PopularEditorialNew
BestОбсуждаемое

На шляху до створення космічних заправок

4
Джерело: aerospaceamerica

Поступове опанування земною економікою космічного простору спонукало NASA вкладати мільйони доларів у давно відому ідею створення на навколоземній орбіті сховищ пального для супутників, пасажирських транспортів та вантажних буксирів, що прямують у далекий космос. Джон Келві, автор статті, розглядає причини нового сплеску інтересу та перешкоди, що постають на обрії.

Вільям Нотардонато – справжній знавець холоду, він працює з температурами мінус 252,87 градусів за Цельсієм.  30-річний ветеран NASA, Нотардонато присвятив свою кар’єру дослідженню перспектив зберігання і поводження з рідким воднем у космосі. Рідкий водень більш відомий нам в парі з іншою речовиною — рідким киснем. Разом вони вже давно зарекомендували себе, як чудове паливо для космічних ракет-носіїв, але якби ми могли зберігати великі обсяги цих речовин в космосі, наприклад, помістивши їх у баки, ракети могли б під’єднуватись до цих сховищ на орбіті Землі, заправлятися паливом і перевозити пасажирів й вантажі на Місяць, Марс, колонізований астероїд, чи будь-який інший людський аванпост у далекому космосі. 

«Ми вже провели безліч експериментів з рідким воднем [в лабораторії], які ніхто ніколи не проводив раніше», — каже Нотардонато. «Зокрема, зберігання з нульовими втратами, охолодження з нульовими втратами, відсутність стравлювання».

Що ж залишилось? Експеримент у космосі, щоб перевірити, що ці технології дійсно працюють так, як очікувалося, а також у вільному падінні, так званій мікрогравітації. Тому, коли Нотардонато пішов з NASA у 2019 році, він вирішив досягти цілей, які не міг втілити перебуваючи на державній службі, а відтак вирішив заснувати приватну компанію Eta Space, що зібрала «групу колишніх співробітників NASA з великою кількістю цікавих задумів».

Підприємець не намагатиметься відразу створити рішення для далекого космосу. Натомість Eta Space планує запустити демонстратор технологій LOXSAT 1 на низьку навколоземну орбіту у 2024 році.  150-кілограмовий супутник, основу якого складає сферичний резервуар для палива та кубічний радіатор, має продемонструвати технології, потрібні для довготривалого зберігання кріогенних речовин. Насамперед протягом дев’ятимісячної місії буде доведено, що супутник може зберігати рідкий кисень без випаровування. Eta Space також планує провести випробування на герметичність і розгерметизацію, відпрацювати циркуляцію рідких компонентів без втрати температури й спробує перекачати пальне між внутрішніми баками LOXSAT. NASA підтримало проєкт, виділивши компанії Eta Space 27 мільйонів доларів за програмою Tipping Point на запуск демонстратора LOXSAT у 2020 році.

«Багато чого з цього ми зробили на Землі», — стверджує Нотардонато. «Зараз треба довести [результати наших експериментів] в умовах мікрогравітації, чого раніше ніколи не робили». 

Eta Space не планує стикувати демонстратор LOXSAT з іншим космічним апаратом, але якщо місія буде успішною, компанія планує запустити Cryo-Dock, більшу версію LOXSAT 1 вагою 20 000 кг, у якості першого комерційного паливного складу, що пропонуватиме клієнтам рідкий водень і рідкий кисень для космічних апаратів. Тут зможе заправлятися ціла плеяда космічних апаратів, починаючи від розгінних блоків ракет, що прямують у далекий космос, і закінчуючи орбітальними транспортними кораблями, що обслуговують супутники або збирають космічне сміття. З часом, за словами Нотордонато, Cryo-Dock стане заправляти навіть шатли й посадкові апарати, що прямують до Місяця.

Якщо демонстратор LOXSAT від Eta Space впорається з поставленим завданням, компанія планує запустити своє перше паливне депо (на зображенні) у 2025 році. Цей циліндричний док, під назвою Cryo-Dock, зможе дозаправляти різні космічні апарати. Джерело: Eta Space

Розміщення палива в космосі, як і дозаправка на орбіті — ідея не нова, але зараз дуже затребувана. Крім того, Eta Space, NASA і SpaceX розраховують на створення місячної посадкової моделі корабля Starship від вже згаданої SpaceX. Одним з етапів його польоту на Місяць має стати дозаправка кріогенним метаном і рідким киснем на навколоземній орбіті незабаром після запуску, саме такий алгоритм має виконати SpaceX в рамках демонстрації посадки Starship на Місяць без екіпажу, перед першим польотом з астронавтами. Тож в космічній галузі набирає обертів ідея створення складів пального, більш того принаймні один фукнціонуючий комплекс вже пропонує некріогенні види пального. У довгостроковій перспективі прибічники цієї ідеї стверджують, що можливе створення стабільної навколомісячної економіки, як плацдарму для освоєння ресурсів Місяця — або астероїдів, й зрештою Марса, тобто створення палива там, де воно дуже дешевшим: за межами задушливої гравітації Землі. 

Маємо підстави замислитись над тим, чому космічні сховища пального стали актуальними саме зараз, а не 10, 20 чи 30 років тому. Відповіді носять відразу політичний і технічний характер, а в цьому тандемі політика часто диктує темпи інновацій.

Вивчення процесу заправки

Для конструкторів ракет орбітальні сховища можуть вирішити одну з найдавніших дилем: як взяти якомога більше палива, не зробивши при цьому ракету занадто великою, щоб вона змогла вийти з-під дії земної гравітації. Заправка верхнього ступеня ракети з орбітального сховища дозволяє не нагрібати величезні об’єми палива зі старту. 

«Сховища дозволяють здійснювати масштабні місії на базі менших транспортних засобів», — каже Джонатан Гофф, власник аерокосмічної консалтингової компанії Starbright Engineering. «А менші й дешевші апарати можуть досягти більшої швидкості польоту, що є ключовим фактором для зниження витрат». Депо також дозволять створити абсолютно нові проєкти, наприклад, багаторазові космічні ступені, які, скажімо, можуть здійснювати перельоти між орбітами Землі та Місяця, не повертаючись на нашу планету.

Eta Space є найменшою з чотирьох компаній, які отримали фінансування від NASA в рамках програми 2020 Tipping Point, адже Lockheed Martin отримала 89,7 мільйонів доларів, United Launch Alliance — 86,2 мільйонів, а SpaceX — 53,2 мільйона. Відтак Lockheed Martin планує продемонструвати технологію поводження з рідким воднем у космосі. ULA розглядає можливість збереження розгінних блоків Vulcan Centaur на орбіті після кожного запуску і використання їх, як буксирів для далекого космосу, і тому планує дослідити можливість тривалого зберігання і внутрішньої перекачки кріогенних речовин в межах розгінного блоку Vulcan Centaur. Нарешті SpaceX буде перекачувати 10 метричних тонн рідкого кисню між баками на борту космічного корабля Starship на навколоземній орбіті, імітуючи заправку Starship, який попрямує до місячної орбіти на рандеву з капсулою Оріон, яка має доставити двох астронавтів на поверхню нашого супутника в рамках місії NASA «Артеміда III», яка наразі запланована на 2025 рік.  

Але склади пального призначені не лише для ракет і польотів у далекий космос. Ця концепція отримала розвиток й у супутниковому секторі: Минулого року компанія Orbit Fab, що розташована в Колорадо, запустила свій Tanker-001 Tenzing, перший діючий склад пального для військових супутників. Tenzing завантажений висококонцентрованим перекисом водню, який не так складно зберігати, як кріогенне паливо, хоча співзасновник Orbit Fab Джеремі Шил каже, що компанія розглядає можливість створення кріогенних сховищ в майбутньому. За його словами, заправка супутників може не тільки продовжити термін їх служби та полегшити їх зведення з орбіти, але і дозволить операторам маневрувати так, як потрібно без огляду на рівень паливна в апаратах. 

«Як тільки ви починаєте дозаправлятись [на орбіті], це змінює парадигму», — переконаний підприємець. «Перешкода, яку ми подолаємо протягом наступних трьох-п’яти років, залишить позаду 60 років історії без палива на орбіті».

Історичні виклики

Кожна епоха космічних польотів мала свої обставини, які відвертали увагу NASA від розробки стратегій орбітальної заправки. В епоху «Аполлонів» американські перегони на випередження СРСР на Місяці змусила NASA затвердити архітектуру місії, в якій одна ракета виводила б астронавтів, посадковий модуль та командний модуль на місячну орбіту, де командний модуль розділявся з посадковим, який направлявся на поверхню. Однак Вернер фон Браун та інші співробітники Центру космічних польотів NASA ім. Маршалла воліли віддали перевагу концепції «Рандеву на навколоземній орбіті», в якій два космічні кораблі запускалися б двома ракетами, одна з яких перевозила б астронавтів Аполлона, а інша слугувала б танкером для палива, зрештою вони мали б зустрітися і зістикуватися на низькій навколоземній орбіті. Проте, фон Браун і NASA зійшлися на тому, що підхід «Рандеву на орбіті Місяця» необхідний, щоб вкластися в відомий «дедлайн» Кеннеді. 

«Якби вони використовували варіант з танкером, їм не знадобився б такий великий апарат; вони могли б обійтися ракетою «Сатурн-1», — розповідає Гофф. Це дозволило б забезпечити вищу частоту польотів і більш стабільну програму, якби «вони відпрацювали цю технологію, наступні місії можна було реалізувати легше, навіть з обмеженими ресурсами».

Так вийшло, що адміністрація Ніксона вирішила скоротити програму «Аполлон» після останнього польоту «Аполлон 17», а в кінці 1970-х NASA поринула в еру космічних шатлів. Тоді NASA зосередилось радше на орбітальних польотах ніж досліджені глибокого космосу, тож побудова паливних депо для розблокування дослідження далеких об’єктів астронавтами було практично поза фокусом уваги. Ця тенденція зберігалась на початку 2000-х і в еру розбудови МКС. 

Певний час за адміністрації Обами, Гоффу здавалося, що паливні склади знову можуть отримати певні перспективи. В той час він був генеральним директором компанії Altius Space Machines, яка виробляла роботизовані маніпулятори, паливні клапани та інші космічні технології. У 2010 році, нова адміністрація скасувала програму Constellation (Сузір’я) епохи президенства Буша, а відтак відмовилась від розробки гігантської місячної ракети, натомість віддавши перевагу розвитку приватних ракет і тільки-но зародженій індустрії комерційних космічних запусків для перевезення астронавтів до та з МКС. Розробка таких ракет мала, зрештою, направити астронавтів і відповідно технології до місяців інших планет та Марсу, а відтак рано чи пізно справа дійде до одного, чи декількох паливних складів на орбіті для дозаправки цих місій. 

Але він забув про політичну впертість. 

Orbit Fab розробляє паливне депо відразу з декількома баками для дозаправки супутників на геостаціонарній орбіті. Розробка апарату Tanker-002, який показаний на ілюстрації, запланована на середину 2020-х років. Джерело: Orbit Fab

«Нам вдалося розкачати цю ситуацію та протиставити великим ракетам від NASA паливні склади», — розповідає Гофф. «Проте з’явилися люди з Конгресу, яким подобались не скільки великі ракети NASA, стільки робочі місця, що вони створюють в їх округах».

Члени Конгресу за лідерством республіканця Річарда Шелбі від Алабами та демократа Білла Нельсона, чинного адміністратора NASA, марили ідеєю великих, одноразових ракет від NASA, що зрештою призвело до вибору програми Space Launch System. Коли у 2011 році почалась активна розробка SLS, то NASA і великі гравці ринку вже не цікавились концептами паливних складів. 

«Це було просто заборонено», — переповідає він. «Якщо ви казали щось пов’язане зі складами, то відразу ставали ворогом».

Тож причиною такої популярності орбітального палива прямо зараз став значною мірою політичний тиск 2010-х. «SLS ось-ось полетить, але й Starship вже на підході», — каже Гофф. «Майже всі особи в Сенаті, які стояли за SLS, пішли на пенсію».

Проте справа не тільки в послабленні тиску. Комерційна космічна галузь розрослась до такого рівня, коли існує відкладений попит на такі послуги, як дозаправка супутників.  Коли чотири роки тому Orbit Fab вперше вийшла на цей ринок, «було вісім компаній, які планували в майбутньому пропонувати послуги супутникового обслуговування», — каже Шил. Зараз цей сектор по світу налічує понад 100 компаній зокрема, Northrop Grumman з її «Mission Extension Vehicles» (Апарат продовження місій) і буксирні служби, такі як Momentous з Каліфорнії. 

«Ми увірвалися сюди в ідеальний час, коли сервіс тільки зароджується», — додає Шил. 

Інша причина, чому ці концепції набувають популярності, також пов’язана з NASA й SLS.

«Чому зараз? – Все через «Артеміду», — впевнений космічна консультантка Лаура Форчик, автор книги «На шляху від Землі: Навчаючись у астронавтів, готуйтеся до вашої космічної подорожі». Коли NASA обрало космічний корабель Starship від SpaceX в якості системи висадки людей для місії «Артеміда III», агентство прийняло запропоновану архітектуру місії, яка передбачає 16 запусків кораблів Starship для заповнення «танкерної» версії Starship рідким метаном і рідким киснем. Потім цей космічний корабель-танкер вже на навколоземній орбіті буде перевантажувати паливо на апарат HLS Starship. 

Прототип Starship ще не злітав вище 10 кілометрів і ніколи не працював в парі з надважкою ракетою-носієм, що має вивести його на орбіту, але «NASA зараз розраховує на цю розробку, щоб мати можливість відправити людей на поверхню Місяця», — додає Форчик.

Перспективи в металі

І, звичайно, куди ж без технологічних викликів. 

«Якщо у вас є кріогенна реактивна установка, все одно потрібно розробити кілька ключових технологій, які ще не існують», — каже Джейсон Адам, керівник проєктного офісу NASA з управління кріогенними рідинами. Його команда керує програмами Tipping Point, зокрема підготовкою до демонстраційної місії Eta Space, а також проводить дослідження, спрямовані на вивчення проблем використання кріогенного палива в космосі. 

Перша з них – інтенсивне охолодження. Термоізоляція може допомогти лише тоді, коли рідкий водень кипить, а це трохи вище за мінус 253,15 С, тож якби ви могли зазирнути всередину ракети на стартовому майданчику, то це виглядало наче опустити голову в киплячу каструлю. Ця проблема не зникає в космосі лише тому, що конвекція перестає бути механізмом теплопередачі, але будь-яке сховище, розраховане на тривале зберігання кріогенного палива, має мінімізувати википання. Команда Адама розробляє технологію кріохолоджувачів для вирішення цього завдання.

NASA хоче створити базовий табір «Артеміди» до 2030-х років неподалік від південного полюса Місяця, де є кратери, які, як підозрюють вчені, можуть містити воду у вигляді льоду. В теорії, цю воду можна зібрати і конвертувати в ракетне паливо та звісно зберігати його на складах пального або на орбіті супутника, або на його поверхні. Джерело: NASA

«Уявіть собі холодильник, що буде працювати в ракеті», — розповідає Джейсон Адам. Мета полягає в тому, щоб зберігати рідкий водень і рідкий кисень у стабільному стані, «або в стані, який ми називаємо нульовим кипінням».

За словами Нотардонато, технології кріоохолоджувачів відомі вже доволі давно, значною мірою їх розвитку посприяли наукові місії NASA, наприклад, космічний телескоп «Габбл», але «у 1990-х роках технологія кріоохолоджувачів ще не була настільки розвиненою», порівнюючи з сьогоденням.

Другий виклик, з яким мають боротися усі компанії з програми Tipping Point, полягає в поводженні з паливом в умовах мікрогравітації. У вас є сховище з баком, наполовину заповненим рідким воднем, і космічний корабель, на який ви хочете його переправити: Як поведе себе водень? 

«На Землі водень залишиться на дні бака, тому що ми відчуваємо вплив 1G гравітації Землі», — каже Адам. Але у вільному падінні, «куди, дідько його бери, подінеться водень? – Він може опинитися де завгодно». 

 Поки невідомо, наскільки ефективними будуть інженерні рішення, які раніше використовували для управління положенням некріогенних рідин в умовах мікрогравітації, наприклад, надувна камера, лопаті й перегородки для внутрішнього бака, щоб використовувати поверхневий натяг, однак Адам зазначив, що різні програми в Tipping Point спрямовані на пошук потенційних рішень.

Між тим, інженери NASA в Центрі космічних польотів імені Маршалла працюють над ще однією проблемою: збереженням палива. 

«Якщо ви коли-небудь мали досвід роботи з кріосистемами, ви знаєте, що всі вони завжди протікають», — розповідає Адам.  

Невеликі течі – не проблема для ракети, яка доставляє корисне навантаження за лічені хвилини, і більше не використовує кріокомпоненти. Однак для місії на Марс або для складу рідкого водню – важливо, щоб кріогенне паливо надійно герметизувалося. 

Що ж, у NASA є певний прогрес: «Зараз ми виконуємо наземні випробування деяких великих кріогенних клапанів, які зменшать рівень протікань на два-три порядки порівняно з сучасними показниками», — впевнений Адам. 

Він впевнений, що дослідницька робота NASA та програма Tipping Point допоможуть подолати багато проблем з управлінням кріогенними рідинами в умовах мікрогравітації, хоча, звісно, не всі з них. «Кріо — доволі божевільна штуковина. Я працюю в цій галузі досить довго, щоб розуміти, як багато всього може статися».

Майбутнє зі сховищами

Справді, кріогенні компоненти можуть непередбачувано змінити космічну галузь. Але ж звісно очікуємо позитивний сценарій? Як може виглядати такий розвиток подій? 

Для Orbit Fab це в першу чергу запуск наприкінці цього або на початку наступного року свого Tanker-002 – геостаціонарної заправної станції з 90 кг гідразину, а відтак привчання супутникових операторів до абсолютно нових можливостей заправки паливом прямо на орбіті. 

«Сьогодні паливо — капітальні витрати. Ви вкладаєтесь в нього, але коли воно закінчуєтеся, ви залишаєтесь безпорадним».

Джеремі Шил, Orbit Fab

«Сьогодні паливо — капітальні витрати.», — переконаний Шил. «Ви вкладаєтесь в нього, але коли воно закінчуєтеся, ви залишаєтесь безпорадним».

Для Eta Space успіх теж має конкретні рамки: LOXSAT підтверджує технологію першого кріодока і, як наслідок, можливість використання сховищ пального на поверхні Місяця в рамках програми NASA «Артеміда» — звісно, за умови, що SpaceX вирішить головоломку з транспортуванням кріогенної рідини, необхідної для перельоту астронавтів на Місяць. 

Тоді, за оцінками Форчик, NASA і приватні компанії, зокрема Eta Space, зможуть вивчити можливості виробництва палива з місячних ресурсів, а відтак відмовитися від постійних вантажів з Землі. 

Ідея полягає в тому, щоб «перескочити відразу до моменту, коли ви будете виробляти це паливо де-небудь», — каже вона. «Місяць — наш найближчий сусід, і на ньому є всі матеріали, необхідні для виробництва ракетного палива».

Тоді уряд і промисловість могли б задуматися над створенням стратегічного запасу палива на Місяці, що генеральний директор ULA Тоні Бруно запропонував Національній космічній раді в 2020 році. За пропущенням Фончик, це б могло «запустити економіку за маршрутом Місяць-Земля».

Наразі вона зазначає, що ми прогнозуємо на десятиліття вперед, однак технічні виклики, економічні та політичні реалії можуть вплинути на темп розвитку сектору. Але «здається, що ми вже стоїмо на самому початку», — стверджує аналітик. «Певна версія орбітальної дозаправки вже випробувана, або її тільки випробують. Чи всі обіцянки щодо створення орбітальних складів будуть реалізовані, я не впевнена, що хтось може це передбачити.» 

Джон Келві, вересень 2022

Джерело

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

14
Войдите, чтобы видеть ещё 4 комментария, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Нервный Спок
Вечность назад

Тішуся підтвердженням багатьох власних уявлень по темі. Чекаю, коли до них дійде, що не просто діжку-танкер слід мати, а як мінімум, повноцінний завод з виробництва палива. Ну і батареї діжок, звісно. А ще цікаво, коли Маск всерйоз згадає про реанімацію водневих рапторів. І про власний мегасклад з бустера

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
If you were unable to log in, try this link.