河套IT TALK91：（原創(chuàng)）解讀星鏈計(jì)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(guò)獵鷹9號(hào)（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(gè)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(shuō)，64%都是星鏈衛(wèi)星。這個(gè)星鏈到底是什么個(gè)存在？對(duì)當(dāng)前的通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)有什么影響和挑戰(zhàn)？它有帶來(lái)了什么新的問(wèn)題？我們會(huì)分期好好聊聊這個(gè)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(gè)項(xiàng)目：銥星計(jì)劃。

銥衛(wèi)星（Iridium）是由圍繞地球一共66個(gè)運(yùn)作中的通信衛(wèi)星組成。這個(gè)系統(tǒng)是原先規(guī)劃77個(gè)通信衛(wèi)星，所以用原子序?yàn)?7的銥來(lái)命名。雖然最后只有66個(gè)衛(wèi)星，但是因?yàn)樵有?6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(lái)銥衛(wèi)星的名稱。

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

銥星計(jì)劃不僅僅提供語(yǔ)音服務(wù)，當(dāng)時(shí)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(kāi)始規(guī)劃，1998年11月正式提出服務(wù)時(shí)初建成本差不多是60億美元，結(jié)果僅僅九個(gè)月，就進(jìn)入了破產(chǎn)保護(hù)程序，產(chǎn)生了40億美元的債務(wù)。究其原因，因?yàn)榈孛嫔系囊苿?dòng)電話（例如GSM）系統(tǒng)覆蓋率升高，和愈來(lái)愈普遍的國(guó)際漫游服務(wù)造成極大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。雖然銥星計(jì)劃提供全球性的通訊服務(wù)，但昂貴的通訊費(fèi)用也造成使用率無(wú)法提升。此外與地面上移動(dòng)電話相比，笨重昂貴的衛(wèi)星手機(jī)也讓使用者感到不便。

銥星計(jì)劃并未真正從此壽終正寢，由于美國(guó)國(guó)防部對(duì)通訊的需求，后續(xù)銥衛(wèi)星被美國(guó)國(guó)防部廣泛的使用?，F(xiàn)在運(yùn)行銥星的是一家商用公司，Iridium Communications Inc. 從2019年的財(cái)報(bào)來(lái)看，還是產(chǎn)生了5億美金的收入。甚至新的銥星計(jì)劃（Iridium NEXT）還通過(guò)獵鷹9號(hào)火箭在一系列8次發(fā)射中將新的75顆升級(jí)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(shí)帶來(lái)了安全的風(fēng)險(xiǎn)。比如：第一代銥星33號(hào)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(bào)廢俄羅斯衛(wèi)星相撞。產(chǎn)生了兩個(gè)大碎片云。

銥星計(jì)劃，總體看來(lái)并不算一個(gè)成功的項(xiàng)目。銥星計(jì)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(gè)方面，給試圖運(yùn)營(yíng)衛(wèi)星通信這個(gè)業(yè)務(wù)的公司提出了疑問(wèn)：

1. 是否有好的商業(yè)計(jì)劃？產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)期的盈利點(diǎn)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(jì)劃，恰恰是在以上三個(gè)問(wèn)題上做足了深入的研究，接下來(lái)，我們就會(huì)一一解讀。

可能很多人確實(shí)存在這個(gè)疑問(wèn)，現(xiàn)在4G/5G都實(shí)現(xiàn)了這么高強(qiáng)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(rèn)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)在以下幾點(diǎn)仍存在巨大的商業(yè)機(jī)會(huì)：

• 偏遠(yuǎn)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(yuǎn)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(duì)較差。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以填補(bǔ)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(zhēng)和自然災(zāi)難和其他緊急情況：地球并不是一個(gè)一切安好的星球，戰(zhàn)爭(zhēng)和自然災(zāi)害頻發(fā)，人道主義危機(jī)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(shí)失效，這時(shí)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(jì)劃就為烏克蘭提供了互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。馬斯克聲稱，這項(xiàng)服務(wù)每月要花費(fèi) 2000 萬(wàn)美元，為了獲得資金，SpaceX與美國(guó)國(guó)防部簽署了一項(xiàng)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(wú)論它們位于哪個(gè)地理位置。別忘了，地球上71%的是海洋。如果你坐國(guó)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(wàn)航班在世界各地起降，這些飛機(jī)上目前都不能提供相對(duì)價(jià)格公道的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。星鏈無(wú)非是完美解決了航海航空的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)需求，因?yàn)樾l(wèi)星的覆蓋是全球無(wú)死角的。

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

• 太空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)：顯然，馬斯克的星鏈計(jì)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(lái)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(jì)劃是一個(gè)可復(fù)制的非常好的太空通信解決方案。所以未來(lái)的商業(yè)潛力巨大。

今年5月10日，獵鷹火箭家族首次到達(dá)了200次成功執(zhí)行任務(wù)。這是任何其他太空運(yùn)載火箭無(wú)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(huì)分離出主要部件，這個(gè)主要部件會(huì)通過(guò)點(diǎn)火推進(jìn)器，重新進(jìn)入大氣層，然后進(jìn)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(diǎn)，如陸地著陸區(qū)或無(wú)人船（“Of Course I Still Love You” 或“Just Read the Instructions”）。獵鷹重型火箭的兩個(gè)側(cè)級(jí)也采用類似的回收方式?；厥盏幕鸺骷?jí)經(jīng)過(guò)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(shí)，部分零件可能被更換。絕大部份的回收主題經(jīng)過(guò)檢查和維修后，可以在未來(lái)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?yàn)椴恍枰看伟l(fā)射都制造一個(gè)全新的主級(jí)。

SpaceX創(chuàng)始人埃隆·馬斯克對(duì)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(ài)你）和"Just Read the Instructions"（請(qǐng)仔細(xì)閱讀說(shuō)明）是兩個(gè)無(wú)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(shí)際上是來(lái)自于英國(guó)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(gè)系列中，宇宙飛船通常都有非常長(zhǎng)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(gè)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(duì)科幻文化的致敬和娛樂(lè)性。

目前獵鷹9號(hào)單次飛行的報(bào)價(jià)是6700萬(wàn)美金，這不是成本，可見(jiàn)成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個(gè)價(jià)格。獵鷹1號(hào)的成本是9000萬(wàn)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(hào)的總開(kāi)發(fā)成本為3.9億美元，獵鷹重載火箭的總開(kāi)發(fā)成本不超過(guò)1.5億美元。但隨著現(xiàn)在獵鷹系列已經(jīng)開(kāi)始接受商業(yè)訂單，它現(xiàn)在已經(jīng)在發(fā)射上實(shí)現(xiàn)了盈利。這已經(jīng)不是降成本這么簡(jiǎn)單了。

任何火箭發(fā)射都有一個(gè)每公斤載荷發(fā)射成本的說(shuō)法。SpaceX獵鷹重載火箭可以把這個(gè)成本做到1400美元（隨著回收次數(shù)的增加，這個(gè)成本還在持續(xù)降低）。這個(gè)比NASA第一個(gè)火箭家族Vanguard便宜700倍，比已經(jīng)退役的航天飛機(jī)計(jì)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?cái)D在一起，同時(shí)發(fā)射到近地軌道。這里面設(shè)計(jì)兩點(diǎn)：

1. 如何通過(guò)衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dòng)到它應(yīng)該在的位置。

下面，我會(huì)分別用兩個(gè)章節(jié)談及這個(gè)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(shí)現(xiàn)了全球覆蓋。新發(fā)射的衛(wèi)星進(jìn)一步滿足用戶增長(zhǎng)的網(wǎng)速和延時(shí)要求。SpaceX能在短時(shí)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(kāi)的太陽(yáng)能電池板，離子推進(jìn)器，五個(gè)激光通信組件，以及四個(gè)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(jìn)行了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和措施保障，以實(shí)現(xiàn)星鏈衛(wèi)星在獵鷹火箭內(nèi)部堆疊時(shí)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(jì)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(huì)在火箭內(nèi)部通過(guò)某種級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行堆疊。這意味著衛(wèi)星之間會(huì)相互連接，以形成一個(gè)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(shí)也要考慮振動(dòng)和沖擊對(duì)衛(wèi)星的影響。在設(shè)計(jì)中，采用了各種減震和減振裝置，以保護(hù)衛(wèi)星免受火箭發(fā)射期間的振動(dòng)和沖擊影響。但畢竟這些衛(wèi)星最后是要分開(kāi)發(fā)射到太空的啊，如果我們觀看實(shí)況轉(zhuǎn)播，會(huì)發(fā)現(xiàn)在獵鷹9號(hào)上還有一個(gè)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?。所以大家才?huì)看到這些衛(wèi)星像連珠炮一樣被彈射到太空中。

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

霍爾效應(yīng)推進(jìn)器，又稱為離子推進(jìn)器?；魻栃?yīng)是指在電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，當(dāng)該導(dǎo)體受到垂直于電流和磁場(chǎng)方向的磁場(chǎng)作用時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差的現(xiàn)象。基于這個(gè)效應(yīng)，霍爾效應(yīng)推進(jìn)器通過(guò)在推進(jìn)器中加入磁場(chǎng)和電場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生推力。霍爾效應(yīng)推進(jìn)器就是利用霍爾效應(yīng)，在霍爾效應(yīng)推進(jìn)器內(nèi)部，先通過(guò)一系列的電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)中，通過(guò)一個(gè)中心電極和環(huán)形的磁場(chǎng)導(dǎo)流體，又稱為推進(jìn)劑（通常是氬氣或氙氣）之間施加電場(chǎng)。通過(guò)施加電場(chǎng)，磁場(chǎng)導(dǎo)流體中的電子被加速，然后與磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生離子化的粒子。產(chǎn)生的離子會(huì)以高速?gòu)耐七M(jìn)器的開(kāi)口噴射出來(lái)，產(chǎn)生推力。

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

氙氣一直是許多電力推進(jìn)系統(tǒng)（包括霍爾推進(jìn)器）的典型推進(jìn)劑選擇。氙氣相對(duì)容易儲(chǔ)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(jìn)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(jìn)器效率更高。但缺點(diǎn)就是價(jià)格太貴。2021 年每公斤氙氣約 3,000 美元。

氪氣是霍爾推進(jìn)器的另一種推進(jìn)劑選擇。氙的電離勢(shì)為 12.1298 eV，而氪的電離勢(shì)為 13.996 eV。這意味著使用氪的推進(jìn)器每摩爾需要消耗稍高的能量來(lái)電離會(huì)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(jìn)一步降低。然而，優(yōu)勢(shì)在于，每公斤氙氣的價(jià)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(jì)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(kāi)發(fā)了一種使用氬氣作為推進(jìn)劑的新型推進(jìn)器。新推進(jìn)器的推力和比沖是SpaceX之前使用氪氣的推進(jìn)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(lái)說(shuō)，霍爾效應(yīng)推進(jìn)器是怎么幫助星鏈衛(wèi)星到達(dá)軌道位置的呢？霍爾效應(yīng)推進(jìn)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(gè)p的推動(dòng)力大，那么這么點(diǎn)推力有啥用呢？咱們平時(shí)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(hào)火箭，它的初始推力就可以達(dá)到6700千牛。這么大的推力，目前我們只能通過(guò)化學(xué)燃料燃燒來(lái)產(chǎn)生。獵鷹9號(hào)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?yàn)槭敲橹鹦怯?jì)劃去的，火星上沒(méi)有煤油）。這個(gè)不在這里展開(kāi)，回到霍爾效應(yīng)推進(jìn)器，它的使用場(chǎng)景不同，因?yàn)樾l(wèi)星已經(jīng)發(fā)射到近地軌道的太空，沒(méi)有地心引力和空氣阻力的約束，一點(diǎn)點(diǎn)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(jìn)器加速很慢，但是沒(méi)有阻力，它可以通過(guò)不斷持續(xù)的加速啊。幾天，幾月甚至幾年，最終也會(huì)達(dá)到非?？斓乃俣?。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(jìn)器它的百公里加速需要一到兩天，但是你沒(méi)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(jìn)器還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是可以做到非常精準(zhǔn)的推力?？刂凭瓤梢赃_(dá)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(duì)準(zhǔn)方向后，只要持續(xù)加速，星鏈衛(wèi)星就會(huì)到達(dá)其應(yīng)該到達(dá)的準(zhǔn)確位置。

當(dāng)然除了以上兩點(diǎn)之外，即便星鏈衛(wèi)星到達(dá)指定位置后，也是需要工作的。至少還有3個(gè)作用，本文僅說(shuō)其中一個(gè)，后面兩個(gè)，下一期我們?cè)俾归_(kāi)講。

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

今天，通過(guò)對(duì)星鏈計(jì)劃中發(fā)射成本、衛(wèi)星堆疊和推進(jìn)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(gè)太空項(xiàng)目的時(shí)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(jì)劃除了省錢，還有什么獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)呢？我們下次展開(kāi)再聊。