Космические заправщики
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.
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 200×200 км подняться на 400×400 можно, потратив по формуле
всего 115 м/с, то с изменением наклонения все очень печально. Для круговой орбиты изменение наклонения на 45° обойдется нам по формуле
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.
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
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.
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.
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
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.
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
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.
