Когда в 2015 году глава SpaceX Илон Маск впервые публично анонсировал концепцию Starlink — глобального спутникового созвездия, которое будет покрывать весь земной шар широкополосным интернетом, многие восприняли это скептически. Сложно было представить запуск тысяч спутников Starlink на орбиту, еще труднее — вообразить ряд мер для их обслуживания в масштабе монолитной группировки.
Сейчас — середина 2023 года, и на околоземной орбите уже находится свыше 4500 спутников созвездия Starlink, количество которых в будущем SpaceX планирует довести до 42 000. Технология уже давно вышла за пределы просто глобального интернет-провайдера, что подтверждает опыт войны в Украине, где спутниковая группировка Маска играет важнейшую роль в построении архитектуры связи для украинских войск и объектов критической инфраструктуры.
Давайте вспомним, какой путь прошел проект самого многочисленного спутникового созвездия из когда-либо выведенных человеком на орбиту. Это — история о Starlink.
Disclaimer: Перед вами первая часть цикла из трех статей, посвященных Starlink. Данный материал — вводный, он не коснется Starlink напрямую. Тем не менее, череда последовательных событий, описанных ниже, лучше всего объясняет причины зарождения спутниковых созвездий — будь то для войны или для домашнего интернета, который вам ее покажет.
Telstar и Syncom-3: первые активные спутники связи
Первым в мире активным спутником связи стал Telstar, разработанный компанией American Telephone and Telegraph Company (AT&T) совместно с Bell Telephone Laboratories и NASA. Запуск Telstar NASA оценило в $3 млн, что на начало 1960-х годов было колоссальной суммой для вывода спутника на орбиту. Но в аэрокосмическом агентстве понимали, что технология спутниковой связи в перспективе будет стоить куда больше.
Космический аппарат был запущен на негеосинхронную орбиту (NGSO) Земли 10 июля 1962 года и начал транслировать телевизионный сигнал на территории США, Англии и Франции. Уже к концу второй недели пребывания на орбите через Telstar был передан первый телефонный звонок, факс, а президент Джон Кеннеди с его помощью впервые провел трансатлантическую телевизионную пресс-конференцию. В прямом эфире.
Особенность орбиты ограничивала область использования спутника для трансатлантической передачи телесигнала всего двадцатью минутами за один околоземный виток, который зонд делал каждые 157,7 минуты. Несмотря на эти особенности, Telstar стал пионером в области активной спутниковой связи, и именно с него начинается история спутникового телекома.
Два года спустя, 19 августа 1964-го, в рамках реализации программы NASA по развертыванию спутников связи на орбиту был выведен Syncom-3 — первый активный спутник связи на геостационарной орбите (GEO) Земли. Стабильная экваториальная геостационарная орбита давала зонду возможность двигаться синхронно со скоростью вращения планеты, постоянно пребывая в фиксированном положении по отношению к станции приема сигнала на Земле. Отныне спутники связи уже не были ограничены временными рамками и могли производить круглосуточный прием и передачу сигнала, находясь в зоне своей ответственности.
К началу 1965 года NASA передало спутники Syncom-3 и Syncom-2 (предшественник №3, запущенный в 1963 году на геосинхронную орбиту Земли) Министерству обороны (DOD), которое использовало их для обеспечения глобальной военной связи в целях национальной безопасности США. Время передачи спутников военным было выбрано неслучайно — к 1965 году Syncom-3 уже предоставлял связь для контингента американских войск во Вьетнаме.
Несмотря на очевидный успех Telstar и Syncom-3, оба спутника существовали в единичном экземпляре. Первые же идеи о запуске полноценных спутниковых созвездий, какими мы их знаем сегодня, были озвучены только к концу 1980-х годов. Этим мы обязаны Холодной войне между СССР и США, одним из главных фронтов которой был космос.
Спутниковое созвездие ПРО: концепт Brilliant Pebbles
Инициатором появления концепции первого спутникового созвездия стала Стратегическая оборонная инициатива (SDI) — доктрина противоракетной обороны (ПРО) США, впервые презентованная Рональдом Рейганом 23 марта 1983 года и быстро прозванная в медиа «Звездные войны» за исключительную футуристичность предлагаемых решений.
Рейган выступил с резкой критикой Доктрины гарантированного уничтожения (MDA), которой придерживались как США, так и СССР. Доктрина заключалась в обязательном ответном ядерном ударе в случае применения такого оружия одним ядерным государством против другого. Американский президент не раз называл MDA «соглашением о самоубийстве», предложив взамен, на его взгляд, более рациональный шаг — разработать такую систему спутниковой противоракетной обороны, которая бы сделала ядерные баллистические ракеты в принципе неэффективными.
Спустя четыре года исследований и разработок, в 1987-м, два американских астрофизика Эдвард Теллер и Ловелл Вуд презентовали проект первого спутникового созвездия, получившего название Brilliant Pebbles («Блестящие камешки»).
Группировка должна была насчитывать тысячи малых спутников, размещенных на низкой околоземной орбите (LEO). На космических аппаратах предполагалось установить малые ракеты с инфракрасной системой наведения, которые могли бы сбивать баллистические ракеты противника, преследуя их по тепловому следу. Причем, делать это гораздо эффективнее, чем это позволяли наземные системы ПРО, стоявшие на вооружении США в конце 1980-х годов. Конечно же, размещение конвенционального вооружения в космосе прямо противоречило Договору о космосе (OST) от 1967 года, однако администрация Рейгана полагала, что это будет меньшим злом в сравнении с советской ядерной угрозой.
Для обнаружения пусков баллистических ракет спутники созвездия Brilliant Pebbles должны были сообщаться с группой спутников, оснащенных датчиками предупреждения о ракетных пусках. Астрофизики и инженеры из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL), которые занимались проектом Brilliant Pebbles, прогнозировали, что в случае исправной работы датчиков обнаружения и их надежного сообщения со спутниками ПРО процесс уничтожения советских баллистических ракет можно сделать автоматизированным, сведя к минимуму участие в нем оператора-человека.
В проекте был описан и потенциал для спутниковой связи с низкой задержкой, которая позже могла быть реализована в следующих поколениях спутниковых созвездий на низкой околоземной орбите. LEO являлась идеальным решением для организации системы связи по причине быстрого отклика сигнала. Была и обратная сторона медали — низкий высотный порог означал меньшую зону спутникового покрытия, нежели на геостационарной орбите (36 000 км). Один зонд на GEO был способен покрывать сигналом почти всю полусферу Земли. Было очевидно, что для того чтобы сделать подобную связь устойчивой, понадобятся сотни спутников, которые к тому же должны будут сообщаться друг с другом для передачи сигнала.
Brilliant Pebbles был исключительно хорошей идеей, которой, тем не менее, не было суждено воплотиться в реальность. Чрезвычайно высокая стоимость развертывания группировки (по оценкам 1991 года, от $10 млрд до $20 млрд) и последующий крах Советского Союза сделали его полностью невостребованным в новое, как многие полагали, более мирное время.
Именно концепция спутникового созвездия на низкой околоземной орбите, описанная в Brilliant Pebbles, впоследствии ляжет в основу спутниковой группировки SpaceX. Большое количество спутников, низкая задержка сигнала, межспутниковая связь — Starlink возьмет от Brilliant Pebbles многое. Места на спутниковой шине не найдется лишь ракетам — SpaceX заменит их на антенны-ретрансляторы.
Iridium, Globalstar и Teledesic: когда время еще не пришло
Последнее десятилетие прошлого века ознаменовало эпоху расцвета интернета — технология стала широко доступной и востребованной по всему миру. Многие спутниковые компании сразу увидели в этом уникальную возможность стать глобальными провайдерами спутникового интернета и связи.
Одной из первых шаги в этом направлении попыталась сделать компания Teledesic, предложившая разместить на полярной солнечно-синхронной орбите (700 км) 840 спутников — ретрансляторов коммерческого широкополосного спутникового интернета. Предполагалось, что созвездие спутников Teledesic будет способно обеспечить скорость передачи данных (uplink) в 100 Мб/с и скорость загрузки данных (downlink) в 720 Мб/с. Цифры казались невероятными, если учесть, что к началу 1993 года самые высокоскоростные модемы были способны передавать данные с максимальной скоростью только в 14,4 Кбит/с. И тем не менее, Teledesic настаивала, что ей под силу изменить это положение вещей.
К 1994 году проект спутникового созвездия от Teledesic оценивался в $9 млрд, часть из которых инвестировала Microsoft, возлагавшая на него большие надежды. Но и этой суммы было недостаточно, чтобы воплотить в жизнь первоначальный план компании по развертыванию на орбите 840 спутников-ретрансляторов. В 1997 году Teledesic была вынуждена существенно сократить количество планируемых к развертыванию зондов, уменьшив его до 288 активных спутников связи. Это, в свою очередь, привело и к пересмотру орбитальной высоты, на которой они должны были оперировать — она увеличилась почти вдвое, до 1315 км вместо первоначальных 700 км. Но даже тогда производство спутников не было запущено. Компания продолжала переносить сроки запуска своего созвездия, отпугивая потенциальных инвесторов и предоставляя драгоценное время другим игрокам на этом поле.
Teledesic была не единственной в своем роде. Компания Iridium также нацелилась на массовое покорение орбиты своими спутниками, но не для раздачи спутникового интернета, а для обеспечения спутниковой связью сотовых телефонов. Для достижения этой цели Iridium планировала вывести на орбиту 77 спутников связи (именно это число дало компании ее название, поскольку в периодической таблице химических элементов иридий — под порядковым номером 77). Однако позднее исследования показали, что для покрытия Земли будет достаточно 66 спутников связи на низкой околоземной орбите (≈781 км).
Они должны были сообщаться друг с другом в Ка-диапазоне частот (26,5-40 ГГц). Когда один спутник Iridium, пролетая над Землей, выходил из зоны покрытия спутникового телефона, данные о звонке передавались на спутник, следовавший за ним, который продолжал обслуживать вызов.
Первое поколение спутников Iridium было сконструировано компанией Motorola по контракту с фиксированной ценой, а производством спутников второго поколения (Iridium-NEXT) занималась уже Thales Alenia Space совместно с Orbital ATK. Полная группировка спутников первого поколения была развернута до 2002 года, а в период с 2017 до 2019 года орбиты достигли 75 спутников Iridium-NEXT, которые и сегодня продолжают обеспечивать спутниковой связью коммерческих абонентов и ряд военных программ.
По аналогии с Iridium мобильную спутниковую связь собиралась предоставить и основанная в 1991 году компания Globalstar. Созвездие спутников первого поколения должно было насчитывать 48 космических аппаратов (+8 резервных спутников) на орбите в 1410 км над Землей. Свой первый звонок по мобильному телефону тогда еще неполная группировка Globalstar провела 1 ноября 1998 года. Начальная стоимость минуты разговора составила $1,79, что на конец 1990-х годов было вполне конкурентной ценой для операторов сотовой связи.
Спутниковые созвездия Iridium и Globalstar начали функционировать в конце 1990-х, а созвездие, предложенное Teledesic, так никогда и не было развернуто, ограничившись запуском лишь одного тестового спутника BATSAT (Teledesic T-1) в феврале 1998 года. Но, несмотря на проделанную работу, у трех этих компаний был один итог — лопнувший в 2002 году пузырь доткомов привел к ошеломительному падению индекса фондового рынка Nasdaq Composite на 740%. Это был полный крах и для троих претендентов на роль глобального спутникового провайдера.
В 2002 году все три компании вынуждены были заявить о своем банкротстве. Однако Iridium и Globalstar сумели пережить этот кризис и после продажи другому собственнику продолжили обслуживать свои созвездия и предоставлять клиентам услуги спутниковой связи. Teledesic же была менее везучей и так никогда и не воплотила свои масштабные планы по развертыванию интернет-созвездия.
Помимо лопнувшего пузыря доткомов, приведшего к крушению многих амбициозных стартапов (и не только в космической отрасли), в начале 2000-х годов была очевидна и нерентабельность подобных проектов спутниковых созвездий. Прежде всего, по причине непомерно высокой цены вывода полезной нагрузки на орбиту. Это может казаться не столь болезненным, если ваша группировка насчитывает пять спутников, но весьма разорительно при попытках вывести на орбиту десятки или сотни космических аппаратов. Блестящие идеи Iridium, Globalstar и Teledesic опережали свое время, предлагая отличную технологию, готовую, тем не менее, разорить своих вкладчиков.
Но пройдет всего десять лет, и возвратные ракеты-носители SpaceX перевернут индустрию космических запусков, вынудив самого Илона Маска задуматься о выводе на орбиту уже не сотен, но тысяч космических аппаратов, функционирующих в рамках одной спутниковой группировки. Читайте об этом в продолжении нашего материала.
