?

Log in

No account? Create an account

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»


promo lozga november 4, 2014 17:00
Buy for 20 tokens
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
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.

  • 1