Технологии VSAT и малые спутники на ГСО

Классификация малых КА

Деление малых космических аппаратов (МКА) по массе и стоимости условно. В табл.1 [1] представлена классификация МКА с оценкой стоимости их создания (с учетом запуска)

Класс МКА Масса МКА, кг Стоимость, млн.долл. (примерно) Pico- <1 <0,4 Nano- 1…10 0,4…2 Micro- 10…100 4…8 Mini- 100…500 15…40 Small 500…1000 55…100

Данных о проектах создания зарубежных малых ИСЗ на ГСО практически нет (известен только проект Aster [2, 4 ] и краткое упоминание о начале работ над малым спутником Gemini в космическом центре Syrrey ).

Проекты МКА на ГСО в России

Россия сегодня является лидером в области разработки проектов, направленных на реализацию идеи вывода МКА на геостационарную орбиту в интересах связи и вещания:

Проект "Руслан-ММ" Предусматривается схема выведения с помощью легкой РН Стрела с использованием высокоэллиптической орбиты с апогеем 100.000 км в качестве переходной к геостационарной.

Предполагается создание нескольких модификаций ИСЗ "Руслан-ММ", отличающихся рабочим диапазоном частот и зоной обслуживания (табл.2).

Технические параметры ИСЗ "Руслан-ММ" С- диапазон (вариант 1) Ku-диапазон (вариант 2) Срок активного сущестования, лет 10…12 10…12 Масса ИСЗ на ГСО, кг 520 520 Полезная нагрузка (с АФУ), кг 125 125 Мощность солнечных батарей, Вт 1100 1100 Мощность потребления полезной нагрузки, Вт 900 900 Рабочий диапазон частот, ГГц : прием передача 6,725…7,025 4,5…4,8 12,75…13,25 10,7…10,95 11,2…11,45 Число стволов 12 6 Полоса частот, МГц 36 72 Рабочая зона, град. 6,5х3,0 1,5х1,5 (6 лучей) ЭИИМ в рабочей зоне, дБВт 37 49…50

Примечание: предусмотрены так же варианты реализации полезной нагрузки в C/Ku-диапазонах.

Подход к оценке эффективности МКА

Эффективность малых геостационарных ИСЗ связи и вещания не очевидна (мировая тенденция – создание "тяжелых" геостационарных ИСЗ). Действительно, существуют проблемные вопросы технического характера. Среди них основным является вопрос создания полезной нагрузки, которая по своим параметрам не уступает полезной нагрузке "тяжелого" ИСЗ (естественно имеет пропорционально меньшее число стволов).

В результате анализа данных [2,3] можно сформулировать усредненные значения эквивалентной массы (h m) и энергопотребления (h р) отдельного ствола (с полосой 36 МГц) полезной нагрузки конкурентоспособного (современного) "тяжелого" геостационарного ИСЗ в зависимости от его целевой задачи (табл. 5).

Целевая задача h< m, кг h< р, Вт Международный ИСЗ фиксированной связи и вещания 6,5 46,5 Национальный ИСЗ фиксированной связи с использованием специальных стволов 10,0…11,0 60,0 Национальный ИСЗ фиксированной связи и прямого вещания 10,0 116

Примечание: значение h m определено с учетом массы антенн.

Таким образом, на основе опытных данных имеется возможность оценить реализуемость и конкурентоспособность малого геостационарного ИСЗ по сравнению с "тяжелым". Но для этого требуется учитывать и существенные затраты необходимые для вывода ИСЗ на геостационарную орбиту (ГСО).

Как следует из анализа проектных данных, эквивалентная масса и энергопотребление стволов МКА (табл. 6).и "тяжелых "ИСЗ примерно идентичны.

МКА Эквивалентная масса ствола, кг Эквивалентное энергопотребления ствола, Вт Оценка максимальной стоимости изготовления МКА без учета запуска, млн. долл. "Руслан-ММ" 10.4 75.0 24 "Диалог" 12.2 111.1 18 "Интерспутник-100М" 10.0 100.0 24

Эквивалентная (средняя) стоимость изготовления одного ствола современного "тяжелого" ИСЗ с учетом затрат на запуск составляет ~ 3,5 млн. долл. [2,3], а без учета запуска примерно 2,0 млн. долл. Соответственно, разность полученных значений в 1,5 млн. долл. определяет максимально допустимые затраты на запуск ИСЗ, приведенные к одному эквивалентному стволу. Однако существуют и технические аспекты, которые существенным образом могут повлиять на эффективность малого ИСЗ. В первую очередь, это проблема вывода его на геостационарную орбиту.

Возможности вывода МКА на ГСО

Например, если использовать РН класса Протон для группового запуска малых ИСЗ (по 3…4 штуки), то эквивалентная коммерческая стоимость запуска для каждого ИСЗ составит примерно 25…35 млн. долл., что не очень выгодно. Альтернативный вариант запуска предусматривает использование легких РН. В этом случае ИСЗ предварительно выводится на высокоэллиптическую орбиту с апогеем примерно 100.000 км. Затем, в течение длительного времени (~< 147 дней) он переводится на геостационарную орбиту. Указанную схему запуска МКА возможно реализовать с помощью конверсионных РН типа Рокот или Стрела. По экспертным оценкам коммерческая стоимость запуска этих РН составляет не более 7…10 млн. долл., поэтому этот вариант может быть вполне приемлем с точки зрения минимизации затрат даже в случае уменьшения относительной массы полезной нагрузки ИСЗ и увеличения дополнительных затрат на обеспечение работы наземного комплекса управления.

Другой вариант предусматривает использование легких РН новой серии Ангара (с разгонным блоком Бриз), которую разрабатывает ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. В этом случае масса малого ИСЗ в 500кг находится на пределе допустимой, но вывод спутника на ГСО осуществляется традиционным способом. Очевидно, что при указанной массе стоимость коммерческого запуска должна лежать в пределах 15…20 млн. долл., что подтверждается и данными зарубежных РН (табл.7).

РН Масса полезной нагрузки выводимой на ГСО, кг Планируемый год начала эксплуатации Стоимость (примерно) запуска, млн. долл. Рокот 485 2000 7.....10 Стрела 550 Н.д. 7.....10 Ангара 1.1 580 2002 Н.д. Ангара 1.2 700 2002 Н.д. Taurus XL 595 Н.д. 20....25 Eagle S1/PBV 940 Н.д. 15

Таким образом, общие затраты, необходимые для создания МКА, и его конкурентоспособность будут в значительной степени определяться стоимостью его доставки на ГСО. В конечном итоге от этого в значительной степени будет зависеть потенциальная возможность снижения стоимости аренды его частотно-энергетического ресурса.

Оценка себестоимости эквивалентного ствола.

В [3] представлена оценка нормированной себестоимости эквивалентного ствола 36МГц для серии спутников Intelsat (и ряда других). Аналогичную оценку несложно получить для рассматриваемых МКА в случае применения РН Рокот или Стрела (табл.8).

ИСЗ Число эквивалентных стволов по 36 МГц Нормированная себестоимость эквивалентного ствола Средняя арендная стоимость эквивалентного ствола , млн. долл. / год (оценка экспертная) С-диапазон Ku-диапазон Изготовление,млн. долл. Изготовление с учетом запуска млн. долл. Общая, приведенная к году эксплуатации млн. долл./год C-диапазон Ku-диапазонн Intelsat-6 64 24 1.59 3.36 0.34 0.9 1.5 Intelsat-7 42 32 1.26 3.2 0.29 Intelsat-7A 42 28 1.43 2.85 0.26 Intelsat-8 64 12 1.1 2.14 0.21 Intelsat-9 44 12 1.04 2.4 0.18 Н.д. Н.д Arabsat-2 22 12 1.86 3.69 0.31 Н.д. 3.0 Thaicom-3 24 14 2.09 4.65 0.33 1.7 4.5 Koreasat-3 - 30(2) 1.67 4.33 0.36 - 2.5 Руслан-ММ + 12 2.0 3.5 0.26-0.29 0.8(3) 1.2(3) Диалог 5 4 2.0 3.5 0.28-0.31 Интерспутник-100М + 12 2.0 3.5 0.26-0.29

Примечание: 1) Знаком "+" обозначает, что возможна комплектация полезной нагрузки стволами C/Ku-диапазонов.

2) Имеется еще три ствола Ka-диапазона.

3) Экспертная оценка

VSAT технологии

Представим лишь основные черты, определяющие, по мнению авторов доклада, перспективность гипотетического проекта с точки зрения развития VSAT сетей в России.

Ретрансляционная аппаратура МКА должна быть реализована без обработки сигналов на борту, т.е. с "прозрачными" стволами. Выбор рабочих зон конечно должен учитывать коммерческую сторону, но следует отдавать отчет, что формирование широких лучей ( например, охватывающих всю Россию), целесообразно только в С-диапазоне. В Ku-диапазоне целесообразно иметь несколько относительно узких лучей (1,5…2 град.), что обусловлено перспективой развития VSAT технологий, требующих повышенной энергетики ствола (до 48….50 дБВт в рабочей зоне). При этом межлучевые связи на борту следует исключить, но обеспечить возможность коммутации нескольких лучей в соответствии с долговременным прогнозом развития регионов. России , характера регионального трафика и строительства магистральных ВОЛС. Конечно, масса антенной системы спутника увеличится на 10-15%, но это плата за коммерческий успех. И конечно не целесообразно применение антенн с контурной диаграммой направленности или другой экзотики допустимой для "тяжелого" ИСЗ. Если кратко, полезная нагрузка должна быть максимально простой и надежной.

Заключение