В 2022 году роботизированный космический корабль от НАСА займётся обслуживанием спутника Landsat 7
В обозримом будущем доступ в космос останется крайне затратным. Даже при использовании таких трюков, как многоразовые ракеты или запуск с воздушных шаров и гигантских самолётов, стоимость вывода килограмма полезного груза на низкую орбиту Земли всё ещё составляет несколько тысяч долларов. А как только вы вывели что-то на орбиту, дальше оно (за небольшим исключением) оказывается предоставленным самому себе, и остаётся только надеяться, что оно выполнит свою задачу до того, как у него закончится топливо. После этого большинство спутников оказываются бесполезными.
В целом такая система кажется чрезвычайно неэффективной. НАСА хотело бы изменить это, и считает великолепной идеей разместить в космосе ремонтные мастерские и заправочные станции. Несколько программ по обслуживанию спутников находятся на разных стадиях разработки, и в этом году команда журнала IEEE Spectrum посетила центр роботизированных технологий при центре космических полётов Годдарда НАСА, чтобы узнать об этом поподробнее.
RSGS
В этом году проект по роботизированному обслуживанию геосинхронных спутников (RSGS) от управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) был приостановлен, когда основной подрядчик, Maxar Technologies, отказался от создания оборудования для него. DARPA занималось поиском новых партнёров для проекта и ожидает, что сможет анонсировать новые договорённости до конца этого года, а сам проект RSGS запустить в 2023 году. RSGS – это полуавтоматический космический аппарат с двумя роботизированными манипуляторами, который должен будет обслуживать геосинхронные спутники, и чинить их неполадки с целью продления срока службы. На видео показана концепция того, насколько ценной может оказаться эта технология – застрявшая солнечная панель может перечеркнуть существование совершенно нового спутника, при том, что решение этой проблемы (и экономия сотен миллионов долларов) может быть настолько простым, как небольшой толчок в нужном направлении.
RRM
RSGS в основном концентрируется на починке спутников, но есть ещё одна прекрасная возможность для работы на орбите – это заправка; ведь время жизни большинства спутников определяется тем, сколько топлива есть у них в запасе. Несколько проектов по роботизированной дозаправке из НАСА отправили на МКС пробное оборудование, чтобы определить наилучший способ дозаправки спутников, чей проект не предусматривал подобных действий. Такие спутники (да вообще, все спутники) на Земле плотно укутываются, заправочные вентили заворачиваются намертво, закрепляются проводами и покрываются теплоизоляцией. Для подзаправки спутников придётся всё это полностью удалить, причём совершенно нештатным способом.
Роботизированные миссии подзаправки (RRM) НАСА стартовали в 2011 году, и отправили пробное оборудование размером с небольшой холодильник на МКС. Используя копии спутниковых клапанов, реальное топливо и набор инструментов, которыми способна управлять на станции роботизированная рука, НАСА протестировала миссии RRM и установила набор процедур для практической дозаправки спутников на орбите. Самая последняя миссия RRM3 была запущена в декабре 2018 для проверки передачи криогенного топлива; его нужно хранить в охлаждённом виде, но потенциально оно гораздо мощнее гидразинового монотоплива, которое используется в двигателях большинства спутников. В апреле этого года RRM3 потеряла способность охлаждать топливо, и его пришлось выбросить в космос, но НАСА всё равно смогло проверить все инструменты и процедуры по передаче топлива, даже без самого топлива в баках.
Restore-L
В проекте Restore-L комбинируются функции обслуживания и дозаправки – и на текущий момент это самый интересный проект по обслуживанию спутников. Restore-L станет роботизированным космическим аппаратом, реализующим всё, что в НАСА узнали по поводу обслуживания и дозаправки. Он посетит Landsat 7, принадлежащий правительству США спутник дистанционного зондирования, находящийся на низкой орбите Земли в 1999 года, и способный проработать на имеющемся у него топливе до 2021. Амбициозная миссия, но выгоды она сулит огромные: Landsat 7 стоил больше полумиллиарда долларов, и будет здорово, если мы сможем заправить и оставить его и другие спутники в строю.
Рисунок художника: Restore-L (снизу) собирается захватить и обслужить Landsat 7
Самые важные компоненты Restore-L разрабатывают в центре космических полётов Годдарда НАСА (GSFC), а Maxar работает над шиной корабля и оборудованием для роботизированных манипуляторов. Мы встретились с Брентом Робертсоном, менеджером проекта Restore-L, в похожем на пещеру операционном робототехническом центре с чёрными стенами, где проверяют железо и софт Restore-L. По окончанию проект будет представлять собой пару крупных роботизированных рук, способных захватывать спутники, с набором инструментов и кучкой датчиков, позволяющих как удалённо управлять им с Земли, так и функционировать полностью автономно.
Миссия по дозаправке Landsat 7 будет включать сложную процедуру, типичную для заправки любого спутника. Restore-L придётся:
- Автономно захватить Landsat 7.
- Посредством удалённого управления при помощи инструмента срезать теплоизоляционные покровы, защищающие клапаны заправки и сброса.
- При помощи другого инструмента разрезать провода на клапанах.
- Открутить крышки клапанов.
- Присоединить к заправочному клапану порт с возможностью быстрого отсоединения.
- Перекачать 115 кг гидразина в спутник.
- Снова закрыть всё термоизоляцией, и убедиться, что ничто не улетучилось в космос.
" Landsat 7 выбрали потому, что этот спутник достаточно репрезентативен", — говорит Робертсон. Как у большинства спутников. У него есть «кольцо Marman», структурный компонент, когда-то соединявший его с верхней ступенью ракеты, а теперь обеспечивающий стандартную и удобную точку захвата для роботизированной руки Restore-L. У разных спутников заправочные клапаны могут отличаться, и у Restore-L будут инструменты, предназначенные для Landsat 7, но в целом процедура должна быть более-менее одинаковой, а инструменты по необходимости можно будет заменять.
Что важно, Landsat 7 репрезентативен в том плане, что его не планировали дозаправлять, говорит Робертсон. «Когда запускали Landsat 7, его не планировали заправлять. Никто не думал, что это будет возможно. И мы будем первыми, кто это покажет».
Самое сложное в миссии начнётся, скорее всего, после того, как Restore-L догонит Landsat 7 и начнёт манёвр для захвата. Им нельзя управлять удалённо, поскольку даже задержка в одну-две секунды будет слишком длинной для такой деликатной операции – в условиях микрогравитации промах может заставить Restore-L и Landsat 7 бесконтрольно вращаться, или даже повредить Landsat 7. Захват должен пройти автономно, и на Restore-L будут установлены камеры для видимого спектра, инфракрасные камеры и лидар для космоса, разрабатываемый в GSFC. Ну а если что-то пойдёт не так, корабль должен быть достаточно умным, чтобы сдать назад.
Частичная модель Landsat 7, установленная на роботизированной установке, симулирующей микрогравитацию
GSFC всесторонне тестирует оборудование на Земле, готовясь к этому автономному захвату на орбите. В операционном робототехническом центре находится полномасштабная модель нижней части Landsat 7, установленная на шестиногом роботе, ноги которого симулируют шесть степеней свободы в движении, испытываемые Landsat 7 в полёте.
Один из манипуляторов Restore-L
Захват Restore-L, у которого есть семь степеней свободы, достаточно длинный для того, чтобы схватить Landsat 7 с расстояния в метр, а моторы с волновой зубчатой передачей в сочленениях захвата гарантируют точную работу с минимальным люфтом. Датчики кручения на захвате позволят ему автономно оценивать силу захвата цели.
Как только Restore-L как следует схватится за цель, у него открывается множество возможностей, говорит Робертсон. «У Restore-L много способностей, мы можем делать многое кроме простой дозаправки Landsat 7. Резать, откручивать и заправлять – это сложно. Однако у нас есть обширный спектр возможностей по захвату и перемещению спутников».
Одна из проблем состоит в том, что у Restore-L с собой не всегда могут оказаться нужные для дозаправки инструменты. Поскольку спутники разрабатывали без возможности обслуживания, не было никакого смысла стандартизировать заправочные клапаны или облегчать к ним доступ. GSFC разработал удобные для роботов клапаны, которые облегчат эту работу, и с радостью лицензирует эту технологию всем желающим, но пока что этих клапанов на спутниках нет. «Ситуация похожа на проблему курицы и яйца, — говорит Робертсон. – Никто не занимался роботизированным обслуживанием, поэтому пока его не покажут, операторы с неохотой будут инвестировать в обслуживание – пока они не увидят, что это возможно. Думаю, что когда мы реально покажем всё на Landsat 7, то вы увидите, как индустрия оценит появившуюся возможность».
Лишь несколько из множества теплоизолирующих покрытий, клапанов и фитингов, с которыми предстоит справиться Restore-L
После нашего тура по операционному робототехническому центру мы задали Робертсону несколько вопросов о будущем обслуживания спутников.
IEEE Spectrum: сейчас наблюдается тенденция на уменьшение размера и стоимости, и на увеличение количества спутников. Что смогут предложить крупные спутники, чтобы их обслуживание оказалось полезным в долгосрочной перспективе?
Вычислительная мощность, которую можно отправить в космос во всё уменьшающихся по размеру спутниках, постоянно растёт. Однако некоторым вещам всё ещё требуются большие апертуры, к примеру антеннам или зеркалам. Некоторые исследования проводятся людьми. Если мы собираемся на Луну и на Марс, нам потребуются роботы, собирающие различные вещи. И это не просто более экономичный вариант, но и необходимый.
Кроме продления жизни старых спутников при помощи их дозаправки, может ли ваша технология создать новые возможности для этих спутников, которых иначе бы у них не было?
Да. Наша главная миссия – дозаправить Landsat 7, однако у нас есть множество дополнительных способностей. Пока что размер спутников ограничен полезным объёмом выводящих их на орбиту ракет, и это ограничивает всё, от размера зеркала в телескопе до размера антенны у коммуникационных спутников. Однако когда у нас будет робот в космосе, это позволит отойти от данной парадигмы – можно будет сделать несколько запусков, а потом показать изготовление и сборку вещей в космосе. И это приведёт к созданию нового класса миссий.
Именно так мы должны представлять себе Restore-L в долгосрочной перспективе?
Именно так я себе его и представляю! Мы демонстрируем многое. Мы во многом станем первыми, но мы не будем последними. Никто не знает, каким будет космос через 30 лет, но уверен, что там будет гораздо больше роботов, чем сегодня. Все эти спутники чрезвычайно дороги – некоторые из них дороже миллиарда долларов. А если что-то вдруг не получается развернуть, то миссия признаётся неудачной. Но если в космосе будут роботы, у вас будет возможность разлеплять детали, брать детали, двигать детали. Потенциально, когда технология достаточно разовьётся, можно будет добавлять спутникам новые возможности, увеличивать функциональность спутников, выводя в космос не новый спутник целиком, а только деталь от него.
В космосе сейчас находится большое количество мёртвых спутников, много оборудования. Можно начать думать на тему спасения этого оборудования при помощи роботов. Можно будет взять эту верхнюю ступень, содержащую электроники на миллионы долларов, и использовать – в ней не хватает только горючего. Всё это можно спасти. Или можно взять два разных устройства и объединить их. Не удивлюсь, если через 20-30 лет люди будут ловить не работающие спутники и перепрофилировать их на другие цели.
* * *
Запустить Restore-L планируют не ранее декабря 2022 года, если, конечно, система пройдёт все проверки и финансирование будет продолжаться. Если обслуживание Landsat 7 пройдёт успешно, то 115 кг топлива, которое Restore-L сможет закачать в Landsat 7, заполнит бак последнего и продлит его работу на несколько лет. А Restore-L останется на орбите, где сможет помочь НАСА в разработке новых технологий по обслуживанию или строительству.
