48Арена ИСЗ

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Пояс Кларка - телевидение и не только


В. Колюбакин Теле-Спутник - 5(31) Май 1998 г.


Не так давно было отмечено столетие радиосвязи. Уже сто лет человечество пользуется беспроволочной передачей информации. Можно даже рискнуть предположить, что столетие назад и зародилось то, что мы называем информационной индустрией.

Радиоволны распространяются в пространстве несколькими путями: напрямую, в зоне прямой видимости; огибая земную поверхность; отражаясь от ионосферы Земли. Самым надежным, что логично, является прямой способ передачи. Однако он ограничен той самой зоной прямой видимости, поэтому практически с появления радиосвязи, человек пытался поднять повыше свой передатчик, чтобы увеличить эту самую зону прямой видимости; поэтому и строились Эйфелева и все другие башни; поэтому и возникали полуфантастические проекты о передаче сигналов через самолеты или запуск аэростата-антенны. Широкого распространения ни один из проектов не получил, поэтому до конца 50-х годов человечеству приходилось пользоваться тремя способами, зачастую имея в качестве башни соседнюю елку.

Рис. 1. Спутник Echo

 

 

Рис. 2. Спутник Relay

 

Рис. 3. Спутник Syncom

Проект связи через космический аппарат поначалу выглядел даже более фантастично, чем, скажем, создание передающей станции на Эльбрусе (был и такой проект). Статья Артура Кларка в Wireless World в 45-м году воспринималась исключительно как научная фантастика. В этой статье английский ученый и писатель высказывал идею о помещении ретрансляционного космического аппарата в такую орбиту, в которой период его обращения будет равняться 24 часам, то есть периоду вращения Земли. Соответственно такой аппарат для наблюдателя с Земли будет оставаться неподвижным. Через такой аппарат можно передавать радио- и телесигнал. Орбиту Кларк предложил назвать геостационарной. Итак, слово было произнесено. Оставалось ждать развития техники.

Ждать пришлось довольно долго, хотя и гораздо меньше, чем предполагал автор статьи. К сожалению, нам не удалось выяснить, кто первым начал экспериментировать с ретрансляцией радиосигнала через космический аппарат. Известно, что в нашей стране такие эксперименты проводились уже на первых спутниках. В США эксперименты по космической ретрансляции проводились с середины 50-х годов. Еще до вывода на орбиту первого искусственного спутника Земли, под эгидой ВМФ США проводились опыты по космической связи, где в качестве ретранслятора использовалась Луна. Была установлена система связи между США и Гавайскими островами, которая просуществовала четыре года в период 1959-1963 гг. Ввиду большой удаленности природного ретранслятора и малых мощностей сигнала, такая связь практического применения не получила.

Надо сказать, что путь к, условно говоря, традиционной спутниковой связи, не был столь прямым и безусловным, как это сейчас кажется. Например, в начале 60-х всерьез обсуждался вопрос: за какими спутниками будущее — активными или пассивными.

Чего только стоит проект Echo! 12 августа 1960 г. был запущен первый американский связной спутник Echo 1. Этот спутник представлял собой шар из алюминизированного материала, отражающего радиоволны, диаметром около 30 м.Оболочка шара выводилась на орбиту около 1400 км, где надувалась азотом. С помощью этого спутника была установлена телефонная связь между Америкой и Великобританией.Потом оболочка шара начала сдуваться, и эксперименты были временно прекращены. Надо сказать, что уже с первых экспериментов становилось ясно, что от пассивных ретрансляторов необходимого качества связи добиться невозможно.25 января 1964г. был запущен еще один надувной спутник, Echo2, однако эксперименты с этим аппаратом проводились в большей степени в рамках исследования управления космическим кораблем и в меньшей степени по ретрансляции сигнала.Еще необычайно интересным экспериментом является объект (который весьма затруднительно было бы назвать спутником или космическим аппаратом) West Ford. Объект представлял собой 480 млн медных волосков, определенным образом намагниченных. Выведенные на орбиту, эти волоски должны были создать эффективный пассивный ретранслятор. Как и в случае с надувным спутником, какой-то результат был достигнут, но практического применения не получил. Итак, пассивные спутниковые ретрансляторы показали свою несостоятельность, активные же все больше и больше доказывали обратное.

13 декабря 1962 г. на эллиптическую орбиту с апогеем около 7000 км был выведен спутник Relay 1. Задачей эксперимента было исследование спутниковой коммуникационной аппаратуры. В частности, орбита спутника проходила через радиационный пояс Земли, и были проведены исследования по влиянию радиации на аппаратуру. Второй главной задачей было исследование управления аппаратурой. Спутник был оборудован двумя транспондерами мощностью по 10 Вт, и были проведены исследования по переключению трансляции с основного транспондера на запасной. Возможности Relay 1 позволялитранслировать 300 телефонных каналов. Длина спутника — около 1,2 м, масса — около 80 кг. Надо сказать, что именно управление аппаратурой создавало самые большие проблемы. Логические схемы того времени не отличались совершенством, и добиться правильного "понимания" спутником команд было весьма сложно. Второй спутник этой серии Relay 2, запущенный 21 января 1964 г., был более совершенным. Его возможности позволили проводить прямую трансляцию в США Олимпийских Игр из Токио.

Первый этап исследования космической связи подходил к концу. На очереди стояла реализация идеи сэра Артура Кларка. Задачей проекта Syncom была демонстрация спутника-ретранслятора, находящегося на геостационарной орбите. Первый спутник этой серии Syncom 1 был запущен 14 февраля 1963 г. Возможности носителя позволяли вывести не на геостационарную орбиту, а на геосинхронную с наклонением в 33°. Несмотря на то, что для наблюдателя с Земли он описывал восьмерку с отклонением на 33° к северу и югу, стало ясно, что наблюдение, контроль за аппаратом и трансляцию через такой спутник вести намного легче, чем через спутник, находящийся на какой-нибудь другой орбите. Заметно упрощалась система корректировки антенны. Правота английского ученого и писателя начинала подтверждаться на практике. Корректировочные двигатели на спутниках Syncom представляли собой баллоны со сжатым азотом. Из-за несовершенной герметизации баллонов, на Syncom 1 произошла утечка азота, и спутник довольно быстро "потерял" орбиту и вышел из строя. Эксперименты были продолжены на спутнике Syncom 2, запущенном 26 июля 1963 г. и также выведенном на орбиту с наклонением 33°. Через этот спутник впервые через океан поговорили главы двух государств — президент США Джон Кеннеди и премьер-министр Нигерии Абубакер Балева.

Первым спутником на геостационарной орбите стал спутник Syncom 3. Он был запущен 19 августа 1964 г. носителем Delta D — модернизированной баллистической ракетой Thor конструкции Вернера фон Брауна. Этот носитель мог вывести на ГСО 40 кг. Syncom 3 также использовался для трансляции токийских Олимпийских Игр.

 

 

 

 

Рис. 4. Спутник Earl Bird

 

 

Рис. 5. Спутник ATS 3

Рис. 6. Запуск Syncom

Все спутники Syncom были разработаны компанией Hughes. Таким образом имя весьма одиозной личности Говарда Хьюза приобрело "космическую" известность. В наших статьях уже не раз упоминалось, что практически все предприятия аэрокосмической области берут свое начало в авиации. Так было и с компанией Hughes Aircraft Company. Говард Хьюз — талантливый конструктор, поставивший в 20-30-е годы несколько рекордов на самолетах собственной конструкции, сумел сделать свою компанию одним из лидеров отрасли. Правда, во время наступления "космического" периода Hughes, Говард Хьюз полностью отошел от дел и даже не явился на заседание антимонопольной комиссии, в результате чего потерял контроль над компанией. Тем не менее созданная им компания стояла у истоков современной спутниковой коммуникации и по праву является сегодня одним из лидеров этой отрасли.

Что касается спутников Syncom, то масса их составляла 39 кг, длина — 1,7 м, коммуникационная аппаратура позволяла транслировать либо 500 телефонных, либо один телевизионный сигнал. Через некоторое время NASA, которое являлось их владельцем, передало их Министерству обороны США, в чьих интересах они проработали до 1969 г.

6 апреля 1965 г. можно считать днем рождения спутниковой телекоммуникации. В этот день был запущен первый коммерческий геостационарный спутник Early Bird. "Ранняя Пташка" впоследствии была переименована в Intelsat 1 и стала первым спутником крупнейшей глобальной спутниковой коммуникационной системы. Как и спутники Syncom, Early Bird был создан Hughes. Весил он 32 кг и мог передавать через океан 240 телефонных каналов или 1телевизионный. Запуску этого спутника средства массовой информации уделяли очень большое внимание. Редкая американская газета вышла 7 апреля без заголовка вроде "Говорящая звезда на орбите". Надо сказать, что даже запуск первого геостационарного спутника не вызвал столь обширного резонанса. Может быть потому, что все-таки проект Syncom имел "военный привкус", а Early Bird был проектом чисто коммерческим. Спутник просуществовал положенные 18 месяцев, после чего был выключен. Однако в 1969 г. для поддержки программы Apollo 11 он был временно "реанимирован".

6 декабря 1966 г. запуском спутника ATS-1 (Advanced Technology Satellite) была начата программа NASA по исследованию возможностей геостационарных спутников, разработке нового коммуникационного оборудования и систем управления. На спутнике ATS-1 была установлена камера. Таким образом он стал прообразом метеорологических спутников. Со спутника ATS-3, запущенного 5 ноября 1967 г., было получено цветное изображение Земли. На спутнике ATS-6 отрабатывалась технология проведения двухсторонней телеконференции, которая потом использовалась для освещения стыковки "Союз-Аполлон". Разумеется, военные тоже заинтересовались возможностями новых космических аппаратов. 9 февраля 1969 г. ВВС и ВМФ США запустили свой спутник, который осуществлял связь в интересах этих структур, а еще на нем отрабатывалась система раннего предупреждения ракетных ударов. 22 ноября 1969 г. был запущен спутник Skynet 1, заказчиком которого было Министерство обороны Великобритании.

Являясь лидером (а фактически на тот момент монополистом) в области создания и запуска геостационарных спутников, США тем не менее не стали страной, у которой появилась первая коммуникационная спутниковая система (напоминаем, что Intelsat была международной организацией). Первой страной стала Канада. 10 ноября 1972 г. был запущен спутник Anic 1, оператором которого являлась государственная компания Telesat Canada.

Советский Союз строил свою систему спутниковой связи на спутниках "Молния", находящихся на высокоэллиптических орбитах. К тому же до начала 70-х годов наша страна не имела носителей, способных выводить аппараты на геостационарную орбиту. К началу 70-х был создан носитель "Протон", до сих пор остающийся единственным российским транспортным средством, способным выводить спутники на геостационарную орбиту. 26 марта 1974 г. на геостационарную орбиту был выведен спутник "Космос-637", ставший первым отечественным аппаратом на этой орбите. После этого начали регулярно выводиться коммуникационные спутники "Радуга", "Экран" и "Горизонт", последний из которых до сих пор является основной единицей российской национальной системы спутниковой связи.

Некоторое время спустя после запуска "Космоса-637", 13 апреля 1974 г., на орбиту был выведен первый "домашний" американский спутник связи Westar 1. Он был оборудован 12 транспондерами, каждый из которых мог транслировать один цветной телеканал. На тот момент это были типичные характеристики коммуникационного спутника. В этом же году NASA запустило первый геостационарный спутник, созданный в Европе — коммуникационный спутник Symphone. Его разработчиками были компании Aerospatiale (Франция) и MBB-Erno, в будущем — DASA (Германия). Это был первый коммуникационный спутник, стабилизированный по трем осям.

16 октября 1975 г. был запущен первый геостационарный метеорологический спутник GOES. Это был конечный результат исследований, проведенных по программе ATS. 12 декабря того же года был запущен спутник Satcom 1, на котором впервые было применено разделение по поляризации. Таким образом коммуникационные возможности спутников выросли в два раза.

В 1980 году произошло событие, впоследствии серьезно повлиявшее на положение дел на рынке геостационарных спутников, — появился носитель Ariane. Так Европа получила возможность развивать собственную спутниковую индустрию. Без носителя это было затруднительно, так как NASA отказывалось запускать спутники, произведенные не в США, не желая создавать конкуренции американским фирмам. Запуск спутника Symphone был скорее исключением, так как спутник был экспериментальным. 19 июня 1981 г. удачным выводом на геостационарную орбиту метеорологического спутника Европейского космического агентства Meteosat и индийского спутника Apple, европейский носитель впервые заявил о себе. На сегодня больше половины всех коммерческих запусков на геостационарную орбиту производится носителем Ariane.

Первые спутники создавались как автомобили "Формулы-1": ручная сборка, конструирование под определенную задачу и возможности носителя. Сегодня можно сказать, что спутники собираются на конвейере, по крайней мере — используются стандартные технологии, стандартные платформы и коммуникационное оборудование. Разумеется, подгонка аппарата под нужды заказчика остается, но это касается только рабочего диапазона оборудования и характеристик антенн, формирующих приемные и передающие пучки. Все стандартные платформы создаются так, чтобы аппарат можно было запустить любым существующим типом носителя. Основное направление развития спутников заключается в повышении срока службы, увеличении мощности транспондеров и их количества.


Рис. 7. Спутник Ariane 1

Срок службы спутника зависит прежде всего от срока службы и эффективности его корректировочных двигателей. В результате гравитационного воздействия различных космических тел, орбита спутника постоянно меняется. Если ее периодически не корректировать, то из геостационарной, она станет наклонной, и для наблюдателя с Земли спутник будет описывать восьмерку. Это приведет к необходимости оборудования приемной установки отслеживающей системой, что сильно повышает ее стоимость. Также, если спутник висит низко над горизонтом, то в определенное время суток он будет невидим для наблюдателя.

На первых коммуникационных спутниках в качестве корректировочных двигателей использовались либо баллоны со сжатым газом, чаще всего азотом, либо твердотопливные двигатели. Баллоны с азотом имели весьма ограниченный срок действия, так как избежать утечек практически невозможно, и малую эффективность. Твердотопливные двигатели не требовали герметизации, но сильно усложняли систему многократного включения. Сейчас большинство спутников оборудованы жидкостными либо монотопливными (гидразин), либо двухтопливными (гидразин/азотный тетроксид) двигателями. Двухтопливные двигатели требуют больше места для размещения топлива, но отличаются большей эффективностью.

Еще в 30-е годы в Газодинамической лаборатории будущий генеральный конструктор Валентин Петрович Глушко разрабатывал электрореактивные двигатели, в которых рабочее тело нагревается электрическим током. Явное преимущество жидкостных двигателей надолго оставило в тени электрореактивные. Однако через полвека разработчики космической техники опять вспомнили про них.

Компанией Rocket Research по заказу NASA был разработан дуговой реактивный двигатель, в котором рабочим телом является гидразин, разогреваемый электрической дугой. Время работы такого двигателя примерно в два раза больше среднего времени работы двигателя, устанавливаемого на спутниках. Такой двигатель был установлен на спутнике Telstar 401, запущенном 15 декабря 1993 г.

Одним из отделений компании Hughes был разработан ксенонионный двигатель (XIPS — Xenon Ion Propulsion System). Ксенон, являющийся рабочим телом, ионизируется, разгоняется электрическим полем, создавая тяговый импульс. По времени работы такой двигатель имеет большие преимущества перед традиционными. К тому же ксенон являясь инертным газом, не создает проблем при хранении, в отличие от гидразина. Первым коммерческим спутником, оборудованным ксенон-ионным двигателем, стал PAS-5, запущенный носителем "Протон" 27 августа 1997 г. В качестве следующего шага рассматривается применение меркурия и цезия в качестве рабочего тела в дуговых двигателях, что позволит увеличить тягу двигателя.

Компания Space System/Loral совместно с российским ОКБ "Факел" внедряет свой проект электрореактивного корректировочного двигателя (SRT — Stationary Plasma Thruster). Эти двигатели были разработаны в Московском авиационном институте и устанавливались на спутниках "Галс" и "Экспресс". Обладая меньшим временем работы, чем XIPS, эти двигатели выдают в несколько раз больший импульс.

В зависимости от характеристик носителя, спутник может быть доставлен либо сразу на ГСО, либо на переходную орбиту — сильно вытянутую наклоненную эллиптическую орбиту с апогеем в 35 000 км. С переходной орбиты спутник добирается до своей орбитальной позиции своим ходом. Например, спутник "Радуга", ввиду отсутствия двигателей, доставлялся прямо на ГСО. Как правило, современные коммуникационные спутники от переходной орбиты добираются на собственных двигателях.

В НПО Машиностроения разрабатывается проект спутника "Руслан", оборудованного электрореактивным двигателем. Этот спутник сможет достигать геостационарной орбиты с опорной, высотой 200 км. Правда, срок "доставки" весьма велик — больше месяца, и коммуникационные возможности (например, количество транспондеров) ниже, чем в современных спутниках. Создатели считают, что такой спутник, ввиду достаточно низкой стоимости его запуска, будет идеальным вариантом для новичков в спутниковом бизнесе. Современные спутники имеют возможность корректировки как по долготе в направлении запад-восток, так и по широте в направлении север-юг. Если направление по долготе обеспечивает точность орбитальной позиции, то корректировка по широте не допускает наклонения орбиты.

Рис. 8. Запуски геостационарных спутников в 1997 г.: одли стран-производителей

Первые коммуникационные спутники имели только стабилизацию вращения, то есть по одной оси. Это давало возможность держать антенну всегда нацеленной на Землю, однако сильно ограничивало возможности солнечных батарей. Этот факт, в частности, явился решающим в судьбе модели Hughes HS-376. В данный момент этих спутников создается и продается около двух в год, в основном для компаний, начинающих свой спутниковый бизнес. Все последующие модели имеют уже трехосную стабилизацию.

Большинство спутников на сегодня имеют солнечные батареи на кремниевых структурах. Все больше и больше спутников оборудуется батареями на арсениде галлия. На очереди стоит применение батарей на гетеропереходах. КПД кремниевых батарей составляет 12%, батарей на гетеропереходах — 21,6%. Первые батареи на гетеропереходах были установлены на спутнике PAS 5. Общая мощность современных спутников составляет около 10 кВт. Спутники следующего поколения будут иметь мощность 16-20 кВт. Таким спутником будет Hughes HS-702, первый запуск которого состоится в этом году — спутник Galaxy-9. Компания Loral разрабатывает модель LS-2020 того же класса, первый пуск этого спутника состоится примерно через два года.

Основной проблемой энергетической установки спутника является отвод избыточного тепла, ввиду того, что в космическом пространстве нет среды, которая осуществляет теплоперенос. С ростом мощности спутников и, следовательно, и мощности энергетических установок, эта проблема стала едва ли не самой главной. Кстати, именно тепловые режимы, то есть возможность отводить избыточную мощность, являются характеристикой, лимитирующей мощность спутника. Так как именно радиаторы занимают большинство места и массы спутника, которые в свою очередь лимитированы характеристиками носителя. Часть мощности отводится с транслируемым сигналом. Остальную часть приходится отводить системой радиаторов. В последних долгоживущих спутниках применяется технология теплоотводных труб в солнечных панелях. Эта технология применяется лидерами спутниковой промышленности Hughes и Loral, а также, о чем мы рады сообщить читателям, российским НПО "Энергия" им. С. П. Королева. Это предприятие создает спутники "Ямал", где, пока впервые в нашей стране, применяется данная технология. Кстати, надо отметить, что спутники "Ямал" впервые в нашей стране выполнены в негерметичном варианте, то есть на этих спутниках отсутствует герметический отсек. Все современные связные аппараты (HS-601, Spacebus 3000) выполняются именно по негерметичной схеме. Остальные российские спутники пока имеют герметичный отсек, что сильно сокращает срок службы. Спутники "Ямал" стали первыми, спроектированными по негерметичной схеме. Правда, говорить так пока не очень корректно, так как спутники "Ямал" пока не находятся на орбите. Также известно, что новое поколение спутников "Экспресс", создаваемое в НПО Прикладной механики, тоже будет выполнено по негерметичной схеме.

Коммуникационное оборудование спутника состоит из приемника, усилителя и передатчика. В качестве усилителя на всех спутниках, как правило, используются лампы бегущей волны (TWTA — traveling wave tube amplifiers). Стандартная эффективность современных TWTA — 60%, причем наблюдается тенденция к повышению эффективности на 1% в год. Соответственно, чем выше эффективность усилителя, тем большая мощность передается, тем меньше проблем с теплоотводом.

В 1997 г. было запущено 35 геостационарных спутников, из которых 11 было создано Hughes и 10 — Lockheed Martin. Таким образом, эти две американские компании создали чуть меньше 60% ГСО спутников, запущенных в прошлом году. Нет нужды говорить, что США занимают ведущее положение на рынке производителей геостационарных спутников. 74% геостационарных спутников, из запущенных в 1997 г., были произведены американскими компаниями. России принадлежат скромные 6%. Самым результативным оператором прошлого года стал Intelsat, запустивший четыре спутника восьмого поколения.

Итак, системы связи, построенные на геостационарных спутниках, существуют уже более 30-и лет. Срок достаточный, чтобы пытаться сделать какие-то выводы. Как любая система, геостационарная имеет свои плюсы и минусы. К плюсам, как уже говорилось, относится прежде всего неподвижность относительно земного наблюдателя. Также нельзя не отметить, что трех геостационарных спутников хватает, чтобы охватить всю земную поверхность, с каждого спутника видно 42,4% последней. К примеру, с орбиты высотой в 300 км можно наблюдать только 2,25% земной поверхности. Эти два фактора обусловили то, что именно геостационарные системы связи стали основными на протяжении всего этого времени, хотя первые связные системы были низко- и среднеорбитальными. Однако история сделала очередной виток, и человечество снова повернулось в сторону низкоорбитальных систем. Ведь наряду с перечисленными плюсами, геостационарные системы обладают рядом существенных минусов. Прежде всего, это — большая высота орбиты. Следовательно, требуется мощный (а значит, дорогой носитель), требуются большие размеры приемных антенн. А главное — недоступность приполярных зон севернее 75° с.ш. и, соответственно, южнее 75° ю.ш. Этих недостатков лишены низкоорбитальные системы. С одной стороны, для глобального охвата требуется гораздо больше спутников, а с другой стороны — их можно выводить носителями более легкого класса или тем же носителем, но по несколько спутников за запуск. Например, носитель "Протон-К" выводит на ГСО аппарат массой 2,2 тонны. Этот же носитель выводит на низкие орбиты семейство из семи спутников Iridium по 700 кг каждый. Развитие элементной базы позволило низкоорбитальным системам избавиться от многих своих недостатков.

Одним из таких недостатков была сложность управления. Действительно, для управления геостационарным спутником требуется только одна станция, для управления низкоорбитальными — несколько по всей территории Земли. Однако развитие информационных технологий позволило решить проблему управления. Например, линия связи с земной станцией на спутниках Sky Bridge (совместный низкоорбитальный проект Space System/Loral и Alcatel) работает в диапазоне 12 ГГц. В этом диапазоне вещает подавляющее большинство европейских телевизионных спутников. Поэтому, когда спутник Sky Bridge будет проходить над территорией Европы, эта линия будет отключаться. Еще 15 лет назад такая задача для нескольких десятков спутников решению не поддавалась. По крайней мере, ни о какой экономической целесообразности говорить не приходилось. Однако это не означает, что через какое-то время геостационарные спутники полностью передадут свои функции низко- и среднеорбитальным. Во-первых, межконтинентальные магистральные потоки удобнее передавать через геостационарные спутники. Во-вторых, никакими ухищрениями не добиться от низколетящих спутников того, чтобы пользователь мог направить на них свою "тарелку" и принимать несколько десятков программ. К тому же все тот же прогресс в развитии элементной базы делает передатчики на спутниках все более и более мощными, а, следовательно, приемные устройства все более и более компактными. То есть уже довольно определенно намечается тенденция: за геостационарными спутниками остаются телевидение и межконтинентальная передача, за низко- и среднеорбитальными — мобильная связь.



 
Теле-Спутник Май 1998
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт