Космічне харчування. Заправка супутників на орбіті

1. трохи фізики
2. Трішки історії
3. трохи новин
4. трохи шпигунства
5. висновок

трохи фізики

Для того, щоб зрозуміти, кого і де можна заправляти, давайте спочатку розберемося, наскільки складною є задача створення супутника-заправника. Логічно припустити, що такий танкер повинен буде переміщатися між супутниками-цілями і послідовно заправляти їх. І тут виникає проблема витрати палива на такі переміщення.

На низьких орбітах супутники літають в уявній хаосі, для переходу від одного супутника до іншого потрібно буде міняти і висоту орбіти і нахил. Зараз є хороші онлайн-ресурси, ви можете самі подивитися, наскільки різняться орбіти у різних супутників:

тут показується орбіта апарату.

А тут - траєкторія щодо обертається Землі.

Якщо змінити висоту орбіти порівняно дешево, наприклад, з 200 × 200 км піднятися на 400 × 400 можна, витративши за формулою

всього 115 м / с, то зі зміною способу все дуже сумно. Для кругової орбіти зміна способу на 45 ° обійдеться нам по формулі

в 11 км / с, більше, ніж виведення супутника на орбіту. Звідси слідує що:

Супутник-танкер, здатний обслуговувати кілька супутників-цілей, має сенс тільки для угруповань супутників, що знаходяться в одній площині.

Чи є такі угруповання? Так є.

За 8 супутників в одній площині знаходяться у GPS / ГЛОНАСС. У цих площинах супутникам іноді доводиться маневрувати для заміщення вийшли з ладу, але на висоті 20000 км серйозних перешкод немає, і паливо на підтримку орбіти витрачати не треба. В одній площині також знаходяться всі апарати на геостаціонарній орбіті. І тут якраз є систематично діюча перешкода. Через впливу Місяця супутникам постійно доводиться витрачати паливо на підтримку необхідної точки стояння, і, з огляду на надійність сучасних електронних компонентів, іноді буває так, що справний супутник сходить зі свого місця і перестає приносити гроші через що закінчився палива.

Висновок: Головна мета для супутників-заправників - геостаціонарна орбіта.

Трішки історії

Про це мало хто замислюється, але дозаправка об'єктів в космосі успішно використовується вже років сорок. Правда, заправляють НЕ супутники, а орбітальні станції. Починаючи з «Салюта-6» (виведений на орбіту в 1977) радянські / російські орбітальні станції дозаправляются паливом з вантажних кораблів "Прогрес". Орбітальні станції регулярно витрачають паливо на підйом орбіти і маневри з ухилення від космічного сміття, тому дозаправка продовжує термін їх існування. Але «Прогресси» працюють одноразовими заправниками і не перелітають до інших цілям. Подібне можна реалізувати і для супутників, але тут постає питання економічної доцільності заправки тільки одній меті.

Що ж стосується дозаправки саме супутників, то ця технологія знаходиться на рівні окремих експериментів. У 2007 році за програмою Orbital Express на орбіту було запущено два спеціально створених супутника - ASTRO і NEXTSat.

На орбіті ASSTRO зблизився і зістикувався з NEXTSat. Потім він перелив у NEXTSat паливо (гідразин) і замінив спеціальний модуль ORU, який символізував акумулятори супутника. Місія пройшла успішно, подібні технології пропонувалося використовувати для військових супутників, але інформації про їх використання з тих пір немає.

У 2011 році останнім рейсом шатла на МКС було доставлено експериментальний стенд Robotic Refueling Mission, на якому повинні були відпрацьовуватися технології обслуговування і дозаправки супутників, не призначених спеціально для такої дозаправки. Тому на стенді були спеціальні інструменти для зрізання фіксує заправні горловини дроту і відкручування кришок з ущільнювачами. Ось відео з анімацією і наземними випробуваннями:

У січні 2013 року стенд був успішно випробуваний на МКС. Стандартні одноразові заправні горловини, через які супутники заправляли на Землі, були розкриті, і з ними успішно з'єднався заправний маніпулятор. У серпні того ж року на МКС доставили додаткове обладнання - нові блоки з супутниковими клапанами і горловинами, а також бороскоп для спостереження за «лагодженням супутника зсередини». Але це обладнання до сих пір не випробувано.

У 2011 році канадська фірма MacDonald, Dettwiler and Associates оголосила про створення супутника Space Infrastructure Servicing для геостаціонарної орбіти, але вже в 2012 році проект був заморожений через відсутність потенційних замовників.

трохи новин

Влітку 2016 року NASA оголосило про створення супутника Restore-L, який в середині 2020-х повинен буде зістикуватися і дозаправить супутник дистанційного зондування Землі Landsat-7 (запущений в 1999) на полярній орбіті. Використання цієї орбіти означає, що заправник буде одноразовим, але в документах також згадується версія Restore-G для геостаціонарної орбіти.

В кінці червня цього року космічне агентство Китаю оголосило про успішну дозаправки супутника на орбіті. Два спеціальних супутника були запущені 25 червня на першому пуску нової ракети-носія "Великий похід-7». За минулий час не з'явилося фотографій або відео, логічно припустити, що експеримент був схожий на Orbital Express.

Навесні цього року з'явилися новини про підписання контракту між Orbital і Intelsat про запуск в 2018 супутника Mission Extension Vehicle, який повинен буде на п'ять років продовжити термін служби супутника з закінчилися паливом. Цікаво, що з інженерної точки зору завдання тут буде вирішуватися по-іншому. Замість того, щоб морочитися з відкриттям заправних магістралей на супутнику складними інструментами, як це пропонується в Robotic Refuelling Mission, супутник MEV просто жорстко зафіксується про маршовий двигун і кільце адаптера навколо нього у супутника-мети. В результаті MEV стане не танкером, а буксиром, який буде переміщати і повертати супутник-мета своїми двигунами. Апарат буде, швидше за все, одноразовим, але, теоретично, при наявності запасу палива і виходу з ладу цілі, ніхто не завадить перелетіти до іншого супутника.

трохи шпигунства

Специфіка балістики геостаціонарної орбіти означає, що можна, вийшовши на неї і трохи загальмувавши, перейти на таку орбіту, яка буде відвідувати інші точки стояння. При необхідності можна затриматися в потрібній точці, трохи розігнавшись. Це властивість, зручне для супутників-танкерів, можна використовувати і в менш альтруїстичних інтересах. Буквально на днях в космос відправилися два супутника споруди вже згаданої вище Orbital ATK. Але супутники GSSAP створені на замовлення Міністерства оборони США і будуть займатися наглядом за супутниками на геостаціонарній орбіті з близької відстані. Це друга пара таких супутників, перші два спостерігають за геостаціонарній орбітою вже два роки. Їх маневри не розкриваються широкому загалу, а самі супутники занадто маленькі, щоб бути легко поміченими астрономами-аматорами. З чуток, вони роблять чудові фотографії супутників на геостаціонарній орбіті, а в недавньому прес-релізі ВВС США говорилося, що один з свежезапущенних супутників зробить фото аварійного MUOS 5 (це можливо, коли він буде пролітати апоцентр в районі геостаціонарної орбіти). Одна біда - щоб побачити ці фотографії нам треба буде почекати багато років, поки їх розсекретять.

висновок

Технологія дозаправки супутників ще не визначилася, якою дорогою йти. Може бути, нас чекають заправники в стилі Robotic Refuelling Mission, а, може бути, буксири а-ля Mission Extension Vehicle. Економічна вигода також поки невідома, наприклад, в Orbital ATK порівнюють економічний ефект від обслуговування супутників з експериментами по багаторазовим ракет-носіїв Маска. Що ж, поживемо - побачимо.

джерело