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猎鹰9号 | Starlink Group 9-10

文摘   2024-11-07 10:44   福建  

北京时间

SpaceX 计划发射 20 颗 Starlink 卫星，其中包括 13 颗具有 Direct to Cell 功能的卫星，发射地点为加利福尼亚州范登堡太空军基地的 4 号东发射场（SLC-4E）。
这是支持此次任务的一级第 11 次飞行，之前曾发射过 NASA Crew-7、CRS-29、NROL-186、EarthCARE、Transporter-10、PACE 和四次 Starlink 任务。在一级火箭分离后，一级将降落在太平洋上的“Of Course I Still Love You”无人船上。

Starlink 是 SpaceX 的互联网通信卫星星座。这个低地球轨道（LEO）星座提供快速、低延迟的互联网服务，专为地面互联网不稳定、不可用或成本高昂的地区设计。星座的第一阶段由五个轨道壳层组成。
Starlink 目前在特定区域可用，允许在批准的区域内的任何人订购或预订。经过28次发射后，SpaceX 实现了近乎全球的覆盖范围，但是直到所有五个壳层都被填满，第一代星座才算完全建成。一旦 Starlink 的第一代和第二代建设完成，预计该项目每年将盈利300亿至500亿美元。这些利润将主要用于SpaceX 星际飞船（Starship）计划以及火星基地阿尔法（Mars Base Alpha）。

星链卫星
每颗星链v1.5卫星都采用了紧凑的设计，质量为307公斤。SpaceX开发了一种平板设计，使得尽可能多的卫星能够适应猎鹰9号火箭5.2米宽的有效载荷整流罩。由于这种平板设计，SpaceX能够将多达60颗星链卫星和有效载荷分配器装入第二级，同时仍然能够回收第一级。这接近猎鹰9号运载火箭向近地轨道（LEO）的可回收有效载荷能力，约为18吨。
60颗星链v1.0卫星封装到猎鹰9号整流罩中（来源：SpaceX）
尽管每颗星链卫星都很小，但每颗都装满了高科技通信和成本节约技术。每颗星链卫星都配备了四个相控阵天线，用于高带宽和低延迟通信，以及两个抛物面天线。卫星还包括一个星敏感器，为卫星提供姿态数据，确保宽带通信的精确度。
每颗星链v1.5卫星还配备了卫星间激光通信系统。这允许每颗卫星直接与其他卫星通信，而不必通过地面站。这减少了所需地面站的数量，允许覆盖整个地球表面，包括极区。
星链卫星还配备了自主碰撞避免系统，该系统利用美国国防部（DOD）的碎片跟踪数据库来自主避免与其他航天器和太空垃圾的碰撞。
为了降低成本，每颗卫星都有一个太阳能电池板，这简化了制造过程。为了进一步削减成本，星链的推进系统，一种离子推力器，使用氪气作为燃料，而不是更常用的氙气。尽管氪的比冲（ISP）显著低于氙的，但它的成本远低，这进一步降低了卫星的制造成本。
每颗星链卫星都装备了第一个霍尔效应氪动力离子推力器。该推力器用于确保正确的轨道位置，以及用于轨道升降。在卫星寿命结束时，这个推力器被用来使卫星脱轨。
Starlink v2 和 v2 Mini
SpaceX的星链v2卫星是更大、更强大的卫星，意在由SpaceX的星舰运载火箭发射。关于这些卫星的信息目前所知甚少，但已知它们的质量大约为1200公斤，并且具有双太阳能电池板设计，以增加输送给卫星的功率。此外，根据SpaceX的首席执行官兼首席技术官埃隆·马斯克的说法，这些卫星将具有数量级更多的带宽，更高的速度，并且在各个方面大约好10倍。
从星链7-9组开始，在第7组发射时，星链v2卫星将作为蜂窝塔，为T-Mobile客户提供全球手机覆盖。马斯克表示，每颗这样的卫星将为每个手机区域提供大约2-4 Mb/s的带宽，这将允许每秒发送成千上万条短信或许多用户进行电话通话。虽然这项技术主要是为了全球范围内联系紧急服务（类似于苹果iPhone 14和15系列的卫星连接功能），但它也可以用来发送非紧急相关的信息。
21颗星链v2Mini卫星准备封装在猎鹰9号的整流罩中（来源：SpaceX）
由于星舰运载火箭的延迟，SpaceX正在发射星链v2“Mini”卫星，这些卫星将由猎鹰9号火箭发射。这些卫星拥有更强大的相控阵天线，并利用E波段进行回程链接。这使得每颗卫星的容量比星链v1.0和v1.5提供的容量大4倍。
星链v2 Mini卫星配备了新的氩气霍尔推力器，用于在轨机动。这些推力器产生的推力是v1.5卫星上推力器的2.4倍，并且具有1.5倍的比冲。星链v2 Mini卫星是首批在轨道上使用氩推力器的卫星。
星链卫星星座是什么？
卫星星座是一组为了共同目的而协同工作的卫星。SpaceX 的星链星座由两代组成：第一代（基本完成）全部是星链 v1/1.5 卫星；第二代将由星链 v2 和 v2 Mini 卫星组成。
星链第一代由五个轨道壳层组成，共有 4,408 个卫星。这些卫星将全部由猎鹰9号火箭发射，预计这些发射将在 2023 年完成。
第二代星座由 29,988 颗卫星组成——这大约是 2019 年星链项目启动前所发射卫星总数的 20 倍。这些卫星将主要由星舰火箭发射；然而，如前所述，当星舰不在运行状态时，猎鹰9号也将发射部分这些卫星。
由于星链卫星的数量极多，许多天文学家对它们对夜空的影响表示担忧。然而，SpaceX 正在与天文学界合作，并实施改变，使卫星从地面看更难以被看见、对夜空的干扰也更小。SpaceX 改变了卫星提升轨道的方式，并且从星链 v1.0 L9 开始，增加了遮阳板以减少反光。这些改变已经显著减少了星链对夜空的影响。
星链第一阶段轨道壳层
轨道壳层轨道倾角 (度)轨道高度 (公里)卫星数目
第1壳层
53.0
550
1,584
第2壳层
70.0
570
720
第3壳层
97.6
560
348
第4壳层
53.2
540
1,584
第5壳层
97.6
560
172

第1壳层星链卫星的第一个轨道壳层由1,584颗卫星组成，它们位于53.0°的550公里低地球轨道上。第1壳层包含72个轨道平面，每个平面22颗卫星。这个壳层目前接近完成，偶尔会有卫星被更换。第一壳层提供大约在52°至-52°纬度之间的覆盖（约占地球表面的80%），在被替换之前将不会使用激光链接。
第2壳层 星链的第二个轨道壳层将部署720颗卫星在70°的570公里轨道上。这些卫星将显著增加覆盖范围，使星链星座能覆盖全球约94%的地区。SpaceX将在第三壳层的36个轨道平面上，每个平面部署20颗卫星。这个壳层目前正在填充中，同时还有第4壳层。
第3壳层 第3壳层将由348颗卫星组成，处于97.6°的560公里轨道上。SpaceX在其Transporter-1任务中向这个轨道部署了10颗激光链接测试卫星，以测试极地轨道上的卫星。SpaceX在Transporter-2任务中又向这个壳层发射了额外的三颗卫星。2021年4月6日，Gwynne Shotwell表示SpaceX将在夏季进行常规的极地星链发射，但现在这个壳层是最低优先级，预计将是最后填充的。部署到这个轨道的所有卫星都将具有卫星间激光链接通信。第3壳层将有6个轨道平面，每个平面58颗卫星。
第4壳层 第四壳层将由1,584颗卫星组成，处在540公里高度和53.2°的低地球轨道上。这种更新的轨道配置将略微增加覆盖面积，并将极大增加星座的带宽。这个壳层也将包含72个轨道平面，每个平面22颗卫星。这个壳层目前正在与第2壳层一起填充。
第5壳层星链第一阶段的最后一个轨道壳层将部署172颗卫星，它们位于另一个97.6°的560公里低地球极地轨道。第5壳层也将完全由具有激光通信链接的卫星组成；然而，与第3壳层不同，它将包含4个轨道平面，每个平面43颗卫星。不过，目前尚不清楚这个壳层是否仍将继续填充；之前的第5组发射已经转向了43°轨道。
Starlink 第二代轨道壳层：
Starlink 第二代星座由九个轨道壳层组成。
倾角 (°)高度 (km)轨道面数每个轨道面的卫星数卫星总数
53.0
340
48
110
5280
46.0
345
48
110
5280
38.0
350
48
110
5280
96.9
360
30
120
3600
53.0
525
28
120
3360
43.0
530
28
120
3360
33.0
535
28
120
3360
148.0
604
12
12
144
115.7
614
18
18
324

猎鹰9号 Block 5 
Falcon 9 Block 5 是SpaceX公司的部分可重复使用的两级中型运载火箭。该火箭包括一个可重复使用的第一级，一个一次性的第二级，一对可重复使用的整流罩半壳。
第一级
Falcon 9的第一级包含九台海平面版Merlin 1D+发动机。每台发动机都采用开放式燃气发生器循环，并使用RP-1和液态氧（LOx）作为燃料。每台发动机在海平面上的推力为845千牛（kN），比冲（ISP）为285秒，在真空中的推力为934千牛，比冲为313秒。由于发动机的强大性能，以及数量众多，即使Falcon 9第一级在发射台起飞时失去一台发动机，或在飞行中失去两台发动机，也能够成功将有效载荷送入轨道。
Merlin发动机的点火由三乙基铝和三乙基硼（TEA-TEB）来完成，这两种物质在氧气存在的情况下混合会立即燃烧。在静态点火测试和发射期间，地面服务设备会提供TEA-TEB。然而，由于Falcon 9第一级能够推力着陆，因此其中三台Merlin发动机（E1、E5和E9）内置有TEA-TEB罐，用于重新点火执行返航、再入和着陆点火。
第二级
Falcon 9的第二级是Falcon 9唯一的一次性部分。它包含一个单一的MVacD发动机，该发动机的推力为992千牛，比冲为348秒。第二级能够进行多次点火，允许Falcon 9将有效载荷送入不同的轨道。
目前SpaceX正在使用两种不同版本的MVacD发动机喷管。标准喷管设计用于高性能任务。另一种喷管是标准喷管的显著缩短版，降低了性能和材料消耗；使用这种喷管时，MVacD发动机在太空中的推力减少了10%。这种喷管仅用于低性能任务，因为它降低了75%的材料需求。这意味着SpaceX可以使用与较长设计相同的铌材料，发射三倍以上的任务。
对于需要多次点火和/或点火之间长时间滑行的任务，第二级可以配备一个任务延长包。当第二级装有这个包时，它会有一条灰色条纹，有助于保持RP-1燃料温度，增加了复合材料包覆压力容器（COPVs）的数量，用于压力控制，并增加了额外的TEA-TEB。
猎鹰9号整流罩
猎鹰9号的整流罩由两个不同的可重复使用的半壳组成。第一半壳（背对运输架的那一半）被称为主动半壳，并且包含了用于分离系统的气动元件。另一个整流罩半壳被称为被动半壳。正如名称所暗示的，这一半在整流罩分离过程中扮演一个纯粹的被动角色，因为它依赖于主动半壳的气动元件。
两个整流罩半壳都装备了冷气体推进器和降落伞，这些设备用于使整流罩半壳在海洋中软着陆。
SpaceX曾尝试捕捉整流罩半壳，但是在2020年底，这一计划因为安全风险和低成功率而被取消。

 
2021年，SpaceX开始使用猎鹰9号的新版本整流罩。新的“升级版”整流罩在每个半壳的顶部，半壳之间的缝隙处有通风口，而旧版本的通风口是均匀分布在整流罩底部周围的。移动通风口可减少了水进入整流罩，使得成功进行打捞的几率大大提高。

发射前倒计时
00:38:00：SpaceX发射总监确认推进剂装载准备就绪。
00:35:00：RP-1（火箭级煤油）装载开始。
00:35:00：一级液氧（LOX）装载开始。
00:16:00：二级液氧（LOX）装载开始。
00:07:00：Falcon 9发动机开始冷却，准备发射。
00:01:00：指令飞行计算机开始进行最终发射前检查。
00:01:00：推进剂罐加压至飞行压力开始。
00:00:45：SpaceX发射总监确认发射准备就绪。
00:00:03：发动机控制器启动发动机点火序列。
00:00:00：Falcon 9发射升空。

发射、着陆和部署

  • 00:01:07 - 最大动压（火箭承受的最大机械应力时刻）

  • 00:02:25 - 一级主发动机关机（MECO）

  • 00:02:29 - 一级和二级分离

  • 00:02:35 - 二级发动机启动（SES-1）

  • 00:03:01 - 整流罩分离

  • 00:06:03 - 一级再入点火开始

  • 00:06:27 - 一级再入点火结束

  • 00:07:42 - 一级着陆点火开始

  • 00:08:10 - 一级着陆

  • 00:08:38 - 二级发动机关机（SECO-1）

  • 00:53:22 - 二级发动机启动（SES-2）

  • 00:53:23 - 二级发动机关机（SECO-2）

  • 01:00:15 - Starlink 卫星部署


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