河套 IT TALK 91：（原创）解读星链计划的商业密码：星链是如何最大程度降低发射成本的？

6月4日，SpaceX通过猎鹰9号（Falcon 9）又把22颗新版星链卫星 Starlink V2 Mini 送上了预定近地轨道（LEO）。这就意味着SpaceX已经部署了4543颗卫星在近地轨道上。这是个什么概念呢？现在近地轨道上活跃的卫星数量是7102颗，也就是说，64%都是星链卫星。这个星链到底是什么个存在？对当前的通信网络会有什么影响和挑战？它有带来了什么新的问题？我们会分期好好聊聊这个话题，不捧不喷，仅聊技术。

谈星链之前，有必要回顾一下之前很著名的一个项目：铱星计划。

1. 铱星计划

铱卫星（Iridium）是由围绕地球一共66个运作中的通信卫星组成。这个系统是原先规划77个通信卫星，所以用原子序为77的铱来命名。虽然最后只有66个卫星，但是因为原子序66的镝在希腊文的意思是“难以获取”，缺乏正面含义，因此保留原来铱卫星的名称。

66 颗现役卫星组成六个轨道平面，轨道平面间隔 30°，每个平面有 11 颗卫星（不包括备用卫星），这六个平面足以每时每刻覆盖整个地球表面。

铱星计划不仅仅提供语音服务，当时也提供短信、传真、定位和低速数据传输服务。摩托罗拉提供了技术和主要资金支持。在90年代初开始规划，1998年11月正式提出服务时初建成本差不多是60亿美元，结果仅仅九个月，就进入了破产保护程序，产生了40亿美元的债务。究其原因，因为地面上的移动电话（例如GSM）系统覆盖率升高，和愈来愈普遍的国际漫游服务造成极大的竞争压力。虽然铱星计划提供全球性的通讯服务，但昂贵的通讯费用也造成使用率无法提升。此外与地面上移动电话相比，笨重昂贵的卫星手机也让使用者感到不便。

铱星计划并未真正从此寿终正寝，由于美国国防部对通讯的需求，后续铱卫星被美国国防部广泛的使用。现在运行铱星的是一家商用公司，Iridium Communications Inc. 从2019年的财报来看，还是产生了5亿美金的收入。甚至新的铱星计划（Iridium NEXT）还通过猎鹰9号火箭在一系列8次发射中将新的75颗升级版新卫星送入太空，取代之前的老卫星。那些被淘汰的老卫星，也只能依赖微弱的地心引力，逐渐坠落大气层。但这些老卫星也确实带来了安全的风险。比如：第一代铱星33号在2009年，曾在西伯利亚上空 800 公里处与一颗名为Kosmos 2251的已报废俄罗斯卫星相撞。产生了两个大碎片云。

铱星计划，总体看来并不算一个成功的项目。铱星计划后，一系列的类似的卫星通信服务公司也都在互联网泡沫中相继破产。但是至少在以下几个方面，给试图运营卫星通信这个业务的公司提出了疑问：

是否有好的商业计划？产品的优势和长期的盈利点在哪里？
如何最大程度降低初建成本？
如何避免与其他卫星（特别是太空垃圾相撞），以及如何避免自己成为失控的太空垃圾？

SpaceX的星链计划，恰恰是在以上三个问题上做足了深入的研究，接下来，我们就会一一解读。

2. 为什么卫星通信有巨大的商业机会

可能很多人确实存在这个疑问，现在4G/5G都实现了这么高强度的覆盖，而且很多室内也有高速的Wi-Fi，互联网的下载速度惊人，我们为什么还需要类似星链系统的卫星互联网通信服务呢？必须承认，卫星互联网服务在以下几点仍存在巨大的商业机会：

偏远和人口稀少地区：迫于现在地面通讯部署成本和解决方案的技术局限，地球上有许多偏远地区、山区、沙漠、湖泊以及人口稀少的地区，如农村地区、岛屿、沿海地带等，其地面互联网基础设施建设和覆盖相对较差。卫星互联网可以填补这些地区的互联网空白，为这些地区的居民提供高速可靠的互联网接入。
战争和自然灾难和其他紧急情况：地球并不是一个一切安好的星球，战争和自然灾害频发，人道主义危机或紧急救援等情况下，地面基础设施可能受到破坏或临时失效，这时卫星互联网可以提供快速的恢复和应急通信能力。比如最近的俄乌冲突，星链计划就为乌克兰提供了互联网服务。马斯克声称，这项服务每月要花费 2000 万美元，为了获得资金， SpaceX与美国国防部签署了一项合同，后者为乌克兰使用星链提供资金支持。
航空和海上通信：航空和航海领域对全球互联网覆盖有着持续的需求。卫星互联网可以为航空公司、船舶和海上油田等提供连续的通信服务，无论它们位于哪个地理位置。别忘了，地球上71%的是海洋。如果你坐国际邮轮，就能感受到享受不到互联网服务的不便。另外，每天差不多有十万航班在世界各地起降，这些飞机上目前都不能提供相对价格公道的互联网接入服务。星链无非是完美解决了航海航空的互联网服务需求，因为卫星的覆盖是全球无死角的。
一些没有发展到4G/5G的发展中国家和落后地区的另一个选择。有些地区并未将地面通讯技术设施升级，而星链无疑是另外一种权宜之计。
太空互联网服务：显然，马斯克的星链计划，不仅仅是瞄着仅仅给地球地面提供互联网服务的。未来人类探索太空，近地空间站也越建越多，包括月球基地，火星基地，星链计划是一个可复制的非常好的太空通信解决方案。所以未来的商业潜力巨大。

3. 如何最大程度降低火箭发射成本

今年5月10日，猎鹰火箭家族首次到达了200次成功执行任务。这是任何其他太空运载火箭无法比拟的。SpaceX在降低星链卫星发射成本上最牛的就是采用了可回收主体的猎鹰系列火箭。

这一技术被称为垂直着陆回收技术（Vertical Landing and Reusability）。猎鹰火箭将有效载荷送入太空轨道后，会分离出主要部件，这个主要部件会通过点火推进器，重新进入大气层，然后进行精确的垂直降落。它配备了一套称为“落地回收”（Landing Legs）的可伸缩支撑腿，以平稳着陆在指定的着陆点，如陆地着陆区或无人船（“Of Course I Still Love You” 或“Just Read the Instructions”）。猎鹰重型火箭的两个侧级也采用类似的回收方式。回收的火箭主级经过检查和维修，以确保其在下一次任务中的可靠性和安全性。必要时，部分零件可能被更换。绝大部份的回收主题经过检查和维修后，可以在未来的任务中再次使用。这样可以显著降低太空发射的成本，因为不需要每次发射都制造一个全新的主级。

小知识：为啥猎鹰火箭回收船的名字都这么怪？

SpaceX创始人埃隆·马斯克对于命名方式常常具有一些幽默和创意，这也体现在猎鹰火箭回收船的命名上。”Of Course I Still Love You”（我当然还爱你）和”Just Read the Instructions”（请仔细阅读说明）是两个无人船的名称，用于海洋上的火箭垂直降落和回收。

这些名称实际上是来自于英国科幻作家伊恩·M·班克斯（Iain M. Banks）的文学作品系列《文明系列》（Culture series）。在这个系列中，宇宙飞船通常都有非常长而复杂的名称，这些名称常常是充满幽默和反讽的。埃隆·马斯克作为一个科幻迷，受到了这些作品的启发，决定将猎鹰火箭回收船的名称取自其中，以展示对科幻文化的致敬和娱乐性。因此，这些奇特的英文名称不仅是一种有趣的命名方式，也代表了马斯克对科幻文化的热爱，并在一定程度上成为了SpaceX的品牌特色之一。

目前猎鹰9号单次飞行的报价是6700万美金，这不是成本，可见成本要远远低于这个价格。猎鹰1号的成本是9000万美元，随着回收技术的成熟，总成本也大幅度下降，根据NASA的估算，猎鹰9号的总开发成本为3.9亿美元，猎鹰重载火箭的总开发成本不超过1.5亿美元。但随着现在猎鹰系列已经开始接受商业订单，它现在已经在发射上实现了盈利。这已经不是降成本这么简单了。

任何火箭发射都有一个每公斤载荷发射成本的说法。SpaceX猎鹰重载火箭可以把这个成本做到1400美元（随着回收次数的增加，这个成本还在持续降低）。这个比NASA第一个火箭家族Vanguard便宜700倍，比已经退役的航天飞机计划便宜44倍。

即便火箭成本降低了，SpaceX还在思考，如何最大程度地加大单次发射卫星的数量。这就要把卫星最大程度地挤在一起，同时发射到近地轨道。这里面设计两点：

1. 如何通过卫星的结构设计，让卫星体积尽可能地小，而且可以相互堆叠减少在火箭中的空间占用。

2. 如何在火箭一次发射所有的星链卫星后，可以让这些卫星能够按部就班，自行移动到它应该在的位置。

下面，我会分别用两个章节谈及这个话题。

4. 如何提升单次卫星发射数量

星链的部署在距地面550公里左右，目前的卫星数量基本实现了全球覆盖。新发射的卫星进一步满足用户增长的网速和延时要求。SpaceX能在短时间内完成全球覆盖，单次发射卫星的数量就很关键了。

每一颗星链卫星大约重260公斤。主要部件包括激光通信设备，可以展开的太阳能电池板，离子推进器，五个激光通信组件，以及四个相控阵天线。

为了做到最大程度的能让星链卫星在猎鹰火箭总堆叠，SpaceX进行了特殊的结构设计和措施保障，以实现星链卫星在猎鹰火箭内部堆叠时的稳定性、安全性和相互之间的合理配置。

首先，就是尺寸和形状。星链卫星的设计考虑到了在猎鹰火箭内部堆叠的需求。它们通常采用较小的尺寸和紧凑的形状，以便在火箭的载荷舱中容纳更多的卫星。大家在资料中可以发现，这些卫星都是扁平型的。而且这些卫星还会在火箭内部通过某种级联结构的方式进行堆叠。这意味着卫星之间会相互连接，以形成一个整体的单元。这种结构有助于提高卫星堆叠的紧凑性和稳定性。但同时也要考虑振动和冲击对卫星的影响。在设计中，采用了各种减震和减振装置，以保护卫星免受火箭发射期间的振动和冲击影响。但毕竟这些卫星最后是要分开发射到太空的啊，如果我们观看实况转播，会发现在猎鹰9号上还有一个卫星部署器。用于将卫星从火箭中释放到太空中。这种部署器通常采用弹射或弹簧结构，以确保卫星以适当的速度和轨道分散释放。所以大家才会看到这些卫星像连珠炮一样被弹射到太空中。

不过弹到太空中还不是最终目的，卫星还要能到达其应该在位置啊？这就需要引入一个新的概念：霍尔效应推进器。

5. 霍尔效应推进器

霍尔效应推进器，又称为离子推进器。霍尔效应是指在电流通过导体时，当该导体受到垂直于电流和磁场方向的磁场作用时，会在导体两侧产生电势差的现象。基于这个效应，霍尔效应推进器通过在推进器中加入磁场和电场来产生推力。霍尔效应推进器就是利用霍尔效应，在霍尔效应推进器内部，先通过一系列的电磁线圈产生磁场，在磁场中，通过一个中心电极和环形的磁场导流体，又称为推进剂（通常是氩气或氙气）之间施加电场。通过施加电场，磁场导流体中的电子被加速，然后与磁场相互作用，产生离子化的粒子。产生的离子会以高速从推进器的开口喷射出来，产生推力。

霍尔效应推进器不是一个新的概念了，这是在太空中被广泛采用的一项技术。但是SpaceX也在这个上面下了功夫，如何最大程度降低成本。我举一个关于SpaceX如何降低推进器成本的例子：

氙气一直是许多电力推进系统（包括霍尔推进器）的典型推进剂选择。氙气相对容易储存，而且作为一种在航天器工作温度下的气体，使用前不需要蒸发，这与金属推进剂（如铋）不同。氙的高原子量意味着每质量单位电离所消耗的能量比率较低，从而使推进器效率更高。但缺点就是价格太贵。2021 年每公斤氙气约 3,000 美元。

氪气是霍尔推进器的另一种推进剂选择。氙的电离势为 12.1298 eV，而氪的电离势为 13.996 eV。这意味着使用氪的推进器每摩尔需要消耗稍高的能量来电离会降低部分效率。此外，氪是一种较轻的离子，因此与氙相比，每单位电离能的单位质量进一步降低。然而，优势在于，每公斤氙气的价格可能是氪气的十倍以上，这使得氪气成为建造卫星星座的更经济的选择，星链第一代Starlink V1就使用了氪气作为燃料。

但这还不够，SpaceX还为二代星链卫星（Starlink V2 mini）开发了一种使用氩气作为推进剂的新型推进器。新推进器的推力和比冲是SpaceX之前使用氪气的推进器的 2.4 倍和 1.5 倍。最重要的是，氩气比氪气便宜大约 100 倍，比氙气便宜 1000 倍。

那么具体来说，霍尔效应推进器是怎么帮助星链卫星到达轨道位置的呢？霍尔效应推进器产生的推力非常的小。几十到100毫牛。大约只能够吹起一张纸。也就是还不如一个p的推动力大，那么这么点推力有啥用呢？咱们平时把卫星送上天，需要克服地心引力，所以需要很大的推力才行。比如猎鹰9号火箭，它的初始推力就可以达到6700千牛。这么大的推力，目前我们只能通过化学燃料燃烧来产生。猎鹰9号烧的就是煤油。而马斯克的下一代火箭，也就是Starship，星舰，就改烧甲烷了（因为是瞄着火星计划去的，火星上没有煤油）。这个不在这里展开，回到霍尔效应推进器，它的使用场景不同，因为卫星已经发射到近地轨道的太空，没有地心引力和空气阻力的约束，一点点儿的推力，在太空的环境下也是大有用武之地。虽然霍尔效应推进器加速很慢，但是没有阻力，它可以通过不断持续的加速啊。几天，几月甚至几年，最终也会达到非常快的速度。想象一下，虽然你的车百公里加速只需要几秒钟，而霍尔效应推进器它的百公里加速需要一到两天，但是你没法一脚油门踩好几天吧？

除了可以持续加速，霍尔效应推进器还有一个优点，就是可以做到非常精准的推力。控制精度可以达到0.1微牛。这样就可以非常精确地控制星链卫星的方向调整。

所以对准方向后，只要持续加速，星链卫星就会到达其应该到达的准确位置。

当然除了以上两点之外，即便星链卫星到达指定位置后，也是需要工作的。至少还有3个作用，本文仅说其中一个，后面两个，下一期我们再慢慢展开讲。

这个作用就是维持星链卫星的轨道运行。由于星链卫星还是在近地轨道运行，没有完全脱离大气层，所以还会受到微弱的空气阻力的影响。这就导致没有办法让卫星仅仅依靠它的惯性来保持速度，维持轨道高度。因此它就需要有推进器来维持大约每小时三万公里的时速，也就是第一宇宙速度。只有保持这个速度，它才能围绕着地球旋转，不会掉下来。

今天，通过对星链计划中发射成本、卫星堆叠和推进剂等方面成本节省，大家能感受到，一家商用公司在考虑一个太空项目的时候，正确的做法是：先想明白如何节省初建成本，然后在此基础上再拓展它的商业化业务。

星链计划除了省钱，还有什么独特的竞争优势呢？我们下次展开再聊。