Ближний космос перестал быть недостижимой целью, к которой стремились, игнорируя финансовые издержки. Сегодня это пространство используется для предпринимательской деятельности, военных учений и решения задач, связанных с земными условиями. И теперь, на наших глазах, формируется новая, но столь ожидаемая сфера — космическая логистика. Naked Science рассказывает о том, как человечество решает проблему неэффективного использования ресурсов в космическом пространстве.
Представим себе такой диалог:
— Вчера у меня прокололась шина, поэтому я оставил автомобиль и приобрел новую.
— И у меня недавно новая машина: неожиданно закончился бензин.
Сложно представить себе более нелепый диалог. Похоже на театр абсурда, но это космонавтика.
В случае неисправности оборудования на космическом аппарате, провести ремонт практически невозможно. Такие случаи – большая редкость. Действительно, американские астронавты несколько раз осуществляли ремонт «Хаббла» (главный орбитальный телескоп, доступный для всех астрономов, мог позволить себе такую возможность). Также, однажды они установили новый двигатель на спутник связи Intelsat 603, который не достиг запланированной орбиты.
Ремонт космических аппаратов, выполняемый астронавтами, представляет собой сложный и дорогостоящий процесс, поэтому он целесообразен лишь в редких ситуациях. Успешный ремонт Intelsat 603 стал возможен благодаря его расположению относительно недалеко от Земли. Полёты людей на геостационарную орбиту, где обычно функционируют спутники связи, не практикуются из-за значительного расстояния.
Основная проблема космических аппаратов заключается не в повреждениях, а в исчерпании топлива. Спутник, конечно, не автомобиль, однако и ему требуется топливо. Для поддержания необходимой орбиты и ориентации аппарата в пространстве требуется периодическое включение двигателя. К сожалению, космические заправочные станции пока недоступны (их попросту не существует). В результате, космические аппараты, стоимость которых может достигать сотен миллионов долларов, выводятся из эксплуатации сразу после того, как заканчивается топливо. При этом все системы могут функционировать исправно, солнечные батареи вырабатывают энергию, и, казалось бы, аппарату можно было бы прослужить еще долгие годы.
Это явление актуально не только для искусственных спутников Земли. Так, космический аппарат Dawn, исследовавший Цереру, и «Кассини», изучавший систему Сатурна, столкнулись с той же проблемой. Не имея возможности корректировать свою орбиту, «Кассини» мог постепенно приблизиться к одному из спутников Сатурна, а Dawn — к Церере. Учитывая наличие собственной органики на Церере и потенциальную возможность существования жизни в системе Сатурна, загрязнение таких сред земными органическими соединениями было бы неприемлемо. Поэтому Dawn, используя остатки топлива, перевели на отдаленную орбиту, с которой он не может наблюдать малую планету (и, соответственно, не упадет на нее). А «Кассини» был намеренно уничтожен, направив его в атмосферу Сатурна.
Потеря межпланетных исследовательских зондов представляет собой серьезную проблему. Вывод из эксплуатации спутника связи оперативно заменяется новым, поскольку это является экономически выгодным вложением. Однако новых миссий к Церере или Сатурну предстоит ждать долго: интересных объектов для межпланетных экспедиций значительно больше, чем средств, выделяемых на их финансирование. Поэтому завершение вполне работоспособных миссий, хоть и было предсказуемым, стало болезненной потерей для астрономов.
Впрочем, владельцы коммерческих спутников также не стремятся тратить средства на борьбу с солнечным ветром. Поэтому необходимость доставки заправщиков и сервисных станций в космос стала очевидной и настойчивой.
Воскреснуть на орбите
Northrop Grumman Corporation и ее дочерняя компания SpaceLogistics LLC сделали первый ощутимый шаг в этой области. Они представили рынку свое разработку – «Транспортное средство для продления миссии» (MEV), по сути, космический буксир. Он предназначен для стыковки со спутниками, у которых закончилось топливо, и последующего управления их орбитой и ориентацией. При этом, для работы с MEV, «подопечному» спутнику не требуются специальные стыковочные устройства, поскольку он надежно фиксируется на нем, буквально прикрепляясь к его корпусу.
MEV также может быть применено для очистки околоземного пространства от спутников, которые со временем стали космическим мусором.
«На геостационарной орбите сейчас наблюдается высокая плотность объектов!»
В ответ на вопрос Naked Science об эффективности этой технологии заведующий лабораторией беспилотных летательных аппаратов МФТИ Александр Родин в своем комментарии сказал: «Это очень ожидаемая технология, и проблема здесь вовсе не в дороговизне спутников, а в том, что на геостационарной орбите сегодня очень тесно, она буквально забита действующими и выведенными из эксплуатации аппаратами. Поэтому роботизированные манипуляции там абсолютно необходимы».
В настоящее время стандартной практикой является вывод спутников с геостационарной орбиты на орбиту-кладбище, где они остаются на остатках топлива. Эта орбита предназначена исключительно для складирования отслуживших свое аппаратов. Однако, пока отрасль переходила к принципу вывода спутников на орбиту-кладбище до окончания их функционирования, геостационарная орбита была значительно загрязнена.
Интерес к SpaceLogistics проявился у телекоммуникационного гиганта Intelsat, который управляет более чем пятью десятками спутников. Первая стыковка MEV (и, между прочим, первая в истории стыковка коммерческих аппаратов) состоялась 25 февраля 2020 года. Космический буксир MEV 1 взял на обслуживание спутник Intelsat 901, ранее выведенный из эксплуатации в 2019 году из-за истощения топлива. Этот неожиданный спаситель увеличил срок его службы еще на пять лет. Затем он переместит спутник на орбиту захоронения и отстыкуется. После этого у MEV 1 останется достаточно топлива для обслуживания следующего спутника.
Для обеспечения безопасности Intelsat 901 перед началом стыковки был поднят на высоту 180 километров. В случае столкновения, образовавшийся космический мусор не затронул бы геостационарную орбиту, которая является крайне важной.
12 апреля 2021 года любители космонавтики получили подарок – второй аппарат серии MEV, MEV 2, приступил к работе. Он взял на буксир спутник Intelsat 10-02 и будет обеспечивать его функционирование в течение пяти лет. Примечательно, что эта миссия была впервые выполнена непосредственно на геостационарной орбите, а не в тестовом районе над ней.
Дотянуться рукой до спутника
SpaceLogistics расширяет спектр предоставляемых услуг. Используя MEV в качестве основы, специалисты разработали «Роботизированное транспортное средство для космических миссий» (MRV). MRV оснащен манипулятором, способным осуществлять стыковку дополнительных модулей к спутнику. В перспективе он может также использоваться для проведения диагностики и даже выполнения небольшого ремонта.
Первым клиентом новой услуги стала компания Optus, являющаяся крупнейшим владельцем спутниковой инфраструктуры в Австралии. В соответствии с заключенным соглашением, запуск MRV на ракете SpaceX запланирован на 2024 год. Помимо управляемого робототехническим комплексом, на борту ракеты размещены три модуля MEP массой по 400 килограммов. MEP расшифровывается как Mission extension pod, что подразумевает «модуль для продления срока службы миссии». Это своего рода космический буксир, предназначенный для решения задач ограниченного масштаба. Он способен продлить срок эксплуатации типичного спутника массой 2 тонны на срок до шести лет, хотя и выполняет меньшее количество операций по коррекции орбиты, чем MEV.
Модуль MEP устанавливается непосредственно в сопло стандартного двигателя спутника (просим господина Фрейда воздержаться от комментариев!). Этот процесс демонстрируется на видеоролике, представленном ниже.
MRV и три MEP будут доставлены на геостационарную орбиту по отдельности. В дальнейшем космический робот будет захватывать двигательные модули и устанавливать их на спутники. В 2025 году первый модуль будет установлен на австралийский спутник D3. И это только начало. Помимо Optus контракты подписаны еще с пятью клиентами. Всего же робот MRV рассчитан на десять лет в космосе. Все это время к нему можно отправлять новые модули MEP. Компания рассчитывает, что профессиональный спаситель спутников установит до 60 модулей.
Компания применила инновационную бизнес-модель: космический буксир MEV принадлежит SpaceLogistics, а клиенты оплачивают только услугу по продлению срока службы своих спутников. При этом каждый модуль MEP приобретается клиентом вместе с сопутствующей услугой по его монтажу.
Что день грядущий нам готовит
Вероятно, SpaceLogistics не будет доминировать на рынке, который активно формируется. NASA, например, уже несколько лет испытывает на МКС систему Robotic Refueling Mission 3 (Роботизированная заправочная миссия — 3). Этот робот отрабатывает технологию заправки космических кораблей жидкостями, будь то топливо или охладитель. А Европейское космическое агентство уже заключило контракт со швейцарским стартапом ClearSpace на родственную услугу — уборку космического мусора. Она тоже требует стыковки перехватчика с аппаратом, изначально не предназначенным ни для каких стыковок.
Кстати, эти технологии обладают и еще одним, довольно неожиданным аспектом.
«Роботы, вдохновленные вселенной «Звездных войн», перестали быть плодом фантазии и стали настоящим явлением»
«Автоматизированные космические аппараты, способные самостоятельно сближаться и выполнять операции с другими устройствами на орбите, представляют собой инструмент для уничтожения космической инфраструктуры потенциального противника. Роботизированные космические конфликты перестали быть фантастикой и стали реальностью, требующей учета и принятия мер по защите национальных интересов, — подчеркивает Александр Родин.
Действительно, это две взаимосвязанные стороны одного явления. Параллельно с гражданской логистикой в космическое пространство развивается и военная. Напомним, что недавно Naked Science подробно рассказывал об этой новой угрозе.