Στην αρχή, τα διαστημικά ταξίδια περιορίζονταν από τη μάζα. Ζούμε στον πυθμένα μιας «βαρυτικής κοιλότητας» και η εξίσωση του πυραύλου τιμωρεί κάθε κιλό που προσπαθούμε να βγάλουμε από αυτήν. Έτσι, η μάζα έγινε ο βασικός περιορισμός απέναντι στον οποίο γίνονταν σχεδόν όλες οι επιλογές στον σχεδιασμό ενός διαστημικού σκάφους. Αυτή η λογική διαμόρφωσε και τα προγράμματα διαστημικών οχημάτων πολλών δισεκατομμυρίων του παρελθόντος.

Η μείωση του κόστους εκτόξευσης δεν εξαφάνισε τη μάζα ως περιορισμό, ούτε τους περιορισμούς συνολικά. Απλώς μετέφερε το στενό σημείο του σχεδιασμού σε πιο ειδικά και ιδιαίτερα πεδία. Οι εταιρείες μπορούν πλέον να αξιοποιούν μέρος αυτού του πιο «χαλαρού» περιθωρίου μάζας για τα πραγματικά προβλήματα που αντιμετωπίζουν ως επιχειρηματικές ανάγκες. Αυτό μπορεί να σημαίνει μεγαλύτερα περιθώρια στη δομή, εφεδρεία στο σύστημα εντολών, θωράκιση, προωθητικό ή μπαταρία. Μπορεί επίσης να σημαίνει ότι η πολυπλοκότητα εξαιρετικά ελαφρών συστημάτων αντικαθίσταται από την απλότητα λίγο βαρύτερων συστημάτων, τα οποία μπορούν να κατασκευαστούν σε κλίμακα και με ταχύτητα.

Οι ιστορίες επιτυχίας στη διαστημική βιομηχανία ξεχώρισαν ακριβώς επειδή αξιοποίησαν αυτή τη χαλάρωση στους περιορισμούς μάζας για να αυξήσουν τη φιλοδοξία του φορτίου τους. Μεγαλύτερες κεραίες phased-array, απαιτητικά υπολογιστικά φορτία και συστήματα ηλεκτρικής πρόωσης χρειάζονται περισσότερη ισχύ, συχνά με πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος. Κάθε watt που καταναλώνεται καταλήγει τελικά σε θερμότητα. Στο τέλος αυτής της αλυσίδας επιλογών, εμφανίζεται το νέο στενό σημείο: όχι η μάζα, αλλά η επιφάνεια. Η ξηρή μάζα από μόνη της λέει πλέον λιγότερα απ’ ό,τι παλιότερα· η αναπτυγμένη επιφάνεια, η αποδοτικότητα της συσκευασίας, το βάρος των μηχανισμών και ο χρόνος παράδοσης καθορίζουν όλο και περισσότερο αν ένα διαστημικό σκάφος αξίζει το βάρος του.

Η μάζα δεν είναι πια κυρίαρχη

Οι δορυφόροι γίνονται όλο και πιο βαρείς. Πώς εξηγείται αυτό, παρά την τιμή των 7.000 δολαρίων το κιλό για rideshare εκτόξευση; Η γνωστή προσέγγιση «δολάρια ανά κιλό» αποτυπώνει τον λογαριασμό της εκτόξευσης, αλλά μόνο ένα μέρος του σχεδιαστικού προβλήματος. Μια πιο χρήσιμη μονάδα είναι η ικανότητα ανά κιλό υπό συνθήκες αβεβαιότητας. Είναι το κιλό πιο πολύτιμο αν αφαιρεθεί ως εξοικονόμηση στην εκτόξευση ή αν επανεπενδυθεί σε δομή, ακαμψία, θερμικό περιθώριο, προωθητικό, εφεδρεία ή επιβιωσιμότητα; Η μάζα είναι ένας προϋπολογισμός που πληρώνεται μία φορά, αλλά το διαστημικό σκάφος ζει με τα συστήματά του για χρόνια.

Η μάζα μπορεί να μετατραπεί σε χρόνο, πιο απλά επειδή ένα κιλό που εξοικονομείται κάνει πιο αποδοτικό το διαθέσιμο προωθητικό, καθώς κινεί ένα ελαφρύτερο όχημα. Επειδή ο χρόνος σε τροχιά είναι συχνά έσοδο, η μάζα μπορεί έτσι να ανταλλαχθεί με μελλοντικές ταμειακές ροές. Όμως η σχέση αυτή δεν είναι ούτε αυτόματη ούτε γραμμική, γιατί δεν καταστρέφεται ένας δορυφόρος μόνο όταν τελειώσει το προωθητικό. Τα διαστημικά σκάφη φθείρονται επίσης από την ακτινοβολία, τη φθορά των reaction wheels, τη διάρκεια ζωής των μπαταριών, βλάβες στην καλωδίωση, θερμικούς κύκλους ή έναν μηχανισμό που κολλάει. Μια ομάδα σχεδιασμού μπορεί να ξοδεύει μήνες κυνηγώντας κιλά, ενώ ο πραγματικός μηχανισμός που περιορίζει τη ζωή του σκάφους βρίσκεται αλλού.

Το χαμηλότερο κόστος εκτόξευσης ανοίγει έτσι την αγορά για το τι αξίζει να αγοραστεί με τη μάζα. Η πιο χρήσιμη ανταλλαγή είναι πλέον τι αγοράζει κάθε κιλό σε ισχύ, αντοχή, θερμικό περιθώριο, δυνατότητα κατασκευής ή ευελιξία. Η μάζα παραμένει στο φύλλο αξιολόγησης, αλλά δεν δικαιούται πια να το κυριαρχεί.

Ο περιορισμός μετακινήθηκε στην επιφάνεια

Η ισχύς βρίσκεται στην αρχή σχεδόν κάθε λειτουργίας ενός διαστημικού σκάφους και, πιο σωστά, κάθε δραστηριότητας που φέρνει έσοδα. Η ανίχνευση, η επεξεργασία, η επικοινωνία, η στόχευση, οι ελιγμοί και ο ενεργός θερμικός έλεγχος αντλούν από την ίδια ηλεκτρική βάση. Αν δεν μπορείς να τροφοδοτήσεις αυτές τις λειτουργίες, δεν μπορείς να βγάλεις χρήματα. Η διαθέσιμη ισχύς καθορίζει τον κύκλο λειτουργίας του φορτίου, τη ρυθμαπόδοση επικοινωνίας, την onboard επεξεργασία και το τι μπορεί να κάνει το σκάφος εκείνη τη στιγμή.

Η ισχύς είναι το νόμισμα της δράσης. Μετατρέπει το εγκατεστημένο υλικό σε συμπεριφορά.

Σε αντίθεση με τη σταδιακή εξοικονόμηση κόστους εκτόξευσης που συνδέεται με τη μάζα, η ικανότητα ενός δορυφόρου συχνά εμφανίζεται σε κατώφλια και όχι σε ομαλές κλίσεις. Ένας σύνδεσμος επικοινωνίας κλείνει ή δεν κλείνει. Ένα υπολογιστικό φορτίο λειτουργεί σε αδιάλειπτο κύκλο ή αναγκάζεται να περιοριστεί. Η ηλεκτρική πρόωση μπορεί να παραμείνει χρήσιμη για σταδιακή διατήρηση θέσης ή να αποκτήσει αρκετή ισχύ ώστε να αλλάξει τον ρυθμό των ελιγμών. Μικρές αλλαγές γύρω από αυτά τα κατώφλια μπορούν να αλλάξουν την αποστολή ως άλματα και όχι ως γραμμικές βελτιώσεις, περισσότερο από ό,τι πολύ μεγαλύτερες αλλαγές αλλού.

Η Boeing δίνει ένα ιδιαίτερα κυριολεκτικό παράδειγμα: επέλεξε ένα διαστημικό σκάφος της Astro Digital για την επίδειξη κβαντικής δικτύωσης Q4S, επειδή η compact πλατφόρμα μπορούσε να παρέχει τη συνεχή ισχύ που απαιτούσε η αποστολή. Το φορτίο ήταν πρωτότυπο, αλλά το όχημα έπρεπε πρώτα να καλύψει έναν απλό προϋπολογισμό ισχύος για να μπορέσει να υπάρξει το πείραμα σε τροχιά.

Το O3b mPOWER δείχνει τη σύνδεση από την αντίθετη πλευρά. Η SES έχει περιγράψει δημόσια την ισχύ ως τον περιοριστικό παράγοντα για τους δορυφόρους O3b mPOWER στο ακτινοβολιακό περιβάλλον της MEO και έχει μιλήσει για αυξημένη ισχύ και μεγαλύτερη παραμετροποίηση ως σημαντικά στοιχεία για την επόμενη γενιά. Τα ηλεκτρικά προβλήματα στους πρώτους δορυφόρους μείωσαν την αναμενόμενη διάρκεια ζωής και τη χωρητικότητα, ενώ οι μεταγενέστεροι δορυφόροι πέταξαν με ανασχεδιασμένες μονάδες ισχύος του ωφέλιμου φορτίου.

Κάθε επιπλέον watt απαιτεί πρόσθετη επιφάνεια συλλογής, επιφάνεια απόρριψης θερμότητας, δομή και ρίσκο ανάπτυξης. Αυτές οι τάσεις της αγοράς δείχνουν ότι ο περιορισμός μετακινήθηκε από τη μείωση της μάζας προς τη δημιουργία και διαχείριση χρήσιμης επιφάνειας με αποδεκτή μάζα, κόστος, όγκο και ρίσκο. Αυτό υποδεικνύει μια διαφορετική κατηγορία μετρικών για τα διαστημικά σκάφη: αναπτυγμένη επιφάνεια ανά κυβικό μέτρο ανά κιλό. Ο αριθμός των μηχανισμών, η αξιοπιστία της ανάπτυξης και ο χρόνος παράδοσης ανεβαίνουν και γίνονται μέρος της ίδιας αρχιτεκτονικής ανταλλαγής, όχι δευτερεύουσες λεπτομέρειες προμήθειας.

Και εκεί η επιφάνεια συναντά το fairing.

Ο όγκος είναι ένας αθόρυβος τύραννος. Ένα διαστημικό σκάφος χωρά μέσα στο fairing και στο περίγραμμα του adapter ή δεν χωρά. Η χαμηλού κόστους rideshare είναι εφικτή και επειδή οι πελάτες αγοράζουν μια τυποποιημένη υπηρεσία εκτόξευσης και αποδέχονται περιορισμούς αλλού. Με άλλα λόγια, ένα από τα ανταλλάγματα του χαμηλότερου κόστους εκτόξευσης είναι η ακαμψία στον όγκο.

Για πολλά μικρά διαστημικά σκάφη και payloads rideshare, ο όγκος γίνεται περιοριστικός πριν από τη μάζα. Ένα πρόγραμμα μπορεί να έχει περιθώριο μάζας και παρ’ όλα αυτά να μην μπορεί να χωρέσει το ηλιακό πάνελ, το ψυγείο ή την κεραία που απαιτεί η αποστολή. Η μάζα επιτρέπει συνεχή ανταλλαγή. Ο όγκος είναι γκρεμός.

Η συσκευασία αυτής της επιφάνειας μεταφέρει το ίδιο πρόβλημα στους μηχανισμούς, οι οποίοι αναλαμβάνουν τα σύνθετα διπλώματα μεγάλων επιφανειών σε πιο σφιχτούς stowed όγκους. Μεντεσέδες, ασφάλειες, μοτέρ, μπούμες, μηχανισμοί απελευθέρωσης συγκράτησης και καλωδιώσεις που συμπιέζουν μια μεγάλη επιχειρησιακή δομή σε μικρό όγκο εκτόξευσης προσθέτουν μάζα, κόστος, χρόνο, βάρος δοκιμών και κίνδυνο αστοχίας. Ένας γεωμετρικός περιορισμός γίνεται συστημική ανταλλαγή. Ο κίνδυνος αυτός δεν είναι θεωρητικός· το ViaSat-3 Americas αντιμετώπισε πρόβλημα ανάπτυξης κεραίας μετά την εκτόξευση, που επηρέασε σοβαρά αυτό που είχε σχεδιαστεί ως δορυφόρος broadband με ρυθμό ενός terabit ανά δευτερόλεπτο.

Αυτό είναι το νέο πεδίο ανταγωνισμού. Πόση χρήσιμη επιφάνεια μπορεί να αναπτύξει ένας δορυφόρος από έναν δεδομένο stowed όγκο; Πόσους μηχανισμούς απαιτεί αυτό; Πόσες φορές μπορεί το σύστημα να δημιουργήσει, να αναδιπλώσει ή να επαναδιαμορφώσει αυτή την επιφάνεια; Οι μηχανικοί μπορούν να αλλάξουν τη διαμόρφωση αποθήκευσης. Δεν μπορούν να ζητήσουν από το fairing να γίνει μεγαλύτερο με βάση το δικό τους χρονοδιάγραμμα.

Διατηρώντας επιλογές μετά την εκτόξευση

Παραδοσιακά, ένα διαστημικό σκάφος έφευγε από το εργοστάσιο με το μεγαλύτερο μέρος της φυσικής του αρχιτεκτονικής να έχει «κλειδώσει». Οι software-defined δορυφόροι χαλάρωσαν αυτόν τον περιορισμό στο επίπεδο του ωφέλιμου φορτίου και του δικτύου. Το επόμενο ερώτημα είναι αν το σκάφος μπορεί να γίνει και πιο φυσικά αναδιαμορφώσιμο.

Ένα όχημα μπορεί να θέλει μέγιστη επιφάνεια όταν παράγει ισχύ, απορρίπτει θερμότητα ή επικοινωνεί. Το ίδιο όχημα μπορεί να θέλει πιο συμπαγή στάση όταν εκτελεί ελιγμούς, στοχεύει ευαίσθητο όργανο ή λειτουργεί κοντά σε άλλο αντικείμενο. Το χρήσιμο διαστημικό σκάφος δεν είναι πάντα εκείνο με μία τέλεια βελτιστοποιημένη διαμόρφωση. Μπορεί να είναι εκείνο που μπορεί να βρεθεί σε πολλές χρήσιμες καταστάσεις.

Η επιλογή είναι ακριβή. Η εφεδρεία καταναλώνει μάζα. Τα multi-mode payloads καταναλώνουν ισχύ και όγκο. Οι επιπλέον μηχανισμοί δημιουργούν επιφάνειες αστοχίας. Στόχος είναι να διατηρηθούν οι επιλογές που είναι πιο πιθανό να χρειαστούν, χωρίς να δημιουργηθεί νέο πρόβλημα αξιοπιστίας. Οι πιο ελκυστικές αρχιτεκτονικές τείνουν να παράγουν πολλαπλές χρήσιμες καταστάσεις από τον ίδιο δομικό κορμό. Οι software-defined δορυφόροι διατήρησαν επιλογές στον κώδικα. Η επόμενη γενιά ίσως χρειαστεί να διατηρεί επιλογές στη γεωμετρία. Για αποστολές των οποίων οι απαιτήσεις μπορεί να αλλάζουν γρηγορότερα απ’ όσο μπορεί να αντικατασταθεί το hardware, η φυσική αναδιαμόρφωση ανήκει στην αρχιτεκτονική ανταλλαγή, μαζί με την ισχύ, τη θερμική διαχείριση και το GNC. Αν αντιμετωπίζεται αργότερα ως απλό χαρακτηριστικό μηχανισμού, χάνεται μεγάλο μέρος της αξίας της.

Η άμεση αλλαγή ίσως είναι λιγότερο θεαματική από την τεχνολογία που μπορεί τελικά να προκύψει. Τα προγράμματα διαστημικών σκαφών πρέπει να αρχίσουν να αξιολογούν το περιθώριο ισχύος και θερμικής διαχείρισης, την αναπτυγμένη επιφάνεια, τον stowed όγκο, τη φυσική αναδιαμορφωσιμότητα και τον χρόνο παράδοσης των προμηθευτών στο ίδιο αρχιτεκτονικό επίπεδο με την ξηρή μάζα. Η προμήθεια πρέπει επομένως να ακολουθήσει την ίδια λογική. Ένα υποσύστημα που είναι λίγο βαρύτερο αλλά φτάνει νωρίτερα, αφαιρεί αρκετούς μηχανισμούς ή διατηρεί μια άλλη χρήσιμη διαμόρφωση σε τροχιά μπορεί να είναι η καλύτερη ανταλλαγή σε επίπεδο συνολικού συστήματος.

Η βάση προμηθευτών θα ανταποκριθεί σε αυτά τα κίνητρα και θα αλλάξει γύρω από τις ίδιες μετρικές. Οι ισχυρότερες αρχιτεκτονικές θα είναι εκείνες που δημιουργούν μεγάλες επιχειρησιακές δομές από μικρούς όγκους εκτόξευσης χωρίς να πολλαπλασιάζουν τους μηχανισμούς με τον ίδιο ρυθμό, χρησιμοποιούν γνώριμες διεπαφές σε διάφορες κατηγορίες διαστημικών σκαφών και μπορούν να κατασκευαστούν αρκετά γρήγορα ώστε οι πελάτες να μην αναγκάζονται να «παγώνουν» όλο το υπόλοιπο όχημα χρόνια νωρίτερα.

Η βιομηχανία πέρασε 60 χρόνια βελτιστοποιώντας τα διαστημικά σκάφη για το ταξίδι προς την τροχιά. Η επόμενη εποχή θα τα βελτιστοποιεί για ό,τι συμβαίνει μετά.

Η μάζα εξακολουθεί να έχει σημασία, αλλά δεν είναι πια κυρίαρχη. Το αναδυόμενο στενό σημείο περνά μέσα από την ισχύ, τη θερμότητα, την επιφάνεια, τον stowed όγκο, τους μηχανισμούς και τον χρόνο παράδοσης. Το ερώτημα για την επόμενη γενιά διαστημικών σκαφών δεν είναι λοιπόν μόνο «πόσο ελαφρύ μπορεί να είναι αυτό;». Είναι «πόση ισχύ, χρήσιμη επιφάνεια και χώρο επιλογών μπορεί να περάσει μέσα από ένα σταθερό fairing και να παραμείνει διαθέσιμο μετά την εκτόξευση;»

Ο Trevor Smith είναι CEO της Atomic-6.

Η SpaceNews είναι προσηλωμένη στην παρουσίαση των διαφορετικών απόψεων της κοινότητάς της. Είτε είστε ακαδημαϊκός, ανώτερο στέλεχος, μηχανικός ή απλώς ένας ανήσυχος πολίτης του σύμπαντος, στείλτε τα επιχειρήματα και τις απόψεις σας στο opinion (at) spacenews.com για να εξεταστούν για δημοσίευση online ή στο επόμενο περιοδικό μας. Αν έχετε κάτι να υποβάλετε, διαβάστε μερικά από τα πρόσφατα άρθρα γνώμης μας και τις οδηγίες υποβολής, ώστε να δείτε τι αναζητούμε. Οι απόψεις που εκφράζονται σε αυτά τα άρθρα γνώμης ανήκουν αποκλειστικά στους συντάκτες τους και δεν αντανακλούν κατ’ ανάγκην τους εργοδότες τους ή τις επαγγελματικές τους ιδιότητες.

Ο Trevor Smith είναι πρόεδρος και CEO της Atomic-6. Περισσότερα από τον Trevor Smith