, что даже при
снижении своей функциональности, спутник может
прослужит еще долгие годы сверх срока
первоначальной миссии.
Отраслевые прогнозы утверждают, что к 2020 году 50%
всех коммерческих телекоммуникационных спутников
будут оснащены электродвигателями.
Еще одно экономическое преимущество – увеличение
срока эксплуатации. Обычно расчетный срок
ХИМИЧЕСКИЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
Апогей (здесь
происходит
запуск
двигателя)
Солнечные панели
раскрываются сразу после
отделения от ракеты-носителя
для подачи электричества к
собственному двигателю
Апогей
Я
ОР
БИ
ТА
Солнечные панели раскрываются
в момент приближения спутника
к расчетной орбите
Н
А
Р
ПЕ
ЕХ
Перигей
ОР
ПРОМЕЖУ
БИ
ДР
ЕЙ
ЧН
АЯ
БИ
Перигей
ТА
Электричество создаёт
тягу путём ионизации и
разгона ксенона
ФА
ИТ
А
ТА
ТО
ОР
ОД
Г Е О СИ
Н ХР
ОН
Н
О
АЯ
РБ
Время вывода: приблизительно 1 неделя
Время вывода: 4 – 6 месяцев
Х И М ИЧЕС К И Й Д ВИ ГАТ Е Л Ь
ЭЛ Е К Т РИЧ ЕС К И Й Д В И ГАТ Е Л Ь
Полная
масса
полезной
нагрузки:
Полная
масса
полезной
нагрузки:
Масса:
3 тонны2
6
тонн
Топливо:
3 тонны2
Масса:
5 тонн2
Как минимум 2/3
этого топлива
сжигается в
течение
нескольких дней
полета спутника к
расчетной орбите
Одна ракета
может легко
нести два
легковесных
спутника
(эффективность в
1,5-10 раз выше, чем у
химического двигателя)
6
тонн
Топливо:
1 тонна2
2 Приближенные значения
Аналитический обзор SES | 3
2. Э
ффективное использование лучей:
цифровая обработка данных
Традиционное линейное вещание в широком луче (Wide
Beam) — сложившийся и очень успешный бизнес.
И всё же, в современном мире, где потребителям
требуются новые экономически эффективные каналы
двусторонней передачи данных, спутники должны
отвечать на все более разнообразные и сложные запросы.
К примеру, при двусторонней передаче в нескольких
множественных лучах необходимо каждый раз
управлять четырьмя каналами в разных зонах покрытия:
входящим uplink-сигналом с телепорта на спутник,
исходящим downlink-сигналом со спутника абоненту и
обратно от абонента на спутник и далее на телепорт.
Вместо заданного и неизменного распределения
спутникового диапазона между разными сервисами,
сигнал обрабатывается бортовым компьютером
непосредственно на спутнике. Цифровой
распределяющий процессор (DTP) направляет сигналы на
разных лучах по единому контуру, обеспечивая таким
образом повсеместную и бесперебойную передачу
сигнала между источниками и потребителями по всей
зоне охвата.
Как результат мы имеем более эффективное
распределение спектра и более широкий выбор услуг
для заказчиков. Уже работающие на орбите спутники, с
уже имеющимся диапазоном можно выводить на новые
рынке точнее и эффективнее. Добавьте к
cфокусированным точечным лучам технологи
повторного использования частот и цифровые бортовые
процессоры, и Вы получите высокоадаптивный спутник,
способный одновременно решать несколько разных
задач. Например, часть спутникового оборудования
может осуществлять традиционное DTH-вещание, а еще
часть—используя направленные узкие лучи и обработку
сигнала бортовым компьютером—работает на других
рынках, решая совершенно другие задачи.
С переходом на полностью цифровую платформу
спутники получат новую степень адаптивности и готовы
к обслуживанию самых разных потребителей и задач.
3. Быстрый выход на рынок: модульное
конструирование
Космический буксир: межорбитальный
транспортный аппарат
Инженерное сообщество по обе стороны Атлантики
сегодня пересматривает подходы к спутниковому
строительству: действительно ли необходимо начинать
проектирование каждого спутника с чистого листа?
Традиционно проектирование и строительство спутника
занимает минимум три, а иногда и все пять лет от
концепции до запуска, что не позволяет своевременно
обслуживать быстро меняющиеся запросы
потребителей и бизнеса.
Сегодня инженеры внедряют концепцию модульного
конструирования, используя типовые, хорошо
зарекомендовавшие себя спутниковые компоненты,
вместо того чтобы каждый раз заново изобретать или
конструировать узлы спутника. Всё чаще аппараты
строятся с учётом необходимости быстрого выхода на
рынок и с использованием наборов базовых элементов.
Это можно сравнить с опциями в автомобиле: у одной и
той же модели можно выбрать ручную, автоматическую
или даже электрическую трансмиссию. Похожий подход
реализуется сегодня в спутниках последнего поколения.
Современные спутники должны легко адаптироваться к
реалиям рынка и быстро реагировать на его запросы.
Рынок не может ждать от трёх до пяти лет, пока спутник
спроектируют и построят. Спутники должны
предвосхищать новые запросы рынка и быстро отвечать
на них.
Космический буксир – одна из самых новаторских из
обсуждаемых сегодня идей, способная в корне изменить
то, как проектируются и используются спутники.
Маленькие и мощные, буксиры используются на море
для того, чтобы подводить морские суда к месту
швартовки. Космический буксир поможет «швартовать»
спутники к орбите.
То, что еще вчера было сюжетом научнофантастического романа, сегодня превращается в
научный факт. Многие операторы изучают перспективы
использования орбитального буксира, или иначе
межорбитального транспортного аппарата, для
доставки космических аппаратов с низкой околоземной
орбиты на более высокую. Один из вариантов работы
космического буксира — это вывод спутника на его
геостационарную позицию с низкой орбиты, запуск на
которую стоит дешевле. Также рассматривается
возможность трансформировать последнюю или
верхнюю ступени ракеты-носителя таким образом,
чтобы по завершении запуска они могли выполнять
задачу буксировки спутника к орбите.
Космический буксир может быть оснащен мощным
электрическим двигателем с панелью солнечных
элементов и 4-7-метровым цилиндром c
микродвигателями. На буксире могут быть
предусмотрены модульные солнечные элементы и
механизмы стыковки. Такой аппарат мог бы доставлять
другую полезную нагрузку, двигатели и топливо или
ксенон другим космическим аппаратам на более
высоких орбитах.
Еще один вариант—использовать буксир для
дозаправки топливом, чтобы продлить срок
Аналитический обзор SES | 4
Запуск спутника SES-8 на ракете-носителе SpaceX Falcon 9, Декабрь 2013 года
эксплуатации рабочего спутника. NASA ведёт
соответствующие разработки и вместе с Россией
санкционировало использование общих стыковочных
механизмов при отправке грузов и персонала на МКС.
Специалисты NASA также исследует возможность
запуска спутников с реактивных самолетов на
предельно большой безопасной высоте и повторного
использования дорогостоящих спутников в космосе.
Реинжиниринг ракетостроения
РАКЕТА МНОГОРАЗОВОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
И, наконец, ракеты.
Что появилось раньше — курица или яйцо?
Экономически эффективные ракеты или лёгкие
спутники? Каким бы ни был ответ на этот вопрос,
появление компании SpaceX на рынке запуска спутников
оказывает сильнейшее влияние на то как сегодня
проектируются, строятся и запускаются спутники.
Менее чем за 12 лет SpaceX полностью переосмыслила
индустрию спутниковых запусков. Чтобы полностью
контролировать расходы, компания проектирует,
производит и тестирует большинство узлов ракеты
самостоятельно, без привлечения подрядчиков.
Мощные ракетные двигатели также производятся
внутри компании. Управленческая бюрократия в SpaceX
сравнительно небольшая. Как результат—одни из самых
низких цен на запуск на рынке
Компания SpaceX и ее владелец Илон Маск, чей
долгосрочный план – колонизация Марса людьми,
планирует возвращать на Землю некоторые ракетные
узлы для повторного использования. Например, путём
посадки первой ступени ракеты на передвижную
морскую платформу. Эта технология уже
протестирована. Таким же способом можно было бы
возвращать на Землю экипажи по завершении миссии.
Запуск двигателя второй
ступени для вывода на
орбиту
Включение первого
двигателя, который
направляет первую ступень
к точке приземления
Сверхзвуковой
двигатель
обратной тяги
и тормозная
система
замедляют
скорость
ступени
Отделение
первой
ступени
Три отдельных двигателя
выводят отделившуюся
первую ступень на курс
вхождения в атомсферу и
снижают скорость с 2 900
миль в час до 4,5 миль в
час к моменту
приземления.
Запуск
Плавучая
дистанционно
управляемая
платформа
Посадка
на одном
двигателе
Аналитический обзор SES | 5
Конечная цель SpaceX — строить ракеты быстрее и
запускать их гораздо чаще, что позволит снизить цены
для заказчиков—при условии, что затраты
распределяются на больший спектр задач в рамках
одной миссии.
Спутниковые операторы уже извлекают выгоду из очень
конкурентной цены на запуск. Многоразовые ракеты
помогут снизить цены до четверти той стоимости,
которую мы имели несколько лет назад. Это станет
очень серьезным изменением в общей структуре
ценообразования.
Оператор запусков Arianespace также полностью
пересматривает свою стратегию. В ближайшие
несколько лет мы увидим ракету-носитель Ariane 6, чей
первый запуск назначен на 2020 год. В совокупности с
имеющимся портфелем ракетоносителей, Ariane 6
откроет перед Arianespace новые горизонты.
ДВЕ ВЕРСИИ
РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ
АРИАН-6
60 м
A62
50 м
A64
Масса полезной нагрузки на ГПО
5,5 т
40 м
10,5 т
Стартовая масса
500 т
30 м
800 т
Двигатель
Жидкий кислород и жидкий водород
20 м
Твердотопливные ускорители
2
10 м
4
СРАВНЕНИЕ ЗАПУСКОВ
60 м
50 м
40 м
30 м
20 м
10 м
ВЕГА
СОЮЗ-2
АРИАН-5 ECA
ПРОТОН-М
FALCON 9
FALCON
HEAVY
Высота
30 м
46,1 м
до 53 м
58 м
68,4 м
68,4 м
Диаметр
3м
2,95 м
до 5,4 м
7,4 м
3,7 м
11,6 м
Стартовая
масса
137 т
305 т
780 т
712,8 т
505,8 т t
1462,8 т
Масса полезной
нагрузки на ГПО
1,5 т 3
3,25 т
10 т
6,7 т
4,85 т
21,2 т
3 Запуск на круговую орбиту, наклонение 90°, 700 км
Аналитический обзор SES | 6
Подводя итоги
Спутниковые инновации, растущая конкуренция,
технические прорывы и инвестиции, давшие нам новые
возможности запуска—вот движущие силы того
квантового скачка, который совершается сегодня в
спутниковой индустрии. Эти изменения означают как
радикально новый уровень качества услуг, так и взлёт
бизнес-возможностей.
Большинство потребителей будут вполне счастливы,
если им предложить более широкий выбор телеканалов
и программ в более высоком разрешении. Но передача
видео—это лишь одна из услуг в новом наборе
сервисов, предоставляемых сегодня спутниками. Будь
то видео, фиксированная передача данных, подвижная
связь или связь для госсектора, спрос на эти услуги
сегодня растёт по экспоненте.
Уникальность SES в том, что компания предлагает
одновременно услуги связи с геостационарных
спутников и со спутников на средней орбите, благодаря
своему участию в проекте O3b. В сочетании с
обновленными технико-экономическими параметрами
ракет-носителей и спутников это позволяет нам
намного более гибко подходить как к эксплуатации
спутников так и к решению задач заказчика. А это
означает что наша роль в распространении спутниковой
связи по миру будет расти.
УНИКАЛЬНОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ SES
GEO
GEO
MEO 4
Непосредственнее
спутниковое
вещание (DTH)
Кабельное
распределение
Цифровое
наземное
телевидение
Прямое
IPTV-вещание
Телепорт
SES
Облако
ВИДЕО
Потребитель
Предприятие
ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ
ПОДВИЖНАЯ СВЯЗЬ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СЕКТОР
4 SES владеет стратегической 45% долей в компании O3b
Аналитический обзор SES | 7
Космические инновации—
импульс развития и
конкуренции в спутниковой
индустрии.
Штаб-квартира SES:
Château de Betzdorf
L-6815 Betzdorf
Luxembourg
Региональные представительства:
Аддис-Абеба | Эфиопия
Аккра | Гана
Брюссель | Бельгия
Бухарест | Румыния
Варшава | Польша
Вашингтон | США
Гаага | Нидерланды
Дубай | ОАЭ
Йоханнесбург | ЮАР
Киев | Украина
Лондон | Великобритания
Мадрид | Испания
Мехико | Мексика
Москва | Россия
Мюнхен | Германия
Париж | Франция
Принстон | США
Рига | Латвия
Сан-Паулу | Бразилия
Сингапур | Сингапур
Стамбул | Турция
Стокгольм | Швеция
Напечатано в Декабрь 2015 года.
Этот документ издан исключительно для информационных
целей и не является коммерческим предложением SES. SES
оставляет за собой право вносить правки в любое время и не
несет ответственности за любые ошибки, упущения или
изменения.
Узнайте больше о SES на сайте www.ses.com
или отправьте свой вопрос по электронной почте
[email protected]
Аналитический обзор SES | 8