Jak funguje antikolizní systém družic Starlink a jak SpaceX minimalizuje riziko vzniku odpadu na oběžné dráze
Starlink společnosti SpaceX je s více než 1600 družicemi zdaleka největší satelitní konstelací v historii lidstva. Projekt je přitom teprve v počátcích a postupně se má rozrůst o další desítky tisíc družic. Jak ale firma dokáže zajistit, že tolik satelitů nezpůsobí srážky s rozličnými objekty na oběžné dráze? SpaceX aktuálně poodhalilo roušku tajemství a vysvětlilo, jak funguje automatický antikolizní systém, kterým jsou všechny družice Starlink vybaveny, a jak firma minimalizuje vznik kosmického odpadu.
Umělecká představa satelitů Starlink na jejich oběžných drahách nad Zemí (Zdroj: Nicolle Rager Fuller)
SpaceX od května 2019 vyneslo na oběžnou dráhu Země celkem 1738 družic Starlink, z nichž 1639 tam stále je. Jedná se o zdaleka největší konstelaci v historii a v následujících letech se navíc má ještě několikanásobně rozrůst. To pochopitelně vyvolává obavy ohledně bezpečnosti Starlinku z hlediska zvyšujícího se rizika srážek jednotlivých družic mezi sebou nebo s jinými objekty na oběžné dráze, jako jsou družice ostatních firem nebo volně poletující kosmický odpad. Například počet případů, kdy se nějaké dva objekty na oběžné dráze přiblíží na vzdálenost méně než 1 kilometru, roste od roku 2019 exponenciálně, primárně kvůli budovaným velkým konstelacím Starlink a OneWeb. Pokud odfiltrujeme případy přiblížení dvou různých družic Starlink a zaměříme se jen na situace, kdy se tyto družice přiblížují k cizím objektům, výskyt těchto případů roste lineárně.
Graf nárůstu počtu případů přiblížení dvou objektů na oběžné dráze na vzdálenost méně než 1 km během jednoho týdne. Černé hodnoty zahrnují objekty Starlink a šedé všechny ostatní. (Zdroj: Hugh Lewis)
Riziko srážek a vznik dalšího kosmického odpadu je populárním strašákem mezi kritiky Starlinku a situaci rozhodně nepomáhají značně zavádějící prohlášení konkurenčních firem jako OneWeb nebo Viasat, o kterých jsme už psali. Někteří tedy volají po zavedení přísnější regulace aktivit na oběžné dráze nebo dalších krocích. Obavy jsou v mnoha ohledech oprávněné, ale netýkají se jen Starlinku, protože podobné megakonstelace plánují i jiné firmy a státy. Ale jelikož je Starlink už v provozu a navíc je největší, je nejčastějším terčem kritiky. Možná proto se SpaceX aktuálně rozhodlo nechat nahlédnout pod pokličku Starlinku a vysvětlit, jakými způsoby firma zajišťuje bezpečnost provozu své satelitní konstelace v kontextu minimalizace rizika srážek a vzniku kosmického smetí. Zástupci SpaceX se na začátku srpna sešli s komisařem Federální komunikační komise (FCC), která mimo jiné dohlíží na provoz satelitních konstelací. Na tuto schůzku si SpaceX připravilo krátkou prezentaci, která popsala základní bezpečnostní principy, které firma využívá při provozu konstelace Starlink.
Konstelaci společnosti OneWeb bude tvořit 650 satelitů ve výšce 1200 km (Zdroj: OneWeb)
V první řadě je konstelace navržena tak, že každá družice má přiřazený „orbitální slot“, a dokud se družice drží ve svých slotech pomocí vlastního pohonu, nehrozí jí srážka s jinými satelity Starlink. Je to tedy jakási pasivní obrana a potenciální riziko srážky pak představují pouze družice, které se teprve přesouvají do svého slotu nebo jsou třeba nefunkční kvůli nějakému selhání. Zde pak přichází ke slovu aktivní obrana ve formě automatického antikolizního systému. Tímto softwarem jsou vybaveny všechny družice Starlink a umožňuje provedení úhybného manévru v případě hrozící srážky s jiným objektem. V drtivé většině případů se ale potenciálně nebezpečná přiblížení týkají cizích objektů, například kosmického odpadu nebo družic jiných firem, málokdy jde o přiblížení dvou satelitů Starlinku.
Iontový motor SpaceX využívající krypton (Foto: SpaceX)
Antikolizní systém funguje tak, že družice Starlink si průběžně stahují aktuální informace o všech sledovaných objektech na oběžné dráze, které poskytuje 18th Space Control Squadron (18 SPCS), což je útvar amerických kosmických sil. Na základě orbitálních dat pak 18 SPCS generuje seznam potenciálně nebezpečných přiblížení dvou objektů, které jsou také načteny do systému. Antikolizní software pak v relevantních případech může autonomně naplánovat úhybný manévr spočívající v mírné úpravě orbitální trajektorie jedné z družic Starlink, aby se zvětšila očekávaná vzdálenost při průletu kolem nějakého druhého objektu na oběžné dráze.
Princip fungování antikolizního systému Starlinku (Zdroj: SpaceX)
Antikolizní systém dokáže fungovat autonomně, ale také na něj dohlížejí lidé. Zajímavostí je, že neexistují žádná pravidla ohledně toho, kdo má v případě potenciálního přiblížení družic dvou firem zodpovědnost uhnout. Systém SpaceX je tedy nastaven tak, že v případě hrozící srážky zaujme aktivní roli. To znamená, že v podstatě předpokládá, že druhý objekt neuhne, a tak provede úhybný manévr družice Starlinku. K tomu dochází už teď velmi často, například mezi prosincem 2020 a květnem 2021 SpaceX provedlo celkem 2219 úhybných manévrů. Společnost však dodává, že číslo je tak vysoké kvůli tomu, že systém je nastaven velmi konzervativně a pro jistotu uhýbá už v situacích, kdy je šance na srážku pouhých 1 ku 100 000. Prezidentka SpaceX Gwynne Shotwell v souvislosti s tím prohlásila, že je ve vlastním zájmu firmy dělat vše pro to, aby zabránila orbitálním srážkám, protože případná kolize by pro Starlink byla „nejhorším dnem na světě“ a SpaceX by tím „ublížilo samo sobě“.
Neoficiální render družice Starlink na oběžné dráze Země (Autor: @ErcXspace)
Pracovníci SpaceX ale zároveň komunikují s provozovateli ostatních družic a pokud některý z nich chce provést úhybný manévr sám, stačí se domluvit. K tomu došlo například při nedávném přiblížení k družici společnosti OneWeb, o čemž jsme psali v samostatném článku. OneWeb tehdy celou situaci lživě prezentoval, aby pošpinil SpaceX. Za zmínku pak stojí také incident z roku 2019, kdy bylo budování konstelace Starlink teprve v počátku. U jedné z družic SpaceX tehdy hrozilo přiblížení k evropskému vědeckému satelitu Aeolus, avšak kvůli softwarové chybě došlo k problému s komunikací mezi týmy SpaceX a ESA. Úhybný manévr tedy nakonec musel provést Aeolus. SpaceX ale chybu napravilo a od té doby už k podobnému selhání komunikace nedošlo.
Znázornění potenciální srážky družic ESA a SpaceX (Zdroj: ESA)
Zabránit případné srážce ale lze pouze tehdy, když je alespoň jedna z družic funkční a dokáže tedy provést úhybný manévr pomocí svých motorů. Nefunkční satelit nedokáže zabránit srážce s jinou mrtvou družicí nebo třeba nějakým poletujícím kusem staré rakety. Je tedy velmi důležité, aby družice velkých konstelací byly co nejspolehlivější a minimalizovaly se případy, kdy některá z družic selže a přijde o schopnost manévrování a tím i schopnost vyhnout se jinému objektu. Prezidentka SpaceX proto aktuálně poukázala na skutečnost, že z posledních 14 misí Starlink se ani jednou nestalo, že by nějaká družice byla po vypuštění neschopná manévrovat. Míra selhání družic Starlink se od roku 2019 výrazně snížila, což SpaceX připisuje rychlému a častému vylepšování hardwaru i softwaru na základě zkušeností z dřívějších misí. To ale nutně neznamená, že všechny družice vypuštěné v poslední době byly plně funkční. Nezávislé statistiky od astronoma Jonathana McDowella ukazují, že alespoň pár družic z posledních misí Starlink už deorbitovalo. Zřejmě tedy byly nějakým způsobem vadné, ale pohon měly funkční, a tak je SpaceX mohlo záměrně deorbitovat už krátce po vypuštění (v řádu dnů či týdnů).
Družice Starlink před vypuštěním na orbitu (Foto: SpaceX)
Výhodou je, že SpaceX vypouští družice Starlink na oběžné dráze ve výšce kolem 280 km a teprve když úspěšně projdou kontrolou funkčnosti, družice zahájí přesun na provozní orbitu ve výšce 550 km. Jelikož tedy dochází k vypuštění na velmi nízké dráze, kde atmosféra ještě způsobuje značný aerodynamický odpor, družice velmi rychle samovolně deorbitují i v případech, kdy jsou zcela nefunkční. Nejhorší možnou situací pak je, když se družice přesune na vyšší provozní orbitu a až tam jí nečekaně selže pohon. V takovém případě podle SpaceX trvá samovolná deorbitace přibližně 4–5 let (i když tyto odhady možná jsou mírně optimistické). To se může zdát jako velmi dlouhá doba, ale ve skutečnosti to není nic hrozného a je to výrazně kratší doba než 25 let, což je hranice obecně doporučovaná agenturou NASA.
Ilustrační obrázek kosmického odpadu na oběžné dráze (Zdroj: Space News)
Problém nastává u družic, které jsou provozovány na ještě vyšších orbitách. Například ve výšce kolem 1150 km nad zemí může samovolná deorbitace trvat i přes 100 let. SpaceX to uvádí jako jeden z hlavních důvodů, proč se před časem rozhodlo upravit konstelaci Starlink tak, aby všechny družice byly provozovány v maximální výšce 570 km místo původních 1325 km. Prezidentka SpaceX Gwynne Shotwell v tomto ohledu vyjadřuje obavy nad ostatními provozovateli velkých konstelací, jejichž družice jsou nebo mají být umístěny vysoko nad zemí, jako tomu je například u konstelací OneWeb nebo Telesat Lightspeed. Gwynne Shotwell by prý byla ráda, aby více provozovatelů snížilo orbity svých družic po vzoru Starlinku.
Neoficiální obrázek nákladní verze lodi Starship s otevíratelnou špičkou (Autor: Kimi Talvitie)
Zatímco nefunkční družice Starlinku tedy budou kosmickým smetím maximálně pár let, satelity jiných firem můžou představovat problém i několik dekád či století. Nemluvě o již existujícím orbitálním odpadu, který vznikl v průběhu posledních 60 let lidské aktivity na oběžné dráze. Gwynne Shotwell si proto myslí, že bude potřeba přijít s nějakým způsobem jak oběžnou dráhu vyčistit od nefunkčních družic, zbytků raket a trosek z různých dřívějších selhání, srážek a testů protisatelitních zbraní. Prezidentka SpaceX doufá, že pro tyto účely bude možné časem použít kosmickou loď Starship. Tuto možnost připouští i Elon Musk, podle kterého by Starship s otevíratelnými vraty ve špičce mohla létat vesmírem a „požírat“ kosmický odpad. Gwynne Shotwell uznává, že jde o „futuristický koncept“, ale je to podle ní něco, na čem by se mělo pracovat.
Hlavní zdroj: Prezentace SpaceX pro FCC
Podpořte projekt ElonX
- Mise Starlink 10-6 - 27. 7. 2024
- Mise Starlink 10-9 - 25. 7. 2024
- Mise Starlink 9-4 - 20. 7. 2024
Tak jsem rád, že ve SpaceX už někoho napadlo necpat ty družice moc vysoko. Takže až se povede nějakej pořádnej rozstřel (Kesslerův efekt) budou lety do vesmíru u ledu jen pár let. Ve výškách nad tisíc kilometrů by to ale znamenalo prakticky konec kosmonautiky.
Ja se bojim, ze nektere trosky ze srazky v male vysce odleti do vetsi vysky a vetsi pocet tech trosek muze zpusobit retezovou reakci pomalu postupujici do vyssich vysek a teda Kessleruv syndrom a konec kosmonautiky pro nasi civilizaci. Optimisticky tam vidim jen to, ze by si nase civilizace poradila i bez druzic. Teda jen s zivotem na Zemi. Vznikli by site vyskovych balonu a letadel i když s nevyhodou mnohonásobně vetsiho poctu. Kosmonautika by se odlozila do doby, nez by lidi dokazali obezne drahy vycistit od toho jemneho odpadu ve velkych vyskach, pak by zas mohli lidi letat treba na Mars.
Zbyva scifi otazka jak by mírně technicky vyspelejsi civilizace dokazala obeznou drahu vycistit od miliard drobnych úlomků ve vyskach, kde to ani za tisice let neklesne. Obcas o takovych moznostech premyslim, ale moc realny moznosti nevidim.
V současnosti už máme milimetrový radar, laser, solární panel, kompozitní pancíř. Co brání to dát dohromady a poslat to na oběžnou dráhu?
Ten obrázek nevypadá lineárně…
Díky za upozornění. Je v tom nějaký zmatek, přijde mi, že tam je chybně popsaná osa. Ale radši jsem dal do článku místo toho jiný graf.
By me jako zajimalo, jakou exponencialni funkci tim grafem prolozite. Spis se to bude chovat na nejakych intervalech jako normalni linearni funkce, pro obe varianty.
To nikdo nevylucuje. Nicmene ve grafech je videt jasny rozdil. Vse je jen mira aproximace.
Oboji budou kvadraticke paraboly, ne exponencialy.
Pokud predpokladame ze pocet vynasenych satelitu je kostantni (pocet satelitu na orbite roste linearne), tak kazdy novy satelit se muze srazit se vsemi existujicimi satelity (zanedbani drah je bez ujmy na obecnosti, funkce budou fungovat i po rozpocitani na orbity). Tedy n-ty satelit muze mit n-1 srazek, a tedy cela konstelace n*(n-1)/2 ∈ O(n^2) srazek.