Коли 2015 року глава SpaceX Ілон Маск уперше публічно анонсував концепцію Starlink — глобального супутникового сузір’я, яке покриватиме всю земну кулю широкосмуговим інтернетом, багато хто сприйняв це скептично. Важко було уявити запуск тисяч супутників Starlink на орбіту, ще складніше — осягнути низку заходів щодо їхнього обслуговування у масштабі монолітного угруповання.
Наразі — середина 2023 року, і на навколоземній орбіті вже перебуває понад 4500 супутників сузір’я Starlink, кількість яких у майбутньому SpaceX планує довести до 42 000. Технологія вже давно вийшла за межі просто глобального інтернет-провайдера, що підтверджує досвід війни в Україні, де супутникове сузір’я грає важливу роль у побудові архітектури зв’язку для українських військ та об’єктів критичної інфраструктури.
Давайте пригадаємо, який шлях пройшов проєкт найчисленнішого супутникового сузір’я, яке коли-небудь виводилося людиною на орбіту. Це — історія про Starlink.
Disclaimer: Перед вами перша частина циклу з трьох статей, присвячених Starlink. Цей матеріал — вступний, він не торкнеться Starlink безпосередньо. Однак низка послідовних подій, описаних нижче, найкраще пояснює причини зародження супутникових сузір’їв — чи то для війни, чи то для домашнього інтернету, який вам її покаже.
Telstar та Syncom-3: перші активні супутники зв’язку
Першим у світі активним супутником зв’язку став Telstar, розроблений компанією American Telephone and Telegraph Company (AT&T) спільно із Bell Telephone Laboratories та NASA. Запуск Telstar NASA оцінило в $3 млн, що на початку 1960-х років було колосальною сумою для виведення супутника на орбіту. Але в аерокосмічному агентстві розуміли, що технологія супутникового зв’язку в перспективі коштуватиме набагато більше.
Космічний апарат був запущений на негеосинхронну орбіту (NGSO) Землі 10 липня 1962 року і почав транслювати телевізійний сигнал на території США, Англії та Франції. Уже до кінця другого тижня перебування на орбіті через Telstar було передано перший телефонний дзвінок, факс, а президент Джон Кеннеді за його допомогою вперше провів трансатлантичну телевізійну пресконференцію. У прямому етері.
Особливість орбіти обмежувала сферу використання супутника для трансатлантичної передачі телесигналу всього двадцятьма хвилинами за один навколоземний виток, який зонд робив кожні 157,7 хвилини. Попри ці особливості, Telstar став піонером у галузі активного супутникового зв’язку, і саме з нього починається історія супутникового телекому.
Через два роки, 19 серпня 1964-го, в межах реалізації програми NASA з розгортання супутників зв’язку на орбіту було виведено Syncom-3 — перший активний супутник зв’язку на геостаціонарній орбіті (GEO) Землі. Стабільна екваторіальна геостаціонарна орбіта давала зондові можливість рухатися синхронно зі швидкістю обертання планети, постійно перебуваючи у фіксованому положенні стосовно станції прийому сигналу на Землі. Відтепер супутники зв’язку вже не обмежувались у часі та могли здійснювати цілодобовий прийом і передачу сигналу, залишаючись у зоні своєї відповідальності.
На початку 1965 року NASA передало супутники Syncom-3 і Syncom-2 (попередник №3, запущений 1963-го на геосинхронну орбіту Землі) Міністерству оборони (DOD), яке використовувало їх для забезпечення глобального військового зв’язку заради національної безпеки США. Час передачі супутників військовим був обраний невипадково — 1965 року Syncom-3 вже надавав зв’язок для контингенту американських військ у В’єтнамі.
Попри очевидний успіх Telstar і Syncom-3, обидва супутники були представлені в одиничному екземплярі. Перші ж ідеї про запуск повноцінних супутникових сузір’їв, якими ми їх знаємо сьогодні, були озвучені лише наприкінці 1980-х років. Цим ми завдячуємо Холодній війні між СРСР і США, одним із головних фронтів якої був космос.
Супутникове сузір’я ПРО: концепт Brilliant Pebbles
Ініціатором появи концепції першого супутникового сузір’я стала Стратегічна оборонна ініціатива (SDI) — доктрина протиракетної оборони (ПРО) США, вперше висунута Рональдом Рейганом 23 березня 1983 року, яку в медіа незабаром прозвали “Зоряні війни” за виняткову футуристичність запропонованих рішень.
Рейган виступив із різкою критикою Доктрини гарантованого знищення (MDA), якої дотримувалися як США, так і СРСР. Доктрина полягала в обов’язковому ядерному ударі у відповідь на застосування такої зброї однією ядерною державою проти іншої. Американський президент не раз називав MDA “угодою про самогубство”, запропонувавши натомість, на його переконання, раціональніший крок — створити таку систему супутникової протиракетної оборони, яка б зробила ядерні балістичні ракети в принципі неефективними.
За чотири роки досліджень і розробок, у 1987-му, двоє американських астрофізиків Едвард Теллер і Ловелл Вуд презентували проєкт першого супутникового сузір’я, яке отримало назву Brilliant Pebbles (“Блискучі камінці”).
Угруповання мало налічувати тисячі малих супутників, розміщених на низькій навколоземній орбіті (LEO). На космічних апаратах передбачалося встановити малі ракети з інфрачервоною системою наведення, які могли б збивати балістичні ракети противника, переслідуючи їх за тепловим слідом. Причому робити це набагато ефективніше, ніж це дозволяли наземні системи ПРО, що стояли на озброєнні США наприкінці 1980-х років. Звісно, розміщення конвенційного озброєння в космосі прямо суперечило Договору про космос (OST) від 1967 року, проте адміністрація Рейгана вважала, що це буде меншим злом порівняно з радянською ядерною загрозою.
Для виявлення пусків балістичних ракет супутники сузір’я Brilliant Pebbles мали зв’язуватись з групою супутників, оснащених датчиками попередження про ракетні пуски. Астрофізики та інженери з Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса (LLNL), які займалися проєктом Brilliant Pebbles, прогнозували, що у разі справної роботи датчиків виявлення та їхнього надійного сполучення з супутниками ПРО процес знищення радянських балістичних ракет можна зробити автоматизованим, мінімізувавши участь у ньому оператора-людини.
У проєкті був описаний і потенціал для супутникового зв’язку з низькою затримкою, яка пізніше могла бути реалізована у наступних поколіннях супутникових сузір’їв на низькій навколоземній орбіті. LEO була ідеальним рішенням для організації системи зв’язку через швидкий відгук сигналу. Був і зворотний бік медалі — низький висотний поріг означав меншу зону супутникового покриття, ніж на геостаціонарній орбіті (36 000 км). Один зонд на GEO міг покривати сигналом майже всю півкулю Землі. Було очевидно, що, аби зробити подібний зв’язок стійким, знадобляться сотні супутників, які до того ж повинні будуть сполучатися один із одним для передачі сигналу.
Brilliant Pebbles був напрочуд гарною ідеєю, якій, проте, не судилося втілитись у реальність. Надзвичайно висока вартість розгортання угруповання (за оцінками 1991 року, від $10 млрд до $20 млрд) і подальший крах Радянського Союзу зробили його зовсім незатребуваним у новий, як багато хто вважав, більш мирний час.
Концепція супутникового сузір’я на низькій навколоземній орбіті, описана в Brilliant Pebbles, згодом ляже в основу супутникового угрупування SpaceX. Велика кількість зондів, низька затримка сигналу, міжсупутниковий зв’язок — Starlink візьме від Brilliant Pebbles багато чого. Місця на супутниковій шині не знайдеться лише для ракет — SpaceX замінить їх на антени-ретранслятори.
Iridium, Globalstar та Teledesic: коли час ще не настав
Останнє десятиліття минулого сторіччя ознаменувало епоху розквіту інтернету — технологія стала широко доступною та затребуваною у всьому світі. Багато супутникових компаній відразу побачили в цьому унікальну можливість стати глобальними провайдерами супутникового інтернету та зв’язку.
Однією з перших кроки на цьому напрямі спробувала зробити компанія Teledesic, яка запропонувала розмістити на полярній сонячно-синхронній орбіті (700 км) 840 супутників — ретрансляторів комерційного широкосмугового супутникового інтернету. Передбачалося, що сузір’я супутників Teledesic зможе забезпечити швидкість передачі даних (uplink) 100 Мб/с і швидкість завантаження даних (downlink) — 720 Мб/с. Цифри здавалися неймовірними з огляду на те, що на початку 1993 року найсучасніші модеми були здатні передавати дані з максимальною швидкістю лише 14,4 Кбіт/с. Проте Teledesic наполягала, що їй під силу змінити цей стан речей.
До 1994 року проєкт супутникового сузір’я від Teledesic оцінювався в $9 млрд, частина з яких була інвестована Microsoft, що покладала на нього великі надії. Але цієї суми було недостатньо, щоб втілити в життя початковий план компанії з розгортання на орбіті 840 супутників-ретрансляторів. 1997 року Teledesic була змушена суттєво скоротити кількість запланованих до розгортання зондів, зменшивши її до 288 активних супутників зв’язку. Відтак це призвело до перегляду орбітальної висоти, де вони мали оперувати — вона збільшилася майже вдвічі, до 1315 км замість початкових 700 км. Але навіть тоді виробництво супутників не було запущено. Компанія продовжувала переносити терміни запуску свого сузір’я, відлякуючи потенційних інвесторів та надаючи дорогоцінний час іншим гравцям на цьому полі.
Teledesic була не єдиною у своєму роді. Компанія Iridium також була націлена на масове підкорення орбіти своїми супутниками, але не для роздачі супутникового інтернету, а щоб забезпечити супутниковим зв’язком стільникові телефони. Для досягнення цієї мети Iridium планувала вивести на орбіту 77 супутників зв’язку (саме це число лягло у назву компанії, оскільки в періодичній таблиці хімічних елементів іридій — під порядковим номером 77). Однак подальші дослідження показали, що для покриття Землі буде достатньо 66 супутників зв’язку на низькій навколоземній орбіті (781 км).
Вони мали сполучатись один із одним у Ка-діапазоні частот (26,5-40 ГГц). Коли один супутник Iridium, пролітаючи над Землею, виходив із зони покриття супутникового телефона, дані про дзвінок передавалися наступному супутнику, який слідував за ним і продовжував обслуговувати виклик.
Перше покоління супутників Iridium було сконструйовано компанією Motorola за контрактом із фіксованою ціною, а виробництвом супутників другого покоління (Iridium-NEXT) займалася вже Thales Alenia Space разом із Orbital ATK. Повне угруповання супутників першого покоління було розгорнуто до 2002 року, а в період з 2017 до 2019 року орбіти досягли 75 супутників Iridium-NEXT, які й сьогодні продовжують забезпечувати супутниковим зв’язком комерційних абонентів та низку військових програм.
За аналогією з Iridium, мобільний супутниковий зв’язок збиралася надати і заснована 1991 року компанія Globalstar. Сузір’я супутників першого покоління мало налічувати 48 космічних апаратів (+8 резервних супутників) на орбіті в 1410 км над Землею. Свій перший дзвінок мобільним телефоном тоді ще неповне угруповання Globalstar здійснило 1 листопада 1998 року. Початкова вартість хвилини розмови склала $1,79, що наприкінці 1990-х років було цілком конкурентною ціною для операторів стільникового зв’язку.
Супутникові сузір’я Iridium і Globalstar почали функціонувати у кінці 1990-х, а сузір’я, запропоноване Teledesic, так ніколи і не було розгорнуте, обмежившись запуском лише одного тестового супутника BATSAT (Teledesic T-1) у лютому 1998 року. Але попри пройдений шлях, усі три компанії спіткала схожа доля — бульбашка доткомів, що лопнула 2002 року, призвела до приголомшливого падіння індексу фондового ринку Nasdaq Composite на 740%. Це був повний крах і для трьох претендентів на роль глобального супутникового провайдера.
У 2002 році ці три компанії були змушені заявити про своє банкрутство. Однак Iridium та Globalstar змогли пережити цю кризу і після продажу іншому власнику продовжили обслуговувати свої сузір’я та надавати клієнтам послуги супутникового зв’язку. Teledesic пощастило менше — вона так ніколи й не втілила свої масштабні плани з розгортання інтернет-сузір’я.
Окрім бульбашки доткомів, яка призвела до краху багатьох амбітних стартапів (і не тільки в космічній галузі), на початку 2000-х років була очевидна і нерентабельність подібних проєктів супутникових сузір’їв. Насамперед через непомірно високу ціну виведення корисного навантаження на орбіту. Це може здаватися не настільки болючим, якщо ваше угруповання налічує п’ять супутників, але дуже витратно при спробах вивести на орбіту десятки або сотні космічних апаратів. Блискучі ідеї Iridium, Globalstar і Teledesic випереджали свій час, пропонуючи чудову технологію, готову, проте, розорити своїх вкладників.
Але мине лише десять років, і багаторазові ракети-носії SpaceX перевернуть індустрію космічних запусків, змусивши самого Ілона Маска замислитися щодо виведення на орбіту вже не сотень, а тисяч космічних апаратів, що функціонують у межах одного супутникового угруповання. Читайте про це у продовженні нашого матеріалу.
