CC BY
97ИННОВАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ
УДК 629.78
DOI 10.26732/j.st.2022.3.06
ОБСЛУЖИВАЕМЫЙ КОСМОС. НОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
В. Б. Катькалов, М. Л. Морозова®
Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
Число работ, направленных на разработку технологий сервисных услуг в космосе, за последние пять лет значительно увеличилось. Кроме таких промышленных гигантов как Orbital-ATK, Northrop Grumman, MDA Ltd., Maxar Technologies на рынок реализации сервисных услуг выходят и стартапы, которые разрабатывают и демонстрируют практически действующие технологии. Учитывая эту тенденцию, ожидается, что в течение ближайших нескольких лет техническое обслуживание в космосе станет одним из актуальных направлений. В статье рассматриваются проектируемые и действующие сервисные космические аппараты зарубежных стран, состояние и направления их развития. Приведены краткие характеристики и возможности сервисных космических аппаратов. Обозначены направления решения основных задач по проектированию и изготовлению перспективных сервисных космических аппаратов. В качестве лидеров серии созданных и создаваемых космических аппаратов сервисного обслуживания более подробно рассмотрены спутники «MEV-1» и «MEV-2», изготовленные компанией Northrop Grumman, «ELSA-d», изготовленный Astroscale и SSTL, а также «OSAM-1» компании Maxar Technologies, позволяющий производить роботизированную дозаправку топливом в космосе и демонстрацию возможности сооружения крупных конструкций в космосе без непосредственного участия со стороны человека. Результаты исследования, проведенного по доступным интернет-источникам, обобщены и представлены в настоящем материале. Цель статьи - проанализировать необходимость, пути и методы развития сервисных услуг, провести оценивание перспектив применяемых технологий.
Ключевые слова: сервисный космический аппарат, техническое обслуживание космического аппарата, заправка космического аппарата, мониторинг космических аппаратов, маневрирование космического аппарата, спутниковая услуга, срок службы космического аппарата.
Введение
Каждый космический аппарат (КА), находящийся на орбите, имеет ограниченный срок активного существования, обусловленный лимитированным запасом топлива и надежностью бортовой аппаратуры. Топливо считается ключевым фактором, от которого зависит срок службы КА и из-за выработки которого большинство спутников с действующей бортовой аппаратурой теряют возможность сохранять свою рабочую баллистическую позицию и выполнять задачи по предназначению.
Кроме того, вследствие возможных нештатных ситуаций, к числу которых относятся: выведение на нерасчетную орбиту, нераскрытие или
Н marioza@yandex.ru © Ассоциация «ТП «НИСС», 2022
повреждение на этапе выведения КА солнечных батарей или антенн, выход из строя бортовой специальной аппаратуры, происходит уменьшение срока активного существования аппарата. В связи с этим возникает необходимость проведения технического обслуживания КА на орбите с помощью сервисных космических аппаратов (СКА).
До недавнего времени работы по обслуживанию были реализованы только на космическом телескопе «Хаббл» и Международной космической станции. Обслуживание спутников является чрезвычайно сложной задачей и до сих пор не получило широкого распространения поскольку абсолютное большинство спутников не предназначены для обслуживания в связи с тем, что при их проектировании и разработке не закладывалась возможность проведения технического обслуживания в космосе.
На сегодня уже сложилось понимание того, что основными направлениями реализации сер-
висного обслуживания КА будут являться операции по устранению отказов, операции по продлению срока эксплуатации и многофункциональные операции.
При этом следует отметить, что технологии сервисного обслуживания могут иметь двойное назначение, в частности, инспектирование КА другого государства может вскрыть его назначение и оценить технические характеристики. Также отметим, что в соответствии с озвученной в 2020 году военной доктриной командования космических сил США под названием «Космическая мощь» («Spacepower») будут разрабатываться специальные КА для военных операций в космосе [1].
Вместе с тем, анализ направлений развития спутниковых услуг показывает, что в ближайшей перспективе понадобятся КА не только для операций заправки, ремонта, утилизации и инспекции (мониторинга) спутников, но и для созидательных целей, например, строительства космических конструкций (станций, больших антенн, производств и т. п.) [2].
В связи с высокой стоимостью создания и запуска новых спутников и учитывая, что часть КА может работать сверх запланированного срока службы, реализуются следующие проекты:
• орбитальные буксиры, корректирующие орбиту обслуживаемого спутника своими двигателями и запасом топлива;
• орбитальные заправщики спутников;
• танкеры для хранения топлива на орбите;
• космические аппараты ремонта.
Рассмотрим реализацию технологий сервисного обслуживания на примере существующих и перспективных проектов.
1. Состояние работ по разработке и созданию СКА
Появление первых разработок сервисных космических аппаратов в относительно недалеком прошлом вызвало бум разносторонних идей во многих «космических» странах. Часть проектов СКА находится в первоначальной стадии разработки, некоторые разработки по разным причинам дальше проектов не пошли, часть близка к практическому завершению, некоторая часть проектов уже реализована и получила практическое признание.
Исходя из вышеуказанной цели статьи, анализ состояния работ по разработке и созданию СКА проведем в соответствии со сложившимися к настоящему времени типами оказываемых услуг (рис. 1).
В частности, Китайская корпорация аэрокосмической науки и техники (CASC) реализует проект создания орбитального буксира, позволяющего использовать механический манипулятор
с целью корректировки и поддержки первоначальной орбиты деградирующих КА [3]. Отработку передовых технологий планируется осуществить на КА связи «Чжунсин-9А».
Рис. 1. Классификация СКА по типам оказываемых услуг
В то же время компанией Northrop Grumman уже реализована технология орбитального буксира в виде запущенного 9 октября 2019 года КА «MEV-1» (Mission Extention Vehicle-1), который 25 февраля 2020 года пристыковался к телекоммуникационному спутнику «Intelsat-901», находящемуся на орбите захоронения, и успешно перевел его 2 апреля 2020 года на рабочую геостационарную орбиту. И тем самым обеспечил оказание услуги по продлению срока службы спутника на орбите. Аналогично, второй спутник «MEV-2», запущенный 15 августа 2020 года, состыковался 12 апреля 2021 года с телекоммуникационным спутником «Intelsat 10-02» (проработавшим 17 лет). Технология применения такова, что после запуска КА «MEV» выходит на одну орбиту со спутником, исчерпавшим свой запас топлива, затем непосредственно сближается с ним, отслеживая его положение при помощи камер, после этого вставляет механический захват в сопло двигателя и сцепляется с аппаратом. Такая схема используется в случае работы со старыми спутниками, поскольку ранее там не предусматривались устройства стыковки и заправки [4; 5].
Указанный аппарат «MEV» способен управлять ориентацией и положением КА «Intelsat». В течение своего срока службы «MEV-1» и «MEV-2» смогут пристыковываться к различным аппаратам несколько раз, что даст возможность продлить сроки службы клиентских космических аппаратов. Заявленный срок службы спутников «MEV» - 15 лет. Технические характеристики КА «MEV» представлены в табл. 1.
Аналогичная работа (по типу «MEV-1») была проведена специалистами немец-
207
208
кого центра аэрокосмических исследований в г. Оберпфаффенхофене, с разработкой в 2009 году демонстрационного аппарата «OLEV» (Orbital Life Extension Vehicle) для продления орбитальной жизни космических аппаратов [6].
Таблица 1
Технические характеристики КА «MEV»
Характеристика Тип, значение
Применяемая платформа «GEOStar-3»
Масса платформы 2326 кг
Источники питания 2 солнечные батареи и аккумуляторы
Движитель 2 электрических ракетных двигателя
Тип орбиты геостационарная
Срок активного существования 15 лет
Том 6
поддержки будущих операций по сборке на орбите.
Не стоит забывать, что одним из первых практических опытов по сервисному обслуживанию еще в 2007 году стал эксперимент с КА «ASTRO», выполнявшем роль сервисного спутника, который, согласно плану эксперимента, должен был состыковаться с КА «NextSat» и произвести с помощью манипулятора установку в его грузовой отсек доставляемых элементов. Параллельно с этим должна была осуществляться перекачка топлива [5].
Кроме проведения работ, направленных на увеличение срока службы КА в рамках обслуживания, а также сервисных функций, некоторые страны приступили к разработке специальных аппаратов для удаления космического мусора.
В рамках данной деятельности японской компанией Astroscale и английской SSTL на базе спутника «ELSA-d» (End-of-Life Services by Astroscale - demonstration) реализуется демонстрация базовых технологий, необходимых для стыковки, буксировки и удаления «космического мусора» [7]. Миссия «ELSA-d» включает в себя КА «Chaser» (изготовитель - Astroscale) и спутник «Target» (изготовитель - SSTL) (рис. 2).
Спутник «Target» (цель) оснащен аппаратурой связи в S-диапазоне, навигационными датчиками, функционирующими благодаря космической радионавигационной системе (КРНС) Navstar, трехосевой системой управления и лазерным светоотражателем. Платформа компании SSTL, установленная на спутнике «Target», управляет камерой высокого разрешения и освещением для записи последовательностей захвата во время отсутствия солнечного света. Эти две технологии (КРНС, применение камер) потенциально являются базовыми технологиями для
Рис. 2. Сборка КА «ELSA-d»: «Chaser» (1)
c прикрепленным спутником «Target» (2)
Укажем на некоторые ключевые возможности космического аппарата «ELSA-d»:
• поиск, сближение и стыковка с использованием навигационных средств;
• осмотр с облетом объекта и проведением его оценки оператором;
• наличие стыковочной плиты и магнитного захвата стабилизированного или беспорядочно вращающегося объекта в ночных условиях (впервые было испытано на орбите 25 августа 2021 года);
• повторное выведение на рабочую орбиту или сведение с орбиты.
Параллельно с этим проектом Astroscale разрабатывает стыковочную плиту нового поколения «DP» (Docking Plate) (в противовес более сложным устройствам стыковки), которая устанавливается на спутниках-клиентах перед запуском и предназначена для того, чтобы позволить, в случае необходимости, работать со своими спутниками в целях обеспечения будущего обслуживания на орбите, их удаления из-за сбоя или по окончании срока службы.
После проведения успешных испытаний новый СКА «Chaser» будет использован для безопасного удаления наиболее опасного мусора с орбиты и в дальнейшем, в качестве базового элемента, будет представлен для серийного производства («ELSA-M») и применения (рис. 3).
В целях своего дальнейшего развития Astroscale приобрела в 2020 году израильскую компанию Effective Space Solutions R&D Ltd. (ESS) (позднее переименованную в Astroscale Israel Ltd.), которая разрабатывает обслуживающий аппарат «Space Drone» и будет заниматься проведением исследований по обслуживанию аппаратов и разработкой полезной нагрузки для продления сроков активного существования КА. Благодаря последним инвестициям Astroscale становится самой фи-
нансируемой компанией в мире по оказанию услуг пании Аз1:гозса1с. основанной в 2013 году работает и логистики на орбите. В настоящее время в ком- 140 человек на пяти континентах.
СКА ELSA-M
Клиент 2
Клиент 3
орбиты
Рис. 3. Схема применения СКА «ELSA-M»
о-рбиты
209
Однако заметим, что очистить орбиту от нескольких тысяч потенциально опасных объектов, уже находящимся там, технология Astroscale не в состоянии. Большой вклад здесь могут внести разрабатываемые швейцарской компанией ClearSpace спутники, которые будут работать с помощью манипулятора захвата. Первый такой СКА планируется испытать в 2025 году.
На ближайшую перспективу также следует отметить американскую компанию Starfish Space, которая планирует разработать небольшой космический буксир под названием «Otter» и запустить его в 2023 или 2024 году. Этот аппарат будет предназначен для обслуживания как низкоорбитальных, так и геостационарных спутников, а также для утилизации космического мусора [8].
Одними из первых проблемы продления срока функционирования КА начали исследоваться люксембургской компанией SES и канадской MDA (MacDonald, Detwiller and Associations) (дочерней компанией Maxar Technologies). В 2016 году эти компании сообщили о готовности инвестировать в создание технологий, которые в будущем должны обеспечить дозаправку спутников, находящихся на орбите, а также замену установленной на них полезной нагрузки.
В рамках данной деятельности компания MDA разработала орбитальный танкер-заправщик, который стыкуется с обслуживаемыми спутниками, заправляя их топливом. Первое из подобных заправочных устройств установлено на спутнике «SES-16», заказчиком которого для нужд министерства обороны страны и других союзников по НАТО выступило совместное предприятие SES и правительства Люксембурга LuxGovSat. Запуск «SES-16/ GOVSAT-1» был произведен 31 января 2018 года с помощью ракеты-носителя (РН) «Falcon-9».
И если большинство СКА рассматриваются для широкого применения, то в то же время можно привести в пример космический корабль
«Starship», который разрабатывается компанией SpaceX для работы в пилотируемом или грузовом варианте, а также в качестве танкера для дозаправки на орбите других космических кораблей ограниченного класса применения [9].
Обслуживание на орбите в последнее время быстро набирает обороты, поскольку стартапы, предназначенные для поиска и воплощения новых бизнес-моделей, а также отраслевые гиганты разрабатывают и демонстрируют практически действующие образцы СКА.
Так, в апреле 2021 года NASA и компания Maxar Technologies провели исследование по вопросу «Критического анализа проекта для размещения КА на орбите по обслуживанию, сборке и производству», в результате которого приступили к разработке КА «OSAM-1» (On-orbit Servicing, Assembly and Manufacturing).
КА «OSAM-1» впервые в истории осуществит с помощью роботизированной системы заправку спутника дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) «Landsat-7» (США), запущенного в 1999 году и исчерпавшего запасы топлива. СКА «OSAM-1» будет состоять из обслуживающего модуля с двумя роботизированными манипуляторами, которые будут установлены на корпусе этого космического аппарата (рис. 4) [10].
Платформа «OSAM-1» (рис. 5) также включает в себя модуль «SPIDER» (Space Infrastructure Dexterous Robot), который предназначен для сборки в космосе сложных конструкций. Модуль «SPIDER» будет дополнительно использовать третью роботизированную руку длиной 5 м для сборки антенны связи диаметром 3 м из семи элементов и легкой 10-метровой балки. Антенная система предназначена для приема сигнала в Ka-диапазоне с наземной станции. По замыслу разработчиков эксперимент продемонстрирует возможность сооружения крупных структур в космосе без непосредственного участия со стороны людей.
Рис. 4. OSAM-1 (слева) готовится к дозаправке Landsat-7
Модуль «SPIDER» позволит обеспечить:
• использование новых архитектур и возможностей для широкого круга государственных и коммерческих задач;
• возможность создания в космосе больших коммуникационных антенн и телескопов;
• устранение ограничений по объему установленных РН;
• выполнение с помощью высокоточной робототехники миссий, ранее связанных с выходом астронавтов в открытый космос.
Рис. 5. Платформа заправщик OSAM-1
На снимке (рис. 5) изображена разрабатываемая платформа СКА «08ЛМ-1». Платформа высотой 4,27 метра обеспечит «08ЛМ-1» энергией и возможностью маневрирования на орбите с шестью направлениями перемещения. Чтобы сделать эти маневры возможными внутри главного цилиндра находятся два больших топливных бака, а на верхней и нижней палубах космическо-
Том 6
го заправщика установлены двигатели подруливающих устройств. Две серебряные сферы заполнены монотопливом (топливо, содержащее в своем составе одновременно горючее и окислитель), которое будет использоваться для обеспечения целевого спутника-клиента «OSAM-1», а именно «Landsat-7», дополнительным топливом, чтобы продемонстрировать, что роботизированная дозаправка спутника возможна.
Поскольку конструкция «Landsat-7» не предусматривает возможности орбитальной дозаправки, конструкторам «OSAM-1» пришлось прибегнуть к сложной схеме. Чтобы провести дозаправку аппарату придется снять с «Landsat-7» теплоизоляционное покрытие, открутить крышку заправочного клапана, подсоединить к нему заправочное устройство и перекачать топливо. По завершении операции «OSAM-1» должен будет вернуть крышку и теплоизоляцию на место (рис. 6).
Данные операции позволят продемонстрировать и подтвердить потенциал многих технологий, инструментов и методов, которые выведут будущие космические миссии на новые горизонты для исследования космоса. «OSAM-1» планируется запустить в конце 2022 года.
Еще одним из ближайших космических изделий сервисного направления стала опытная база-заправщик производства компании Orbit Fab (США) [11]. Согласно имеющейся информации, первая действующая топливная база-заправщик «Orbit Fab Tanker-001 Tenzing», весом всего 35 кг, была запущена 30 июня 2021 года РН «Falcon 9» (рис. 7). «Tanker-001 Tenzing» будет хранить высококонцентрированный пероксид (HTP) или ксенон на солнечно-синхронной орбите для дозаправки других космических аппаратов с помощью клапана «RAFTI» (Rapidly Attachable Fluid Transfer Interface - быстро присоединяемый жидкостной интерфейс передачи).
Отметим, что заправочный порт RAFTI (рис. 8) предназначен для перекачки различных жидкостей, в том числе сверхкритических (ксенон), жидкостей под низким давлением и газов под высоким давлением (34 и 204 атмосферы соответственно).
Топливные хранилища «Orbit Fab» предназначены для обслуживания широкого перечня космических аппаратов, в том числе и военных, с комплектом стыковки «Self-Driving Satellite», известным как «SPARK», без использования сложных роботизированных манипуляторов [12].
«SPARK» и «RAFTI» были разработаны в сотрудничестве с 50 компаниями и организациями и, как ожидается, станут общими для спутникового обслуживания стыковочными и заправочными интерфейсами.
в г
Рис. 6. Этапы заправки КА «Landsat-7»: а - удаление теплоизоляции; б - откручивание крышки заправочного клапана; в - подсоединение заправочного устройства; г - перекачка топлива
Рис. 7. Топливная база (склад) «Tanker-001 Tenzing»
Основные характеристики рассмотренных СКА представлены в табл. 2.
Одновременно с запуском «Tanker-001 Tenzing» той же РН для тестирования маневров были запущены две ионные космические силовые установки с электрораспылением «TILE-2» (компании Accion Systems) на борту микроспутника «Astro Digital». Благодаря встроенным функциям наведения, навигации и управления эти небольшие двигатели для технического обслуживания могут осуществлять маневрирование в восемь раз
дольше, чем ближайшие существующие аналоги, что увеличивает долговечность и универсальность их применения, в том числе для увода КА с орбиты.
Планируется, что в содружестве с Orbit Fab будет работать компания SCOUT, специализирующаяся на создании КА-инспекторов. В ходе проведения испытаний и отладки «Orbit Fab» предполагается, применительно к «Tanker-001 Tenzing», с помощью камер «Scout-Vision» осуществить наблюдение и контроль процесса стыковки и заправки.
Том 6
212
Рис. 8. Сервисный клапан RAFTI для заправки спутников
Таблица 2
Основные характеристики сервисных космических аппаратов
Наименование КА «SIS»— «SES-16» «ELSA-d» «OSAM-1» «Orbit Fab Tanker-001 «MEV-1», «MEV-2»
«GOVSAT» Tenzing»
Разработчик MDA, Немецкий AstroScale, NASA, Orbit Fab, США Northrop
Канада центр аэро- Сингапур, Maxar Grumman,
космиче- Великобритания Technologies, США
ских иссле- США
дований,
ФРГ
Назначение Заправка Буксир де- Буксировка, уда- Заправка Заправка перок- Буксир
топливом монстратор ление космиче- роботизи- сидом или ксе-
установка ского мусора рованной ноном
ПН рукой
Запуск/ 31.1.2018 -/2009 23.03.2021 2022-2024/ 30.06.2021 9.10.2019 и
разработка 2021 15.08.2020
Основные
параметры: - вес; 180+20 кг 35 кг 2326 кг
- САС; - 12 лет - - - -
- габариты. - - 0,6 м макс 4,27м - -
Модули + Стыковка с Стыковочная - SPARK/RAFTI Стыковка с
стыковки/ основным плита DP основным
заправки двигателем двигателем
Доп. функции Перевод на другие орбиты Сборка конструкции Инспекция с Scout Vision, маневрирование с ЭРДУ «TILE-2»
Оценивая технологию применения заправщиков нельзя не заметить, что они способны практически обслужить только несколько спутников-целей из группировок КА, находящихся в одной плоскости. Их главная цель на ближайшую перспективу - геостационарная орбита. Такое приме-
нение объясняется тем, что изменение плоскости орбиты по сравнению с изменением высоты орбиты потребует значительного расхода энергетического ресурса (топлива).
В целях дальнейшего развития программы «MEV» компания Northrop Grumman по контрак-
ту с DARPA планирует в 2024 году начать испытания нового поколения аппаратов обслуживания «MRV» (Mission Robotic Vehicle). Предполагается, что они смогут проводить ремонт космических аппаратов, а также устанавливать на них модули «МЕР» (Mission Extension Pods), которым предстоит выполнять те же функции, что и «MEV», но при этом будут иметь меньшие размеры [13].
Некоторые компании, например, японская компания-стартап Gital, уже разрабатывают роботов для ряда общих целей в космосе, включая обслуживание космических аппаратов на орбите, строительные или производственные задачи. Первые испытания проведены на борту МКС.
Таким образом, из представленного выше материала видно, что тема создания сервисных КА приобретает значимую актуальность и в ближайшей перспективе получит свое дальнейшее развитие.
2. Ближайшие перспективы и характер направлений развития сервисного обслуживания КА
В компании Northern Sky Researh (NSR), занимающейся анализом перспективных тенден-
Оценка космической обстановки 15%
Активное удаление мусора 1%
Применение робототехники 10%
Спасение
12%
ции развития космических технологии, в отчете «In-Orbit Servicing» («обслуживание на орбите») заявили, что по состоянию на конец 2020 года 533 действующим КА необходимо обслуживание на орбите. Сведение КА с орбиты составит большую часть этого рынка. По оценке NSR это 324 спутника. А вышедшая в апреле 2020 года новая инструкция Федеральной комиссии по связи США фактически подталкивает развитие бизнеса по обслуживанию на орбите КА с помощью сервисных космических аппаратов [14].
В отчете компании NSR прогнозируется, что в следующие восемь лет развивающийся рынок спутникового обслуживания оценивается более чем в 4,5 млрд. долларов США [15]. Оценка совокупного мирового дохода рынка сервисных услуг на этот период в процентном соотношении (по типу услуг) представлена на рис. 9 [16].
Подтверждением потребности в сервисных услугах только по коммерческим геостационарным спутникам связи служит диаграмма оценки количества спутников, достигающих конца срока службы (рис. 10) [16].
Не остаются в стороне и малые космические аппараты (МКА). В декабре 2022 года компанией Lockheed Martin планируется размещение на гео-
Сведение с орбиты
6%
Перемещение 5%
Рис. 9. Оценка совокупного мирового дохода по типу услуг
213
25
20
15
10
I
2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030
Рис. 10. Оценка количества коммерческих геостационарных спутников связи, достигающих конца срока службы
5
стационарной орбите двух микро КА «LINUSS» размером 12U. Их целью заявлен сбор доказательств того, что МКА способны решать задачи по модернизации группировок, дозаправке и перемещению КА. Предполагается, что в будущем они будут обслуживать КА «GPS-3F» космической радионавигационной системы Navstar [17].
Рынок по созданию сервисных космических услуг на настоящий момент очень молод, но зато имеет перспективы роста.
Во-первых, большой интерес в этом плане представляет решение проблем со стыковкой раз-214 личных по типу и по классу КА и доставкой дополнительной полезной нагрузки. Понятно, что реализация сервисных услуг не будет направлена на большинство КА, она будет направлена, прежде всего, на эксклюзивные и востребованные КА связи и ДЗЗ. В какой-то мере это коснется научных и навигационных спутников. В военной сфере сервисному применению, конечно же, тоже найдется достойное место.
Вторая проблема при эксплуатации спутников - моральное старение. Спутник на орбите по прошествии определенного времени еще работоспособен, а на Земле уже сменились стандарты, протоколы и т. д. И такие аппараты тоже требуют обслуживания [18].
Особенное применение может быть реализовано по отношению к экспериментальным КА. Дорогостоящие экспериментальные или новые аппараты, находящиеся в отработке, часто нуждаются в мониторинге, когда с помощью только одной телеметрии нельзя ответить на возникающие вопросы и проблемы. С точки зрения военного применения, такие СКА можно использовать также в целях уточнения характеристик космических аппаратов противоборствующей стороны.
Как таковой, единой целенаправленной государственной структуры сервисного космического обслуживания не существует ни в одной из ведущих космических держав, включая и США. Однако в NASA и его подразделениях функционируют структуры спутникового обслуживания, которые работают на внедрение новой парадигмы: роботизированное обслуживание спутников.
Современный этап развития космических средств сервисного обслуживания предполагает наличие некоторого времени на проведение определенных научно-исследовательских и опытных конструкторских работ (НИОКР) на затронутую тему. Но, тем не менее, уже сейчас, не дожидаясь окончания НИОКР, многим предприятиям-изготовителям соответствующей космической техники стоит подумать над проработкой эскизных проектов типовых стыковочных устройств или стыковочных плит будущих образцов космических аппаратов.
Во-первых, это касается топливных и электрических узлов, которые к концу окончания за-
Том 6
пасов топлива (расчетного срока эксплуатации) должны гарантированно обеспечить стыковку и перекачку топлива с космического аппарата-заправщика. Это касается вновь проектируемых космических аппаратов определенного назначения и сервисных космических аппаратов. Причем, эта работа должна вестись не изолированно на каждом отдельном предприятия, а в содружестве с родственными предприятиями, создающими подобную продукцию. Особенно это касается создания и унификации телекамер космического исполнения и соответствующего математического обеспечения для реализации роботизированной функции выбора стыковочного узла на обслуживаемом КА [19].
Разрабатываемые стыковочные узлы или плиты, конечно же, должны быть унифицированы с большинством космических аппаратов, и если не в виде международных стандартов, то хотя бы в масштабах сообщества ведущих космических государств.
Во-вторых, следует иметь ввиду, что заправка - это всего лишь один из первых и главных этапов развития сервисных космических услуг. За ним может последовать возможный ремонт с заменой определенных элементов и узлов, установка дополнительной полезной нагрузки и т. п. Разработчики КА, понимая, что может понадобиться в ближайшей перспективе при эксплуатации спутников, должны предусмотреть соответствующие конструктивные решения.
Заключение
Опираясь на зарубежный опыт в области создания сервисного обслуживания космических аппаратов, следует учесть, что проектирование и создание подобных СКА должно охватывать весь спектр их возможных применений (заправка, ремонт, сборка космических конструкций, перевод на другие орбиты и т. д.), вплоть до снятия и возвращения КА обратно на орбиту.
Практически все перспективные КА, запускаемые на низкие околоземные орбиты, в целях борьбы с космическим «мусором» должны будут после израсходования ресурса и выполнения задачи завершать свою работу с помощью малогабаритных тормозных установок, устанавливаемых до запуска на КА, если иное не предусмотрено конструкцией или технологией использования аппарата. Подтверждением возможности выполнения этого требования является производство компанией Acción Systems малых двигателей «Tile 2» для снятия с орбиты микро- и наноспут-ников и предотвращения столкновений.
Космические аппараты, которые могут иметь больший технический ресурс полезной нагрузки (после израсходования топлива), должны
быть оборудованы соответствующими интерфейсами либо для возможности дозаправки в космосе, либо для стыковки с новыми поддерживающими КА типа «MEV», «Orbit Fab», «Osam-1».
Внедрение операции заправки в структуру эксплуатации КА позволит компаниям-производителям космической техники частично перенести расходы со строительства новых аппаратов на эксплуатацию существующих, и тем самым
повысить свою эффективность и экономию ресурсов.
Ожидается, что спутниковое обслуживание станет одним из основных направлений космической деятельности в течение ближайших нескольких лет, учитывая значительные преимущества более гибкого управления парком спутников и успех 2020 года первой коммерческой услуги Northrop Grumman.
Список литературы
215
[1] Пентагон опубликовал доктрину космических сил США [Электронный ресурс]. URL: https://tvzvezda.ru/ news/20208122011-q1IVa.html (дата обращения: 24.06.2021).
[2] Новая орбитальная станция будет собирать конструкции для дальних полетов [Электронный ресурс]. URL: https://tass.ru/kosmos/8582857 (дата обращения: 24.06.2021).
[3] Китай планирует создать космический аппарат для продления срока службы спутников на орбите [Электронный ресурс]. URL: https://novosti-kosmonavtiki.ru/news/39197/ (дата обращения: 24.06.2021).
[4] Успешный запуск Eutelsat-5WB и MEV-1 [Электронный ресурс]. URL: https://omega_hyperon.livejournal. com/23621.html (дата обращения: 20.07.2021).
[5] Катькалов В. Б. Перспективы развития спутниковых услуг // Интеллектуальные технологии на транспорте. 2020. № 1. С. 24-31.
[6] Немецкие инженеры разрабатывают космический реаниматор для спутников [Электронный ресурс]. URL: https:// https://focus.ua/lifestyle/86108 (дата обращения: 13.04.2021).
[7] Спутник по удалению космического мусора готовится к запуску на Байконуре [Электронный ресурс]. URL: https://roscosmos.ru/30073/ (дата обращения: 13.04.2021).
[8] Starfish Space привлекла $7 млн на разработку космического буксира Otter [Электронный ресурс]. URL: https://rossaprimavera.ru/news/b4837f61 (дата обращения: 13.09.2021).
[9] «Старшип» Илона Маска снова взорвался при посадке. Каким должен стать корабль для полета к Марсу? [Электронный ресурс]. URL: https://www.bbc.com/russian/features-55618589 (дата обращения: 13.09.2021).
[10] NASA's On-orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing 1 Mission Ready for Spacecraft Build [Электронный ресурс]. URL: https://www.nasa.gov/image-fearnre/goddard2021/nasa-s-on-orbit-servicing-assembly-and-manufacturing-1-mission-ready-for-spacecraft (дата обращения: 21.05.2021).
[11] Orbit Fab to launch first fuel tanker in 2021 with Spaceflight [Электронный ресурс]. URL: https://spacenews.com/ orbit-fab-to-launch-with-spaceflight/ (дата обращения: 21.05.2021).
[12] Orbit Fab and Benchmark Space Systems to partner on in-space refueling technologies [Электронный ресурс]. URL: https://spacenews.com/orbit-fab-and-benchmark-space-systems-to-partner-on-in-space-refueling-technologies/ (дата обращения: 21.05.2021).
[13] Аппарат для продления миссий состыковался со спутником на геостационарной орбите [Электронный ресурс]. URL: https:// https://nplus1.ru/news/2021/04/13/mev2 (дата обращения: 21.05.2021).
[14] Прогноз: огромный спрос на обслуживание спутников на орбите [Электронный ресурс]. URL: https:// satcomrus.ru/media/blog/files/3c661eb59951489e3f3902def5d9332f-837.html (дата обращения: 21.05.2021).
[15] Услуги на орбите - Полный отчет [Электронный ресурс]. URL: https://espi.or.at/publications/espi-public-reports/category/2-public-espi-reports (дата обращения: 18.06.2021).
[16] In-Orbit Servicing & Space Situational Awareness Markets, 4th [Электронный ресурс]. URL: https://www.nsr. com/?research=in-orbit-servicing-space-situational-awareness-markets-4th-edition (дата обращения: 28.09.2021).
[17] Запуски ракет-носителей и космических аппаратов в 2017-2020 гг. Раздел Запуски. Статистика произведенных (запущенных) ракет и космических аппаратов по странам [Электронный ресурс]. URL: https://www.ecoruspace. me/%D0%97%D0%B0%D0%BF%D1%83%D1%81%D0%BA%D0%B8+2021+%D0%B3%D0%BE%D0%B4% D0%B0.html (дата обращения: 12.08.2021).
[18] Спутники будущего: взгляд генконструктора. Полный конспект беседы с Виктором Хартовым в рамках встречи «Космос без формул» в Московском музее космонавтики [Электронный ресурс]. URL: https:// zelenyikot.com/satellite-future/ (дата обращения: 20.08.2021).
[19] Современные проблемы анализа и синтеза космических систем. Тема 3. Техническое обслуживание космических аппаратов на орбите. Презентация ЦНИИмаш [Электронный ресурс]. URL:https://slide-share.ru/sovremennie-problemi-analiza-sinteza-kosmicheskikh-sistemtema-3tekhnicheskoe-299580 (дата обращения: 18.06.2021).
(oCMI/IHEclilE
A n il A PAT bl l/l
TEXHonorrai
№ 3 (41) 2022
TOM 6
SERVED SPACE: NEW ACHIEVEMENTS AND PERSPECTIVES
V. B. Katkalov, M. L. Morozova
Military (Research Institute) Institute Military Space Academy, Saint Petersburg, Russian Federation
216
The number of works aimed at developing technologies for services in space has increased significantly over the past five years. In addition to such industrial giants as Orbital-ATK, Northrop Grumman, MDA, Maxar Technologies, startups are also entering the service market that develop and demonstrate practically operating technologies. Given this trend, it is expected that maintenance in space will become a hot topic over the next few years. The article discusses the designed and operating service spacecraft of foreign countries, the state and directions of their development. Brief characteristics and capabilities of service spacecraft are given. The directions of solving the main tasks for the design and manufacture of promising service spacecraft are outlined. Satellites MEV-1 and MEV-2, manufactured by Northrop Grumman, ELSA-d, manufactured by Astroscale and SSTL, and See also OSAM-1 by Maxar Technologies, which allows robotic refueling in space and demonstrates the possibility of constructing large structures in space without direct human involvement. The results of a study carried out using available Internet sources are summarized and presented in this material. The purpose of the article is to analyze the need, ways and methods of development of services, to assess the prospects of the technologies used.
Keywords: service spacecraft, spacecraft maintenance, spacecraft refueling, monitoring of spacecrafts, spacecraft maneuvering, satellite service, spacecraft service life.
References
[1] Pentagon opublikovaldoctrinu kosmicheskih silSSHA [The Pentagon has published the doctrine of the US space forces]. Available at: https://tvzvezda.ru/news/20208122011-q1IVa.html (accessed 24.06.2021). (In Russian)
[2] Novaya orbitalnaya stancia budet sobirat konstruktii dlya dalnihpoletov [The new orbital station will assemble structures for long-distance flights]. Available at: https://google.com/amp/s/tass.ru/kosmos/8582857/amp (accessed 24.06.2021). (In Russian)
[3] Kitay planiruet sozdat kosmicheskiy apparat dlya prodleniya sroka slujbi sputnikov na orbite [China plans to create a spacecraft to extend the service life of satellites in orbit]. Available at: https://novosti-kosmonavtiki.ru/news/39197/ (accessed 06.24.2021). (In Russian)
[4] Uspeshni zapuskEutelsat-5WB iMEV-1 [Successful launch of Eutelsat-5WB and MEV-1]. Available at: https://omega_ hyperon.livejournal.com/23621.html (accessed 20.07.2021). (In Russian)
[5] Katkalov V. B. Perspectivy razvitiya sputnikovih uslug [Prospects for the development of satellite services] // Intellectual Technologies on Transport, 2020, no. 1, pp. 24-31. (In Russian)
[6] Nemetskie injeneri razrabativaut kosmicheskiy reanimator dly sputnikov [German engineers are developing a space resuscitator for satellites]. Available at: https://focus.ua/lifestyle/86108 (accessed 13.04.2021). (In Russian)
[7] Sputnik po udaleniu kosmicheskogo musora gotovitsya k zapusku na Baykonure [The satellite for space debris removal is being prepared for launch at Baikonur]. Available at: https://roscosmos.ru/30073/ (accessed 13.04.2021). (In Russian)
[8] Starfish Space privlekla $7 mln na razrabotku kosmicheskogo buksira Otter [Starfish Space raised $7 million for the development of the Otter space tug]. Available at: https://rossaprimavera.ru/news/b4837f61 (accessed 13.09.2021). (In Russian)
[9] «Starship» Elona Muska snova vzorvalsyapri posadke. Kakim dolzhen stat korabl dlyapoleta kMarsu? [Elon Musk's «Starship» exploded again on landing. What should be the ship for the flight to Mars?]. Available at: https://www.bbc. com/russian/features-55618589/ (accessed 13.09.2021). (In Russian)
[10] NASA's On-orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing 1 Mission Ready for Spacecraft Build. Available at: https:// www.nasa.gov/image-feature/goddard/2021/nasa-s-on-orbit-servicing-assembly-and-manufacturing-1-mission-ready-for-spacecraft (accessed 21.05.2021).
[11] Orbit Fab to launch first fuel tanker in 2021 with Spaceflight. Available at: https://spacenews.com/orbit-fab-to-launch-with-spaceflight/ (accessed 21.05.2021).
[12] Orbit Fab and Benchmark Space Systems to partner on in-space refueling technologies. Available at: https://spacenews. com/orbit-fab-and-benchmark-space-systems-to-partner-on-in-space-refueling-technologies/ (accessed 21.05.2021).
[13] Apparatdlyaprodleniya missiy sostikovalsya so sputnikom nageostatyionarnoy orbite [The apparatus for the extension of missions docked with a satellite in geostationary orbit]. Available at: https://nplus1.ru/news/2021/04/13/mev2 (accessed 21.05.2021). (In Russian)
[14] Prognoz: ogromniy spros na obsluzivanie sputnikov na orbite [Forecast: huge demand for servicing satellites in orbit]. Available at: https://satcomrus.ru/media/blog/files/3c661eb59951489e3f3902def5d9332f-837.html (accessed 21.05.2021). (In Russian)
[15] Services in orbit - Full report. Available at: https://espi.or.at/publications/espi-public-reports/category/2-public-espi-reports (accessed 18.06.2021).
[16] 4th edition «In-Orbit Service Markets and Situational Awareness in Space» NSR (IoSM4). Available at: https://www.nsr. com/?research=in-orbit-servicing-space-situational-awareness-markets-4th-edition (accessed 28.09.2021).
[17] Zapuski raket-nositeley i kosmicheskih apparatov v 2017-2020 g.g. Razdel Zapuski. Statistika proizvedennih (zapuschennyh) raket i kosmicheskih apparatov po stranam [Launches of carrier rockets and spacecraft in 2017-2020. Section Launches. Statistics of manufactured (launched) rockets and spacecraft by country]. Available at: https:// 217 ecoruspace.me (accessed 12.08.2021). (In Russian)
[18] Sputniki buduschego: Vzglyadgenkonstruktora [Satellites of the future: the view of the general designer]. Available at: https://zelenyikot.com/satellite-future/ (accessed 20.08.2021). (In Russian)
[19] Sovremennye problem analiza i sinteza kosmicheskih system. Tema 3. Technicheskoe obsluzhivanie kosmicheskih apparatov na orbite [Modern problems of analysis and synthesis of space systems. Topic 3. Maintenance of spacecraft in orbit]. Available at: https://slide-share.ru/sovremennie-problemi-analiza-sinteza-kosmicheskikh-sistemtema-3tekhnicheskoe-299580 (accessed 18.06.2021). (In Russian)
Сведения об авторах
Катькалов Валентин Борисович - старший научный сотрудник лаборатории Военного института (научно-исследовательского) Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского. Окончил Военно-космическую академию имени А. Ф. Можайского в 1975 году. Область научных интересов: космическая техника, космические радиотехнические системы.
ORCID: 0000-0001-5657-6648
Морозова Мария Львовна - научный сотрудник лаборатории Военного института (научно-исследовательского) Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского. Окончила Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена в 2001 году. Область научных интересов: космические аппараты.
ORCID: 0000-0002-2330-8687
