Hogyan működik a Starlink? – 2. rész: Hardverek

Kapcsolódó

Hamarosan sor kerül az első rakétaindításra a skóciai Saxavord Űrközpontból

A Rocket Factory Augsburg német magáncég fogja felavatni az...

A nap képe #1540 – Shoemaker-Levy 9 üstökös

Kompozit kép a Jupiterről és a Shoemaker-Levy 9 üstökösről,...

Brit űrhajóssal bővült az Axiom Space csapata

Az Axiom Space egy rövid közleményben számolt be arról...

Földi hajtóműteszt közben semmisült meg az ABL Systems rakétája

A baleset az RS1 második tesztrepülésére való felkészítés során...

A nap képe #1539 – Mariner-1 indítás

1962. július 22-én indult útjára a Mariner-program első űrszondája,...

A 2015-ben nyilvánosságra hozott korai információk szerint az internetes kommunikációs műholdak várhatóan a 100-500 kg tömegű kis műholdak osztályába tartoztak volna, és alacsony Föld körüli pályára (LEO), körülbelül 1100 km magasságba szánták őket. Végül a 2019 májusában telepített első 60 darab műhold 227 kg tömegű volt, és a SpaceX úgy döntött, hogy a műholdakat viszonylag alacsony, 550 km magasságban helyezi el, az űrkörnyezettel kapcsolatos aggodalmak miatt. 2015 januárjában az eredeti tervek szerint a konstelláció körülbelül 4000 kereszthálózatos műholdból állt volna, több mint kétszer annyi működőképes műholdból, mint amennyi 2015 januárjában összesen pályán volt.

Műholdak kommunikációs arzenálja

A műholdak optikai (lézeres) műholdak közötti összeköttetéseket, valamint fázisvezérelt sugáralakító és digitális feldolgozási technológiákat alkalmaznak Ka-sávban, az Egyesült Államok Szövetségi Hírközlési Bizottságához (FCC) benyújtott dokumentumok szerint. Míg a frekvenciapályázat részeként nyilvánosságra hozták a fázisvezérelt technológiák részleteit, a SpaceX titoktartást érvényesített az optikai műholdak közötti összeköttetések részleteivel kapcsolatban. A korai műholdakat lézerkapcsolatok nélkül indították, 2019 októberében a SpaceX azt várta, hogy 2020 végére elkészülnek az ilyen kapcsolatokkal rendelkező műholdak.

Lézer

A lézeres űrkommunikáció vagy TightBeam a szabad térben történő optikai kommunikáció alkalmazása a világűrben. A kommunikáció történhet teljes mértékben az űrben (műholdak közötti lézerkapcsolat), vagy föld-műhold vagy műhold-föld alkalmazásban. A lézeres kommunikáció fő előnye a rádióhullámokkal szemben a megnövelt sávszélesség, amely lehetővé teszi több adat átvitelét rövidebb idő alatt. A műholdak közötti lézerkapcsolatokat 2020 végén sikeresen tesztelték. 

A Szövetségi Kommunikációs Bizottság jóváhagyási kérelmében azt állítják, hogy a műhold 95%-a elég a visszatéréskor. Csak az ionhajtóművek belső szerkezete és a szilícium-karbid alkatrészek, amelyek képesek a túlélésre. Ezek a szilícium-karbid elemek alapvető anyagok a lézerek működéséhez, és rendkívül magas, 2750°C-os olvadáspontjuk van. Az FCC bejelentésnek köszönhetően tudjuk, hogy a műholdak 5 darab 1,5 kilogrammos szilícium-karbidot tartalmaznak. Mnden egyes műhold 5 egyedi lézert tartalmaz. Ezek a lézerek, akárcsak az optikai kábeleink itt a Földön, fényimpulzusokat használnak majd az információk átvitelére a műholdak között. Az űrbeli fénytovábbítás nagy lehetőségeket kínál a Földi fénytovábbítással szemben. A fény sebessége nem állandó mindenhol. Valójában a fény 47%-kal lassabban terjed üvegben, mint vákuumban. Ez a Starlinknek egy hatalmas előnyt kínál, mivel lehetővé teszi az alacsonyabb késleltetési időt.

Rádiófrekvenciás jelek

Minden műhold egy 81 fokos kúpsugarú látótávolsággal rendelkezik. Kör alakú területet képesek lefedni, amelynek sugara 500 kilométeres terület. A SpaceX által eredetileg tervezett pályán ez a lefedettség 1060 kilométeres sugarú. A műholdak alacsonyabb pályája csökkenti a lefedett területet, de ezzel egyidejűleg csökken a késleltetési idő. Ez különösen érezhető a tipikus geostacionárius pályán működő távközlési műholdak esetében, melyek körülbelül 36 000 kilométeres magasságban keringő űreszközök. Az adatoknak az adatátvitelhez szükséges ideje, amíg a műholdra, majd a földre visszatér az adat a műholdról, fénysebességgel körülbelül 240 ezredmásodpercet vesz igénybe. 369%-kal lassabb, mint amit el lehet érni a tenger alatti optikai kábellel. Mivel azonban a Starlink fel és le is szeretné küldeni a rádiójeleket, alacsonyabb magasságban jobb, mint az optikai kábel. A fel- és lefelé tartó kapcsolat elméleti késleltetése 3,6 ms. Ezért van szüksége a SpaceX-nek olyan sok műholdra a konstellációjukban, hogy a világméretű lefedettséget biztosítani tudja, hiszen 500 km-es sugarú körökkel kell beborítania a földfelszínt. Minden egyes Starlink műholdnak négy fázisvezérelt antennája van, amelyek az alábbi képen látszanak.

A képen a piros nyíllak mutatják az antennák helyét.

Ez az irányított sugárnyaláb lényeges része volt a SpaceX FCC jóváhagyási kérelmének, mivel a több ezer műhold irányítatlanul sugározná a jeleket a világűrben. A rendszer egy olyan egyenrangú protokollt fog használni, amely állítólag „egyszerűbb, mint az IPv6”, és natívan tartalmazza majd a végponttól-végpontig titkosítást is. 

Fázisvezérelt antennarács

Az antenna felületén sok (akár több tízezer) apró, egyszerű (pl. dipól-) antennát helyeztek el fixen. A kisugárzott nyaláb eltérítését az egyes antennák által kisugárzott jel fázisának szisztematikus változtatásával oldják meg, azaz az egymás melletti antennák mindig kicsit más fázisban sugároznak. A kisugárzott rádiójelek a sugárzási mintázatnak megfelelően egyes irányokban összeadódnak, más irányokban kioltódnak, így a lokátor végül csak bizonyos, meghatározott irányokban sugároz. Ennek szemléltetésére az alábbi kép nagy segítség.

A fázisvezérelt antennarácsoknak számos előnye van a hagyományos kialakítású, mechanikus sugáreltérítésű antennákhoz képest: mozgó alkatrész nincsen bennük, ezért kevésbé hajlamosak a meghibásodásra. Nincsen szükség az antennát mechanikusan mozgató mechanizmusra, így a kisugárzott jel iránya sokkal gyorsabban, néhány nanoszekundum alatt változtatható. Az ilyen lokátorok képesek egyszerre több irányba sugározni, így egyszerre több célt követni. Valószínűleg a Starlink esetében a négy külön álló antenna külön-külön képes egyszerre több irányba sugározni, hogy tudják kezelni az általuk kezelt területen megtalálható összes felhasználót. A SpaceX távközlési műholdkonstellációja a 24 GHz feletti nagyfrekvenciás sávokban működik.

Meghajtás – Ionhajtóművek

A Starlink műholdak ionhajtóműveket (Hall-effect thrusters) használnak kripton gázzal a pályaemeléshez és pályatartáshoz. A kripton meghajtású ionhajtómű sci-finek hangzik, de az ionhajtóművek valójában már évtizedek óta léteznek. Olyan, mint egy apró elektromos borsóvető, amely mikrogravitációban a borsó lendületével visszalöki a műholdat. Az űrhajók meghajtásában az ionhajtóművek olyan típusa, amelyben a hajtóanyagot elektromos mező gyorsítja. Az ionhajtóműveket (Edwin Hall felfedezése alapján) néha Hall-hajtóműveknek vagy Hall-áramú hajtóműveknek is nevezik. Ezen meghajtások mágneses mezőt használnak az elektronok tengelyirányú mozgásának korlátozására, majd az elektronok segítségével ionizálják a hajtóanyagot, hatékonyan gyorsítják az ionokat a tolóerő előállítása érdekében, és semlegesítik az ionokat a hajtóanyagfúvásban. Az ionhajtóműveket a mérsékelt fajlagos impulzusú (1600 s) űrhajtóművek közé sorolják, és az 1960-as évek óta jelentős elméleti és kísérleti kutatásokat végeztek vele.

Az ionhajtóművek különböző hajtóanyagokkal működnek, a legelterjedtebbek a xenon és a kripton. További érdekes hajtóanyagok az argon, a bizmut, a jód, a magnézium és a cink.

A Starlink egyik ionhajtóművének renderelt képe.

Az ionhajtóművek 10 és 80 km/s közötti sebességre képesek felgyorsítani a kiáramlógázukat (1000-8000 s fajlagos impulzus), a legtöbb modell 15 és 30 km/s között működik (1500-3000 s fajlagos impulzus). Az előállított tolóerő a teljesítményszinttől függ. Az 1,35 kW-os teljesítményen működő eszközök körülbelül 83 mN tolóerőt produkálnak. A nagy teljesítményű modellekkel már 5,4 N tolóerőt is létrehoztak laboratóriumban. 2009-ben az ionhajtóművek bemeneti teljesítménye 1,35 és 10 kilowatt között mozgott, és 10-50 kilométer/másodperces kiáramlógázsebességgel rendelkeztek, 40-600 millinewton tolóerővel és 45-60%-os hatásfokkal. Az ionhajtóművek alkalmazási területei közé tartozik a pályán keringő műholdak tájolásának és helyzetének szabályozása, valamint a közepes méretű automatizált űrjárművek fő hajtóműveként való alkalmazása, így kézenfekvő megoldás ez a Starlink esetében is, amire három ionhajtóművet helyeztek el. Ezek mind egy irányban állnak, így önmagukban nem elegendőek a megfelelő manőverezésre az űrben.

Giroszkópok

A hajtóműveket együtt fogják használni a fedélzeti iránybeállító giroszkópokkal.

A giroszkópók helyzete egy renderelt képen.

Hogyan? A fenti képen négy, egymásra merőlegesen elhelyezett korong látható. Ez azt sugallja, hogy ezek lendkerekek, amelyek mozgási energiát tárolnak, és felpörgethetők vagy lelassíthatók, hogy ezt az erőt az űrhajóra kifejtsék, és azt tetszés szerint elfordítsák. Nagyon okos kis szerkezetek, és meglehetősen gyakoriak a műholdakban. A Nemzetközi Űrállomáson is 4 db iránybeállító giroszkóp található a Z1 rácselemen. Ezek szabályozzák a Starlink orientációját, egy esetleges pálya módosítás vagy törmelék elkerülés esetén a giroszkópok irányba állítják az űreszközt, a hajtóművek adnának egy kis impulzust.

Helymeghatározás

Végül ott van a csillagkövető (Star tracker) rendszer. A műholdon 2 db kamera van elhelyezve ellenkező irányba, hogy elkerüljék azt, hogy a nap megvakítsa a kamerákat. A csillagkövető olyan optikai eszköz, amely fotocellák vagy kamera segítségével méri a csillagok helyzetét. Mivel a csillagászok számos csillag helyzetét nagy pontossággal megmérték, a műholdon vagy űrhajón lévő csillagkövető segítségével meghatározható az űrhajó tájolása (vagy helyzete) a csillagokhoz képest.

Starlink egyik kamerájának renderképe.

Ehhez a csillagkövetőnek képet kell készítenie a csillagokról, meg kell mérnie a csillagok látszólagos helyzetét az űreszköz vonatkoztatási rendszerében, és azonosítania kell a csillagokat, hogy helyzetüket össze lehessen hasonlítani a csillagkatalógusból ismert abszolút helyzetükkel. A csillagkövető tartalmazhat egy processzort a csillagok azonosítására, amely a megfigyelt csillagok mintázatát az égbolton lévő csillagok ismert mintázatával hasonlítja össze.

Ütközéselkerülő rendszer

A SpaceX elmondta, hogy a törmelékkövető bekapcsolódik a légierő kombinált űrműveleti központjába, ahol az összes ismert űrszemét pályáját nyomon követik. Ezeket a pályákat összevetik a műholdak pályájával, és ha lehetséges ütközést észlelnek, akkor a pályamódosításokat jó előre végrehajtják. Itt nem arról van szó, hogy meglátunk egy űrszemetet és kikerüljük, a művelet inkább a légiforgalmi irányításhoz hasonlít, előre kiszámított pályákkal.

Energiaellátás

Csak egyetlen napelemtábla van, amely felfelé nyílik ki harmonikaszerűen. A napelemek rendkívül egyszerűek és költséghatékonyak.

A képen jól látszik a kinyíló napelem (shark-fin)

A napelemek több energiát termelnek, mint amennyi elegendő a működéshez. A napelem mellett található még akkumulátor is a Starlinken, de erről nem érhető el nyilvános információ. A napelemek meghibásodásukra kevés az esély, ugyanis ezek ma már megbízható szabványos alkatrészek.

A pályára állítás során, illetve amíg a műholdak a működési pályájuk elérése előtt parkolási pályán vannak, a napelemes rendszer a fényszennyezés fő forrása. Ennek oka, hogy a műhold a SpaceX által „nyitott könyvnek” (open book) nevezett konfigurációban van, amelyben a tömb a légköri légellenállás csökkentése érdekében a Föld felszínéhez képest laposan az űrhajó előtt helyezkedik el. Ebben a fázisban a napfény mind az űreszköz testéről, mind a napelemes tömbről visszaverődik, így a Földről láthatóvá válik.

A napelemek helyzete a föld körül.

Amikor a Starlink műholdak elérik működési pályájukat, napelemtábláikat „cápauszony” (shark-fin) konfigurációba helyezik, úgy, hogy a panel az űreszköz fölé kerüljön. Ezután a fényszennyezés fő oka a fehér antennák, amelyeket az űreszközök a földi állomásokkal való kommunikációra és az adatok továbbítására használnak.

Az antennák elsötétítése helyett a SpaceX úgy döntött, hogy a műholdakra olyan napellenzőket szerel, amelyek megakadályozzák, hogy a fény elérje a fényvisszaverő felületeket és a fehér fázisvezérelt antennákat. Indításkor a napellenző laposan a szonda testéhez simulna, és nem sokkal azután kinyílna, hogy a műholdak kolökődnek a Falcon-9 felső fokozatából. Ami külön érdekesség, hogy a műszaki egység nem rendelkezik saját hűtéssel vagy hőszigeteléssel, így spekuláció ugyan egyelőre, de nagy valószínűséggel úgy oldják meg a tájolást, hogy a napelem vet rá árnyékot, ezzel megelőzve a túlhevülést.

1. rész
Ads Blocker Image Powered by Code Help Pro

Kérjük engedélyezd a reklámokat

Így tudod a Spacejunkie csapatát támogatni, hogy minél több friss hírt hozhassunk Nektek az űrutazás, űrkutatás világából!
Dark mode powered by Night Eye