Фундамент цивілізації: Історія супутників зв'язку.

Те, що сьогодні є звичним для більшості жителів розвинених країн, здавалося б, неймовірним ще 70 років тому. Тепер ми маємо можливість миттєво надсилати повідомлення, ділитися фотографіями та спілкуватися телефоном з будь-ким у світі. Ми можемо переглядати телевізійні канали та слухати радіо з різних куточків планети. Крім того, отримуємо детальні прогнози погоди на тривалий період і завчасно дізнаємося про небезпечні метеорологічні явища.

І все це -- завдяки телекомунікаційним супутникам, що стали справжнім фундаментом сучасної цивілізації. У цьому матеріалі ми розповімо історію їхньої появи та розвитку.

Вважається, що ідею використання супутників на геостаціонарній орбіті для ретрансляції радіосигналів було вперше висловлено у статті "Позаземні реле", написаній Артуром Кларком у жовтні 1945 року. Через це сьогодні письменника часто величають батьком усіх геостаціонарних супутників, а відповідна орбіта називається поясом Кларка.

Перші концепції космічного зв'язку виникли ще до того, як було запущено перший штучний супутник. Варто зазначити, що не всі ці проєкти передбачали використання космічних технологій. Наприклад, розробники проєкту Moon Relay планували використати Місяць як природний ретранслятор для радіосигналів – передбачалося, що сигнали відбиватимуться від його поверхні і надсилатимуться до потрібних адресатів на відстані, навіть на інші континенти. Більше того, науковці змогли продемонструвати успішну передачу повідомлень таким чином. Однак, незабаром після початку космічної ери цей незвичайний проєкт було закрито, оскільки виявилося, що супутниковий зв'язок має ряд безперечних переваг.

Першим супутником, призначеним для передачі повідомлень, став SCORE (Signal Communications by Orbiting Relay Equipment). Запущений наприкінці 1958 року, він став першим апаратом, який успішно продемонстрував можливість ретрансляції сигналів з космосу. Крім того, цей супутник увійшов в історію як перший, що передав людський голос з космічного простору – це було різдвяне послання президента Ейзенхауера.

Успіх програми SCORE відкрив нові можливості для експериментів. Наприклад, NASA відправила в космос 30-метрову надувну кулю Echo, яка згодом слугувала пасивним ретранслятором для передачі радіосигналів.

Проте справжня революція відбулася 10 липня 1962 року. У цей день ракета Thor-Delta вивела на орбіту перший активний супутник зв'язку — Telstar 1. Цей супутник зробив можливим телефонний зв'язок і телетрансляції між Європою та Америкою. Хоча Telstar 1 прослужив лише сім місяців, цього виявилося більш ніж достатньо, щоб кардинально змінити наше життя. Апарат, що нагадував за формою футбольний м'яч, наочно продемонстрував усі основні переваги використання супутників у телекомунікаціях.

Цікаво, але Telstar 1 перестав функціонувати не завдяки внутрішнім збоєм, а через ядерне випробування Starfish Prime. Хоча з моменту його запуску минуло вже 60 років, супутник все ще залишився на навколоземній орбіті. Тож, можливо, у майбутньому Telstar 1 буде виявлений космоархеологами та експонуватиметься в музеї.

Наступна важлива віхa була досягнута у 1964 році, коли у космос вирушив супутник Syncom 3, який став першим геостаціонарним супутником зв'язку в історії. Він зайняв орбіту поблизу міжнародної лінії зміни дат у Тихому океані і слугував для організації прямого телевізійного транслювання церемонії відкриття літніх Олімпійських ігор у Токіо для глядачів у США. Вже наступного року над Атлантичним океаном розмістився супутник Intelsat I, який став першим комерційним космічним апаратом у світі. Таким чином, пророцтво Артура Кларка отримало своє втілення.

У наступні роки становлення та зміцнення нової галузі у космос вирушали дедалі складніші апарати, що мали все більш високу пропускну здатність. Іншим важливим напрямом стала метеорологія. Ще 1960 року супутник TIROS-1 успішно передав перше зображення Землі з космосу, наочно продемонструвавши можливості космічних апаратів з моніторингу погоди. Вдалий експеримент спонукав до створення спеціалізованих супутників для збирання метеоданих і відстеження небезпечних природних явищ. Їхнє активне розгортання почалося наприкінці 1960-х -- на початку 1970-х. Тоді ж почали реалізовуватися програми безперервного дистанційного зондування Землі з космосу, багато з яких тривають і донині.

Розпочалося й активне освоєння нових орбіт. Річ у тім, що, попри всі свої очевидні переваги, геостаціонарні супутники невидимі з високих широт і не підходять для забезпечення зв'язку та організації теле- і радіотрансляцій у районах Крайньої Півночі, в Арктиці й Антарктиді. Ця проблема була особливо актуальною для СРСР. Її рішенням стало розгортання апаратів "Молния". Вони виводилися на високоеліптичні орбіти з великими нахилами та висотою апогею до 40 тис. км. Оскільки внаслідок законів орбітальної механіки більшу частину часу космічний апарат перебуває саме поблизу точки апогею, ці супутники були чудово видно у високих широтах Північної півкулі, що дозволило вирішити проблему зв'язку. Не дивно, що на Заході траєкторії подібного типу відтоді називають "Molniya orbit".

Ще однією затребуваною орбітою є полярна. Вона ідеально підходить для запуску супутників, які призначені для моніторингу Землі, а також для певних метеорологічних пристроїв.

Зрозуміло, військові активно скористалися перевагами, які пропонують супутники. Окрім збору зображень Землі з космосу та забезпечення зв'язку, їх також цікавила інша багатообіцяюча ідея — використання космічних апаратів для навігаційних цілей.

Першою системою, що проклала шлях у цій галузі, стала супутникова система Transit, розгортання якої почалося в кінці 1950-х років. Спочатку вона була розроблена виключно для потреб американського військового флоту, але вже через кілька років її почали використовувати для вирішення різноманітних цивільних завдань. Похибка в визначенні місцезнаходження стаціонарного об'єкта за допомогою цієї системи становила всього 60 метрів (приблизно дві кутові секунди), що в ті часи було досить вражаючим досягненням.

Подальшим кроком був проведений 1967 року експеримент із використання атомного годинника на супутнику Timation-1. Його успіх відкрив шлях до розробки навігаційних апаратів наступного покоління, які дозволяли забезпечити набагато вищу точність визначення координат порівняно зі своїми попередниками. 1973 року Пентагон схвалив створення більш досконалої супутникової навігаційної системи, що пізніше отримала назву GPS. Її перший супутник було запущено 1978-го. Вона служила виключно для військових задач, аж поки радянські ВПС не збили південнокорейський Boeing. Відтоді систему використовують і для цивільних потреб, аби запобігти повторенню таких трагедій.

У ті роки розпочалося функціонування іншої важливої супутникової системи -- Inmarsat. Спочатку вона застосовувалася для комунікації та передачі аварійних сигналів від морських суден, а пізніше почала ще й забезпечувати зв'язок у важкодоступних районах.

1990-ті роки стали періодом значного прогресу в галузі телекомунікацій. Завершення Холодної війни та вихід на ринок дешевих російських і китайських супутників призвели до справжнього вибуху різноманітних супутникових ініціатив. Однією з найвідоміших стала система під назвою Iridium, що мала на меті створення глобального супутникового оператора телефонного зв'язку з повним покриттям території Землі. Ця система отримала свою назву через плани розмістити 77 супутників, що відповідає атомному номеру елемента іридію в періодичній таблиці.

Розгортання системи Iridium розпочалося у 1997 році, однак вже через два роки компанія оголосила про банкрутство через катастрофічно низькі обсяги продажів, які не дозволяли досягти точки беззбитковості. Головними факторами цього комерційного краху стали надмірно високі тарифи, ненадійний прийом сигналу в приміщеннях, а також значні розміри супутникових телефонів у порівнянні з "звичайними" мобільними пристроями, які швидко набирали популярність.

Невдовзі після оголошення про банкрутство, керівництво оператора висловило намір вивести з експлуатації всі запущені ним супутники. Проте на сцену вийшов уряд США, який проявив інтерес до можливостей цієї системи. Завдяки фінансовій підтримці з боку уряду, Iridium вдалося уникнути банкрутства. Після проведення реорганізації компанія відновила свою діяльність і продовжує функціонувати до сьогодні. Наразі послугами Iridium користуються приблизно 1,6 мільйона абонентів.

Проте, незважаючи на вражаючий порятунок, Iridium не змогла стати тією системою, яка б кардинально змінила сферу космічних комунікацій. Цю відзнаку отримали супутники Starlink, створені компанією SpaceX. Супереч багатьом поширеним міфам, Starlink не є першою системою, що пропонує супутниковий інтернет. Раніше аналогічні послуги вже надавали Eutelsat, Viasat та сам Iridium. Проте їхні рішення у сфері супутникового інтернету не могли похвалитися ані швидкісними з'єднаннями, ані глобальним охопленням, ані доступними тарифами для звичайних користувачів.

Проект Starlink кардинально відрізнявся від усіх попередніх ініціатив. Натомість на використання геостаціонарних супутників, компанія SpaceX обрала концепцію низькоорбітальних апаратів, які розміщені в численних ешелонах з різними кутами нахилу орбіт. Це рішення дозволило забезпечити значно вищі швидкості передачі даних та глобальне охоплення планети. Проте, існувала й зворотна сторона медалі: для функціонування системи було потрібно вражаючу кількість супутників. На момент анонсу проекту найбільші сузір'я супутників мали двозначні числа, тоді як для створення угруповання Starlink планувалося запустити тисячі апаратів. Тому, звичайно, багато хто спочатку сприйняв цю ідею як просто маркетинговий хід.

Однак SpaceX спростувала всі сумніви скептиків. Поєднання доступної та надійної ракети-носія з першим у світі справжнім конвеєрним виробництвом супутників наочно підтвердило можливість реалізації таких амбіцій. Наразі на орбіті вже налічується понад вісім тисяч супутників цієї системи. Вона активно застосовується в різних куточках планети, в тому числі й в Україні, підтримуючи нашу армію у боротьбі з російськими агресорами. І це тільки початок. Протягом найближчих кількох років SpaceX планує збільшити кількість своїх апаратів до п'ятизначного числа.

Успіхи SpaceX неабияк "підбадьорили" її конкурентів із аналогічними проєктами. Так, компанія OneWebb вивела на орбіту 654 супутника своєї системи. Вже розпочалося розгортання системи супутникового інтернету Kuiper від Amazon, а також китайського аналога Starlink. За ними цілком можуть послідувати й інші компанії та країни.

Майбутнє телекомунікаційних супутників буде визначено кількома ключовими тенденціями. Першою з них є їхня інтеграція з системами, які сприяють продовженню терміну експлуатації космічних апаратів. Мова йде про орбітальні буксири, заправники, ремонтні модулі та іншу аналогічну техніку. Останнім часом цей сегмент ринку демонструє стрімке зростання. На геостаціонарній орбіті вже працює кілька буксирів, і в найближчі роки їх кількість зростатиме. Це, у свою чергу, вплине на всю галузь. Ще нещодавно супутниковим операторам доводилося виводити на орбіту справні апарати, які були змушені завершити свою місію через закінчення пального. Космічні буксири та танкери здатні подолати це обмеження, що дозволяє значно продовжити термін служби багатьох супутників.

Іншим важливим трендом є тенденція до мініатюризації та зниження витрат. Безсумнівно, через свою велику вагу та високу вартість геостаціонарні супутники ще деякий час залишаться фактично елітним товаром. Проте, якщо звернути увагу на нижчі орбіти, можна очікувати, що виробники супутників підуть шляхом SpaceX, зосереджуючи зусилля на спрощенні конструкцій та впровадженні конвеєрного виробництва. Не слід також забувати про досягнення платформи CubeSat. Супутники, створені на її основі, вже сьогодні становлять серйозну конкуренцію традиційним апаратам. Подальші успіхи в області мініатюризації електронних компонентів та інструментів дозволять цим супутникам ще більше зміцнити свої позиції на ринку.

На завершення, третім важливим трендом стане формування телекомунікаційних альянсів, які будуть направлені на задоволення потреб місячних експедицій та баз, що планується зводити на поверхні нашого природного супутника. В даний час провідні космічні агентства активно займаються розробкою космічних апаратів, здатних забезпечити зв'язок, навігацію та доступ до інтернету для майбутніх дослідників Місяця. Набутий досвід стане в нагоді при створенні нових супутників, що використовуватимуться для підтримки експедицій, метою яких буде вивчення Червоної планети.