ФКП-2040. Все пути ведут на геостационар!

[mihalchuk]

Как нам анонсируют руководители ФКА, заканчивается, предположительно в феврале, разработка федеральной космической программы до 2040 года. Программа разрабатывается по поручению Президента, и первоначально, если кто помнит, должна была быть готова к весне прошлого года. Произошла серьёзная, почти годовая задержка. К этому есть объективные причины - такую программу составить непросто: нужно учесть и оценить все возможные варианты путей развития. Есть и субъективные - действия отдельных организаций и людей, предлагающих свои идеи. Хочется предполагать себя одним из таких субъективных факторов. Чтобы руководству Роскосмоса жизнь не казалась лёгкой, среди прочих я предложил создать проект, который может иметь коммерческие перспективы и в силу масштабности стать основой ФКП (то есть, он и будет определять политику в области СВ, место размещения новых космодромов и т. д.). Сейчас это предложение рассматривается в Роскосмосе, при этом дело поставлено так, что в силу названных цифр перспективного коммерческого оборота его рассмотрение не может быть проигнорировано или проведено поверхностно. Речь идёт о создании геостационарной группировки спутников связи из предположительно не менее чем 70 спутников. Так как вопрос непростой, хотелось бы рассмотреть его с технической стороны на форуме и услышать дельные замечания и возражения. Вот он:


                            Сущность проекта

    Предлагается выведение спутниковой группировки на геосинхронные орбиты с доступным наклонением (51° или 48°) и согласованием её орбитальных параметров таким образом, чтобы проекция движения спутников на Землю приходилась на одну линию. Такая линия будет иметь вид двойной петли (восьмёрки), при этом видимая с Земли линия расположения спутников будет неподвижна. После заполнения орбит спутниками и насыщения линии их расположения наземные станции приёма в каждом секторе линии всегда будут «видеть» один спутник. При этом появляются вопросы с согласованным переключением связи спутников в моменты перехода между секторами и наложением сигналов двух спутников, которые решаются технически. После этого видимая линия движения спутников по свойствам и ресурсам будет эквивалентна геостационарной орбите (ГСО), за исключением наличия точки самопересечения.
    Предположительно, такая группировка спутников обеспечит дополнительный сектор услуг космической связи с объёмом около 30% по информационно-физическим параметрам от имеющегося. В настоящее время годовой объём этого рынка оценивается в 30-60 миллиардов долларов, но разумно рассчитывать на сумму до 5-10 миллиардов, так как предлагаемая связь содержит риск перерывов при потере одного спутника, необходим демпинг при выходе на рынок, и не все точки видимой линии удастся задействовать. Неполнота использования ресурса спутников будет компенсирована их серийностью и более высокой (~ на 40%) грузоподъёмностью носителей, так как при выведении не потребуется разворот плоскости орбиты.
    Ниже в таблице показаны затраты до начала эксплуатации типичного спутника связи в 1999 и 2004 годах, а также – в составе предлагаемой группировки для двух уровней подготовки технической базы (предположительно).
Год   1999   2004   В ценах 2004   В ценах 2004
Стоимость производства спутника, млн. долл.   144   130   100   75
Кол-во стволов С-диапазона   28   28   28   28
Кол-во стволов Ku-диапазона   24   24   24   24
Пусковые услуги, млн. долл.   100   70   40   25
Страхование, млн. долл.   21(8%)   50(20%)   21(15%)   5(5%)
Суммарные затраты, млн. долл.   264   250   161   105
Период окупаемости, лет   4,8   7,5   ?   ?
    При наименьших вложениях экономия достигается за счёт применения носителя меньшей размерности и серийности операций по сборке и подготовке спутника. Вложения в технологии (последний столбец) позволят снизить затраты за счёт серийного выпуска комплектующих и снижения стоимости выведения при применении новых средств. При массовом выведении однотипных спутников достаточно ограничиться самострахованием, страховые услуги теряют смысл.
    Из таблицы можно сделать грубую оценку стоимости создания группировки - около 10 миллиардов долларов непосредственных затрат, но, с учётом необходимости вложений в технологии и инфраструктуру, суммарно проект может потребовать от 15 до 25 млрд. долл., при том, что часть вложений будет востребована и для других целей.
    Особенностью спутниковой группировки будет необходимость развёртывания её в короткие сроки, с последующим ожиданием наполнения предложения услуг связи спросом, что может занять несколько лет.
    Размещение спутников по разным орбитам исключает их групповое выведение. Принципиально возможно, но неудобно выведение на низкую орбиту одним носителем двух спутников, оснащённых разгонными блоками, с последующим их выведением на целевые орбиты. При этом время ожидания второго запуска составит около недели.
    Так как стоит задача развёртывания группировки в короткие сроки, нецелесообразно ориентироваться на носитель тяжёлого класса. Но даже такой носитель, как «Зенит-3», будет способен вывести на переходную к геосинхронной орбиту груз до 6 т (2,6-3,2 т на целевой орбите), что вполне достаточно для самых смелых планов. В довольно близкой перспективе возможно появление других носителей аналогичной грузоподъёмности «Ангара-3» и «Союз 2-3», что повысит надёжность процесса развёртывания группировки и увеличит скорость развёртывания. Кроме того, предлагается рассмотреть возможность создания специальнного носителя пакетной схемы близкой грузоподъёмности на основе семи ракетных блоков с двигателями РД-120, использующего перелив компонентов между блоками. Его свойства будут наилучшим образом соответствовать поставленной задаче. Актуальность этого носителя существенно повысится, если удастся сажать его боковые блоки на воду и в дальнейшем повторно использовать. Оценка такой возможности показывает, что малая размерность блоков (диаметр баков 2,2 – 2,66 м, длина – не более 13 м) позволит относительно легко перенести нагрузки при возвращении, приводнении и ожидании на воде, а также удобна при извлечении и транспортировке.
    Минусом прямого выведения является привязка места размещения космодрома к проекции на Землю линии размещения спутников, которая, в свою очередь, должна быть ориентирована на географию потребителей.
    Другой способ выведения, решающий проблему грузоподъёмности, предполагает использование заправки ракетных блоков на низкой орбите Земли. Он потребует создания специального средства доставки топлива на орбиту и орбитальной заправочной станции. Этот способ позволяет развернуть группировку из спутников такой массы, под которую не имеется в наличии подходящего носителя или достаточной технической базы для его массового производства. Для выведения таким способом на целевую орбиту спутников в диапазоне реально мыслимых масс потребуются носители лёгкого класса со последней ступенью, приспособленной к дозаправке в орбитальных условиях. Фактически на целевую орбиту будет выводиться тот же полезный груз, который будет доставляться с помощью такого носителя на заправочную станцию.
    Из-за прецессии орбиты станции точки пресечения её плоскости с экватором ежедневно будут смещаться на ~ 4° по долготе. Это значит, что в течение 3-4 месяцев имеется возможность выведения с заправочной станции на любую из требуемых геосинхронных орбит.
    Орбитальная заправочная станция может не только сыграть существенную роль в деле развёртывания группировки, но и обслуживать её в дальнейшем, в том числе -  осуществить плановую замену устаревающих спутников на более тяжёлые.

[SpaceR]

Я правильно понял, что предлагается использовать 70 непрерывно перенастраиваемых КА   на орбите  51° вместо одного-нескольких КА на ГСО ?

[mihalchuk]

Предположительно, 70 КА (а это -минимум, можно и больше) будут эквивалентны 30-40 аппаратам на ГСО. Возможно - меньше или больше, в зависимости от оснащения и способа разделения сигнала между спутниками. Требуется не непрерывная перенастройка, а синхронное переключение в определённые моменты времени.

[SpaceR]

И при этом все 70 должны работать ОДНОВРЕМЕННО, без пробелов...  Ужос.
Повеситься.

[Александр Геннадьевич Шлядинский]

А Вы рассматривали вопрос, на сколько устойчива такая орбита? Есть у меня некоторые сомнения на этот счет.

[mihalchuk]

И при этом все 70 должны работать ОДНОВРЕМЕННО, без пробелов...  Ужос.
Повеситься.

Если один из спутников выйдет из строя, то образуется пробел в связи 24*60/70=20,5 минуты. При 150 спутниках (близко к пределу насыщения псевдотраектории) - 9,5 минут. Поэтому прямое вещание через такую систему будет содержать элемент ненадёжности. Отсюда назначение спутников - связь, передача данных.

[mihalchuk]

А Вы рассматривали вопрос, на сколько устойчива такая орбита? Есть у меня некоторые сомнения на этот счет.

Предварительно проблемы будут в том же объёме, что и для ГСО. Корректируются теми же средствами. Возможно (не могу посчитать) будет дополнительная прецессия плоскостей орбит, вызванная несферичностью Земли. В этом случае корректировку можно игнорировать. Остальные неприятности (влияние Луны и пр.) мне неведомы и пока под вопросом. Буду благодарен за информацию.

[pkl]

Вопрос ещё в востребованности такой спутниковой системы. Может, тогда уж заморочиться с низкоорбитальной системой связи?

[SpaceR]

Вопрос ещё в востребованности такой спутниковой системы. Может, тогда уж заморочиться с низкоорбитальной системой связи?

Для меня вопроса нет - НННШ (с).
Орбиты ГСО и Молния по удобству перекрывают возможности этой идеи ПОЛНОСТЬЮ.  Кстати, уверен, что специалисты по орбитальной баллистике подробно рассматривали предлагаемую Михальчуком орбиту еще с 50-х годов.

[Александр Геннадьевич Шлядинский]

А Вы рассматривали вопрос, на сколько устойчива такая орбита? Есть у меня некоторые сомнения на этот счет.

Предварительно проблемы будут в том же объёме, что и для ГСО. Корректируются теми же средствами. Возможно (не могу посчитать) будет дополнительная прецессия плоскостей орбит, вызванная несферичностью Земли. В этом случае корректировку можно игнорировать. Остальные неприятности (влияние Луны и пр.) мне неведомы и пока под вопросом. Буду благодарен за информацию.

В свое время пришлось перевести спутники Молния с наклонения 65 градусов на 62,8 как раз из-за повышенной неустойчивости первой. Т.ч. нюансы возможны.
Такая система действительно приемлема для обслуживания северных районов, но там вполне справляются Молнии, и гораздо дешевле. С остальным справятся классические геостационары.

[mihalchuk]

Вопрос ещё в востребованности такой спутниковой системы. Может, тогда уж заморочиться с низкоорбитальной системой связи?

Низкоорбиталка - это отдельный бизнес, он может и начисто прогореть, как Иридиум. Здесь речь идёт о геостационарной связи, рынок которой уже есть. Такой системой можно замахнуться на долю 20-30% этого рынка. Сразу этот ресурс не будет востребован, придётся побороться за место под солнцем. ГСО уже насыщена спутниками, и в ближайшее время потребность в новых ресурсах связи может возникнуть сама собой. Кроме того, ничто не мешает стимулировать эту потребность.
Конечно, вопрос востребованности не решён и им легче всего обосновать отказ. Но хотелось бы предвидеть и другие возможные причины отказа.

[mihalchuk]

Вопрос ещё в востребованности такой спутниковой системы. Может, тогда уж заморочиться с низкоорбитальной системой связи?

Для меня вопроса нет - НННШ (с).
Орбиты ГСО и Молния по удобству перекрывают возможности этой идеи ПОЛНОСТЬЮ.  Кстати, уверен, что специалисты по орбитальной баллистике подробно рассматривали предлагаемую Михальчуком орбиту еще с 50-х годов.

В 50-х годах такая система не могла быть востребована. ГСО, конечно, удобнее, но её возможности близки к исчерпанию. Орбиты Молнии имеют очевидные недостатки: сильное влияние несферичности Земли в перигее, регулярное прохождение радиационных поясов, возможность использования для связи только части траектории.

[SpaceR]

Вопрос ещё в востребованности такой спутниковой системы. Может, тогда уж заморочиться с низкоорбитальной системой связи?

Для меня вопроса нет - НННШ (с).
Орбиты ГСО и Молния по удобству перекрывают возможности этой идеи ПОЛНОСТЬЮ.  Кстати, уверен, что специалисты по орбитальной баллистике подробно рассматривали предлагаемую Михальчуком орбиту еще с 50-х годов.

В 50-х годах такая система не могла быть востребована. ГСО, конечно, удобнее, но её возможности близки к исчерпанию. Орбиты Молнии имеют очевидные недостатки: сильное влияние несферичности Земли в перигее, регулярное прохождение радиационных поясов, возможность использования для связи только части траектории.

Востребована не могла быть, но проработки начались одновременно с проработками ГСО - иначе и быть не могло, математики - они такие...
Что касается исчерпания возможностей ГСО - а как по Вашему, интересно, отнесутся владельцы геостационарных КА к системе, аппараты которой будут пересекать  ГСО  на скорости >1000 км/ч, да ещё и 140 раз в сутки ?

[mihalchuk]

Они вообще будут против, как конкуренты. Однако, пересечение ГСО будет всего в двух точках и проблема коснётся только тех, кем они заняты. Прежде всего они будут жаловаться на помехи связи, поэтому в районе пересечения с ГСО связь придётся отключать, либо убрать оттуда спутник. Пролёты же спутников, как механическую угрозу, надо ещё обосновать. Что-то мне подсказывает, что регулярное "промахивание" не составит труда при среднем расстоянии между спутниками более 1000 км. Если что, можно подправить эксцентриситет орбит, чтобы они не пересекали ГСО.

[SpaceR]

Нашли бы Вы себе лучше другую проблему ...

[mihalchuk]

Они вообще будут против, как конкуренты. Однако, пересечение ГСО будет всего в двух точках и проблема коснётся только тех, кем они заняты.

Пардон, только праздниками можно объяснить такую оплошность. За сутки спутники будут дважды пересекать ГСО в одной точке.

[mihalchuk]

Нашли бы Вы себе лучше другую проблему ...

Себе - сколько угодно. Но эта задача заготовлена специально для Роскосмоса. :wink:

[Дем]

Не понимаю - если спутники всё равно не геостационарные - то зачем их так высоко поднимать? Любая геосинхронная выше атмосферы подойдёт

[mihalchuk]

Не понял вопроса. Спутники не геостационарные, да. Но спутниковая система - геостационарная. Всё для удобства потребителя, который один раз наводит тарелку в определённую точку неба и пользуется связью.

[Технократ]

Размах - это серьёзно и надолго!
Да видимо мы созрели для такой постановки вопроса.

Но думаю количество спутников можно и увиличить до 100 или 150 штук.
Роботизировать и создать систему обслуживания, ремонта и пополнения запасов.
Вес спутников тонн этак 10-15, простые, я бы сказал дубовые - надёжностью лет на 30-50 а то и больше, брать размером антен и простотой комплектации.

Орбита действительно геостационарная но не круговая экваториальная а наклонная
Кстати она не обязательно проходить должна через стандарнтный геостационар, может быть выфше или ниже.

Очень нравиться размах.
И превращение недостатка(высокоширотности космодромов) в достоинство.

Думаю рано или поздно Россия придёт к этому варианту - лучше пораньше.