Научно-популярно о космосе и астрономии

Предыдущий пост Поделиться Следующий пост
Космические заправщики
lozga
01.jpg

История со спутником MUOS 5, который застрял по дороге на целевую орбиту, породила вопросы о возможности дозаправки спутников на орбите другими, специальными, спутниками. Давайте разберемся, где и как физика позволяет заправлять спутники, кого дозаправляют уже лет сорок, а также какие проекты космической дозаправки (и не только) были и планируются.

Немного физики


Для того, чтобы понять, кого и где можно заправлять, давайте сначала разберемся, насколько сложной является задача создания спутника-заправщика. Логично предположить, что такой танкер должен будет перемещаться между спутниками-целями и последовательно заправлять их. И тут возникает проблема расхода топлива на такие перемещения.

02.gif

На низких орбитах спутники летают в кажущемся хаосе, для перехода от одного спутника к другому нужно будет менять и высоту орбиты и наклонение. Сейчас есть хорошие онлайн-ресурсы, вы можете сами посмотреть, насколько различаются орбиты у разных спутников:

  • Здесь показывается орбита аппарата.

  • А здесь - траектория относительно вращающейся Земли.


Если изменить высоту орбиты сравнительно дешево, например, с 200х200 км подняться на 400х400 можно, потратив по формуле

03.jpg

всего 115 м/с, то с изменением наклонения все очень печально. Для круговой орбиты изменение наклонения на 45° обойдется нам по формуле

04.jpg

в 11 км/с, больше, чем вывод спутника на орбиту. Отсюда следует, что:

Спутник-танкер, способный обслуживать несколько спутников-целей, имеет смысл только для группировок спутников, находящихся в одной плоскости.


Есть ли такие группировки? Да, есть.

05.jpg

По 8 спутников в одной плоскости находятся у GPS/ГЛОНАСС. В этих плоскостях спутникам иногда приходится маневрировать для замещения вышедших из строя, но на высоте 20000 км серьезных помех нет, и топливо на поддержание орбиты тратить не надо. В одной плоскости также находятся все аппараты на геостационарной орбите. И тут как раз есть систематически действующая помеха. Из-за воздействия Луны спутникам постоянно приходится тратить топливо на поддержание требуемой точки стояния, и, учитывая надежность современных электронных компонентов, иногда бывает так, что исправный спутник сходит со своего места и перестает приносить деньги из-за закончившегося топлива.

Вывод: Главная цель для спутников-заправщиков - геостационарная орбита.

Немного истории


06.jpg

Об этом мало задумываются, но дозаправка объектов в космосе успешно используется уже лет сорок. Правда, заправляют не спутники, а орбитальные станции. Начиная с "Салюта-6" (выведен на орбиту в 1977) советские/российские орбитальные станции дозаправляются топливом с грузовых кораблей "Прогресс". Орбитальные станции регулярно тратят топливо на подъем орбиты и маневры по уклонению от космического мусора, поэтому дозаправка продлевает срок их существования. Но "Прогрессы" работают одноразовыми заправщиками и не перелетают к другим целям. Подобное можно реализовать и для спутников, но здесь встает вопрос экономической целесообразности заправки только одной цели.

Что же касается дозаправки именно спутников, то эта технология находится на уровне отдельных экспериментов. В 2007 году по программе Orbital Express на орбиту были запущены два специально созданных спутника - ASTRO и NEXTSat.

07.jpg

На орбите ASSTRO сблизился и состыковался с NEXTSat. Затем он перелил в NEXTSat топливо (гидразин) и заменил специальный модуль ORU, который символизировал аккумуляторы спутника. Миссия прошла успешно, подобные технологии предлагалось использовать для военных спутников, но информации об их использовании с тех пор нет.

08.jpg

В 2011 году последним рейсом шаттла на МКС был доставлен экспериментальный стенд Robotic Refueling Mission, на котором должны были отрабатываться технологии обслуживания и дозаправки спутников, не созданных специально для такой дозаправки. Поэтому на стенде были специальные инструменты для срезания фиксирующей заправочные горловины проволоки и откручивания крышек с уплотнителями. Вот видео с анимацией и наземными испытаниями:



В январе 2013 года стенд был успешно испытан на МКС. Стандартные одноразовые заправочные горловины, через которые спутники заправляли на Земле, были вскрыты, и с ними успешно соединился заправочный манипулятор. В августе того же года на МКС доставили дополнительное оборудование - новые блоки со спутниковыми клапанами и горловинами, а также бороскоп для наблюдения за "починкой спутника изнутри". Но это оборудование до сих пор не испытано.

В 2011 году канадская фирма MacDonald, Dettwiler and Associates объявила о создании спутника Space Infrastructure Servicing для геостационарной орбиты, но уже в 2012 году проект был заморожен из-за отсутствия потенциальных заказчиков.

Немного новостей


09.jpg

Летом 2016 года NASA объявило о создании спутника Restore-L, который в середине 2020-х должен будет состыковаться и дозаправить спутник дистанционного зондирования Земли Landsat-7 (запущен в 1999) на полярной орбите. Использование этой орбиты означает, что заправщик будет одноразовым, но в документах также упоминается версия Restore-G для геостационарной орбиты.

В конце июня этого года космическое агентство Китая объявило об успешной дозаправке спутника на орбите. Два специальных спутника были запущены 25 июня на первом пуске новой ракеты-носителя "Великий поход-7". За прошедшее время не появилось фотографий или видео, логично предположить, что эксперимент был похож на Orbital Express.

10.jpg

Весной этого года появились новости о подписании контракта между Orbital и Intelsat о запуске в 2018 спутника Mission Extension Vehicle, который должен будет на пять лет продлить срок службы спутника с закончившимся топливом. Интересно, что с инженерной точки зрения задача здесь будет решаться по-другому. Вместо того, чтобы заморачиваться с открытием заправочных магистралей на спутнике сложными инструментами, как это предлагается в Robotic Refuelling Mission, спутник MEV просто жестко зафиксируется о маршевый двигатель и кольцо адаптера вокруг него у спутника-цели. В результате MEV станет не танкером, а буксиром, который будет перемещать и поворачивать спутник-цель своими двигателями. Аппарат будет, скорее всего, одноразовым, но, теоретически, при наличии запаса топлива и выхода из строя цели, никто не помешает перелететь к другому спутнику.

Немного шпионажа


11.jpg

Специфика баллистики геостационарной орбиты означает, что можно, выйдя на нее и чуть-чуть затормозив, перейти на такую орбиту, которая будет посещать другие точки стояния. При необходимости можно задержаться в нужной точке, немного разогнавшись. Это свойство, удобное для спутников-танкеров, можно использовать и в менее альтруистичных интересах. Буквально на днях в космос отправились два спутника постройки уже упомянутой выше Orbital ATK. Но спутники GSSAP созданы по заказу Министерства обороны США и будут заниматься наблюдением за спутниками на геостационарной орбите с близкого расстояния. Это вторая пара таких спутников, первые два наблюдают за геостационарной орбитой уже два года. Их маневры не раскрываются широкой публике, а сами спутники слишком маленькие, чтобы быть легко замеченными астрономами-любителями. По слухам, они делают замечательные фотографии спутников на геостационарной орбите, а в недавнем пресс-релизе ВВС США говорилось, что один из свежезапущенных спутников сделает фото аварийного MUOS 5 (это возможно, когда он будет пролетать апоцентр в районе геостационарной орбиты). Одна беда - чтобы увидеть эти фотографии нам надо будет подождать много лет, пока их рассекретят.

Заключение


Технология дозаправки спутников еще не определилась, какой дорогой идти. Может быть, нас ждут заправщики в стиле Robotic Refuelling Mission, а, может быть, буксиры а-ля Mission Extension Vehicle. Экономическая выгода также пока неизвестна, например, в Orbital ATK сравнивают экономический эффект от обслуживания спутников с экспериментами по многоразовым ракетам-носителям Маска. Что ж, поживем - увидим.

attentioneer.jpg

Записи из этого журнала по тегу «облегчение доступа в космос»


промо lozga ноябрь 4, 2014 17:00
Разместить за 20 жетонов
Привет! Добро пожаловать в блог, посвященный популяризации космонавтики, астрономии, и, шире, науки и прогресса человечества. Если вы зашли ко мне впервые, рекомендую почитать длинные серии постов по тегам: Серия "Незаметные сложности космической техники". Рассказы о том, как и почему ракеты и…

  • 1
> Вывод: Главная цель для спутников-заправщиков - геостационарная орбита.

Будто были какие-то сомнения. :) Где бабло висит, там и главная цель. Однако сама идея "заправки" реакционна, что обосновывает её реализацию лишь для уже летающих особо ценных спутников, конструкция которых не предусматривает заправки. Если же очень хочется продлить работу спутника, очевидны более оптимальные варианты:
1. больший изначальный запас топлива (абсолютный минимум затрат, плюс бесплатная защита от радиации)
2. заменяемый модульный бак (как "Прогресс" с перекачкой)
3. заменяемый модуль моторов со своим баком (как "Прогресс" без перекачки)
Всё это разовые решения в порядке возрастания сложности, но все они несравнимо проще и дешевле чем отдельная машина для заправки на орбите.

отправлять на орбиту спутник сразу с большим запасом топлива смысла нет никакого Потому что 100 процентных гарантий выхода на орбиту нет Как и нет 100 процентных гарантий того что спутник вообще отработает положенный ему срок пока не закончится топливо
Не использование технологии дозаправки в настоящий момент лежит скорей всего в технической и финансовой плоскостях Большая сложность и дороговизна Мы конечно всех расчетов не знаем но скорой всего причина именно в этом

У вас проблема с логикой и арифметикой. Разница между двойным запасом и заправщиком -- сам заправщик, и если это условно "Фрегат", то стоит его полёт на ГСО порядка ста мегабаксов. Вероятности успеха двух запусков перемножаются, и если для одного это условно 0.9~0.95, то для двух уже 0.8~0.9. Страховка спутника не увеличится из-за удвоения запаса топлива, а за два запуска страховку придётся заплатить дважды.

Учитывая, что спутник связи стоит 200-300 мегабаксов (не считатя выведения), заправщик вполне может быть коммерчески выгоден.

Далее, технологии выведения на орбиту не стоят на месте. И через десять лет, когда нам спутник потребуется заправлять, заправщик будет существенно дешевле, чем сейчас.

Далее, на момент своего выведения спутник по максимуму использует возможности доступных носителей, и двойной запас топлива попросту нечем вывести. Увеличить запас топлива - уменьшить вес солнечных батарей, передатчиков, антенн или что там еще этому спутнику нужно для выполнения целевой функции.
См также многочисленные проекты многопусковых схем для полета к Луне.

И от того что у нас накроется вывод заправщика, мы не потеряем (в 4-5 раз более дорогой) спутник. Поскольку запуск заправщика можно и повторить через несколько месяцев. Поэтому можно смело считать что вероятность невозможности дозаправки равна вероятности не менее чем двух подряд аварий заправщика.

Сама "потребность заправлять" не существует в природе. Внезапно появилась потенциальная возможность заправлять старые и очень дорогие военные спутники вроде Keyhole, что привлекло внимание и финансирование амовских военных. Также несоответствие ресурса спутника ёмкости его баков можно считать недостатком конструкции с очевидным путём его исправления. Заправщик -- наименее оптимальный из всех путей, хотя для особых случаев (станции на LEO) он оптимален из-за их особенностей (постоянные полёты грузовиков, малый расход топлива). Если спутник с запасом топлива на весь ресурс не помещается в носитель, из этого не следует оптимальность заправщика. Следует неоптимальность спутника, путём исправления которой может быть модульная конструкция спутника по принципу сборной станции -- каждый модуль со своим топливом на весь ресурс, и кластер модулей собран в одной точке ГСО. Если вы готовы стыковать заправщик с избытком топлива (по определению) со спутником с недостатком топлива (по обстоятельствам), оптимальное решение исправляет избытки и недостатки, а спутник получает некоторые экономические выгоды от серийного производства модулей. В результате спутник на ГСО может быть кластером из модулей, каждый из которых независим, и добавляется и удаляется по мере выработки ресурса, а удержание орбиты к тому же более надёжно из-за резервирования. В целом тезис сводится к рациональному взгляду на проблему, а не инерциальному реагированию на потенциальную возможность. Арифметика и логика оказываются не на стороне заправщика.

Edited at 2016-08-22 10:19 (UTC)

То что вы описываете - это теория разумного замысла. Вот сесть на диван и выдумать такую систему спутниковой связи, которая была бы идеально эффективна.

Реальные технические решения так не создаются. Они возникают методом проб и ошибок, эволюционируют. Поэтому решения, которые позволяют исправлять ошибки на лету, а не путем уничтожения старой технической системы и создания новой (тем более что технологии сведения спутников с ГСО у нас пока нет, а места там уже начинает не хватать) - неоценимы.

Когда придумывали Iridium, сделали всё по-своему. Получилось первое в истории серийное производство спутников связи по 5 мегабаксов штука.

Всё обсуждаемое тут оценимо в баксах. Самые новые на сегодня спутники закончат работу через 15 лет, многие не проработают больше 5 лет. Цикл разработки спутника может превышать 5 лет, поэтому начав сегодня делать правильно, можно едва успеть сделать замену нынешним. Все решения для проблем переходных процессов (вроде эмуляции команд старого процессора при переходе на PowerPC у яблочных) заведомо являются заплаткой и не стоят больших усилий. Заправщик старых спутников может быть стоит усилий для военных, у которых спутники могут стоить в разы больше коммерческих. Но для коммерческих на ГСО рационально просто изменить подход к разработке, и делать новые по-новому, а не пытаться заправлять старые, которые были профинансированы, устраивают заказчика и окупятся без всяких заправщиков.


На самом деле стоит вообще забить на ГСО, и разрабатывать низкоорбитальные спутники.
Потому что единственное, для чего годится ГСО, это трансляция телепрограмм.

При двухстороней связи путь отправитель-ГСО-получатель-ГСО-отправитель занимает четверть секунды, что для многих приложений неприемлемо. А поскольку имеет место тенденция запихиваня всего траффика в IP-сети, решения альтернативные ГСО будут забирать на себя и большую часть видеотраффика через посредство всяких нетфликсов.

Опять же сейчас активно разрабатывается тема использования беспилотников (как легче, так и тяжелее воздуха) в качестве аэростатов. Так что может быть через пять-десять лет спутники связи будут вообще не нужны.

Вообще все коммерческие применения космоса - конверсионны. Они выгодны только пока основные затраты по поддержанию инфраструктуры несут военные.

Забить на ГСО не получится по экономическим причинам: следящие антенны стоят в разы дороже прибитых дюбелями к стенке. Также системы вроде Inmarsat лучше работают даже с ГСО из-за проблем передачи канала связи с одного спутника на другой, поэтому их лучше не трогать, а вот сделать правильный спутник (правильную платформу для полезной нагрузки) смысл есть. Качество телефонной связи у Inmarsat на ГСО получается лучше чем у Iridium -- мистика. :)

Относительно "атмосферных спутников", технически это замечательная штука, но сравнивать её со спутником некорректно. Энергии у этой штуки едва хватает чтобы не упасть, а на полезную нагрузку (вроде базовой станции) нет ни запаса массы, ни запаса энергии, ни мощности. Шпионить или фейсбук раздавать они наверно смогут, но заменить спутниковый телефон не получится. Пять спутников Inmarsat дают глобальное покрытие за исключением полюсов -- это реальное достижение космической промышленности, в одном ряду со спутниковой навигацией. Если бы Iridium сделали на сегодняшнем уровне (его технологиям уже лет 20), может он был бы не хуже, но спутников нужно больше.

Время когда космос был конверсионным давно прошло. Сегодня военные вовсю пользуются коммерческой продукцией, потому что более короткий цикл разработки создал разрыв в уровне технологии, который не устраивает самих военных.

У инмарсата - ограниченное число абонентов. И больше он не потянет, не говоря уж о том, что не потянет нормальной по современным меркам полосы пропускания.

Хай-фреквенси трейдинг через инмарсат невозможен. Как и всякая ловля покемонов. И это уже не коммерция, а физика. Ограничение на скорость света. А значит им будут пользоваться только отдельные маргиналы, у которых нет другого выхода. Собственно для связи с кораблями в открытом море он и создавался. И для этой цели и будет использоваться пока не появится более совершенное решение со столь же хорошим покрытием океанов.

Для любых других систем придется так или иначе решать задачу межретрансляторого роутинга, будь ретрансляторы на низкоорбитальных спутниках, аэростатах или чем угодно.
Поскольку проблема будет в том, чтобы обеспечить минимальное время распространения сигнала от одного абонента до другого.

И, на самом деле в сетях с коммутацией пакетов проблему перехода сигнала с маршрута на маршрут, не важно речь идет о первом хопе (с абонентского терминала на первый ретранслятор) или о последующих, решать уже научились. Поэтому система обеспечивающая приемлемое качество VoIP-связи через низколетящие ретрасляторы рано или поздно появится. Кстати, задача "раздавать фейсбук" куда более сложная технически, чем задача "обеспечить телефонную связь". Попробуйте поскачивать фейсбук не через GPRS, а через GSM-ный IP-гейт, если он еще у вашего сотового оператора сохранился. Увидите, что при тех скоростях, при которых обеспечивается нормальное качество разговора фейсбук работает так, что проще застрелиться.

Инмарсату хватает, клиенты довольны, компания создаёт новые сервисы (M2M) и похоже неплохо держится финансово. А HFT к ней никак не относится, лучше бы он вообще был невозможен, равно как и ловля покемонов. Маргиналы -- это все без исключения морские абоненты, куча шахтёров, куча авиации, куча следящего и управляющего оборудования с модемом, ну и простые люди со спутниковым телефоном по цене жопогрейки. Всех устраивает время распространения, иначе не пользовались бы.

Для меня фейсбук -- лишь странный суррогат почты, на который перешли некоторые друзья, в результате чего я туда иногда захожу с ними пообщаться в режиме почты. Иначе он мне даром не нужен, не то что через спутники.

Я думаю есть некая целевая функция, чтобы и транспондеров было много, и топлива хватило. Иначе будет перекос и финансовая неэффективность. Так что в рамках фиксированной грузоподъемности просто так топлива не добавить.

Конечно есть, и размерность этой функции -- баксы. Сегодняшние коммерческие спутники по этой функции удовлетворяют заказчиков. Возня с заправщиками началась от амовских военных, у которых спутники могут стоить и гигабакс, и одновременно летат на LEO (оптическая разведка, радары и т.п.) -- вот им стоит придумывать, по сути эти спутники можно считать необитаемыми космическими станциями. А если нужно 20 лет вместо 15 на ГСО, то оптимальнее долить. В идеале оптимально держать платформу на ГСО в своей точке, и менять на ней модульные транспондеры, модульные баки, и прочее модульное -- по мере расхода. Платформа может быть любого размера, что не только сэкономит, но и откроет новые возможности (большие антенны и т.п.). По сути это развитие спутника в станцию.

Вы не учли возможностей каннибализма. Сдох спутник --- купили за гроши право выкачать с него топливо --- задорого заправили соседа. А то ещё и солнечные панели срезали :)

Конструкция современных спутников не позволит сделать всё это в реальности. Посмотрите как с ними обращаются на заводе, и представьте что это фаберже начали курочить на дистанционном управлении. Раскурочить получится, использовать компоненты -- нет.

> Посмотрите как с ними обращаются на заводе, и представьте что это фаберже начали курочить на дистанционном управлении.

Ну, если вы в космосе будете испытывать проблемы с пылью или собственным весом спутника, как в цехе на Земле, то у вас непременно будут проблемы и с остальным ;)

Edited at 2016-11-28 14:51 (UTC)

А там уже проблемы даже с руками. www . wired . com /2009/02/spacestuff/
Представьте какие будут проблемы, если руки будут в 36ккм от инструмента, и разбирать придётся неразъёмные соединения. Пыли и обломков будет достаточно, а проблем ещё больше. Это решается очень просто, но нужно терпение: если следующее поколение спутников сделать модульным и разборным, то всё получится.

> если следующее поколение спутников сделать модульным и разборным, то всё получится.

Кто бы спорил. Но тут есть радостный ньюанс: на геостационаре в изобилии _уже_ крутятся спутники на шасси от Хьюза (точнее, в девичестве Хьюза, а нынче Боинга), и они как раз в большинстве модульные и разборные. Более того, у большинства из них фарш шасси и фарш заказчика находятся в независимых термоконвертах, что ещё упрощает доступ.

Я крайне скептически отношусь к этой идее. Когда с ней намучаются, к ней будут крайне скептически относиться и её протагонисты. Модульные и разборные они лишь на заводе, где есть оснастка, и всё сделано под руки. На ГСО оно ни модульное, ни разборное, потому что это не заказывали. Время покажет.

Оно разборное не потому, что конструкторам лимиты массы некуда девать, а потому что оно сначала "по три раза сборное". Изготовили модуль --- собрали с тестовым стендом эталонного шасси, помучали, если выжил --- открутили от стенда, положили на склад. Взяли со склада, собрали с тестовым стендом проверок совместимости, помучали, если всё выжило, то открутили, прикрутили в реальный фрейминг. Помучали сначала "все со всеми", потом стали отдельные модули переключать на тестовые заглушки, потом собрали окончательно и протестировали ещё раз. Ну, почти окончательно --- в последний момент поменяли аккумуляторы и ещё чуть-чуть потестировали. Потом тщательно взвесили и спутник, и каждый стенд --- не перепутали ли что с чем, не забыли ли внутри термоконверта какую инструкцию? И торжественно пересчитали четыре комплекта ремувок :)

Мда, только только научимся

доливать гидразин, как приходит время all electric satellite , без гидразина и прочей химии, и в принципе с запасом Ксенона на существенно больший срок (пока СБ не деградируют)

Re: Мда, только только научимся

Пока не выдумали гравицапу, придется тратить какое-то рабочее тело.

Заправщик это бред. а вот буксировщик-корректировщик орбиты с электрореактивным двигателем и ЯЭУ это ИМХО очень даже здраво.

ЯЭУ дороговато и избыточно по мощности будет для одноразового буксира.

естественно многоразовый. и вот его ксеноном периодически надо будет заправлять. Какими-нибудь "Прогрессами".

А других звездолётов, исходя из достижений науки и экономической целесообразности, мне не видно. А что делать? Занижен мой горизонт, скудны и отрывочны мои представления о природе Вселенной и торжестве науки.

На геостационаре проблема заправки уже мало актуальна из-за массового внедрения ионных движков - им ксенона можнно взять лет на 200 без проблем. Так что получается Неуловимый Джо. Единственное очевидное применение для дозаправщиков это запуск чего-то очень тяжелого очень далеко: можно запустить пепелац с полезной нагрузкой но пустыми баками на низкую орбиту, и дозаправить уже там.

проектов мильон было, вплоть до строительства на орбите Луны из неё же, собственно.

потом только людишек загрузить - и алга ))

вопрос затрат ресурсов/"денег" и, следовательно, целесообразности, не раскрыт.

чота одной формулки маловато.

а вы, автор, ещё и на маневрирование замахнулись, бугагашеньки.

потому представляется, что самое простое решение - одноразовый двигательный модуль-буксир с баком горючки )) прицепился и толкает.

потом может отцепиться, нопримерЪ




  • 1
?

Log in