Инженеры давно хотели научиться заправлять спутники прямо на орбите, чтобы продлить им жизнь. Оказывается, можно было обойтись буксиром

25 февраля 2020 года на расстоянии 36 тысяч километров от Земли космический аппарат MEV-1 сблизился с телекоммуникационным аппаратом Intelsat 901 и схватил его, чтобы вернуть на «правильную» орбиту. Это должно продлить жизнь старому спутнику еще как минимум на пять лет. «Медуза» попросила популяризатора космонавтики Виталия Егорова объяснить, открывает ли это событие новый этап освоения космоса, когда длительность работы на орбите не зависит от запаса топлива в спутнике, и удастся ли компании Northrop Grumman, которая сделала «спутник-буксир», заработать на нем деньги.

Современные спутники могут работать на орбите по два десятка лет и даже больше. Надежность космической электроники уже давно не является главным ограничителем их срока эксплуатации: сейчас на время жизни аппарата влияют прежде всего торможение о верхние слои атмосферы, а на высоких орбитах — расход топлива.

Разумеется, операторам спутниковых услуг выгодно, чтобы их аппараты работали как можно дольше. Продление работы аппаратов может стать доходным бизнесом с десятками клиентов, ведь каждый год работы спутника приносит оператору десятки миллионов долларов. Например, теперь Intelsat 901 с присоединенным MEV-1 не будет выведен из строя, а прослужит еще примерно пять лет. А затем MEV-1 отправится продлевать жизнь другому аппарату.

Геостационарная орбита — главная «трасса» для дозаправки и буксировки спутников

Как правило, спутники Земли движутся по видимому небосводу, когда вращаются вокруг нашей планеты. Но на высоте примерно 36 тысяч километров спутник оборачивается вокруг Земли ровно за 24 часа — то есть за то же время, за которое Земля обращается вокруг собственной оси. Если при этом он движется в плоскости экватора, то при взгляде с Земли будет казаться, что спутник стоит всегда на одном и том же месте.

Орбита такого типа называется геостационарной (ГСО), и она особенно выгодна для телевещания и передачи данных, поскольку только на ней источник радиосигнала «висит» в одной точке, выступая постоянным ретранслятором, и может пересылать информацию на целое полушарие планеты.

Положение геостационарного спутника называют «точка стояния», и ее удержание требует топлива. Когда баки пустеют, спутник отправляют чуть дальше от Земли, на так называемую «орбиту захоронения», где он не будет работать, но и не будет мешать следующим поколениям аппаратов на ГСО. Так происходит даже в том случае, если во всех других отношениях (помимо количества топлива) аппарат полностью технически исправен. Таким образом, на орбите захоронения вокруг нашей планеты постепенно формируется рукотворное кольцо, и астрономы-любители иногда снимают этот бесконечный хоровод — хотя до красоты колец Сатурна нам пока далеко.

Обслуживать спутники на орбите приходилось и раньше, но до сих пор это было невозможно без участия человека 

История MEV-1 — не первый пример технического обслуживания на орбите. Однако до сих пор оно всегда требовало участия человека и, как следствие, значительных ресурсов.

До того как началось обслуживание беспилотных спутников, человеческие руки помогли спасти американскую станцию Skylab и советский «Салют-7». Дальнейший опыт показал, что ремонт — одна из самых важных ролей человека в космосе, которую пока заменить не удавалось. Антропоморфные роботы Robonaut и «Федор» запускались на Международную космическую станцию с целью оценить их перспективы в замене человека — но в космосе они оказались скорее бесполезными игрушками. 

Существенно больше пользы на МКС принес роботизированный манипулятор Dextre, установленный на руке-кране Canadarm 2. Его доставили на МКС в 2008 году и с тех пор он работает на внешней части станции. С его помощью запускаются малые космические аппараты с американского сегмента МКС и проводятся несложные технические операции, например, размещается полезная нагрузка и заменяется некоторое оборудование.

К сожалению, любая работа с участием человека в космосе несоизмеримо дороже любого спутника. То есть технически ремонт на орбите возможен уже сейчас, но сделать его экономически целесообразным для коммерческих спутников раньше не удавалось. Сложности здесь начинаются еще до начала ремонта, ведь прежде всего надо пристыковаться к свободно летающему аппарату.

Для буксировки в космосе необходима стыковка, но провести ее не так просто, как кажется

Первая полностью автоматическая стыковка двух космических аппаратов прошла еще в 1967 году между советскими «Космос-186» и «Космос-188». По сути это были два беспилотных варианта кораблей «Союз». С тех пор и по сей день уже российские «Союзы» стыкуются со станциями автоматически. Но даже сейчас в таком случае в корабле сидит человек, готовый перехватить управление в случае нештатной ситуации, а корабль со станцией оборудованы необходимым для ручной стыковки оборудованием: узлами и системой сближения.

Первый успешный эксперимент по автоматической стыковке и обслуживанию без участия человека прошел еще в 2007 году: на низкой околоземной орбите аппарат Orbital Express разделился на две части, которые разлетелись на 400 километров, а потом одна догнала вторую, состыковалась и произвела детальный осмотр камерой на «руке». Также на Orbital Express опробовали замену бортового компьютера и переустановку программного обеспечения. Однако о коммерческом использовании этой технологии речи не шло — разработка поддерживалась в США на деньги военного агентства DARPA, а для военных тема орбитального обслуживания, кроме заправки и ремонта своих спутников, была интересна еще и потенциальной возможностью захвата и подключения к орбитальным коммуникациям противника. В открытую об этом агенство, конечно, не говорило, но для специалистов некоммерческая сторона вопроса была очевидна.

Что касается не просто стыковки, но и орбитальной заправки, то эта технология отрабатывалась на МКС c 2013 по 2018 годы. В ходе испытаний робот Dextre имитировал заправку спутника: перерезал проволочную пломбу «бензобака», сворачивал заглушку, накручивал переходник для заправки и заправлял «спутник» топливом. С токсичным жидким топливом все прошло успешно, а вот с криогенным метаном начались проблемы, которые не удалось решить до сих пор. Однако даже успешные эксперименты были очень далеки от коммерческого применения, хотя и приближали к нему. 

Обслуживание на орбите может стать реальным бизнесом, но ему придется конкурировать со спутниками-«однодневками»

Всерьез о заправке в космосе именно как о бизнесе задумалась канадская компания MDA в 2011 году. Она сразу обозначила свои приоритеты: сначала отработать технологию на госконтракте, а потом уже предлагать ее как коммерческую услугу. Заказа пришлось ждать долго, пока DARPA развивала свой отдельный проект Phoenix. Идея DARPA была еще более радикальна, чем у MDA — военные хотели создавать на орбите «спутники-Франкенштейны» из доставляемых новых модулей и старых деталей, которые уже свое отслужили.

В конечном счете, проект Phoenix переименовали в Robotic Servicing of Geosynchronous Satellites, а контракт на разработку спутника-ремонтника получило американское подразделение MDA. По некоторым оценкам, на разработку потрачено более 200 миллионов долларов, хотя аппарат так и не полетел.

Тем временем, конкуренты MDA из компании ATK (потом они стали Orbital ATK, а затем вошли в концерн Northrop Grumman) сделали свою систему: Mission Extension Vehicle. Их решение оказалось проще всех предыдущих — оно практически не нарушает конструкцию обслуживаемого аппарата и не предполагает заправки. Обслуживающий аппарат просто закрепляется на спутнике, орбиту которого нужно исправить, и становится на время его частью.

Northrop Grumman не разглашает стоимость MEV-1, поэтому сейчас сложно оценить экономическую эффективность такого бизнеса. Впрочем, аппарат создавался на серийной спутниковой платформе, а использующаяся в нем система стыковки максимально проста — никаких манипуляторов и заправочных кранов. Фактически это буксир, а не заправочный танкер.

Благодаря электроракетным двигателям платформа «спасателя» имеет больше возможностей перемещения по сравнению с аппаратами на химической тяге. И, конечно, спутники MEV существенно дешевле телекоммуникационных аппаратов, которые они призваны обслуживать — стоимость последних составляет около 200-300 миллионов долларов. Впрочем, нельзя исключать, что Northrop Grumman претендует на будущие государственные контракты, и на первом испытании позволила себе демпинг.

Хотя успех MEV-1 очевиден, его влияние на коммерческий рынок имеет двойственное значение. Он помогает операторам спутников, но подрывает бизнес их производителей. Тут как в автопроме — никто не заинтересован в выпуске вечной машины, поскольку не хочет терять будущих покупателей. Производители телекоммуникационных спутников и так находятся в кризисе: спрос падает из-за распространения оптоволоконных наземных сетей, а аппараты на орбите часто превышают свой рабочий ресурс. Кроме того, грядут перемены из-за низкоорбитальных группировок глобального спутникового интернета OneWeb и Starlink, поэтому конкурирующим с ними геостационарам придется нелегко.