Орбитальная АЗС для Пентагона

Орбитальный манёвр

Уже очевидно, что эпоха, скажем так, традиционных спутников заканчивается. До недавних пор космические аппараты не часто использовали собственные двигательные установки. Двигатели ориентации и коррекции орбиты включались для точного ориентирования солнечных батарей как источника энергии для полезной нагрузки спутников, так и для поддержания соответствующей высоты орбиты.

Такой алгоритм работы спутников предусматривал работу на заданных изначально орбитах в течение довольно ограниченного временного промежутка. Время активного существования спутников не превышало, в лучшем случае, нескольких лет, а то и месяцев. Причём необходимость в активном маневрировании отсутствовала. Таким образом, бортового запаса топлива, в том случае, если аппарат вообще был снабжён собственной двигательной установкой, с лихвой хватало до выработки спутником ресурса работы.

Ситуация изменилась в последние два десятка лет, после того, как американцы научились разрабатывать спутниковые системы с принципиально удлинённым рабочим ресурсом. Сегодня время активного существования основных разведывательных спутников, спутников раннего предупреждения и спутников связи исчисляется уже десятками лет.

Тем не менее, последний фактор отнюдь не главный в вопросе необходимости пополнять запасы бортового топлива. Космическая оборонная стратегия Пентагона отводит орбитальной технике главное место в военной концепции. Теперь космические аппараты рассматриваются уже не как обеспечивающие системы, а как средства, потенциально способные служить носителями оружия или самим служить оружием для поражения, как космических целей, так и целей на Земле.

Своевременное обнаружение целей, обработка информации, выдача команды средствам поражения осуществляется в весьма короткие промежутки времени. В этой связи возможность быстрого орбитального манёвра военных космических аппаратов является необходимым условием при разработке спутниковых систем, особенно космических кораблей, способных выполнять наступательно-оборонительные операции в космосе.

Главным направлением в деле увеличения срока активного существования американской космической техники до последнего времени рассматривалась разработка бортовых ядерных силовых установок. В настоящее время в Пентагоне решили наряду с указанным направлением рассмотреть возможность роботизированной дозаправки спутников непосредственно на орбите.

Отметим, что возможность таких действий практически изучалась в середине 1980-х годов во время «расцвета» программы МТКК «Спейс Шаттл». Экипажи корабля неоднократно проводили ремонт низкоорбитальных аппаратов и даже возвращали спутники, в частности, спутники связи серии «Палапа», для ремонта на Землю. Сегодня возможности робототехники позволяют существенно сократить затраты на обслуживание орбитальных группировок без привлечения астронавтов.

«Гэс-стейшн» в штате «Космос»

Американский бизнес, занятый в космонавтике и активно сотрудничающий с министерством обороны, энергично подключился к проработке идеи орбитального обслуживания спутников - дозаправки двигательных установок и осуществления орбитального манёвра. Так, в середине сентября прошлого года корпорация SpaceLogistics представила прототип космического аппарата, который в автоматическом режиме стыкуется со спутником, которому необходима дозаправка или перемещение, и с помощью собственных двигателей осуществляет требуемые действия.

Кстати, опыт автоматических действий на орбите американцы уже приобрели. 25 февраля 2020 года аппарат MEV-1 сблизился со спутником связи Intelsat 901, который находится на стационарной орбите (высота 36 000 км) и с помощью манипулятора скорректировал его орбиту. Теперь этот спутник, выведенный на орбиту летом 2001 года, сможет проработать гарантированно ещё пять лет.

Для осуществления ремонта и дозаправки спутников аппарат-ремонтник необходимо оснастить надёжным роботом-манипулятором, который представляет собой своеобразную рабочую «руку» для поддержания заданной ориентации спутника и способной вести погрузочно-разгрузочные работы. В 2008 году на МКС доставили канадский роботизированный манипулятор Dextre, установленный на руке-кране Canadarm 2. С тех пор он работает на внешней части станции. С его помощью запускаются малые космические аппараты с американского сегмента МКС и проводятся несложные технические операции, например, размещается полезная нагрузка и заменяется некоторое оборудование.

Первый успешный эксперимент по автоматической стыковке и обслуживанию без участия человека прошёл ещё в 2007 году: на низкой околоземной орбите аппарат Orbital Express разделился на две части, которые разлетелись на 400 км, а потом одна догнала вторую, состыковалась и произвела детальный осмотр камерой на «руке». Также на Orbital Express опробовали замену бортового компьютера и переустановку программного обеспечения.

Однако о коммерческом использовании этой технологии речи не шло - разработка осуществлялась Управлением перспективных программ Пентагона - DARPA. Для военных тема орбитального обслуживания, кроме заправки и ремонта своих спутников, была интересна ещё и потенциальной возможностью захвата и подключения к орбитальным коммуникациям противника.

Что касается орбитальной заправки, то эта технология отрабатывалась на МКС в период c 2013 по 2018 год. В ходе испытаний робот Dextre имитировал заправку спутника: перерезал проволочную пломбу «бензобака», сворачивал заглушку, накручивал переходник для заправки и заправлял «спутник» топливом. Следует отметить, что в ходе данных испытаний выяснилось несоответствие режимов заправки обычных жидких и низкокипящих (криогенных) компонентов топлива. На сегодняшний день выработка соответствующего алгоритма всё ещё представляет проблему.

В 2011 году канадская компания MDA предложила проект аппарата для дозаправки. Однако у DARPA тогда уже существовал собственный проект - Phoenix. Идея DARPA была ещё более радикальна, чем у MDA - военные хотели создавать на орбите «спутники-Франкенштейны» из доставляемых новых модулей и старых деталей, которые уже своё отслужили. В конечном счёте, проект Phoenix переименовали в Robotic Servicing of Geosynchronous Satellites, а контракт на разработку спутника-ремонтника получило американское подразделение MDA. По некоторым оценкам, на разработку потрачено более 200 млн долл. Тем не менее, аппарат так и не полетел.

Большего успеха добился концерн Northrop Grumman, который разработал своеобразный обслуживающий буксир по программе Mission Extension Vehicle, отказавшись от идеи дозаправки в принципе. Буксир, а это уже упомянутый аппарат MEV-1, практически не нарушает конструкцию обслуживаемого аппарата и не предполагает заправки. Обслуживающий аппарат просто закрепляется на спутнике, орбиту которого нужно исправить, и становится на время его частью. Аппарат создавался на серийной спутниковой платформе, а использующаяся в нём система стыковки максимально проста - никаких манипуляторов и заправочных кранов.

Благодаря электрическим двигателям платформа «спасателя» имеет больше возможностей перемещения по сравнению с аппаратами на химической тяге. И, конечно, спутники MEV существенно дешевле телекоммуникационных аппаратов, которые они призваны обслуживать - стоимость последних составляет около 200-300 млн долларов.

«Вторая молодость» Landsat 7

Американское космическое агентство - НАСА, которое, отметим, в своей деятельности всё чаще оглядывается на министерство обороны, форсирует собственные программы по продлению срока активного существования собственных космических аппаратов. В частности, ведутся работы по созданию собственного робота-манипулятора. Роботизированная рука строится для НАСА компанией Maxar Technologies. Изделие имеет длину около двух метров и является сравнительно тонкой конструкцией - наиболее эффективной для орбитальных операций. Большое число степеней свободы манипулятора позволяет ему работать с достаточно габаритными аппаратами.

Разрабатываются сложные алгоритмы, которые будут контролировать движение руки, позволяя ей точно транспортировать и закреплять спутник в причальном доке для дозаправки. Для физического моделирования используется установка с воздушными подшипниками, где небольшая спутниковая модель может плавать вдоль поверхности, имитируя среду невесомости. Меньшая рука робота моделирует движение, которое она будет совершать в космосе.

В 2011 году НАСА и Пентагон инициировали совместную программу дозаправки спутников. Самым перспективным сегодня считается проект Restore-L, который комбинирует функции обслуживания и дозаправки.

В итоге этот автоматический корабль станет роботизированным космическим аппаратом, который планируют в текущем году направить к спутнику дистанционного зондирования Земли Landsat 7, принадлежащий правительству США. Этот спутник, запущенный в 1999 году, имел ресурс до 2021 года, однако данный аппарат стоимостью более полумиллиарда после дозаправки сможет проработать ещё долгое время.

Процедура заправки спутника предусматривает: автономно захватить Landsat 7, дистанционно срезать теплоизоляционные покрытия, защищающие клапаны заправки и сброса. При помощи другого инструмента разрезать кабельную сеть на клапанах; открутить крышки клапанов; присоединить к заправочному клапану порт с возможностью быстрого отсоединения; перекачать 115 кг гидразина в спутник. Снова закрыть всё термоизоляцией, и убедиться в отсутствии утечки.

Согласно оценкам, опасность при реализации данной программы возникнет после того, как Restore-L догонит Landsat 7 и начнёт манёвр для захвата. Им нельзя управлять удалённо, поскольку даже задержка в одну-две секунды будет критичной, так как в условиях микрогравитации любой промах может заставить Restore-L и Landsat 7 бесконтрольно вращаться или даже повредить Landsat 7. Захват должен пройти автономно, и на Restore-L будут установлены работающие в видимом спектре камеры, инфракрасные камеры и специально разработанный для данного полёта космический лидар (дальномер).

Если перспектива многократного увеличения срока активного существования космических аппаратов, работающих в интересах Пентагона, станет реальностью, значение американской орбитальной военной составляющей принципиально возрастёт.