В обозримом будущем доставка чего-либо в космос останется крайне дорогой. Даже с учетом таких хитростей, как повторное использование ракет или запуск спутников с гигантских самолетов, стоимость все равно превысит тысячи долларов за килограмм для околоземной орбиты. Более того — в большинстве случаев спутник после попадания в космос предоставлен самому себе, и в лучшем случае он будет работать до тех пор, пока не кончится топливо, после чего станет абсолютно бесполезным.

На заре космических полетов это не было проблемой: критически важное оборудование зачастую выходило из строя раньше, чем кончалось топливо. Но в последние десятилетия набралось множество обратных случаев: к примеру, «Кеплер», охотник за экзопланетами, был практически полностью в рабочем состоянии, когда он исчерпал запасы горючего. Казалось бы, в чем проблема — можно же просто взять больше топлива с Земли? Тут есть два ограничивающих фактора: во-первых, никто не знает, сколько проработает зонд. Есть далеко ненулевой шанс того, что он даже в космос не попадет. Во-вторых, лишнее топливо — это лишний вес и серьезное увеличение стоимости миссии, а денег космическим агентствам в последнее время выделяют не очень-то и много.

Так что идея создать космическую заправочную станции (а возможно и мастерскую) не лишена смысла: если космический аппарат работает без критических сбоев, то почему бы не продлить ему жизнь, просто заправив его? К тому же большая часть поломок — чисто механические: застрял щуп, не развернулись солнечные панели, не выдвинулась антенна, и так далее: решить их в космосе вполне реально.

Однако, очевидно, не все так просто.

RSGS — проект по роботизированному обслуживанию геостационарных спутников



Ранее в этом году DARPA, Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США, свернула проект RSGS, так как генеральный подрядчик Maxar Technologies не смог выполнить свою часть контракта, в которой он должен был заниматься разработкой и сборкой системного оборудования нового спутника. DARPA ищет новых партнеров для этого проекта и переносит миссию RSGS на 2023 год.

Оснащенный парой роботизированных рук, RSGS является полуавтономным космическим аппаратом, предназначенным для того, чтобы обслуживать спутники на геостационарных орбитах, устраняя мелкие неисправности, способные продлить срок службы последних. Приведенное выше концептуальное видео иллюстрирует, насколько это может быть ценно: застрявший массив солнечных панелей легко отправит на покой совершенно новый спутник, и решение проблемы (позволяющее сэкономить несколько сотен миллионов долларов на запуске нового спутника) сводится к небольшому толчку в нужном месте.

RPM — роботизированные заправочные миссии



В то время как RSGS в основном предназначен для ремонта спутников, дозаправка может быть не менее важным способом продлить время работы зондов. НАСА отправила специальное оборудование на МКС, чтобы выяснить, как лучше всего передавать топливо на спутники, которые никогда не предназначались для обслуживания. Таким образом, эти (на самом деле все) космические аппараты были заправлены на Земле, после чего топливные клапаны были плотно закрыты, затем, возможно, сверху была размещена часть проводки, и все вместе было покрыто парой слоев термопленки. Поэтому, чтобы дозаправить спутник на орбите, нужно все это сначала осторожно разобрать, а потом собрать снова.

Миссии RPM начались еще в 2011 году, когда НАСА послала на Международную космическую станцию ​​испытательный стенд размером с небольшой холодильник. Он включал в себя копий спутниковых топливных клапанов, реальное реактивное топливо и набор инструментов, которыми может быть оснащен зонд-дозаправщик. Последняя на данный момент миссия, RRM3, была начата в декабре 2018 года, и ее цель — проверить возможность переноса криогенного топлива, которое должно храниться при отрицательных температурах, но при это оно потенциально более эффективное, чем гидразин, который большинство спутников использует сейчас. В апреле этого года экспериментальная установка миссии RRM3 утратила способность к криогенному охлаждению, и топливо пришлось выбросить в космос.

Restore-L



Однако НАСА, благодаря миссиям RPM, все же собрала достаточное количество данных, чтобы начать разработку Restore-L — космического аппарата, который сможет как обслуживать, так и заправлять своих коллег на орбите, и на данный момент это самый интересный проект по этой теме. Первой целью Restore-L должен стать спутник Landsat 7, находящийся в собственности правительства США, задача которого — дистанционное зондирование Земли. Он работает на низкой околоземной орбите с 1999 года, и, скорее всего, к 2021 году у него кончится топливо. Его дозаправка — амбициозная миссия, но потенциальная отдача огромна: стоимость Landsat 7 превышает полмиллиарда долларов, так что игра определенно стоит свеч, и если опыт окажется удачным, то в будущем это может стать привычной практикой.

Важные части Restore-L разрабатываются НАСА в Центре космических полетов имени Годдарда (GSFC) в Мэриленде, где все тот же Maxar Technologies собирает автоматизированные руки-манипуляторы — самую важную часть инновационного спутника. Руководителем проекта является Брент Робертсон, и, по его словам, что когда все будет готово, Restore-L будет иметь одни из лучших роботизированных манипуляторов в мире, способных захватывать спутники и работать со множеством тонких инструментов. Специальные датчики дадут возможность как дистанционно управлять их движениями с Земли, так и работать в полностью автономном режиме.

Заправка Landsat 7 будет крайне сложной процедурой, но вполне типичной для практически любого спутника, что является большим плюсом. Restore-L придется:
  • Захватить Landsat 7 в автомном режиме;
  • При помощи операторов с Земли использовать специальный инструмент, чтобы срезать термопокрытия, защищающие клапаны наполнения и слива топливных баков;
  • Использовать другой инструмент, чтобы убрать прилегающую проводку с клапанов;
  • Открутить колпачки топливных баков;
  • Подключить специальный шланг к горловине каждого бака;
  • Перелить 115 килограммов гидразина в спутник; 
  • Снова закрутить колпачки топливных баков, вернуть на место проводку и восстановить термопокрытие, внимательно следя за тем, чтобы ничего не улетело в космос.
«Landsat 7 был выбран, потому что это довольно представительный спутник», — говорит Робертсон. Как и у большинства спутников, у него есть кольцо Мармана — структурный компонент, который соединял его с верхней ступенью ракета-носителя, и теперь оно обеспечивает удобные и стандартизированные точки захвата для манипуляторов зонда Restore-L. Существуют некоторые различия в горловинах баков между спутниками, и Restore-L будет нести инструменты, специфичные для Landsat 7, но общая процедура должна быть более или менее схожей для большинства космических аппаратов, а инструменты могут быть заменены при необходимости.


Визуализация процесса стыковки.

Самое главное в этом процессе то, что Landsat 7 никто специально не разрабатывал для дозаправки, говорит Робертсон. «Когда был запущен Landsat 7, планов по заправке не было. Никто не думал, что это будет возможно. Мы будем первыми, кто продемонстрирует это».

Самая сложная часть миссии, вероятно, произойдет сразу после того, как Restore-L догонит Landsat 7, поскольку он инициирует захватный маневр. Операторы на Земле не смогут ему помочь в этот момент, потому что задержка в коммуникации даже в секунду или две слишком велика для такого деликатного маневра — в условиях микрогравитации неудачный захват может заставить как Restore-L, так и Landsat 7 неконтролируемо вращаться, что в разы затруднит новую попытку стыковки, а в худшем случае может привести и к повреждению спутников. Поэтому захват должен происходить в автоматическом режиме, и Restore-L будет оснащен высококачественными цветными и инфракрасными камерами, а также космическим лидаром, разрабатываемым в GSFC, чтобы упростить бортовому компьютеру его нелегкую задачу. И если захват не произойдет, космический корабль должен быть достаточно умен, чтобы аккуратно отступить на безопасное расстояние и спросить центр о дальнейших действиях.



GSFC проводит обширные испытания на Земле, готовясь к этой автоматической стыковке на орбите. Компьютер Restore-L установлен в специальном роботизированном операционном центре, который пристыкован к макету нижней половины Landsat 7. Он, в свою очередь, базируется на подставке-гексаподе, ножки которой могут имитировать все шесть степеней свободы, которые могут создать маневровые двигатели Landsat 7 в условиях микрогравитации.

Захватный манипулятор Restore-L, имеющий семь степеней свободы, достаточно длинный, чтобы зонд мог «зацепить» Landsat 7 с расстояния около метра, а механические приводы в суставах манипулятора обеспечивают точность с минимальным люфтом. Датчики силы и крутящего момента на конце автоматизированной руки позволят Restore-L в автоматическом режиме оценить сцепление с целью.

По словам Робертсона, после того как Restore-L крепко пристыкуется к спутнику, появится множество вариантов дальнейшей работы. «У нас есть много возможностей с Restore-L, и мы можем многое сделать в этой миссии, помимо простой заправки Landsat 7. Резать материю, откручивать крышки и заправлять топливо — это сложно. Но фактическая стыковка со спутниками и возможность прямой работы с ними расширяет наши возможности вплоть до их ремонта».


Испытательный стенд с макетом Landsat 7.

Но тут опять не все так просто — есть проблема в том, что Restore-L будет иметь подходящие инструменты для заправки лишь Landsat 7. Опять же, поскольку спутники не предназначены для обслуживания, при их производстве никто не задумывался о стандартизации топливных клапанов или об их легкодоступности. GSFC разработала дружественные к роботам сервисные клапаны, которые облегчили бы задачу, и они рады предоставить лицензию технологии всем, кто этого хочет, но пока, как отмечает Робертсон, эти клапаны еще не летали на спутниках и не проходили серьезную проверку временем и суровыми условиями космоса. 

«Никто всерьез не занимался роботизированным обслуживанием, поэтому пока оно не продемонстрировано, космические агентства неохотно будут вкладывать средства в обслуживаемые спутники, пока не увидят, что это возможно», — говорит Робертсон. «Я думаю, что когда мы действительно продемонстрируем дозаправку Landsat 7 в космосе, вы увидите, что отрасль быстро перейдет на обслуживаемые зонды».

При этом он не считает, что развитие кубсатов (небольших относительно дешевых спутников) сделает большие космические аппараты ненужными, и идея их дозаправки отпадет сама собой. «Некоторые вещи, такие как антенны или зеркала, все еще требуют большого объема. И есть еще исследовательские полеты с людьми. Если мы полетим на Луну и Марс, то для этого потребуются роботы, собирающие различные вещи. Это не просто более экономично, это необходимо».

Также, по словам Робертсона, успех миссии Restore-L позволит получать на орбите такие космические аппараты, которые были невозможны прежде. «Наша главная миссия — заправить Landsat 7, но у нас есть много дополнительных возможностей. Прямо сейчас спутники ограничены размером обтекателя ракеты-носителя, и это накладывает ограничение на все, от размера зеркал в телескопах до размера антенн в спутниках связи. Но наличие робота в космосе действительно позволяет вам уйти от этой парадигмы — у вас может быть несколько запусков, и вы можете продемонстрировать сборку спутников прямо в космосе. Это действительно создаст новый класс миссии».


Манипулятор Restore-L и макет горловин топливных баков Landsat 7.

При этом он не забывает и о долгосрочной перспективе. «Мы будем первыми, кто сделает это, но мы не будем последними. Никто точно не знает, как будет выглядеть космос через 30 лет, но я уверен, что робототехники в нем будет намного больше, чем сегодня. Спутники очень дорогие — некоторые из них стоят более миллиарда долларов. И если что-то идет не так, миссию просто объявляют неудачной. Но если у вас есть роботы в космосе, у вас есть возможность починить космический аппарат. Или, потенциально, по мере развития технологий, к спутнику может добавляться новый прибор, тем самым придавая ему новые возможности путем запуска только одного компонента, а не целого нового космического аппарата».

К тому же Робертсон предлагает возможное решение проблемы с космическим мусором. «В космосе много мертвых спутников, много ненужной аппаратуры. Вы можете начать думать о таких вещах, как повторное использование этого оборудования с помощью роботов. Например, вы можете взять отработанную верхнюю ступень, которая имеет электроники на миллионы долларов, и использовать ее, за исключением того, что в ней больше нет никакого топлива. Или вы можете взять пару нерабочих спутников и сделать их них один рабочий. Через 20 или 30 лет я не удивлюсь, если люди будут хватать спутники, которые больше не используются, и перепрофилировать их для других целей».

Космический аппарат Restore-L в настоящее время планируется запустить не ранее декабря 2022 года, так как требуется проработать такие рутинные вещи, как общая схемотехника спутника и дополнительное финансирования миссии. Если все пройдет успешно и получится заправить Landsat 7 гидразином, это позволит ему еще несколько лет функционировать на орбите. Между тем, Restore-L останется в космосе, где он может помочь НАСА проверять новые методы обслуживания спутников или строительства на орбите.