星舰第一次真正把星链送入轨道。26颗第三代卫星刚从载荷舱释放,就回头拍下了自己的母舰——飞船S41。这组照片不只是一次在轨自拍,也让人第一次从太空视角,看见星舰正在把多大的卫星带入轨道。
9月28日,星舰第14飞第一次进入地球轨道,并用大约半小时释放出26颗第三代星链卫星(Starlink V3)。其中3颗带相机的卫星刚离开载荷舱,就回头拍下了不锈钢船体的飞船S41,以及还聚在附近的其他卫星。飞船S41随后按备用方案提前溅落在夏威夷以北。这批卫星仍留在大约270公里高度,需要自行抬升轨道,完成在轨检查后才会开始提供服务。
●中间那艘不锈钢船体,就是飞船S41
▲10月2日,SpaceX公布了这组照片。第一眼看上去,它甚至有点像把飞前动画直接贴进了实拍画面。画面中央,一艘完整的不锈钢飞船悬在黑色太空中,头锥、前翼、后翼以及一排排防热瓦都被阳光照亮。周围漂着几块发白、发蓝的长方形物体;画面右前方还能看到几组螺旋弹簧,左下方则是弧形的地球边缘。
▲另一张对比图更加直观:上半部分是飞行前用于解释任务的动画,下半部分则是几乎相同视角的实拍照片。中间那艘飞船不是模型,也不是某颗卫星的反光效果,而是飞船S41本身。Space.com对官方照片的说明也明确指出,这是刚刚完成部署的星链卫星回头拍到的上面级。26颗卫星中有3颗加装相机,主要任务就是给S41拍照,检查飞船防热瓦在轨状态,为未来返回发射场塔捕回收积累数据。于是,刚刚离开载荷舱的卫星、还没有完全散开的其他星链,以及它们刚刚乘坐上来的S41,被同时收入镜头。这也是这组照片真正有意思的地方:它不是一张单纯的星链自拍,而是一次对星舰本体的在轨检查。
右前方那些螺旋弹簧,则属于载荷舱里的卫星释放机构,业内通常称为「糖果机式分配器」(PEZ dispenser)。卫星在舱内叠成一摞,再由弹簧和缆绳一颗一颗推出。弹簧仍然出现在镜头近处,说明拍摄时卫星距离舱门并不远。不过,公开画面没有给出当时的实际距离,因此不能据此写出具体数值。旁边那些长方形物体,则是同一批次中已经释放、但尚未远离的其他第三代星链卫星。
背景一片漆黑,这不是后期抠图。地球边缘那条蓝线,是被侧向阳光照亮的大气层。地球半径约6371公里,而质量高度集中的大气层只有十几到几十公里厚。由于相机是斜着穿过大气层观察,照片中的蓝色大气边缘会显得比实际厚度更宽。大气层外几乎没有空气,阳光也就没有足够的介质发生明显散射,所以即使航天器正在地球白昼一侧,天空依然是黑色的。
●先把星舰送进轨道,再把卫星留在轨道上
IFT-14于美中夏令时间9月28日上午7时48分59秒升空,对应北京时间当晚8时48分59秒。超重型助推器B21搭载飞船S41,从德州星舰基地2号发射台升空。助推器安装33台猛禽3发动机,这套发动机此前已经完成飞前静态点火测试。大约25分钟后,一台海平面型猛禽3再次点火。上升段结束时,飞船还走在一条会掉回大气层的椭圆轨道上,最低点太低,绕不到下一圈。这次点火把轨道最低点抬高,让它变成一条可以绕地球飞行的近圆轨道。飞行程序里,这次点火预定大约19秒。海平面型喷管较短,适合在大气层内工作,也负责离轨;真空型喷管更大,主要用在空气已经很稀薄的上升段。上升过程中,三台真空猛禽有一台提前关机,其余五台延长燃烧,把飞船S41送到预定的亚轨道。地面确认三台海平面发动机可以工作之后,才允许做这次点火。轨道一旦变成近圆,飞船必须主动离轨,不能再指望不点火就会自己落入大气层。
轨道变成近圆之后,近地点大约262公里,远地点大约275公里,轨道倾角30.5度。所谓30.5度,是指轨道面相对于赤道平面的倾角,因此这条近圆轨道的星下点最北约到北纬30.5度,最南约到南纬30.5度,并不会经过两极。这个倾角主要由德州星舰基地的发射方向决定,也并不意味着这些卫星未来的工作轨道就是30.5度。
部署大约在起飞后第34分钟开始,持续约半小时。SpaceX于美中夏令时间上午8时25分左右宣布部署开始,上午8时54分左右,也就是北京时间晚上9时54分,宣布26颗卫星全部部署完成,已经进入轨道。卫星是从已经入轨的飞船里被释放的,不是各自再做一次入轨点火。这26颗卫星被统称为星链31-1,SpaceX随后确认已经与全部26颗建立联系。报道中提到的联络方式包括激光链路、地面站以及星链用户终端,但不能理解成每一颗卫星都分别通过这三种方式完成了一遍确认。马斯克随后表示,这26颗业务卫星已经部署完成并运行正常。不过,取得联系和开始提供服务是两回事。前者说明卫星已经存活、通信链路正常;后者则意味着卫星还要完成太阳能翼、天线等系统展开,自行抬升至工作轨道,完成在轨检查并接入星座。SpaceX表示,顺利的话,几周后才会开始提供服务。
●S41提前回家,26颗星链留下来继续爬升
原计划是让S41在轨道上飞行近10小时、绕地球约6圈,再于智利以西太平洋执行受控溅落。但由于上升阶段一台真空猛禽提前关机,飞控提前结束了轨道段。S41在起飞约2小时12分钟后,使用一台中央海平面猛禽提前执行离轨。再入过程中,飞船以腹部朝前下降,通过翼面控制姿态;随后点火、翻转,重新调整为尾部朝下的下降姿态。
美中夏令时间上午10时57分左右,也就是北京时间晚上11时57分左右,S41在夏威夷以北海域溅落,全程约3小时8分钟。夏威夷以北是发射前已经清理出的备用溅落区,智利以西才是原定区域。据报道,S41先以尾部接触海面,随后侧倒,残余推进剂发生燃烧并爆炸。这里需要区分时间顺序:爆炸发生在受控溅落之后,而不是飞船在空中失控解体。
超重型助推器B21则没有进入轨道。33台发动机中,上升段有1台提前关机;返回点火时31台发动机成功工作;着陆点火阶段,13台发动机中有11台点火,最终在墨西哥湾完成受控溅落。着陆燃烧结束后,SpaceX主动触发飞行终止系统,用于测试这套安全装置。本次任务本身也没有安排通过发射塔捕获B21。
●看起来像停在半空,其实正以每秒7.7公里飞行
照片里最容易让人产生错觉的一点,是卫星、S41和释放机构看上去几乎停在半空,而且谁也不像在下坠,它们当然没有停下来。
在约270公里高度的近圆轨道上,航天器运行速度大约为每秒7.7公里,也就是每小时约2.8万公里。地表附近的第一宇宙速度约为每秒7.9公里,轨道高度升高后,维持圆轨道所需的速度会略低一些。星链卫星从分配器推出之后,只是在原有轨道速度之外获得一个很小的相对速度。公开资料没有给出这次部署的实际推出速度,但可以确定的是,这个速度差远小于每秒7.7公里。所以在离舱后的最初几分钟里,卫星和飞船依然会一起出现在相机视野中,看起来仿佛都悬停在太空里。实际上,它们正以每秒数公里的速度绕着地球飞行。
选择在这么低的高度释放,不是因为星舰爬不上去,而是把后续抬轨留给卫星。260公里上下,大气阻力已经相当明显;太阳能翼展开后受阻面积更大,如果不主动爬升,轨道高度会掉得很快。7月的星舰第13飞也曾释放20颗第三代星链卫星,用来验证离舱和通信,但那次仍是亚轨道,卫星很快再入。9月28日这一批,是第一组真正留在轨道上的第三代星链卫星。
●一颗卫星的设计容量,大约抵一万户百兆宽带同时使用
这次任务真正值得关注的,并不只是星舰把26颗卫星送上去,而是星舰第一次开始承担大规模第三代星链部署任务。
猎鹰9号目前承担的部署星链任务,无法一次装下一颗完整的第三代星链卫星。按照星链官网公布的设计指标,第三代星链卫星单星下行容量达到1 Tbps,即每秒1万亿比特,约为2023年以来由猎鹰9号发射的第二代星链卫星(Starlink V2)的10倍。如果以100 Mbps的家庭宽带作为参照,1 Tbps理论上相当于1万户家庭同时使用100 Mbps带宽。但这里的一万户只是容量换算,不是说一颗卫星能够让一万个家庭同时获得100 Mbps的独享带宽。它代表的是整颗卫星在覆盖区域内能够分配的总下行容量。第三代星链的上行设计容量为160 Gbps,约为第二代的22倍。面向用户的通信采用相控阵天线。它不需要像传统抛物面天线那样机械转动,而是通过电子方式控制波束,将无线电能量指向不同区域。第三代星链的上下行天线均可形成2048个波束;第二代对应指标分别为下行192个、上行144个。负责这些通信信号处理的芯片,单芯片吞吐能力约提升至原来的64倍。
●6条激光链路,把一颗颗卫星串成真正的天上网络
卫星之间采用激光通信。每颗第三代星链卫星拥有6条星间激光链路,每条设计速率为400 Gbps。激光束非常窄,需要卫星之间精确指向,但优势也很明显:数据可以直接从一颗卫星传给另一颗卫星,不必每一跳都经过地面站。当足够多的卫星形成互联之后,就能够构成一张带有冗余路径的拍比特级激光网络。这里的拍比特是太比特的1000倍,描述的是整个星座未来形成的网络规模,而不是单颗卫星的通信容量。
卫星与地面站之间,则采用另一套无线电回传系统。每颗卫星配置4副天线,同时使用Ka、E、V、W四个频段,射频回传容量合计约1.2 Tbps,比第二代高出8倍以上。回传上行可使用的频谱,将不同频率和两种极化方式计算在内,可达到60 GHz,约为第二代的4.3倍。所谓极化,可以简单理解为电磁波振动方向的不同。同一段频率通过不同极化方式,可以进一步提高频谱利用效率。
第三代星链还采用新的柔性太阳电池阵列,不是盖在卫星上的一层毯子。这种翼面可以像布匹一样连续成卷生产,再裁切成每段19米的长度;每4段组成一面太阳能翼,卫星两侧各配置一面。整体发电能力约为第二代太阳能翼的两倍,同时针对低轨运行环境进行了减阻设计。需要注意的是,4段19米并不意味着可以简单相加得到76米翼展。SpaceX官网没有说明这4段太阳能毯具体是首尾连接还是采用其他布局,也没有公布正式翼展、功率和卫星质量。
发射报道中出现的约2吨单星质量,也并非规格页公布的正式数据。但即使不采用未经官方确认的翼展和质量数字,仅从体积、功率和通信能力来看,这已经是猎鹰9号整流罩难以容纳的卫星。这也是为什么第三代星链需要星舰。26颗卫星合计的设计下行容量约为26 Tbps。SpaceX对本次任务的描述是,其增加的容量大约相当于猎鹰9号一次发射较小型V2 Mini卫星所增加容量的10倍。星链官网还有另一项表述:一艘星舰部署第三代星链卫星,最终送入星座的容量大约可以达到猎鹰9号一次发射第二代卫星的20倍。但官网没有说明这个20倍具体按照多少颗卫星计算,因此不能简单把它与60颗装载量上限直接对应起来。
另有报道提到,未来一艘星舰最多可能装载约60颗第三代星链卫星。这个数字描述的是潜在装载量上限,不能倒推出20倍就是因为一艘星舰装了60颗。
同一套技术还将继续用于星链面向手机直连的下一代系统,目标是让没有专用卫星通信硬件的普通手机,也能够直接连接卫星,并获得接近地面LTE网络的通信速率。
当然,以上这些目前都还是设计指标。卫星还需要展开天线和太阳能翼,通过无线电和激光链路接入星座,依靠自身推进系统离开目前的低轨道,并完成一系列在轨检查。真正的1 Tbps、2048个用户波束和6条星间激光链路,要等它们进入工作轨道、完成测试之后,才会真正转化成用户能够感受到的网络容量。
●两天后,另一颗眼睛拍到它们已经展开太阳能翼
SpaceX公布的离舱照片里,那些长方形物体大多还是卫星本体,太阳能翼尚未完全展开。两天之后,另一家公司从更远的位置拍到了它们展开后的状态。澳大利亚公司HEO专门利用其他卫星上的相机,为在轨航天器拍摄图像。
▲10月1日美中夏令时间下午5时42分,也就是北京时间10月2日早上6时42分,HEO发布了一张9月30日拍摄的图像。这次拍摄借助商业遥感公司Satellogic的卫星完成,使用绿光波段,从约230公里外拍摄STARLINK-40087,图像分辨率为每像素34厘米。这颗卫星的北美防空司令部编目编号为100867,国际编号为2026-225N,表明它属于2026年的发射序列。
34厘米/像素意味着,在约230公里距离上,卫星结构每34厘米才对应图像中的一个像素。一个10米左右的结构,大约只有30个像素。因此,照片可以辨认出中央的亮色主体以及两侧展开的翼面,但不可能看清太阳能电池片,更不能拿这张照片直接测量太阳能翼的实际翼展。HEO判断,两面太阳能翼已经展开,卫星姿态也符合正在抬升轨道阶段的预期。
截至10月2日,STARLINK-40087公开编目的轨道仍约为近地点264公里、远地点274公里、倾角30.5度。这里要特别注意:这是STARLINK-40087这一颗卫星的轨道参数,不能自动代表另外25颗卫星的状态。而投放时的轨道大约为262×275公里。两者相比,这颗卫星的轨道高度几乎还没有离开最初的投放轨道。这意味着它的轨道提升才刚刚开始。HEO也表示,卫星还将继续接近其搭载相机的平台,后续图像有望更加清晰。
●别把示意图当成实测:目前还不知道第三代星链到底有多宽
随着星链照片出现,社交平台上也开始流传一些更大胆的尺寸图。其中一张把太阳能翼展开后的翼展画成约60米,并拿它与波音787作比较。另一张则把星链V1.5、V2、V3以及星智卫星分别画成约11米、30米、60米和75米。这些都应当作为示意图来看待,而不是实测数据。
HEO公布的照片只能帮助确认太阳能翼已经展开,并建立大致尺度;SpaceX目前也没有公布第三代星链卫星的正式翼展。▲同一天,马斯克提到的「太阳能功率超过250千瓦」「大约比国际空间站多20%」,说的是星智(Starmind)计划中的算力航天器,并非这26颗第三代星链卫星。目前能够确认的第三代星链能源信息,仍然是:发电能力约为第二代太阳能翼的两倍;每颗卫星两侧各有一面由4段、每段19米的太阳能毯组成的太阳能翼。因此,60米、75米等数字暂时不能看作第三代星链的官方尺寸。
现在,飞船S41已经完成自己的任务并溅落。留在轨道上的,是26颗第三代星链卫星。它们还在大约270公里的高度上自行抬轨,离开最初的投放轨道。载荷舱附近的照片,证明它们已经离开星舰;HEO随后拍到的图像,则显示太阳能翼已经展开。而1 Tbps的下行容量、2048个用户波束、6条星间激光链路以及更大的太阳能阵列,都还只是设计能力。接下来真正值得看的,是这26颗卫星能否顺利完成抬轨、展开、在轨检查和星座组网。星舰已经把它们送上了天。现在,轮到第三代星链自己证明,究竟能把这张天上的网络能力推到什么程度。
主要信源:星链官网V3介绍页(下行1 Tbps约10倍、上行160 Gbps约22倍、各2048波束、6条400 Gbps激光、回传1.2 Tbps、柔性翼面19米一段四段一面、相对猎鹰9号约20倍容量);SpaceX于协调世界时9月28日12时48分59秒起飞后的任务帖(13时25分开始部署,13时54分宣布26颗在轨,离轨后约1小时溅落);马斯克同日帖文(26颗运行正常;250千瓦指星智Starmind,不是这批星链);SpaceX任务说明(近圆轨道点火预定约19秒,部署约第34至65分钟,原计划近10小时、智利以西溅落;26颗约相当于猎鹰9号一次V2 Mini的10倍,与20倍不是同一口径);Space.com图说(回头看见的是上面级,全箭约124米,3颗带防热瓦相机);维基百科Flight 14(B21、飞船S41、星链31-1,离轨约起飞后2小时12分);Starbase Events(返回点火31/33、着陆点火11/13,约3小时8分溅落夏威夷以北,随后主动触发飞行终止系统);Spaceflightpedia(五台延长燃烧,联络经由激光、地面站或用户终端);We Talk Tesla(美东时间11时57分尾部着水,随后侧倒爆炸);Ars Technica(全部取得联系,约2吨,以后最多约60颗,均非规格页);HEO于协调世界时10月1日22时42分的帖文(9月30日、约230公里、34厘米一个像素拍摄STARLINK-40087,两翼展开;「2023年」是翻译误加);公开编目(100867、2026-225N,10月2日仍约264×274公里,只代表这一颗)。60米翼展和尺寸阶梯图是示意图,不作为信源。
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