Тепловий слід терміналів супутникового зв’язку – досвід сучасної війни

В досить великій та об’ємній статті розглядається проблема виникнення теплового сліду терміналів супутникового зв’язк. Поширення застосування термовізійних камер у засобах розвідки не дозволяє недооцінювати цю вразливість. Розбираються причини та наслідки. Надаються рекомендації.

Автор, Володимир Степанець – фахівець, глибоко занурений у специфіку використання супутникового зв’язку в цій, найбільшій за масштабами сучасній війні. Володимир Степанець – автор багатьох навчальних матеріалів, радник, консультант, дослідник та технічний євангеліст сучасних технологій засобів зв’язку та навігації.

Тепловий слід як нова вразливість

З моменту широкоформатного вторгнення російських військ у 2022 році, Україна стала також і унікальною військово-технічною лабораторією: щодня десятки тисяч терміналів супутникового зв’язку Starlink і інших подібних систем працюють у бойових умовах. Загальна оцінка кількості таких терміналів в Україні вже перетнула межу в 200 000. Якщо говорити про рішення Starlink – це перший випадок у світі, коли цивільна технологія такого масштабу зіткнулася з війною.

Проблема, про яку мало хто думав: теплове демаскування. У 2022 році ніхто навіть уявити не міг такої масової доступності тепловізійних камер. Сьогодні ж вони застосовуються повсюдно: від розвідувальних БПЛА та навіть маленьких масових FPV, до стандартного обладнання для спостереження на позиції. І саме це робить будь-який тепловий слід обладнання настільки небезпечним.

У цій статті ми розберемо:

• Звідки береться тепло в терміналах.
• Що роблять користувачі й виробники для охолодження. А що не роблять, і чому це стає проблемою.
• Які міфи шкодять більше, ніж допомагають.
• Які уроки потрібно винести для інженерів, інтеграторів і військових.

В умовах сучасної війни, тепло — це для нас геть не лише фізика. Це попросту питання виживання. Все, що подається в статті, — результати вивчення унікального досвіду Сил Оборони України та технічних досліджень.

Фізика тепла в супутникових терміналах

Щоб зрозуміти проблему маскування, треба спершу знати, звідки з’являється тепло і чому воно таке небезпечне.

Звідки береться тепло

Супутниковий термінал — це складна електронна система, яка перетворює переважну більшість спожитої енергії на тепло.

Якщо ви відслідковуєте споживану потужність терміналу – ви можете відразу розраховувати, що 70-80%% від отриманого значення іде саме в тепло, котре у самому терміналі генерують:

• Радіовипромінювачі (beamformers і підсилювачі) — головні джерела тепла. Вони працюють постійно, але більше всього при передачі даних.
• Обчислювальний блок (CPU, контролери) – нагрівається менше, але теж відчутно.
• Блок живлення теж додає свій внесок. При чому чим більше споживана потужність, тим більше внесок.

Технологія сучасних терміналів супутникового зв’язку з плоскими антенами – це використання масиву випромінювачів АФАР (Активна Фазована Антенна Решітка). Для правильного націлення проміню радіовипромінювання необхідна висока точність космічної геометрії. Для її розрахунку, та й для швидкого обміну даними, необхідна значна обчислювальна потужність. Тому сучасні термінали несуть на борту чимало електроніки, процесорів та сенсорів. Все це також додає теплогенерації. Але також і створює залежність – перегрів призводить до некоректної роботи та й відмови електроніки.

Тому відведення тепла та охолодження стає критично важливим для роботи терміналів. І інженери-розробники таких систем шукають різні шляхи вирішення проблеми – різноманітні матеріали, пасивне чи активне охолодження, пошук шляхів відведення тепла на корпус та з корпусу.

Одна з проблем “пласких антен” з АФАР – накопичення вологи на корпусі. Вода, сніг чи крига – формують шар, перешкоджаючий проходженню радіохвиль. Тому часто розробники терміналів закладають в дизайн навіть додатковий нагрів – для випаровування вологи та топлення снігу та льоду на поверхні.

У ранніх поколіннях Starlink були ще й окремі нагрівачі для танення снігу. Вони включались автоматично, і військові не могли їх вимкнути. У новіших моделях ця функція залишилась, але лише реалізована інакше — через спеціапльні режими роботи випромінювачів, для збільшення генації тепла, без додаткових нагрівачів.

Проблематика конкретно в Starlink в тім, що нагрів по замовчуванню вмикається за дуже спрощеним алгоритмом – будь який регрес прийому даних та будь яка проблема зв’язку інтерпретується як причина для увімкнення нагріву. Вимкнення такого режиму можливе, але виключно для авторизованого користувача, котрий має доступ до налаштувань терміналу.

Отже тут одна з перших проблем, котру слід пам’ятати – значна частина засобів маскування буде спричняти погіршення зв’язку, що буде незмінно призводити до автоматичного увімкнення роботи режиму “режиму топлення снігу”. Тому слід завжди шукати можливість вимкнути його, доки він не знадобиться саме за призначенням.

Отже у середньостатистичному випадку, термінал Starlink буде досить суттєво грітись майже при будь якому режимі використання. Отже потреба охолодження створює додаткове питання – як це робити, дотримуючись одночасно потреб теплового маскування?

Пасивне охолодження

У терміналів супутникового зв’язку Starlink тепло відводиться пасивно — конвекційно, через корпус. Термінали деяких інших виробників також притримуються такого підходу.

• Відведення працює якісне лише за умови гладкої та чистої поверхні матеріалу корпуса, котрий розрахований на достатню тепловіддачу саме в таких умовах.
• Будь-яке забруднення чи пил погіршують тепловіддачу.
• Фарбування чи плівка не тільки погіршують тепловіддачу, але ще стають додатковим фактором нагріву від прямих сонячних променів.
• А різноманітні герметичні чохли або накладки взагалі створюють ефект «термоса». Особливо коли не залишається відкритої для теплової конвекції поверхні.

Це нагадує ситуацію з побутовими радіаторами: поки вони чисті й відкриті — працюють ефективно; накрий їх тканиною — і грієш вже оту тканину, але не кімнату.

Активне охолодження

Інший шлях — вентилятори та продувні канали. Термінали супутникового зв’язку з АФАР багатьох інших виробників – Kymeta, Satcube, Intellian, Hughes та інших наразі частіше всього використовують саме такий дизайн.

Звісно, нагнітання потоку повітря може бути більш ефективним для охолодження та відведення тепла – це давно відомий підхід.

Але, у польових умовах вони дають нові ризики:

• бруд, пил та волога – вони досить швидко виводять з ладу вентилятори,
• Вхідні та вихідні повітряні канали мають залишатись відкритими, але одночасно захищеними від забруднення,
• забруднений вентилятор дуже часто починає видавати “зайві звуки й стає навіть небажаним акустичним демаскувальним фактором,
• волога (не лише під час дощу – згадаємо “точки випадання роси”), котра завжди потрапляє через ті вентиляційні канали в середину, збільшує ризики та часто “цементує” пил. Це вимагає регулярної уваги та періодичного обслуговування.

Отже активне охолодження має як певні переваги, так і певні недоліки. І при виборі системи супутникового зв’язку для польових умов варто про них не забувати.

Що відбувається при перегріві

Перегрів – це досягнення критичних для функціонування терміналу температурних меж. Тобто при перегріві ми або отримуємо погіршення роботи систем терміналу, чи навіть неспроможність їх роботи. Також перегрів може призвести до фізичного пошкодження компонентів та фатальної відмови засобу зв’язку.

Між компонентами і користувачем тепло проходить досить довгий шлях. Тому перегрів внутрішнього компонента зовсім не обов’язково відчується відразу нагрівом корпусу. Нерідко буває що корпус може бути “трішки теплим” на дотик, коли процесор вже досяг критичного порогу.

У супутниковий термінал Starlink закладені рівні «самозахисту» при перегріві. Вбудовані сенсори вимірюють температуру ключових вузлів — передусім підсилювачів випромінювачів та обчислювального блоку. Коли ці компоненти досягають критичних температурних значень, система переходить у захисні режими:

• при ~107–113°C → зниження продуктивності (throttle),
• при ~115–125°C → штучна пауза (idle),
• при ~118–128°C → аварійне вимкнення (shutdown).

Суть цих режимів проста: термінал намагається дати собі можливість охолонути, генеруючи менше тепла. Але якщо ми «намаскували» так, що охолодження не відбувається (чохли, кейси, фарба, забруднення), то перегрів і захисні реакції стають постійною та регулярною історією. Це означає нестабільність зв’язку саме тоді, коли він критично потрібен.

Інші супутникові термінали теж мають механізми захисту при перегріві. Значення порогів та реакції можуть бути різними. Але перегрів залишається найчастішою проблемою в багатьох сценаріях.

Проблема тепловізійного маскування – контраст, а не градуси

Отже ми тепер знаємо що теплогенерація терміналів супутникового зв’язку невідворотна. Ми мусимо розміщувати такі термінали з мінімальними перешкодами зверху, просто неба, знаючи, що тепловий слід існує.

• Чи можемо ми уникнути виділенню тепла терміналом – ні. І будь які спроби це зробити дадуть зворотній ефект.
• Чи можемо ми замаскувати термінал і його тепловий слід – так, хоч і не завжди із 100% ефективністю.

Що таке маскування? Який результат ми очікуємо? – у розбіжностях відповіді на ці питання криється переважно частина проблем. Чи буде термінал видно з 10-20-30 метрів видно у тепловізор – так, завжди. Маскування теплового сліду, це не “сховати все тепло” – це неможливо. Це саме зробити так, щоб тепло не дозволяло виділити та визначити термінал спостерігачем. Практика показує, що спостерігач, будь то людина чи ШІ, реагує саме на контрастні плями, неприродні форми або, як ми їх називаємо – термовізійні сігнатури. Отже задача маскування – саме максимально ускладнити виявлення та ідентифікацію термінала за його тепловим слідом.

Як саме це можна робити – предмет окремої поглибленої розмови. Та й в поточній ситуації – не публічної розмови. Під час навчання або консультацій такі розмови проходять в мене доволі часто. Але загальний вектор думок не є секретним: Головне завдання — не приховати тепло, а розподілити його так, щоб воно виглядало природно та/або не привертало уваги. Деякі практичні рекомендації також будуть надані нижче.

Одна з типових наразі небезпечних помилок – термоізоляція термінала різними матеріалами, без врахування вищенаведеної мети. Особливо чимось на кшалт поролона, пенопласту та т.п. Не згадуючи вже навіть про перегрів, дуже часто це призводить до ситуації, коли залишок поверхні терміналу, де конвекція залишається доступна, стає дуже контрастним та помітним випромінювачем тепла. Тобто з певних доступних ракурсів спостерігач отримує дуже чітку та помітну сигнатуру. Набагато яскравішу, ніж не замаскований термінал.

Отже основний критерій, котрого варто дотримуватись завжди – відведення тепла має відбуватись обов’язково. Але із мінімальним контрастом відносно навколішнього середовища. Термовізійні прилади самі по собі призначені саме для виявлення контрастів джерел тепла із оточенням. І саме мінімізація контрастів і є метою термомаскування по своїй суті.

Польове використання і модифікації

Цивільний дизайн у військових умовах

Starlink — білий, гладкий, тендітний та вразливий. він від початку розроблявся для цивільного використання. Для використання у польових та бойових умовах він по суті не призначений. Тому з’явилася потреба у модифікаціях. Навіть нові моделі, котрі розроблялись в SpaceX із врахуванням українського досвіду, все ще так само – для цивільних умов.

За останні роки мені довелось так чи інакше допомагати фактично всім розробникам модифікацій Starlink в Україні. Початок використання супутникового зв’язку Starlink в обороні України відразу приніс розуміння щодо слабких та сильних сторон. Компанія SpaceX все ще не зацікавлена у будь який “мілітаризації” своїх продуктів. Тому абсолютно всі модифікації Starlink, від найпростіших до найглибинніших, відбуваються без будь якої підтримки виробника.

Далі піде мова в першу чергу саме про такі модифікації терміналів Starlink та дотичних нашої теми аспектів. Але відзначу, що весь цей досвід тепер закладається також і у розробки нових супутникових терміналів для тактичного використання, в т.ч. українських.

Тактичні адаптації

Якщо говорити про Starlink “з коробки” то всі існуючі модифікації під потреби польових умов та т.п. можливо класифікувати так:

• Фарбування / плівки. Роблять менш помітним термінал візуально, але погіршують тепловіддачу і додають сонячного нагріву.
• Захисні кейси, котрі накладаються на існуючий корпус або куди вкладається термінал “з коробки” без адаптацій живлення та т.п.. Вони прикривають від уламків і вологи, але дуже часто створюють ефект “термоса”.
• Тактичні корпуси – інженерні складніші рішення в котрі вставляється термінал при глибинній модифікації, у т.ч. позбавлений оригінального корпусу. Посилені матеріали, інтегровані кріплення. Найчастіша відома проблематика — ті ж самі проблеми з перегрівом.

Такі рішення виглядали на початках логічно: треба захистити, замаскувати, зробити «тактичним». Але досвід швидко показав: тепло ігнорувати не можна. На превеликий жаль, переважна більшість поточних виробів все ще має проблематику з перегрівами.

Те, що системно ігнорують: тепловий бюджет

Більшість модифікацій, особливо аматорських, робляться без прорахунку теплового режиму – це веде до регулярних перегрівів, throttle та вимкнень. Дуже часто користувачі сприймають це як «глушіння», хоча винна фізика.

Неможливість відстежити реальну температуру та факт перегріву з додатку чи телеметрії додає плутанини та домислів. Вироби із глибинною модифікацією, коли до наявної електроніки терміналу додається інтеграція із сторонньою електронікою, мають потинційну можливість відстежувати температуру додатковим термосенсором. Але нажаль, це все ще не практикується українськими виробниками, попри рекомендації.

Отже обираючи ту чи іншу мадифікацію варто приділити увагу питанню – чи врахований у її розробці тепловий бюджет термінала, котрий всередині.

Наскільки вдалий у цих аспектах дизайн інших супутникових терміналів – все ще відкрите питання. По певним моделям вже є результати. Досить часто негативні. Але, поки налагоджується співпраця з певними виробниками терміналів – деталі залишаються не публічними.

Використання на транспорті

По мірі налагодження якісної роботи під час руху (OTM – On-The-Move) монтаж супутникових терміналів на автомобілях чи бронетехніці набирав актуальності. Наразі це фактично повсюдна практика. Але з огляду на нашу “проблематику тепла”, зазначу:

• Навіть під маскувальною сіткою “прогрітий” термінал на даху часто видно як чіткий тепловий маркер. В деяких сценаріях це критично важливо враховувати.
• Встановлення супутникового терміналу прямо поруч із засобами РЕБ не лише може підсилити тепловий слід (пристрої РЕБ так само часто “гарно” гріють), але й несе додаткову небезпеку – потужні сигнали засобів РЕБ можуть перевантажити LNA/міксер GNSS-приймача Starlink: у кращому випадку це зрив навігації і відсутність зв’язку, у гіршому — вигорання чутливої електроніки.
• На українському ринку наразі є чимало модифікацій Starlink та різних інших моделей терміналів для транспортних засобів. Але дуже незначна частина з них має якісно прорахований тепловий бюджет та враховує нагрів сонячними променями (про що ми говорили вище).

Маскування і міфи

Так чим же варто, а чим не варто маскувати термінали супутникового зв’язку, у т.ч. Starlink?

Насправді це не так вже й складно. Якщо на певній відстані від терміналу натягнута маскувальна сітка, чи навіть тзв. геотканина, цього вже цілком достатньо щоб і візуально сховати термінал навіть білого кольору, і зменшити вплив прямих сонячних променів, і “розмити” теплову пляму середньостатистичного терміналу в теплий сезон.

В холодний сезон проблема маскування стає гостро – забезпечити відсутність теплового контрасту із оточенням стає практично неможливо. Тому з цим слід рахуватись, приймаючи реальність, а не ігноруючи її.

Звісно що часто використовують “підручні” матеріали – сміттєві пакети, пластиковий посуд, коробки, навіть віконні рами та взагалі будь-що-з-того-що-є-поруч. Ситуації бувають різні і я не буду перелічувати тут все, що бачив за ци роки – часу не вистачить… Але все ж вдізначу, яких помилок зазвичай допускаються:

• Обмеження руху повітря, особливо в пакетах/плівках/коробках – залишайте хоча б вентиляційні канали. В ідеалі внизу, звідки не буде видно спостерігачу.
• Нагрів маскувального засобу самим терміналом – якщо ви не залишили простору для повітря та антена вашого термінала супутникового зв’язку контактує фізично із маскуванням, то не дивуйтесь, що сам матеріал буде виділятись на екрані спостерігача.
• Накопичення вологи – це завжди призводить до погіршення зв’язку, бо навііть мокра ганчірка, це вже провідник електричного струму. Не завжди така можливість є, але корисно мати завжди сухий варіант маскування напоготові, щоб замінити мокрий, коли раптом потрібна максимальна якість зв’язку.
• Металеві та токопровідні матеріали, котрі екранують радіовипромінювання – завжди слідкуйте, щоб матеріал зверху та поруч з антеною не був токопровідним – Інколи навіть маскувальні сітки роблять з армованого металевою проволокою матеріалу. Нерідко є токопровідний шар в пластиковій упаковці чи у металізований склад використаного скла віконної рами (певний час чомусь цей засіб маскування був в декого популярним))).
• Уникайте прямого контакту маскувального матеріалу із поверхнею антени – зе мінімалізує нагрів самого матеріалу, і дасть повітрю ефективніше охолоджувати ваш термінал. Завжди залишайте місце для повітря.
• Якщо вимушені встановлювати термінал під дахом, під дерев’яними конструкціями, скляними поверхнями та т.п. – завжди перевіряйте якість зв’язку, особливо у дощ. Поведінка матеріалу, та й ще з вологою, може докорінно змінитись з часом, навіть якщо при першому встановленні все працювало.
• При неможливості якісного маскування, особливо зимою – встановлюйте термінал на певній відстані від позицій особового складу. Кабельні рішення це дозволяють навіть на значних відстанях робити.
• Жодне маскування не можна вважати надійним, якщо воно не верифіковано засобами, аналогічними засобами спостереження та виявлення в противника. При будь якій нагоді варто замовляти у найближчого з досяжних підрозділів БПЛА “аудит маскування”. Бажано за різних умов, щоб оцінити реалії маскування, а не типове “я бачу той старлінг у тепловізор осьо в 20 метрах, і Петро теж з 30 метрів”. При чому непогано, якщо перед перевіркою на терміналі буде відповідне навантаження на передачу даних.

Краще всього звісно працюють радіопрозорі каптури й спеціальні намети — вони розсіюють тепло, роблять пляму менш підозрілою. Але ці рішення не набули значного поширення в сучасній тактичній обстановці. Як і спеціальні маскувальні “кущі” та т.п..

Це цілком зрозуміло, коли усвідомимо масштаб застосування тих же терміналів Starlink – з більш ніж 200 000 терміналів в Україні, більша частина так чи інакше задіяна в обороні. Уявити собі зараз, що в якомусь дрібному підрозділі наразі немає хоча б одного терміналу супутникового зв’язку – дуже тяжко.Такого масштабу та концентрації задіяння засобів супутникового зв’язку немає в жодній іншій армії світу.

Окремо відзначу, що набуває популярність створення “обманок” – макетів терміналів Starlink, котрі гріються від “окопної свічки” чи аналогічних рішень. І це цілком добра практика, але звісно лише за певних умов та при певних сценаріях.

Одна з причин ефективності фальшивих старлінків – кремлівська пропаганда дуже любить вихвалятися “знищеними терміналами Starlink”, не усвідомлюючи що їх на деяких ділянках бойових дій більше ніж смартфонів, та й чимало смартфонів коштує дорожче цих терміналів 🙂

Але насправді супутниковий термінал завжди та незмінно буде вважатись пріоритетною ціллю противника, як тільки може бути виявленим.

Суть правильного маскування

Отже, раз ми знаємо, що тепло всерівно буде терміналом супутникового зв’язку генеруватись, та воно має відходити у повітря задля охолодження. Та наше завдання не “сховати тепло” (бо це не можливо) а “розбити теплову пляму-сигнатуру”, ми можемо зробити простий чекліст, для перевірки правильності нашого маскування.

Завжди перевіряй:

• Чи чи ти вимкнув режим ”топлення снігу” (якщо він не потрібен)?
• Чи забезпечено повітряне охолодження поверхні корпусу термінала (простір для руху холодного та теплого повітря)?
• Чи не нагрівається маскувальний засіб від термінала?
• Чи матеріали маскувальних засобів несуть ризик погіршення зв’язку?
• Чи є “Варант Б” для маскування у випадку зміни погоди (дощ, сильний вітер, похолодання)?
• Чи залишились в полі зору потенційного спостерігача помітні “гарячі плями” розігрітого роботою термінала, видимі з небезпечних ракурсів?
• Чи вже скористався перевіркою, відповідною до можливостей противника на цій позиції?
• Чи проводились перевірки маскування із терміналом під навантаженням на передачу, а не з просто увімкнутим?
• … подумай сам, що варто додатиу твій чек-ліст?…

Міфи й небезпечні практики

• Хоч вже і згадували вище, але основним небезпечним міфом були та залишаються різноманітні “термо-чохли”, пінопластові коробки, каремати та інші подібні термоізоляційні “схованки” із вспінених матеріалів. Нерідко навіть із металізованою термовідражаючою поверхнею всередині. Такі засоби не лише призводять до майже гарантованого перегріву, але ще й не рідко суттєво погіршують зв’язок. Варто пам’ятати, що тут справа не у матеріалі, а у способі застосування. Якщо ви зробите такий собі “щит”, котрий буде зверху закривати “вільно дихаючий” термінал – це може бути цілком нормальним рішенням.От тільки чи буде воно зручним та ефективним засобом маскування?

• Міфом, хоч і не таким небезпечним як попередній, слід вважати ефективність маскування віконними рамами із склом, або просто склом. Сучасні технології виготовлення скла не рідко роблять його геть не найкращим матеріалом для проходження радіохвиль. Не кажучи вже, що хрупкий та небезпечний в бойових умовах матеріал не дає насправді жодних переваг.

Уроки і рекомендації

Підсумовуючи, сформулюємо найважливіші рекомендації та уроки, котрі варто враховувати, задля збереження життя там, де воно залежить від зв’язку.

Для виробників і розробників

• передбачати достатній рівень тепловідведення (конвекція, вентиляція та інші рішення) ще на етапі дизайну,
• планувати поверхні тепловіддачі та конвекції так, щоб основний потік ішов у нижні поверхні терміналів, малодоступній для спостереження з тепловізорів,
• враховувати екстремальні сценарії (сонце, пил, волога, промерзання),
• у випадку глибокої модифікації передбачати інформування користувача про перегрів: сенсори й індикація мають давати зрозумілий сигнал, що зв’язок може бути втрачено,
• тестувати не тільки в лабораторії, а й у польових умовах, із повним навантаженням на передачу даних та стандартним режимом топлення снігу (=авто).

Для інтеграторів, інсталяторів і технічних команд

• залишати простір для вільної конвекції тепла
• уникати матеріалів, які накопичують сонячне тепло (темні фарби, плівки, масивні пластики), або забезпечувати відвід такого тепла – тобто враховувати сонячне навантаження а не створювати «сонячні котли»,
• орієнтувати поверхні тепловіддачі так, щоб вони були закриті від типових кутів спостереження,
• проводити перевірки із повним навантаженням на передачу даних та стандартним режимом топлення снігу (=авто).

Для військових користувачів

• не вірити у «чарівні чохли»,
• пам’ятати: чим більше трафіку на передачу — тим більше тепла;
• найпростіший спосіб прогнозу потужності нагріву — дивитися на споживану терміналом потужність у часі,
• періодично контролювати температуру корпусу чи конвекційних елементів, за можливості вираховувати критичні значення,
• ставити додаткові візуальні перешкоди непрозорі для ІЧ-діапазону з боків, із сторін, де спостереження найбільш імовірне,
• не розміщувати термінал поряд із джерелами тепла чи сильного випромінювання.

Нагадаю, що в Силах Оборони України ми маємо безпрецедентний за масштабами приклад застосування систем супутникового зв’язку (ССЗ). Жодна інша країна не має аналогічного масштабу та досвіду військового використання настільки нових технологій. Наш бойовий досвід уважно вивчають та пробують застосувати різні виробники. Цей матеріал публікується і певною мірою для них. Але моєю особистою метою було та залишається збереження життів захисників України. Чим надійнішим буде наш зв’язок на полі бою, тим більше зможе зробити кожен захисник України. І саме надійність зв’язку і є головним предметом уваги у цій статті.