河套IT TALK91：（原創(chuàng)）解讀星鏈計劃的商業(yè)密碼：星鏈?zhǔn)侨绾巫畲蟪潭冉档桶l(fā)射成本的？

6月4日，SpaceX通過獵鷹9號（Falcon 9）又把22顆新版星鏈衛(wèi)星 Starlink V2 Mini 送上了預(yù)定近地軌道（LEO）。這就意味著SpaceX已經(jīng)部署了4543顆衛(wèi)星在近地軌道上。這是個什么概念呢？現(xiàn)在近地軌道上活躍的衛(wèi)星數(shù)量是7102顆，也就是說，64%都是星鏈衛(wèi)星。這個星鏈到底是什么個存在？對當(dāng)前的通信網(wǎng)絡(luò)會有什么影響和挑戰(zhàn)？它有帶來了什么新的問題？我們會分期好好聊聊這個話題，不捧不噴，僅聊技術(shù)。

談星鏈之前，有必要回顧一下之前很著名的一個項目：銥星計劃。

銥衛(wèi)星（Iridium）是由圍繞地球一共66個運作中的通信衛(wèi)星組成。這個系統(tǒng)是原先規(guī)劃77個通信衛(wèi)星，所以用原子序為77的銥來命名。雖然最后只有66個衛(wèi)星，但是因為原子序66的鏑在希臘文的意思是“難以獲取”，缺乏正面含義，因此保留原來銥衛(wèi)星的名稱。

66 顆現(xiàn)役衛(wèi)星組成六個軌道平面，軌道平面間隔 30°，每個平面有 11 顆衛(wèi)星（不包括備用衛(wèi)星），這六個平面足以每時每刻覆蓋整個地球表面。

銥星計劃不僅僅提供語音服務(wù)，當(dāng)時也提供短信、傳真、定位和低速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。摩托羅拉提供了技術(shù)和主要資金支持。在90年代初開始規(guī)劃，1998年11月正式提出服務(wù)時初建成本差不多是60億美元，結(jié)果僅僅九個月，就進入了破產(chǎn)保護程序，產(chǎn)生了40億美元的債務(wù)。究其原因，因為地面上的移動電話（例如GSM）系統(tǒng)覆蓋率升高，和愈來愈普遍的國際漫游服務(wù)造成極大的競爭壓力。雖然銥星計劃提供全球性的通訊服務(wù)，但昂貴的通訊費用也造成使用率無法提升。此外與地面上移動電話相比，笨重昂貴的衛(wèi)星手機也讓使用者感到不便。

銥星計劃并未真正從此壽終正寢，由于美國國防部對通訊的需求，后續(xù)銥衛(wèi)星被美國國防部廣泛的使用?，F(xiàn)在運行銥星的是一家商用公司，Iridium Communications Inc. 從2019年的財報來看，還是產(chǎn)生了5億美金的收入。甚至新的銥星計劃（Iridium NEXT）還通過獵鷹9號火箭在一系列8次發(fā)射中將新的75顆升級版新衛(wèi)星送入太空，取代之前的老衛(wèi)星。那些被淘汰的老衛(wèi)星，也只能依賴微弱的地心引力，逐漸墜落大氣層。但這些老衛(wèi)星也確實帶來了安全的風(fēng)險。比如：第一代銥星33號在2009年，曾在西伯利亞上空 800 公里處與一顆名為Kosmos 2251的已報廢俄羅斯衛(wèi)星相撞。產(chǎn)生了兩個大碎片云。

銥星計劃，總體看來并不算一個成功的項目。銥星計劃后，一系列的類似的衛(wèi)星通信服務(wù)公司也都在互聯(lián)網(wǎng)泡沫中相繼破產(chǎn)。但是至少在以下幾個方面，給試圖運營衛(wèi)星通信這個業(yè)務(wù)的公司提出了疑問：

1. 是否有好的商業(yè)計劃？產(chǎn)品的優(yōu)勢和長期的盈利點在哪里？

2. 如何最大程度降低初建成本？

3. 如何避免與其他衛(wèi)星（特別是太空垃圾相撞），以及如何避免自己成為失控的太空垃圾？

SpaceX的星鏈計劃，恰恰是在以上三個問題上做足了深入的研究，接下來，我們就會一一解讀。

可能很多人確實存在這個疑問，現(xiàn)在4G/5G都實現(xiàn)了這么高強度的覆蓋，而且很多室內(nèi)也有高速的Wi-Fi，互聯(lián)網(wǎng)的下載速度驚人，我們?yōu)槭裁催€需要類似星鏈系統(tǒng)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)呢？必須承認，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)在以下幾點仍存在巨大的商業(yè)機會：

• 偏遠和人口稀少地區(qū)：迫于現(xiàn)在地面通訊部署成本和解決方案的技術(shù)局限，地球上有許多偏遠地區(qū)、山區(qū)、沙漠、湖泊以及人口稀少的地區(qū)，如農(nóng)村地區(qū)、島嶼、沿海地帶等，其地面互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和覆蓋相對較差。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以填補這些地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)空白，為這些地區(qū)的居民提供高速可靠的互聯(lián)網(wǎng)接入。

• 戰(zhàn)爭和自然災(zāi)難和其他緊急情況：地球并不是一個一切安好的星球，戰(zhàn)爭和自然災(zāi)害頻發(fā)，人道主義危機或緊急救援等情況下，地面基礎(chǔ)設(shè)施可能受到破壞或臨時失效，這時衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以提供快速的恢復(fù)和應(yīng)急通信能力。比如最近的俄烏沖突，星鏈計劃就為烏克蘭提供了互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。馬斯克聲稱，這項服務(wù)每月要花費 2000 萬美元，為了獲得資金，SpaceX與美國國防部簽署了一項合同，后者為烏克蘭使用星鏈提供資金支持。

• 航空和海上通信：航空和航海領(lǐng)域?qū)θ蚧ヂ?lián)網(wǎng)覆蓋有著持續(xù)的需求。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以為航空公司、船舶和海上油田等提供連續(xù)的通信服務(wù)，無論它們位于哪個地理位置。別忘了，地球上71%的是海洋。如果你坐國際郵輪，就能感受到享受不到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的不便。另外，每天差不多有十萬航班在世界各地起降，這些飛機上目前都不能提供相對價格公道的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。星鏈無非是完美解決了航海航空的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)需求，因為衛(wèi)星的覆蓋是全球無死角的。

• 一些沒有發(fā)展到4G/5G的發(fā)展中國家和落后地區(qū)的另一個選擇。有些地區(qū)并未將地面通訊技術(shù)設(shè)施升級，而星鏈無疑是另外一種權(quán)宜之計。

• 太空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)：顯然，馬斯克的星鏈計劃，不僅僅是瞄著僅僅給地球地面提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的。未來人類探索太空，近地空間站也越建越多，包括月球基地，火星基地，星鏈計劃是一個可復(fù)制的非常好的太空通信解決方案。所以未來的商業(yè)潛力巨大。

今年5月10日，獵鷹火箭家族首次到達了200次成功執(zhí)行任務(wù)。這是任何其他太空運載火箭無法比擬的。SpaceX在降低星鏈衛(wèi)星發(fā)射成本上最牛的就是采用了可回收主體的獵鷹系列火箭。

這一技術(shù)被稱為垂直著陸回收技術(shù)（Vertical Landing and Reusability）。獵鷹火箭將有效載荷送入太空軌道后，會分離出主要部件，這個主要部件會通過點火推進器，重新進入大氣層，然后進行精確的垂直降落。它配備了一套稱為“落地回收”（Landing Legs）的可伸縮支撐腿，以平穩(wěn)著陸在指定的著陸點，如陸地著陸區(qū)或無人船（“Of Course I Still Love You” 或“Just Read the Instructions”）。獵鷹重型火箭的兩個側(cè)級也采用類似的回收方式?；厥盏幕鸺骷壗?jīng)過檢查和維修，以確保其在下一次任務(wù)中的可靠性和安全性。必要時，部分零件可能被更換。絕大部份的回收主題經(jīng)過檢查和維修后，可以在未來的任務(wù)中再次使用。這樣可以顯著降低太空發(fā)射的成本，因為不需要每次發(fā)射都制造一個全新的主級。

SpaceX創(chuàng)始人埃隆·馬斯克對于命名方式常常具有一些幽默和創(chuàng)意，這也體現(xiàn)在獵鷹火箭回收船的命名上。"Of Course I Still Love You"（我當(dāng)然還愛你）和"Just Read the Instructions"（請仔細閱讀說明）是兩個無人船的名稱，用于海洋上的火箭垂直降落和回收。

這些名稱實際上是來自于英國科幻作家伊恩·M·班克斯（Iain M. Banks）的文學(xué)作品系列《文明系列》（Culture series）。在這個系列中，宇宙飛船通常都有非常長而復(fù)雜的名稱，這些名稱常常是充滿幽默和反諷的。埃隆·馬斯克作為一個科幻迷，受到了這些作品的啟發(fā)，決定將獵鷹火箭回收船的名稱取自其中，以展示對科幻文化的致敬和娛樂性。

目前獵鷹9號單次飛行的報價是6700萬美金，這不是成本，可見成本要遠遠低于這個價格。獵鷹1號的成本是9000萬美元，隨著回收技術(shù)的成熟，總成本也大幅度下降，根據(jù)NASA的估算，獵鷹9號的總開發(fā)成本為3.9億美元，獵鷹重載火箭的總開發(fā)成本不超過1.5億美元。但隨著現(xiàn)在獵鷹系列已經(jīng)開始接受商業(yè)訂單，它現(xiàn)在已經(jīng)在發(fā)射上實現(xiàn)了盈利。這已經(jīng)不是降成本這么簡單了。

任何火箭發(fā)射都有一個每公斤載荷發(fā)射成本的說法。SpaceX獵鷹重載火箭可以把這個成本做到1400美元（隨著回收次數(shù)的增加，這個成本還在持續(xù)降低）。這個比NASA第一個火箭家族Vanguard便宜700倍，比已經(jīng)退役的航天飛機計劃便宜44倍。

即便火箭成本降低了，SpaceX還在思考，如何最大程度地加大單次發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)量。這就要把衛(wèi)星最大程度地擠在一起，同時發(fā)射到近地軌道。這里面設(shè)計兩點：

1. 如何通過衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)設(shè)計，讓衛(wèi)星體積盡可能地小，而且可以相互堆疊減少在火箭中的空間占用。

2. 如何在火箭一次發(fā)射所有的星鏈衛(wèi)星后，可以讓這些衛(wèi)星能夠按部就班，自行移動到它應(yīng)該在的位置。

下面，我會分別用兩個章節(jié)談及這個話題。

星鏈的部署在距地面550公里左右，目前的衛(wèi)星數(shù)量基本實現(xiàn)了全球覆蓋。新發(fā)射的衛(wèi)星進一步滿足用戶增長的網(wǎng)速和延時要求。SpaceX能在短時間內(nèi)完成全球覆蓋，單次發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)量就很關(guān)鍵了。

每一顆星鏈衛(wèi)星大約重260公斤。主要部件包括激光通信設(shè)備，可以展開的太陽能電池板，離子推進器，五個激光通信組件，以及四個相控陣天線。

為了做到最大程度的能讓星鏈衛(wèi)星在獵鷹火箭總堆疊，SpaceX進行了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和措施保障，以實現(xiàn)星鏈衛(wèi)星在獵鷹火箭內(nèi)部堆疊時的穩(wěn)定性、安全性和相互之間的合理配置。

首先，就是尺寸和形狀。星鏈衛(wèi)星的設(shè)計考慮到了在獵鷹火箭內(nèi)部堆疊的需求。它們通常采用較小的尺寸和緊湊的形狀，以便在火箭的載荷艙中容納更多的衛(wèi)星。大家在資料中可以發(fā)現(xiàn)，這些衛(wèi)星都是扁平型的。而且這些衛(wèi)星還會在火箭內(nèi)部通過某種級聯(lián)結(jié)構(gòu)的方式進行堆疊。這意味著衛(wèi)星之間會相互連接，以形成一個整體的單元。這種結(jié)構(gòu)有助于提高衛(wèi)星堆疊的緊湊性和穩(wěn)定性。但同時也要考慮振動和沖擊對衛(wèi)星的影響。在設(shè)計中，采用了各種減震和減振裝置，以保護衛(wèi)星免受火箭發(fā)射期間的振動和沖擊影響。但畢竟這些衛(wèi)星最后是要分開發(fā)射到太空的啊，如果我們觀看實況轉(zhuǎn)播，會發(fā)現(xiàn)在獵鷹9號上還有一個衛(wèi)星部署器。用于將衛(wèi)星從火箭中釋放到太空中。這種部署器通常采用彈射或彈簧結(jié)構(gòu)，以確保衛(wèi)星以適當(dāng)?shù)乃俣群蛙壍婪稚⑨尫拧Ｋ源蠹也艜吹竭@些衛(wèi)星像連珠炮一樣被彈射到太空中。

不過彈到太空中還不是最終目的，衛(wèi)星還要能到達其應(yīng)該在位置??？這就需要引入一個新的概念：霍爾效應(yīng)推進器。

霍爾效應(yīng)推進器，又稱為離子推進器。霍爾效應(yīng)是指在電流通過導(dǎo)體時，當(dāng)該導(dǎo)體受到垂直于電流和磁場方向的磁場作用時，會在導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象?；谶@個效應(yīng)，霍爾效應(yīng)推進器通過在推進器中加入磁場和電場來產(chǎn)生推力?；魻栃?yīng)推進器就是利用霍爾效應(yīng)，在霍爾效應(yīng)推進器內(nèi)部，先通過一系列的電磁線圈產(chǎn)生磁場，在磁場中，通過一個中心電極和環(huán)形的磁場導(dǎo)流體，又稱為推進劑（通常是氬氣或氙氣）之間施加電場。通過施加電場，磁場導(dǎo)流體中的電子被加速，然后與磁場相互作用，產(chǎn)生離子化的粒子。產(chǎn)生的離子會以高速從推進器的開口噴射出來，產(chǎn)生推力。

霍爾效應(yīng)推進器不是一個新的概念了，這是在太空中被廣泛采用的一項技術(shù)。但是SpaceX也在這個上面下了功夫，如何最大程度降低成本。我舉一個關(guān)于SpaceX如何降低推進器成本的例子：

氙氣一直是許多電力推進系統(tǒng)（包括霍爾推進器）的典型推進劑選擇。氙氣相對容易儲存，而且作為一種在航天器工作溫度下的氣體，使用前不需要蒸發(fā)，這與金屬推進劑（如鉍）不同。氙的高原子量意味著每質(zhì)量單位電離所消耗的能量比率較低，從而使推進器效率更高。但缺點就是價格太貴。2021 年每公斤氙氣約 3,000 美元。

氪氣是霍爾推進器的另一種推進劑選擇。氙的電離勢為 12.1298 eV，而氪的電離勢為 13.996 eV。這意味著使用氪的推進器每摩爾需要消耗稍高的能量來電離會降低部分效率。此外，氪是一種較輕的離子，因此與氙相比，每單位電離能的單位質(zhì)量進一步降低。然而，優(yōu)勢在于，每公斤氙氣的價格可能是氪氣的十倍以上，這使得氪氣成為建造衛(wèi)星星座的更經(jīng)濟的選擇，星鏈第一代Starlink V1就使用了氪氣作為燃料。

但這還不夠，SpaceX還為二代星鏈衛(wèi)星（Starlink V2 mini）開發(fā)了一種使用氬氣作為推進劑的新型推進器。新推進器的推力和比沖是SpaceX之前使用氪氣的推進器的 2.4 倍和 1.5 倍。最重要的是，氬氣比氪氣便宜大約 100 倍，比氙氣便宜 1000 倍。

那么具體來說，霍爾效應(yīng)推進器是怎么幫助星鏈衛(wèi)星到達軌道位置的呢？霍爾效應(yīng)推進器產(chǎn)生的推力非常的小。幾十到100毫牛。大約只能夠吹起一張紙。也就是還不如一個p的推動力大，那么這么點推力有啥用呢？咱們平時把衛(wèi)星送上天，需要克服地心引力，所以需要很大的推力才行。比如獵鷹9號火箭，它的初始推力就可以達到6700千牛。這么大的推力，目前我們只能通過化學(xué)燃料燃燒來產(chǎn)生。獵鷹9號燒的就是煤油。而馬斯克的下一代火箭，也就是Starship，星艦，就改燒甲烷了（因為是瞄著火星計劃去的，火星上沒有煤油）。這個不在這里展開，回到霍爾效應(yīng)推進器，它的使用場景不同，因為衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射到近地軌道的太空，沒有地心引力和空氣阻力的約束，一點點兒的推力，在太空的環(huán)境下也是大有用武之地。雖然霍爾效應(yīng)推進器加速很慢，但是沒有阻力，它可以通過不斷持續(xù)的加速啊。幾天，幾月甚至幾年，最終也會達到非常快的速度。想象一下，雖然你的車百公里加速只需要幾秒鐘，而霍爾效應(yīng)推進器它的百公里加速需要一到兩天，但是你沒法一腳油門踩好幾天吧？

除了可以持續(xù)加速，霍爾效應(yīng)推進器還有一個優(yōu)點，就是可以做到非常精準(zhǔn)的推力?？刂凭瓤梢赃_到0.1微牛。這樣就可以非常精確地控制星鏈衛(wèi)星的方向調(diào)整。

所以對準(zhǔn)方向后，只要持續(xù)加速，星鏈衛(wèi)星就會到達其應(yīng)該到達的準(zhǔn)確位置。

當(dāng)然除了以上兩點之外，即便星鏈衛(wèi)星到達指定位置后，也是需要工作的。至少還有3個作用，本文僅說其中一個，后面兩個，下一期我們再慢慢展開講。

這個作用就是維持星鏈衛(wèi)星的軌道運行。由于星鏈衛(wèi)星還是在近地軌道運行，沒有完全脫離大氣層，所以還會受到微弱的空氣阻力的影響。這就導(dǎo)致沒有辦法讓衛(wèi)星僅僅依靠它的慣性來保持速度，維持軌道高度。因此它就需要有推進器來維持大約每小時三萬公里的時速，也就是第一宇宙速度。只有保持這個速度，它才能圍繞著地球旋轉(zhuǎn)，不會掉下來。

今天，通過對星鏈計劃中發(fā)射成本、衛(wèi)星堆疊和推進劑等方面成本節(jié)省，大家能感受到，一家商用公司在考慮一個太空項目的時候，正確的做法是：先想明白如何節(jié)省初建成本，然后在此基礎(chǔ)上再拓展它的商業(yè)化業(yè)務(wù)。

星鏈計劃除了省錢，還有什么獨特的競爭優(yōu)勢呢？我們下次展開再聊。