STARLİNK Ulusal Bilimler Akademisi

SpaceX, internetin geleneksel olarak çok pahalı, güvenilmez veya tamamen kullanılamadığı yerler de dahil olmak üzere dünya çapında yüksek hızlı, düşük gecikmeli geniş bant bağlantısı sağlamak için Starlink’i piyasaya sürüyor. Ayrıca, hepimizin zevk alması için doğal bir gece gökyüzünün önemine inanıyoruz, bu yüzden uydu parlaklığını azaltmak için gözlemlerinin ve mühendislik değişikliklerinin özelliklerini daha iyi anlamak için dünyanın önde gelen gökbilimcileriyle birlikte çalışıyoruz. . Hedeflerimiz:

Uyduları lansmandan sonraki bir hafta içinde genellikle çıplak gözle görünmez kılmak . Bunu, uyduların uçma yönlerini operasyonel irtifalarına değiştirerek yapıyoruz, böylece uydu bıçak kenarı ile Güneş’e uçuyorlar. Bunu bir yazılım değişikliği olduğu için tüm uydular için mümkün olan en kısa sürede uygulamaya çalışıyoruz.

Gözlem dedektörlerini doyurmamaları için uyduları karanlıklaştırarak Starlink’in astronomi üzerindeki etkisini en aza indirmek . Bunu, güneş ışığının uzay aracının en parlak kısımlarına çarpmasını engellemek için uyduya konuşlandırılabilir bir vizör ekleyerek başarıyoruz. İlk ünite bir sonraki lansmanda uçuyor ve Haziran ayında 9 numaralı uçuşla gelecekteki tüm Starlink uydularının güneş siperliği olacak. Ayrıca, uydularımızın yörüngeleri hakkında bilgi, gökbilimciler  için gözlem planlamasını kolaylaştırmak için  space-track.org adresinde bulunmaktadır. Bu bilgilerin yararlılığını ve güncelliğini geliştirmenin yolları hakkında geri bildirim almak istiyoruz.

Parlaklık azaltma çabalarının ayrıntılarını daha iyi açıklamak için, Starlink uydularının nasıl çalıştığı hakkında daha fazla açıklama yapmamız gerekiyor.

Starlink Yörüngeleri

Starlink’in üç uçuş aşaması vardır: (1) yörünge yükseltmesi, (2) park yörüngesi (Dünya’nın 380 km üstünde) ve (3) istasyonda (Dünya’nın 550 km üstünde). Yörünge yükseltme sırasında uydular birkaç hafta boyunca irtifa yükseltmek için iticileri kullanın. Bazı uydular doğrudan istasyona giderken, diğerleri uydunun farklı bir yörünge düzlemine geçmesine izin vermek için park yörüngesinde duraklar. Uydular istasyona girdikten sonra, yeniden yapılandırılır, böylece antenler Dünya’ya bakar ve güneş enerjisi dizisi dikey olur, böylece enerji üretimini en üst düzeye çıkarmak için Güneş’i izleyebilir. Bu manevra sonucunda uydular çok daha karanlık hale gelir çünkü zeminden gelen güneş dizisinin görünürlüğü büyük ölçüde azalır. 

Şu anda, 400’den fazla uydunun yaklaşık yarısı istasyonda ve diğer yarısı yörüngede ya da park yörüngesinde. Uydular hayatlarının küçük bir bölümünü yörüngede ya da park etmekte ve yaşamlarının büyük bir kısmını istasyonda geçirmektedirler. Herhangi bir zamanda, sadece birkaç yüz uydunun yörüngede ya da park halinde olacağına dikkat etmek önemlidir. Geri kalan uydular istasyondaki operasyonel yörüngede olacak. 

Starlink Uydu

Starlink uydu tasarımı, diğer iletişim uydularına kıyasla çok düşük bir irtifada uçmaları gerçeğiyle yönlendirildi. Bunu uzay trafik güvenliğine öncelik vermek ve uydu ile internet hizmeti alan kullanıcılar arasındaki sinyalin gecikmesini en aza indirmek için yapıyoruz. Düşük irtifa nedeniyle, sürükleme tasarımda önemli bir faktördür. Yörünge yükseltmesi sırasında, uydular “rüzgar” a göre kesit alanlarını en aza indirmelidir, aksi takdirde sürükleme yörüngeden düşmelerine neden olacaktır. Yüksek sürtünme çift uçlu bir kılıçtır – bu, uyduları uçurmanın zor olduğu anlamına gelir, ancak aynı zamanda sorun yaşayan uyduların hızlı bir şekilde yörüngede kalacağı ve atmosferde hızlı bir şekilde yanacağı anlamına gelir. Bu, yörüngedeki yörünge döküntüsü veya “uzay çöpü” miktarını azaltır. 

Bu alçak sürükleme ve itme uçuş konfigürasyonu, güneş dizisinin aracın önünde düz olarak yerleştirildiği açık bir kitaba benzer. Starlink uyduları yörüngeyi yükselttiğinde, güç üretimi için hız vektörü hakkında sınırlı bir ölçüde yuvarlanırlar ve antenleri yer istasyonlarıyla temas halinde kalacak kadar Dünya’ya bakacak şekilde tutarken daima kesit alanını en aza indirirler.

Uydular 550 km’lik operasyonel yörüngesine ulaştığında, sürükleme hala bir faktördür – bu nedenle çalışmayan herhangi bir uydu hızla bozulur – ancak tutum kontrol sistemi, bu sürüklenmeyi uydunun üzerinde dikey bir şekilde yükseltilmiş güneş dizisiyle üstesinden gelebilir. “köpekbalığı yüzgeci” deyin. Bu, uydunun operasyonel ömrünün çoğunu harcadığı oryantasyondur.

Uydu Görünürlüğü

Uydular gün doğarken veya gün batımında yerden görülebilir. Bunun nedeni, uyduların Güneş tarafından aydınlatılması, ancak yerdeki insanlar veya teleskopların karanlıkta olmasıdır. Bu koşullar sadece Starlink’in 90 dakikalık yörüngesinin bir kısmı için geçerlidir.

Bu basit diyagram, yörüngedeki uyduların neden istasyondaki uydulardan çok daha parlak olduğunu vurgular. Yörünge yükseltmesi sırasında, güneş dizisi açık kitaptayken, güneş ışığı hem güneş dizisini hem de uydunun gövdesini yansıtabilir ve yere çarpabilir. Bir kez istasyona girdiğinde, şasinin yalnızca belirli kısımları ışığı yere yansıtabilir.

Uydu Parlaklığı Fiziği

Bir nesnenin görünen büyüklüğü, Dünya’dan gözlemlenen bir yıldızın veya nesnenin parlaklığının bir ölçüsüdür. Bu ters logaritmik bir ölçektir, bu nedenle daha yüksek sayılar daha sönük nesnelere karşılık gelir. 3 büyüklüğündeki bir yıldız, 4 büyüklüğündeki bir yıldızdan yaklaşık 2.5 kat daha parlaktır. Bizim tarafımızdan ve astronomik topluluğun üyeleri tarafından yapılan gözlemlere dayanarak, mevcut Starlink uyduları istasyonda ve daha parlak olduğunda ortalama 5.5 büyüklüğüne sahiptir. yörünge yükseltme sırasında. Yaklaşık 6.5-7 büyüklüğüne kadar olan nesneler çıplak gözle görülebilir (çıplak gözle görünürlük çoğu banliyöde 4’e daha yakındır) ve hedefimiz, Starlink uydularının misyonlarının neredeyse tüm aşamaları için 7 veya daha büyük olmasıdır. 

Starlink uydularından iki tür yansıma vardır: dağınık ve speküler. Dağınık yansımalar, ışık birçok farklı yöne saçıldığında ortaya çıkar. Beyaz bir duvara fener parladığını düşünün. Aynasal yansımalar, ışık belirli bir yönde yansıtıldığında meydana gelir. Örneğin, bir aynadan güneş ışığının parlaması. Dağınık yansımalar, zeminde gözlenen parlaklığa en büyük katkısıdır, çünkü dağınık yansımalar her yöne gider. Uydu görünür olduğu sürece dağınık yansımaları görebilirsiniz. Bu nedenle Starlink uyduları gece gökyüzünde “inci dizisi” efekti yaratabilir. Bu biraz karşı sezgisel, ancak Starlink uydularının parlak bileşenleri çok daha küçük bir problem. İster dağınık ister speküler olsun, yüksek yansıtma özelliğine sahip uyduların uzayda serin kalmasına yardımcı olur. Güneş ışığı uzay aracının özel bir yüzeyine çarptığında ve yansıttığında, ışığın büyük çoğunluğu genellikle uzaya doğru (Dünya’ya değil) olan aynasal (ayna yansıması) yönüne yansır. Bazen, parıltı sadece bir saniye veya daha az sürer. Aslında, sadece doğru geometride olmadıkça, aynasal yüzeyler uydunun en karanlık kısmı olma eğilimindedir.

Starlink’in parlak olmasına en büyük katkıda bulunanlar, uydunun altındaki beyaz dağınık fazlı dizi antenler, yanlardaki beyaz dağınık parabolik antenler (aşağıda gösterilmemiştir) ve güneş dizisinin beyaz dağınık arka tarafıdır. Bu yüzeyler sıcaklıkları düşük tutmak için beyazdır, böylece bileşenler aşırı ısınmaz. Starlink’i daha karanlık yapmanın anahtarı, güneş ışığının bu beyaz yüzeyleri aydınlatmasını ve yerdeki gözlemcilere yansıma yoluyla saçılmasını önlemektir. Yörüngede yükselirken ve park yörüngesinde çok daha geniş yüzey alanı nedeniyle güneş enerjisi dizisi hakimdir. Bununla birlikte, uydular operasyonel yüksekliklerine ulaştığında, güneş dizisinin parlak arka tarafı gölgeli olduğu için antenler hakimdir.

İş Başında Çözümler

Starlink uydularının parlaklığını azaltmak için deneysel ve yinelemeli bir yaklaşım izledik. Yörünge parlaklığı, analitik olarak ele alınması son derece zor bir sorundur, bu nedenle hem yer hem de yörünge testlerinde çok çalıştık.

Örneğin, bu yılın başlarında, istasyon içi parlaklığı çözmek için tasarlanmış aşamalı diziyi ve parabolik antenleri kararttığımız deneysel bir uydu olan DarkSat’ı başlattık. Bu, DarkSat’ı yakındaki diğer Starlink uydularıyla karşılaştıran diferansiyel optik ölçümlerle doğrulandığı gibi, uydunun parlaklığını yaklaşık% 55 oranında azalttı. Bu, uyduyu istasyondayken çıplak gözle görünmez hale getirmek için neredeyse bir parlaklık azalmasıdır. Bununla birlikte, uzaydaki siyah yüzeyler ısınır ve bir miktar ışığı yansıtır (IR spektrumu dahil), bunun yerine bir güneşlik çözümü ile ilerliyoruz. Bu, siyah boya nedeniyle termal sorunları önler ve tüm ışığın beyaz dağınık antenlere ulaşmasını engelleyeceği için DarkSat’tan daha koyu olması beklenir.

Erken Görev (Yörünge Yükseltme ve Park Yörüngesi) Rulo Manevrası

Vizörün istasyondayken parlaklığa yardımcı olması amaçlandığından, güneş dizisinin arkasını gölgelemez, bu da yörüngenin yükselmesini ve park yörünge parlaklığını önlemeyeceği anlamına gelir. Bunun için uydunun park yörüngesinden park yörüngesine uçma şeklini değiştirmeye çalışıyoruz.

Şu anda uyduyu yuvarlamayı test ediyoruz, böylece Güneş vektörü uydu gövdesi ile düzlemde, yani uydu Güneş’in bıçak ucunda. Bu, ışık alan yüzey alanını azaltarak Dünya’ya yansıyan ışığı azaltacaktır. Bu, yörüngeyi önceki yörüngeye yerleştirirken ve park ederken mümkündür, çünkü internet kullanıcılarına kapsama sağlamak için antenleri nadiren bakacak şekilde kısıtlamak zorunda değiliz. Bununla birlikte, bunun uygulanması zor olmasının birkaç nüanslı nedeni vardır. İlk olarak, güneş dizisini Güneş’ten uzaklaştırmak, uydu için mevcut güç miktarını azaltır. İkincisi, antenler bazen yerden kaldırılacağından uydularla temas süresi azalacaktır. Üçüncü, yıldız izleyici kameraları kasanın yanlarında bulunur (gidebilecekleri ve yeterli görüş alanına sahip olabilecekleri tek yer). Bıçak kenarını Güneş’e doğru döndürmek, bir yıldız izleyiciyi doğrudan Dünya’ya ve diğerini doğrudan Güneş’e yönlendirerek uydunun bozulmuş tutum bilgisine sahip olmasına neden olabilir.

Yukarıda belirtilen kısıtlamalardan biri nedeniyle uyduların Güneş’e kadar gerçek bıçak kenarına kadar yuvarlanamadığı durumlarda küçük bir yüzde olacaktır. Bu, bir yörüngenin bir kısmı için geçici olarak görülebilen uçuş yörüngesinin yükselişinde ara sıra Starlink uyduları setiyle sonuçlanabilir.

 

İstasyon Parlaklığı

Uydular hayatlarının çoğunu, görünür geçişler sırasında her zaman köpekbalığı yüzgeci konfigürasyonunda olacakları istasyonda geçirirler. Bu yapılandırmadaki güneş dizisi konumunu, büyük ölçüde speküler güneş pillerinden gelen ışığı Dünya’dan uzaklaştıracak ve kısmen kasanın arkasına gizleyecek şekilde ayarlayabiliriz. Kalan ana hedef aşamalı dizileri ve antenleri doğrudan güneşin görmesini engellemek. Amaç, beyaz fazlı dizi antenleri ve uydunun yanlarındaki parabolik antenleri kapsamaktır.

Düşük yörünge yüksekliğimizi ve düz uydu geometrimizi avantajımıza göre, uydu için ışığın uydu gövdesinin çoğuna ve ana gövdenin tüm dağınık kısımlarına ulaşmasını engelleyen RF şeffaf yerleştirilebilir bir vizör tasarladık. Bu vizör fırlatma sırasında kasa üzerine düz olarak yerleştirilir ve Falcon 9’dan uydu ayrılması sırasında yayılır. Vizör, ışığın antenlere tamamen ulaşmasını engelleyerek ışığın dağınık antenlerden yansımasını önler. Bu yaklaşım sadece antenleri karartmaktan kaynaklanan termal etkileri önlemekle kalmaz, aynı zamanda parlaklık azaltma üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olmalıdır. Daha önce belirtildiği gibi, ilk VisorSat prototipi Mayıs ayında başlayacak ve Haziran ayına kadar tüm uydularda bu siyah, speküler vizörlere sahip olacağız.

Topluluk anlayışı bu sorun için kritik öneme sahip olmakla birlikte, mühendislik problemlerinin belirli detaylar olmadan çözülmesi zordur. Vera C. Rubin Gözlemevi, çözülmesi en zor durum olarak tekrar tekrar işaretlendi, bu yüzden son birkaç ayını bunun için bir teknik ekiple çok yakın çalışarak geçirdik. Diğer yararlı düşünce ve tartışmaların yanı sıra, Vera Rubin ekibi, parlaklık çözümlerini yinelediğimizde mühendislik çabalarımızı yönlendirmek için kullandığımız bir hedef parlaklık azaltımı sağladı.

Bu teknik ve topluluk tartışmaları, uyduların gökbilimcilerin kaçınmasını kolaylaştırmak için var olan çabalarımızla eşleştirildi. Starlink yörüngeleri, birçok gökbilimcinin uydu çizgilerini önlemek için gözlemlerini zamanlamada kullandığı Space-track.org  ve  celestrak.com aracılığıyla yayınlanmaktadır . Ayrıca, gökbilimcilerin isteği üzerine lansmandan önce tahmine dayalı veriler yayınlamaya başladık. Bunlar, gözlemevlerinin ilk birkaç saat içinde uydular etrafında zamanlama yapmasına izin verir (uydular kaldırılabilir ve ağa girerken).

Vera Rubin has been described as the limiting case for Starlink, due to its enormous aperture and wide field of view. These two characteristics work in concert to produce the perfect storm for satellite observations. Most astronomical systems look at an extremely small section of the sky (less than 1 degree), which makes it exceedingly unlikely that a satellite will cross in front of the imaging system in a given observation. On the other hand, systems with very large fields of view normally aren’t extremely sensitive, meaning that, while streaks will occur, they will have a small impact on the overall data collection. This is why we’ve been working so closely with the team at the Rubin Observatory. In fact, despite its wide field of view, the Vera C. Rubin Observatory is sensitive enough to detect a sunlit golf ball as far away as the Moon.

Peki, bu geniş, hızlı anket teleskoplarının bu uç vakaları üzerindeki etkimizi azaltmak için ne yapabiliriz?

Astronomi Üzerindeki Etkinin En Aza İndirilmesi

Vera C. gibi daha büyük bir teleskopun dev toplama alanı, en karanlık uyduları bile görünür hale getirecek bir duyarlılığa yol açıyor, o kadar hassaslar ki, çizgiler üretmeyecek bir uydu oluşturmak mümkün olmayacak. tipik uzun entegrasyon. Uydu çizgilerinin etkisini azaltmak için yapılabilecek çok şey var ve bu astronomik sensörlerin nasıl çalıştığını anlayarak başlıyor.

Astronomik topluluk, bizi görüntüleme teknikleri konusunda eğitmek için harika bir iş çıkardı. Optik sistemler, ışığı bir görüntüleme sensörüne odaklamak için aynalar veya lensler kullanır. Çoğu optik astronomi cihazı, dedektörleri olarak şarj bağlı cihazlar (CCD’ler) olarak adlandırılan sensörleri kullanır, çünkü uzak süpernovalar ve galaksiler gibi astronomik hedefler genellikle bir sensör tarafından tespit edilebilecek sınırlar altındadır. Bu uygulamalar için, CCD’lerin daha düşük gürültü seviyesi, belirli bir görüntü için daha yüksek bir sinyal / gürültü oranına izin vererek evrendeki çok zayıf özellikleri görmeyi kolaylaştırır.

Bununla birlikte, CCD’lerin önemli bir dezavantajı vardır: cep telefonunuzdaki CMOS sensörü gibi diğer yaygın sensörlerle karşılaştırıldığında. Cep telefonunuzu parlak bir ışığa doğrultursanız, parlak kaynağın bulunduğu bölgede tüm piksellerin doygun olduğunu ve beyazlaştığını görürsünüz. Aynı hedefe CCD sensörü kullanan bir optik sistemle bakarsanız, bu parlak noktanın görüntü üzerinde dikey şeritler oluşturacak şekilde uzandığını göreceksiniz.

Bu fark, her sensör tipinin her piksel için değerleri okuma biçiminden kaynaklanmaktadır. Bir CMOS sensörü esasen her pikselde toplanan ışığı dijital bir değere dönüştüren bir amplifikatöre sahipken, CCD sensörü sınırlı sayıda amplifikatöre sahiptir ve toplanan ışığı (elektron şeklinde) sayısallaştırılmak üzere sensör boyunca hareket ettirir. Bu mekanizma, bir CCD üzerindeki doymuş bir pikselin, tüm piksel sütunlarındaki verileri silme eğiliminde olduğu anlamına gelir.

Genellikle ‘çiçeklenme’ olarak adlandırılan bu etki, çok küçük ama parlak bir ışık kaynağının astronomik bir gözlemi nasıl etkileyebileceğinin bir örneğidir. Bu ilke, azaltma çabalarımızın özüdür. Dünyanın en gelişmiş optik ekipmanı tarafından görülemeyen uydular oluşturmak mümkün olmayacak olsa da, uyduların parlaklığını azaltarak, çerçeve istifleme, benzeri daha etkili konularla başa çıkmak için mevcut stratejileri önemli ölçüde daha etkili hale getirebiliriz. .

Gelecek Uydular

SpaceX, gelecekteki uydu tasarımlarını mümkün olduğunca karanlık hale getirmeye kararlıdır. Starship’in benzersiz fırlatma özelliklerinden yararlanmak için tasarlanan yeni nesil uydu, parlaklığı en aza indirecek ve aynı zamanda yüksek hızlı internet erişimi ile sunabileceği tüketici sayısını artıracak şekilde özel olarak tasarlanacak. 

SpaceX, uydu parlaklığını ele alan ilk büyük takımyıldız üreticisi ve operatörü olsa da, sonuncu olmayacağız. Lansman maliyetleri düşmeye devam ettikçe, daha fazla takımyıldız ortaya çıkacak ve uydularının optik özelliklerinin yerdeki gözlemciler için sorun yaratmamasını da sağlayacaklar. Bu nedenle gelecekte herkesin bu sorunu çözmesini kolaylaştırmak için çalışıyoruz.