Как наладить сервисное обслуживание искусственных спутников Земли

Сегодня спутники, пожалуй, единственная разновидность высокотехнологичных изделий, которая не имеет полноценной системы технического обслуживания и ремонта. Срок службы искусственных спутников Земли обычно ограничен ресурсом какой-либо одной подсистемы, чаще всего запасом топлива в двигательной установке. Вышедшие из строя космические аппараты превращаются в космический мусор.

Часть этого мусора не сгорает со временем в плотных слоях атмосферы Земли и вызывает усиливающееся техногенное засорение космического пространства. Особенно опасны столкновения объектов, поскольку они порождают множество фрагментов, что при неблагоприятном сценарии, называемом эффектом Кесслера, может вообще остановить космическую деятельность на десятилетия.

Освоение низкой околоземной орбиты сопровождается уменьшением массы и увеличением количества искусственных спутников. Если в существующей российской системе связи «Гонец» используется 12 аппаратов, то в перспективной системе «Сфера» их будет уже от 300 до 600. Численность группировки в проекте Starlink составит 12 тыс. искусственных спутников Земли. Чтобы создавать и использовать такие рои спутников, нужно менять принципы разработки, производства и эксплуатации космической техники. Космические аппараты начинают выпускаться серийно, как автомобили или компьютеры.

Спутники, как и машины, нуждаются в разнообразном обслуживании. Среди услуг должны быть как «коммунальные» — осмотр, дозаправка, ремонт, так и «ритуальные» — безопасный увод с орбиты в области захоронения. Потребность в обслуживании становится все более острой по мере увеличения числа аппаратов, так как может возникнуть банальный «дефицит свободного места», который приведет к увеличению ценности орбитального ресурса. Такой дефицит уже существует для уникальной геостационарной орбиты, где все точки стояния давно поделены и растут в цене. Из-за того что скоро такое место, возможно, станет дороже аппарата, который там находится, становятся рентабельными и начинают реализовываться специализированные миссии обслуживания космических аппаратов. Так, в феврале 2020 года американский КА MEV-1 состыковался с израсходовавшим все топливо спутником связи Intelsat 901. Связка аппаратов проработает на орбите еще пять лет, в течение которых MEV-1 будет работать новым двигательным модулем старого спутника. Аналогичные миссии обслуживания скоро станут рентабельными и для низких орбит.

Для осуществления системного подхода к орбитальному обслуживанию надо перейти к новой архитектуре космических аппаратов, поскольку существующие искусственные спутники — это, как правило, неремонтопригодные изделия, у которых очень трудно заменить какие-либо элементы. Так как наиболее эффективным является агрегатно-узловой метод ремонта, при котором неисправные агрегаты и узлы заменяются новыми или отремонтированными, перспективной оказывается построение системы из функционально законченных модулей, имеющих стандартизованные интерфейсы и стыковочные узлы. Такая модульная архитектура должна быть открытой, что определяется открытостью стандартов, обеспечивающей взаимозаменяемость модулей, изготовленных различными производителями; открытостью номенклатуры, обеспечивающей возможность добавления новых модулей; открытостью связей между модулями, что дает гибкость системы; открытостью функционала, что позволяет за счет масштабирования и реконфигурации гибко изменять специализацию системы по мере возникновения новых задач.

Можно сказать, что открытая модульная архитектура (ОМА) лежит во всей природе человеческой деятельности. В нашей речи и при написании текстов используются известные слова, составленные по определенным правилам. Но мы постоянно придумываем и используем новые слова, а старые выходят из оборота.

На железной дороге поезд может быть составлен из различных вагонов. Можно делать новые вагоны, удовлетворяющие стандартам, и прицеплять их к уже существующим. Старые вагоны можно заменять на новые, совершенствуя подвижной состав. В компьютерной технике через стандартный разъем USB можно подключить к компьютеру устройства от самых разных производителей: принтер, флешку, клавиатуру или даже микровентилятор. В пилотируемой космонавтике ОМА использована для создания орбитальных станций МИР и МКС. К Международной космической станции посредством стандартизованных стыковочных агрегатов пристыковываются транспортные корабли и модули, произведенные в разных странах. Причем некоторые модули изначально не были запланированы в ее конструкции, например надувной модуль BEAM.

Примером ОМА для автоматических спутников может служить разработанный агентством DARPA проект Cellularized Satellites, то есть дословно «многоклеточные космические аппараты». Модуль-сатлет (Satlet) здесь является функциональным строительным элементом ИСЗ (Satellite), подобно тому как отдельная клетка является строительным элементом биологической системы. Сборка из 30–40 сатлетов в виде единого высокоинтегрированного космического аппарата (Hyper Integrated Spacecraft) производится одинаковым способом как в наземных условиях, так и на орбите. При этом теоретически возможно неограниченно масштабировать систему и строить на основе сатлетов тяжелые аппараты массой в несколько тонн. Сатлеты предполагается выпускать серийно. Их рынок может составлять от 2 тыс. до 8 тыс. штук в год в США и от 10 тыс. до 40 тыс. штук в год во всем мире. Проекты малых космических аппаратов на базе ОМА в настоящее время активно разрабатываются: в США фирма NowaWurks осуществила несколько успешных запусков ИСЗ на основе сатлетов, а в Европейском союзе идет работа над проектами iBOSS и MOSAR. Возникает необходимость создания отечественной перспективной ОМА для КА.

В качестве пилотного проекта в МГТУ им. Н. Э. Баумана на кафедре «Аэрокосмические системы» аспирантами Н. Н. Тютюнником и Е. Р. Салиевым разрабатывается ОМА для низкоорбитальной группировки малых спутников дистанционного зондирования Земли, расположенных в нескольких орбитальных плоскостях. Как показано на рис. 1, один целевой ИСЗ состоит из семи модулей: к силовому модулю пристыкованы двигательный модуль, модуль полезной нагрузки, а также продублированные энергетический и приборный модули.

Поскольку модули могут быть изготовлены и испытаны независимо, ОМА облегчает сборку и испытания космического аппарата в наземных условиях. Единые спецификации интерфейсов позволяют свести процесс сборки к подключению модулей по принципу plug-and-play. Каждый модуль спутника, кроме силового, может быть отстыкован и заменен другим независимо от остальных модулей как на Земле, так и в условиях космического полета, что позволяет полноценно обслуживать такие спутники.

Спутниковая группировка изначально создается как система взаимодействующих между собой целевых космических аппаратов и средств обслуживания в состав которых, как показано на рис. 2, входят базовый аппарат на дежурной орбите, а также один или несколько малых сервисных КА.

Компоновка сервисного КА показана на рис. 3. Он состоит из тех же модулей, что и целевой КА, с добавлением двух монтажных манипуляторов и модуля управления движением.

Базовый космический аппарат, как показано на рис. 4, состоит из 58 модулей, большая часть которых — это запасные модули. Их количество и состав определяется исходя из плана технического обслуживания.

Вывод группировки целевых искусственных спутников в космос производится кластерными запусками, а базовый и сервисный космический аппарат для обслуживания аппаратов в одной орбитальной плоскости выводятся как единый комплекс модулей. После перелета на дежурную орбиту на борту базового космического аппарата производятся сборка и испытания сервисного. После этого система обслуживания находится в режиме ожидания, производя периодическое тестирование модулей в условиях космического полета, чтобы отсеять дефектные модули до начала их эксплуатации в составе искусственных спутников. При необходимости выполнения ремонта на борт сервисного космического аппарата из запасов БКА с помощью манипуляторов устанавливается требуемый для замены модуль. Например, в случае исчерпания запасов топлива вместо дозаправки производится замена всего двигательного модуля.

Миссия обслуживания включает перелет сервисного космического аппарата к целевому спутнику, стыковку при помощи манипулятора, операции по замене манипулятором вышедшего из строя модуля на МКА, обратный перелет сервисного космического аппарата к базовому, послеполетное обслуживание сервисного аппарата, включающее перенос манипулятором вышедшего из строя модуля на борт базового космического аппарата. Таким образом базовый аппарат постепенно заполняется неисправными и выработавшими свой ресурс модулями. Как только запас модулей оказывается исчерпанным, КАО выдает тормозной импульс для утилизации в атмосфере Земли. Вместо закончившего свое существование КАО может быть запущен новый комплекс, оснащенный новыми или усовершенствованными модулями.

Экономический эффект от использования модулей при обслуживании космических аппаратов состоит, во-первых, в уменьшении массы полезного груза, который необходимо доставить к обслуживаемому аппарату, и, во-вторых, в модернизации бортового оборудования, позволяющей увеличить прибыль от эксплуатации «орбитальной позиции».

Проведенное моделирование показало, что применение ОМА становится эффективным при количестве искусственных спутников более 600, что соответствует типовым размерностям проектируемых низкоорбитальных группировок. Создание обслуживаемых спутниковых систем обосновано тем, что с ростом количества аппаратов на орбите удельная стоимость операций обслуживания уменьшается, и для больших группировок обслуживание отдельного спутника окажется выгоднее его полной замены.

Описанный проект пока далек от практической реализации, однако он направлен прежде всего на поиск новых решений, которые в недалеком будущем, возможно, изменят привычный нам сейчас облик космических аппаратов.

Георгий Щеглов, доктор технических наук, профессор, МГТУ им. Н. Э. Баумана