Jak často selhávají družice Starlink a co SpaceX dělá, aby zbytečně nevytvářelo kosmický odpad?

SpaceX nedávno překonalo hranici 2000 družic Starlink vynesených na zemskou oběžnou dráhu. Jejich životnost má být kolem 5 let, ale přesto přibližně 200 družic už bylo deorbitováno nebo je aspoň částečně nefunkčních. To některé kritiky přivedlo k závěru, že družice Starlink mají velmi vysokou míru selhání. To by rozhodně bylo znepokojivé z hlediska bezpečnosti provozu na oběžné dráze Země, ale v článku si vysvětlíme, proč je tento závěr přinejmenším zavádějící. Zároveň se podíváme na konkrétní případy selhání družic Starlink a jak se s nimi SpaceX vypořádává. Řeč přijde také na podrobnosti o fungování antikolizního systému, který má zajištovat bezpečný provoz konstelace Starlink.

Pokud nepočítáme dvě testovací družice Tintin z roku 2018, vynášení družic Starlink začalo v květnu 2019, kdy byla na oběžnou dráhu dopravena první várka 60 satelitů. Tehdy ale šlo o testovací prototypy označované v0.9, které nikdy nebyly určeny pro ostrý provoz (některé ani nebyly plně funkční). Drtivá většina těchto družic proto byla v následujících měsících a letech cíleně deorbitována poté, co prototypy splnily svůj účel (ověření způsobu vypuštění 60 družic najednou, vyklopení solárních panelů, test pohonu pro přesun na provozní dráhu, ověření komunikace se zemí atd.). Skutečný začátek budování konstelace tedy přišel až v listopadu 2019 v rámci Starlink v1-1, kdy bylo vyneseno prvních 60 družic ve verzi 1.0, která už byla určena pro komerční provoz.

Detail prvních 60 satelitů v1.0 pro síť Starlink během příprav na misi Starlink v1-1 (Foto: SpaceX)

V lednu 2022 pak SpaceX dosáhlo milníku 2000 vynesených družic. Ve stejnou dobu ale Elon Musk veřejně oznámil, že aktivních družic je „jen“ 1469 a dalších 272 je funkčních, ale zatím jsou ve fázi přesunu na provozní orbitu. Z toho vyplývá, že z oněch 2000 vynesených družic je asi 250 ne plně funkčních nebo již deorbitovaných. To pak někteří poplašně prezentují tak, že více než 10 % družic Starlink selže, takže to přispívá ke vzniku kosmického odpadu a dalším problémům. Podobně před rokem argumentovala například konkureční společnost Viasat. Problém je, že mnozí ve svých závěrech nezohledňují dost podstatné informace. Například to, že oněch prvních 60 prototypů v0.9 nikdy nebylo určeno pro ostrý provoz, takže jejich deorbitaci nelze brát jako selhání. Některé z nich opravdu selhaly, a proto je 5 exemplářů tohoto typu stále na oběžné dráze, jelikož selhaly v takové výšce, kde samovolná deorbitace trvá až několik let místo pár týdnů. Jelikož ale šlo o testovací prototypy, kde se navíc s relativně vysokou mírou selhání počítalo, je zavádějící je počítat do celkových statistik. Podobné to je u 10 polárních družic Starlink, které byly vypuštěny v rámci sdílené mise Transporter-1. To byly první exempláře, které byly vybaveny lasery pro vzájemnou komunikaci na orbitě, ale později se ukázalo, že nejspíš také šlo jen o testovací kusy (možná nějaký hybrid mezi verzemi v1.0 a v1.5), jelikož u všech byla do roka zahájena cílená deorbitace a 6 z nich už shořelo v atmosféře. Další 3 takové družice byly vyneseny na pozdější misi Transporter-2 a ty jsou možná také testovací a navíc létají na polární orbitě, kde SpaceX zatím svou síť aktivně nebuduje. Nebylo by tedy překvapivé, kdyby i tyto družice byly brzy deorbitovány.

Fotka integrovaného nákladu mise Transporter-1. Ve spodní části je desítka zkušebních satelitů Starlink vybavených lasery. (Foto: SpaceX)

Pokud tedy chceme spočítat skutečnou míru selhání družic Starlink, dává smysl brát v potaz pouze ostré mise s družicemi v1.0 a v1.5. Těch bylo k datu zveřejnění Muskova tweetu (15. ledna 2022) vyneseno celkem 1918 a podle šéfa SpaceX tehdy bylo 1741 z nich aktivních a funkčních. To zhruba odpovídá statistikám astronoma Jonathana McDowella, který nezávisle monitoruje chování družic Starlink na oběžné dráze a z toho odvozuje jejich stav. Jednoduchým počtem bychom tak došli k tomu, že 10 % všech vynesených družic nějakým způsobem selhalo, protože se nestaly součástí aktivní konstelace. To ale neznamená, že všechny tyto družice selhaly kompletně a automaticky patří do kategorie neřízeného kosmického odpadu, který představuje riziko pro ostatní účastníky orbitálního provozu. Družic, které jsou jsou stále schopny orbitálního manévrování je totiž přes 1800. Některé z nich ale nejspíš mají nějaké jiné vady nebo nefungují na 100 %, a tak se SpaceX rozhodlo je vyřadit a provádí jejich předčasnou deorbitaci. To lze samozřejmě stále brát jako selhání, protože tyto družice nenaplnily svou primární funkci, ale je podstatné je odlišit od těch, které selhaly takovým způsobem, že přišly o schopnost manévrování a tím pádem mohou představovat riziko pro ostatní objekty na oběžné dráze.

Vývoj počtu družic Starlink na oběžné dráze během prvních zhruba dvou let (Zdroj: Infiniteglitch)

V případě SpaceX je velkou výhodou, že firma provozuje družice Starlink v maximální výšce 570 km. To znamená, že i v nejhorším možném případě, kdy družice zcela selže až poté, co se přesune na cílovou orbitu, její samovolná deorbitace trvá maximálně 10 let. V praxi to ale bude mnohdy ještě méně – například družice Starlink-1155 selhala na své provozní orbitě a podle SpaceX deorbituje do 5 let, protože aktuální solární aktivita tento proces urychluje. Ve většině případů ale SpaceX detekuje problém s družicí hned po jejím vypuštěním z rakety, které obvykle probíhá ve výšce 280 km, tedy zhruba o polovinu níže než kde pak jsou družice provozovány. Například když selže vyklopení solárního panelu nebo se objeví nějaký jiný technický problém, družici lze velmi rychle aktivně deorbitovat (pokud má funkční pohon). Ale i když je družice hned po vypuštění zcela nefunkční a není schopná manévrování, v takto nízké výšce je stále velký vliv atmosférického odporu, a tak dojde k samovolné deorbitaci v řádu několika týdnů.

Neoficiální vizualizace vypuštění 60 družic Starlink najednou z druhého stupně Falconu 9 (Autor: Mack Crawford)

Pro srovnání, konkurenční konstelace OneWeb provozuje své družice ve výšce kolem 1200 km, tedy zhruba dvakrát výše než SpaceX. Když pak některá z nich selže na provozní orbitě (což se už stalo), samovolná deorbitace může trvat klidně i stovky let. Pravidla některých zemí přitom vyžadují, aby vysloužilé družice byly deorbitovány třeba do 25 let. Z toho důvodu OneWeb zkoumá způsoby, jak své porouchané satelity deorbitovat v dostatečně krátkém časovém horizontu. V současnosti existuje několik firem, které připravují technologie pro účely uklízení kosmického odpadu. OneWeb navázal spolupráci s japonskou společností Astroscale, která plánuje v následujících pár letech demonstrovat deorbitaci objektů pomocí speciální družice. Oproti tomu SpaceX takovou službu nepotřebuje, protože její družice se i v případě nejhoršího možného selhání samy deorbitují v řádu pár let. Představitelé SpaceX se ale nechali slyšet, že loď Starship možná bude časem využívána právě pro úklid orbitálního odpadu.

Konstelaci společnosti OneWeb bude ve finále tvořit 648 satelitů ve výšce 1200 km (Zdroj: OneWeb)

Nejnebezpečnější je tedy situace, kdy družice projde kontrolou po vypuštění, přesune se na provozní orbitu ve výšce kolem 550 km a poté nečekaně přijde o svůj pohon, čímž se na několik let stane mrtvým objektem na oběžné dráze. K tomu moc často nedochází, ale pokud se objeví více než 3 případy během 12 měsíců, SpaceX o tom musí informovat Federální komunikační komisi (FCC), což nastalo například minulý rok. Firma zároveň každých 6 měsíců zasílá FCC zprávu o stavu své konstelace. Dokument obsahuje i výpis družic, které selhaly tak, že je nelze aktivně deorbitovat. Konkrétně v období mezi prosincem 2020 a listopadem 2021 takto selhalo celkem 5 družic.

Výpis družic Starlink, které v první polovině roku 2021 selhaly tak, že je není možné aktivně deorbitovat (Zdroj: SpaceX)

V doprovodné dokumentaci SpaceX uvádí konkrétní příčiny selhání a nápravná opatření, která firma podnikla, aby se problém neopakoval. Obvykle jde jen o strohé „selhal nějaký systém a u budoucích družic jsme kvůli tomu změnili nějaké komponenty nebo upravili konstrukci“, ale v některých případech SpaceX na žádost FCC poskytlo více podrobností, což prozradilo několik zajímavostí.

V minulosti například nastaly situace, kdy družice přišla o svůj hlavní pohon (iontový motor využívající plyn krypton), ale jinak byla funkční a komunikovala se Zemí. V takových případech však družice překvapivě není zcela bezmocná a stále dokáže urychlit svou deorbitaci a zároveň podnikat kroky pro co největší minimalizaci šance případné srážky s jiným objektem na orbitě. Celkovou orientaci družice totiž zajišťují gyrostaty (setrvačníky), které lze nadále používat ke směrování satelitu i bez funkčního iontového motoru. Díky tomu SpaceX může družici a její solární panely natočit tak, aby se zvýšil odpor atmosféry kvůli rychlejší deorbitaci nebo lze družici natočit takovým způsobem, aby se zmenšila celková vystavená plocha v případě hrozící srážky. Tím se podle SpaceX sníží riziko kolize o celý jeden řád. Tuto fintu s natočením těla a panelu při potenciálních přiblíženích mimochodem využívají i plně funkční družice. Ale to není všechno. Družice bez hlavního pohonu má dále možnost vypouštět krypton ze své nádrže, což ve výsledku funguje jako taková manévrovací tryska, která dokáže výrazně (a rychle) upravit dráhu družice v případě potřeby.

Sada gyrostatů pro směrování satelitu Starlink (Zdroj: SpaceX)

Tím se opět vracíme k tomu, že ne každé selhání družice vedoucí k předčasnému vyřazení z aktivní konstelace a deorbitaci automaticky znamená, že daný satelit je jen neřízený kus kosmického smetí. To je potřeba vzít v potaz, když vypočítáváme míru selhání družic jakékoli konstelace a její bezpečnost. Dále je potřeba sledovat vývoj v delším časovém období. Míra „selhání“ družic Starlink byla výrazně vyšší během prvních několika misí, kdy SpaceX ještě vychytávalo mouchy zcela nového systému a získávalo potřebná data o jeho fungování. Například pokud se podíváme na prvních sedm misí s družicemi v1.0 z první poloviny roku 2020, ze 420 vynesených kusů je dnes funkčních 368 (13 % jich selhalo). Když se ale podíváme na 11 posledních startů téhož typu z jara 2021, ze 712 družic jich je stále funkčních 695 (3% míra selhání). V případě nového typu družic v1.5, který začal být vynášen loni na podzim, je momentálně míra selhání pouze 0,007 %. SpaceX se tedy zřejmě poučilo z dřívějších selhání a implentovalo úpravy, které výrazně zvýšily spolehlivost nových družic.

Start mise Starlink 4-5 s 60 družicemi typu v1.5 (Foto: SpaceX)

Samozřejmě je potřeba zohlednit, že některé družice první generace jsou na orbitě už dva roky, zatímco v1.5 maximálně půl roku. Teoreticky se tedy může stát, že s blížícím se koncem 5leté životnosti bude docházet k výraznému zvýšení míry předčasného selhání, ale to zatím není podložené reálnými daty. Naopak je vidět spíš trend rapidně klesající míry selhání. Je proto nesmysl vzít údaj o všech 2000 vypuštěných družicích v kombinaci s aktuálním počtem těch funkčních a vyvozovat z toho míru selhání, která by byla reprezentativní pro celou konstelaci v dlouhodobějším horizontu. To udělal například kosmický ekonom Pierre Lionnet z evropské neziskové organizace Eurospace. Ten ve své analýze budoucnosti Starlinku předpokládá 10% míru selhání všech družic, což pak pochopitelně má značný vliv na jeho závěry ohledně potřebného počtu startů nebo doby potřebné k dosažení ziskovosti Starlinku.

Výše zmíněné pravidelné zprávy SpaceX pro FCC dále informují o tom, kolik družic bylo v daném období vyřazeno z provozu před dosažením 5leté životnosti, kolik jich bylo deorbitováno a kolik úhybných manévrů družice Starlink provedly. SpaceX například mezi prosincem 2020 a listopadem 2021 provedlo celkem 5552 úhybných orbitálních manévrů. To je dost vysoké číslo, ale firma podotýká, že je v tomto ohledu velmi konzervativní a manévr provádí už v situaci, kdy je riziko srážky vyšší než 1:100 000, zatímco standardem v oboru je 1:10 000. SpaceX využívá vlastní antikolizní software, který provádí úhybné manévry družic automaticky a jeho fungování jsme popsali v tomto článku. V několika případech ale byla firma výslovně požádána o to, aby manévr neprovedla, protože provozovatel druhé družice, u které se očekávalo potenciálně nebezpečné přiblížení, se rozhodl provést úhybný manévr sám. Toto nastalo i při potenciální srážce s družicí OneWeb v březnu 2021. Vedení této konkurenční firmy ale pak situaci v médiích poněkud nekale a nepravdivě prezentovalo jako neschopnost či selhání automatického systému SpaceX, o čemž jsme psali zde.

Iontový motor na družicích Starlink využívá krypton (Foto: SpaceX)

SpaceX v komunikaci s FCC také uvádí, že firmě způsobil problémy nedávný ruský test antisatelitní zbraně, při kterém byla zničena nefunkční družice, což potvrdil i Elon Musk. Družice Starlink musely provést stovky manévrů v reakci na trosky, které vznikly následkem tohoto nezodpovědného testu.

Na konci prosince minulého roku se také objevily zprávy o tom, že čínská kosmická stanice Tchien-kung provedla dva úhybné manévry v reakci na družice Starlink. Následně o tom Čína informovala OSN s tím, že organizace má svým členům připomenout, že státy zodpovídají v rámci Kosmické smlouvy také za družice vlastních komerčních firem. Problém je, že k celé kauze máme velmi málo informací. Nevíme, jak velké riziko srážky skutečně hrozilo, ani jestli SpaceX provedlo nějaký vlastní úhybný manévr. Jinak je klidně možné, že SpaceX o přiblížení vědělo, ale riziko nepřekročilo výše zmíněnou hranici pro provedení úhybného manévru, zatímco Čína mohla mít tuto hranici jinde. Dále Čína nezmiňuje, jestli se pokusila před přiblížením nějak komunikovat se SpaceX, případně jestli americká firma naopak kontaktovala Čínu. SpaceX se navíc k situaci oficiálně nevyjádřilo. Bez těchto informací nejde moc určit, zda šlo o skutečný problém, kde někdo pochybil, nebo je to celé třeba jen o politicky motivovaná věc, kdy Čína dělá z komára velblouda s nějakým vedlejším záměrem. Za zmínku stojí také skutečnost, že podobné úhybné manévry čínská stanice jistě provádí mnohokrát za rok, ale přesto se rozhodla OSN upozornit jen na tyhle dva, které se týkaly Starlinku.

Vizualizace základního modulu čínské kosmické stanice Tchien-kung (Zdroj: Shujianyang / Wikipedia)

Nicméně SpaceX si ve zprávách pro FCC stěžuje hlavně na nedostatečnou transparentnost ostatních účastníků provozu na oběžné dráze. Firma je prý například jediná, která zveřejňuje přesné orbitální informace o svých družicích a dává tyto informace k dispozici i před každým startem nových družic. Zároveň je SpaceX jediná firma, která podává FCC zprávy o stavu své konstelace s počty selhání a deorbitací. Tyto informace pak prý konkurenční firmy překrucují a zneužívají k pošpiňování SpaceX (viz OneWeb výše), i když samy nejsou transparentní vůbec a FCC ani veřejnost o svých konstelacích skoro vůbec neinformují. SpaceX proto volá po zpřísnění podmínek ohledně transparentnosti v kontextu neamerických konstelací, které nejsou registrovány u FCC, ale přesto nabízejí služby na území USA. Předpokládám, že jde primárně o britský OneWeb, ale SpaceX nejmenuje konkrétní provozovatele.

36 družic OneWeb během příprav na start (Foto: Roskosmos)

Další problém vidí SpaceX v komunikaci s ostatními účastníky orbitálního provozu v případě hrozící srážky, kdy mnohdy není jasné, kdo je vlastníkem nebo provozovatelem dané družice nebo v databázích chybí kontaktní informace. Spolupráce ohledně provádění úhybných manévrů je pak zbytečně komplikovaná nebo i nemožná. „Zodpovědně udržovat kosmické prostředí pro budoucí generace lze pouze tehdy, když budou všichni provozovatelé spolupracovat a poskytovat klíčové informace veřejnosti i sobě navzájem,“ dodává SpaceX.

Dokumenty FCC ke stažení (PDF): Půlroční zpráva č. 1, odpovědi SpaceX na otázky FCC, půlroční zpráva č. 2


Přispějte prosím na provoz webu ElonX, aby mohl nadále zůstat bez reklam. Podpořte nás pomocí služby Patreon či jinak a zařaďte se tak po bok ostatních dobrodinců, kteří už finančně přispěli. Děkujeme!




Mohlo by se vám líbit...

Odebírat komentáře
Nastavit upozorňování na
guest
53 Komentáře
nejnovější
nejstarší nejlepší
Inline Feedbacks
Zobrazit všechny komentáře