Это самый передовой в мире спутник с роботизированной системой обслуживания, о котором нам известно.

«Это вещи, которые, как правило, очень сложны».

Полезная нагрузка роботизированной системы обслуживания геосинхронных спутников (RSGS) находится в криогенной термовакуумной камере Военно-морского исследовательского центра космических технологий ВМС США в Вашингтоне, округ Колумбия, 8 октября 2024 года. Фото: ВМС США/Сара Петерсон .

Космический аппарат, оснащенный двумя гибкими роботизированными манипуляторами, направляется на геосинхронную орбиту после запуска на этой неделе на ракете SpaceX Falcon 9, положив начало запланированной на десятилетие миссии по открытию новых горизонтов в обслуживании спутников.

Роботизированный космический аппарат Mission Robotic Vehicle (MRV), принадлежащий и построенный компанией Northrop Grumman, во вторник был запущен на орбиту с космодрома на мысе Канаверал во Флориде. На борту ракеты Falcon 9 MRV сопровождали три небольших двигательных блока, каждый из которых функционировал как автономный космический аппарат.

Ракета Falcon 9 вывела на орбиту все четыре полезные нагрузки примерно через час после старта. Для перехода спутников с начальной эллиптической орбиты на круговую орбиту на высоте более 22 000 миль (почти 36 000 километров) над экватором потребуется около года. На этой высоте многоцелевой спутник (MRV) и три дополнительных модуля (MEP) будут двигаться синхронно с вращением Земли, работая на орбите, аналогичной орбитам многочисленных гражданских и военных спутников связи, платформ предупреждения о ракетном нападении и растущего числа спутников-шпионов.

Вот тогда и начнётся настоящее веселье.

Путь к площадке

Роботизированный космический аппарат Mission Robotic Vehicle, пожалуй, является самым передовым спутником для обслуживания космических аппаратов из когда-либо запущенных. Это, безусловно, самый сложный орбитальный аппарат для обслуживания, о котором нам известно. В 2016 году Китай запустил спутник с роботизированной рукой на геосинхронную орбиту. Еще один запуск в 2021 году вывел на орбиту космический аппарат Shijian-21 (SJ-21) для выполнения миссии по «устранению космического мусора». SJ-21 соединился с вышедшим из строя китайским навигационным спутником и переместил его на большую высоту для утилизации, прежде чем вернуться в геосинхронный пояс.

Китай запустил миссию по дозаправке SJ-25 в январе 2025 года, и через несколько месяцев он состыковался с SJ-21, после чего спутники разошлись, завершив, по всей видимости, первую демонстрацию дозаправки с Земли. Ожидается, что дополнительный газ продлит срок службы SJ-21, что позволит ему посещать и перемещать другие спутники на геосинхронной орбите.

Компания Northrop Grumman и ее дочерняя компания SpaceLogistics придерживаются той же идеи в отношении роботизированного космического аппарата Mission Robotic Vehicle. У этой возможности есть очевидные военные применения. В прошлом году глава Космического командования США генерал Стивен Уайтинг заявил Конгрессу, что Китай разрабатывает «маневренные спутники противокосмической обороны на орбите для поражения наших спутников с использованием технологий двойного назначения». Он прямо назвал SJ-21 примером миссии, которую Китай мог бы использовать «в потенциальных наступательных целях против спутников, на которые мы полагаемся для защиты родины и проецирования силы».

Космические силы США уже располагают флотом спутников-инспекторов, курсирующих на геосинхронной орбите для наблюдения и сбора информации о деятельности иностранных космических аппаратов. В прошлом году американские военные операторы во время операции по дозаправке приблизили один из этих спутников-инспекторов к спутникам SJ-21 и SJ-25.

Однако военные чиновники публично не признавали существование каких-либо принадлежащих США спутников с возможностями, аналогичными китайским трем спутникам «Шицзянь». Ситуация меняется с миссией MRV компании Northrop Grumman. Агентство перспективных оборонных исследований Пентагона (DARPA) потратило около 420 миллионов долларов на разработку роботизированной полезной нагрузки для спутника, а компания Northrop Grumman инвестировала сотни миллионов долларов.

В рамках государственно-частного партнерства существующая коммерческая программа обслуживания спутников компании Northrop Grumman была объединена с программой DARPA по роботизированному обслуживанию геосинхронных спутников (RSGS). Первоначально эти программы работали независимо друг от друга.

Роботизированный космический аппарат Mission Robotic Vehicle компании Northrop Grumman с полезной нагрузкой RSGS сверху находится в верхней части грузового отсека, ожидая запуска на ракете Falcon 9 компании SpaceX. Три дополнительных модуля Mission Extension Pods расположены вокруг цилиндра в нижней части изображения. Источник: SpaceX

Компания Northrop Grumman разработала два спутника под названием Mission Extension Vehicles (MEV) и запустила их в 2019 и 2020 годах. MEV состыковывались с устаревающими коммерческими спутниками связи на геосинхронной орбите, беря на себя функции наведения и управления орбитой. MRV основан на концепции MEV, но благодаря роботизированным манипуляторам, финансируемым DARPA, новому поставщику услуг не нужно ограничиваться одним клиентом. Он может использовать манипуляторы для установки модулей Mission Extension Pods от Northrop на несколько геосинхронных спутников.

Это не дозаправка, но MRV выполняет ту же функцию. У Космических сил США есть отдельный контракт с компанией Astroscale на демонстрацию дозаправки на геосинхронной орбите в следующем году — то, чего раньше не делала ни одна американская компания. MRV также может делать больше, чем просто продлевать срок службы. Он может инспектировать, обслуживать, модернизировать или ремонтировать спутники, которые изначально для этого не предназначались.

DARPA сотрудничала с Военно-морской исследовательской лабораторией для разработки роботизированной полезной нагрузки RSGS. Разработка роботизированной системы заняла более 20 лет, и она была спроектирована в соответствии со стандартами надежности Министерства обороны, включая резервные роботизированные манипуляторы, авионику и персонал для выполнения задач. Полезная нагрузка RSGS также включает камеры и датчики, позволяющие многоцелевому исследовательскому аппарату (MRV) автономно приближаться, осматривать, захватывать и модернизировать спутники-клиенты, которые не были предназначены для использования в космосе.

«Этот путь к стартовой площадке представляет собой кульминацию многолетней работы, включавшей в себя дальновидность, риск и неустанные инженерные усилия», — заявил в своем заявлении Бернард Кельм, исполняющий обязанности директора Военно-морского центра космических технологий NRL. DARPA впервые профинансировала работу NRL в области космической робототехники в 2002 году, проведя небольшое исследование концепции под названием RescueSat. История RSGS восходит именно к этой инициативе.

«Программа RSGS призвана навсегда изменить этот стереотип «запуск и последующий отказ от проекта», — сказал Кельм. — Программа RSGS меняет эту парадигму, позволяя проводить вмешательства на орбите, включая инспекции, устранение механических неисправностей, перемещение спутников и их модернизацию».

Это не первый опыт DARPA в обслуживании спутников. Миссия Orbital Express, запущенная агентством в 2007 году, включала несколько месяцев маневров сближения и стыковки, испытаний роботизированных манипуляторов и других демонстраций обслуживания на низкой околоземной орбите. DARPA официально учредило программу RSGS в 2015 году, опираясь на уже проводимые в Военно-морской исследовательской лаборатории работы по робототехнике. Первоначально DARPA выбрало компанию Maxar (ныне Lanteris Space Systems) в качестве партнера по программе RSGS, но компания отказалась от участия, и в 2020 году DARPA заменило Maxar на Northrop Grumman.

Центр космических полетов имени Годдарда НАСА также внес свой инженерный вклад в программу RSGS после того, как НАСА отменило свою собственную миссию по роботизированному обслуживанию спутников в 2024 году. Поддержка НАСА включала разработку инструментов динамического моделирования и анализа, проверку программного обеспечения и группу операторов летающих роботов для оказания помощи наземным диспетчерам во время выполнения миссии.

«Система RSGS разработана для работы на спутниках, которые еще не были подготовлены, и поэтому в ней используется более сложная робототехника», — сказал Джим Шумейкер, руководитель программы RSGS в DARPA. «Она была разработана как оперативная система. У Orbital Express была одна манипуляторная рука. У RSGS две манипуляторные руки, что хорошо. Это расширяет возможности. Кроме того, это обеспечивает резервирование на случай возникновения проблем с одной из манипуляторных рук во время миссии. Еще одно отличие заключается в том, что DARPA работает над передачей этих возможностей промышленности, поэтому это частно-государственное партнерство».

На этом графике показаны возможности роботизированного транспортного средства Mission Robotic Vehicle. Источник: Northrop Grumman

Протягивая руку помощи

Первые три модуля расширения миссии Northrop Grumman были запущены на той же ракете, что и MRV, но они летят отдельно на геосинхронную орбиту, используя электрическую двигательную установку. Модули, каждый размером примерно с посудомоечную машину, будут находиться на орбите в ожидании захвата роботизированными манипуляторами MRV. После захвата первого модуля обслуживающий космический аппарат состыкуется со своим первым спутником-клиентом, точно совместившись с ним для установки модуля в свой двигательный отсек. MEP закрепится на спутнике и возьмет на себя управление двигателем на срок до восьми лет, действуя как реактивный ранец или уменьшенная версия MEV, для перемещения спутника по геосинхронной орбите по мере необходимости.

«Управлять этим с помощью джойстика с земли невозможно, потому что задержка слишком велика», — сказал Шумейкер изданию Ars. «Необходимо либо загрузить сценарий миссии, либо позволить спутнику выполнить её самостоятельно».

Инженеры провели всесторонние испытания роботизированных манипуляторов на Земле, в условиях земной гравитации. В условиях микрогравитации все будет работать по-другому.

«В космосе инерция работает иначе, — сказал Шумейкер. — Когда вы перемещаете манипулятор в одном направлении, весь спутник стремится повернуться в противоположном направлении, поэтому каждое движение манипуляторов должно компенсироваться системой управления, чтобы удерживать спутник в одном положении, что довольно сложно».

«А затем, когда вы прикрепляетесь к другому спутнику, динамика полностью меняется, потому что масса и габариты удваиваются, и поэтому ваша система управления должна уметь адаптироваться к этой новой конфигурации», — продолжил он. «Это действительно сложные задачи».

Роботизированные манипуляторы способны не только управлять двигательными модулями Northrop. Их кисти могут вмещать различные типы инструментов. Миссия стартовала на этой неделе с двумя инструментами для захвата модулей, используемыми для захвата MEP или любых других объектов с помощью захватного устройства. MRV также имеет две копии инструмента «кольцо Мармана», который позволит основному обслуживающему космическому аппарату напрямую захватывать спутник клиента при необходимости.

Компании Northrop Grumman и SpaceLogistics пока не сообщили, какой спутник станет первой остановкой для MRV. У компаний есть коммерческие соглашения с двумя операторами спутниковой связи, SES и Optus, на установку реактивных ранцев на их космические аппараты, использующие MRV. Ожидается также, что Космические силы США будут использовать MRV для посещения как минимум одного из своих спутников.

Компания Northrop Grumman взяла на себя ответственность за роботизированную полезную нагрузку, финансируемую правительством, после запуска, но она по-прежнему обязана предоставить DARPA информацию о результатах миссии по состоянию на первое техническое обслуживание.

«После завершения этой демонстрации DARPA, то есть правительство, фактически теряет контроль, потому что именно тогда мы и передаем управление в руки правительства», — сказал Шумейкер.

Затем Космические силы возьмут на себя роль DARPA в качестве государственного партнера. Компания Northrop Grumman сохранит право собственности на спутник и полезную нагрузку и продолжит отвечать за повседневную эксплуатацию.

«Они будут эксплуатировать его от 10 до 13 лет, что соответствует среднему сроку службы миссии», — сказал Шумейкер. «Таким образом, правительство США получает выгоду от наличия возможности обслуживания на орбите без необходимости оплачивать долгосрочное обслуживание и содержание. При необходимости правительство США может заключить контракт с Northrop Grumman на предоставление услуг».

Компоненты полезной нагрузки системы RSGS, разработанные Военно-морской исследовательской лабораторией при поддержке DARPA. Источник: Военно-морская исследовательская лаборатория / DARPA

В интервью изданию Ars руководители миссии подчеркнули адаптивность MRV. Именно это отличает его от других миссий по обслуживанию спутников, сказал Шумейкер.

«У RSGS есть полнофункциональные роботизированные манипуляторы с семью степенями свободы, оснащенные множеством приборов. На концах манипуляторов можно прикреплять различные инструменты в качестве рук, а также они обладают хорошими возможностями автономного управления», — сказал Шумейкер. «Это универсальная робототехника с высокой степенью точности».

Наземные группы могли бы разработать и запустить дополнительные реактивные ранцы для встречи с MRV на геосинхронной орбите после того, как космический аппарат использует три уже находящихся в космосе модуля. В будущих запусках можно было бы использовать новые инструменты, такие как нож, резак или роботизированная отвертка, для более сложных работ по обслуживанию или ремонту. Сам MRV спроектирован для дозаправки на орбите. Компания Northrop Grumman не планирует немедленно создавать второй MRV, но продолжит модернизацию и усовершенствование только что запущенного аппарата.

Ещё одна идея заключается в использовании MRV для открытия новой эры в орбитальной логистике, а не только в обслуживании и продлении срока службы. Теоретически, космический аппарат мог бы стать частью логистической цепочки на геосинхронной орбите. Космический аппарат-база, такой как собственная спутниковая платформа Northrop ROOSTER или Blue Ring компании Blue Origin, мог бы запускаться с запасом предварительно размещенных запасных частей, полезной нагрузки и датчиков. MRV мог бы забирать эту полезную нагрузку и доставлять её к спутникам, которые в ней нуждаются.

Почему именно геосинхронная связь?

Наиболее прибыльным рынком для обслуживания спутников в сфере национальной безопасности, поначалу, вероятно, окажется геосинхронная орбита, где базируются одни из самых дорогих военных спутников стоимостью в несколько миллиардов долларов. Космические аппараты на ней уникальны или работают в составе небольших группировок. Несмотря на расстояние от Земли, это делает геосинхронные спутники уязвимыми для атак. Спутники на низкой околоземной орбите, всего в нескольких сотнях километров над планетой, часто (но не всегда) являются частью крупных разветвленных группировок, таких как Starlink компании SpaceX. За некоторыми исключениями, военные и коммерческие спутники на низкой околоземной орбите дешевле и проще в замене, чем спутники на геостационарной орбите.

Но у дозаправки и обслуживания на низкой околоземной орбите есть будущее. В прошлом году НАСА заключило контракт с компанией Katalyst Space Technologies, стартапом по производству спутников, на дозаправку одного из своих астрономических спутников на низкой околоземной орбите. Компания Katalyst запустила миссию в прошлом месяце, и сейчас космический аппарат движется к своему заказчику.

Компания SpaceX планирует самую амбициозную в истории демонстрацию дозаправки с помощью своей ракеты Starship. Цель SpaceX — перекачать криогенное топливо между ракетами Starship на низкой околоземной орбите, возможно, в конце этого или в следующем году, в рамках подготовительного эксперимента к будущим крупномасштабным операциям по дозаправке для поддержки высадки на Луну в рамках программы НАСА «Артемида».

Эти и другие компании выбирают разные пути развития в области обслуживания спутников, дозаправки на орбите, космических складов и того, что военные называют динамичными космическими операциями. Но тенденция очевидна: чтобы в полной мере использовать возможности космоса, необходимо отказаться от менталитета одноразового использования.

Источник: arstechnica.com