Дисклеймер.
Автор є лише ентузіастом і не має профільної технічої освіти у сфері аерокосмічної інженерії чи фізики, а цей текст є лише результатом спостережень та розмірковувань щодо наступних кроків в освоєні навколоземної орбіти.
Будь яка конструктивна критика вітається!
Проблематика запуску супутників
Мені здається важливим показати, як виглядає шлях супутників від збірочного цеху до їхньої цільової орбіти.
Для кожного апарата обирається відповідний носій, який підходить за ціною, часом запуску, надійністю та точністю виведення. Носій виводить супутник на цільову орбіту, де він залишається до кінця свого «життя». Закінченням цього життєвого циклу може бути як вичерпання палива (якщо апарату необхідно маневрувати), деградація компонентів або втрата необхідності в його експлуатації.
На перший погляд такий підхід здається ідеальним: основне завдання — зменшити вартість запуску носія та вдосконалити апарат, щоб він працював на орбіті довше, був легшим, компактнішим і дешевшим. Проте насправді цей підхід має суттєві обмеження. Наприклад, для малих супутників. Щоб вивести їх на визначену орбіту, ймовірно, доведеться використовувати малі ракети-носії, такі як Electron, Vega або Firefly Alpha. Проте вартість запуску цих носіїв за кілограм часто вища, ніж якби супутники летіли як частина вантажу на важкій ракеті.
І здається, рішення вже на поверхні. Наприклад, є варіанти, коли ваш легкий супутник може полетіти на орбіту разом із важчим, щоб зменшити витрати для всіх учасників запуску. Або ж можна запустити багато малих супутників «пакетом» на одній ракеті. Але й тут виникають проблеми. У першому випадку ви, ймовірно, не потрапите на свою бажану «ідеальну» орбіту, а лише на ту, що розташована близько до орбіти основного, більш важкого вантажу. У другому випадку, організація запуску великої кількості малих супутників на одній ракеті стає ще складнішою. Тому жоден із цих варіантів не є ідеальним. Моє бачення вирішення цієї проблеми полягає в іншому підході.
Орбітальні хаби та буксири
Давайте поглянемо, як працює логістика. Уявімо, що ми хочемо організувати обмін посилками між містами А, Б і В. Найпростіший варіант — це відправка посилок напряму (Мал. 3), замовивши таксі, яке доставить ваш пакунок з міста А (будинок 1) в місто Б (будинок 2).
Але одразу видно проблему: доставка пакунка між містами на таксі буде надто дорогою. Тому всі служби доставки користуються іншим підходом: спочатку кур’єри збирають посилки у відділеннях, потім їх перевозять до розподільчих центрів, звідки вони відправляються до потрібних міст. Далі кур’єри вже доставляють посилки до адресатів. При цьому для далеких поїздок використовують великі вантажівки, оскільки їхня вартість перевезення за кілограм значно нижча.
Отже, що я маю на увазі, теперішня інфраструктура космічних запусків виглядає як схема з «прямою доставкою» (Мал. 3), а ми прагнемо, щоб вона працювала за схемою «пошти» (Мал. 4). Як цього досягти? По-перше, потрібна «вантажівка», яка ефективно виконуватиме найенерговитратнішу частину роботи — виведення на орбіту. По-друге, потрібні «кур’єри», що забезпечать точну доставку в конкретне місце на орбіті. У результаті ми отримаємо більш оптимальну архітектуру запусків:
У цій концепції доставку до хабу здійснюватиме надважкий ракето-носій, а з хабу на конкретні орбіти апарати доставлятимуть багаторазові орбітальні буксири. Така модель має спростити процес виведення апаратів у космос, запобігаючи ситуаціям, коли «вантажівка» летить неповністю завантажена або простоює в очікуванні достатньої кількості замовлень на схожу орбіту, щоб виправдати запуск. Звісно, залишаться замовники та місії, яким буде оптимальніше виконувати стандартними польотами без використання буксирів, але це не суперечить загальній концепції.
Додам, що вважаю: такий хаб має бути пілотованим і використовувати людей для обслуговування. Адже на даний момент найбільш універсальним та ефективним механізмом для підтримки і ремонту залишаються «м’які людські руки», навіть якщо їхні рухи обмежені мобільністю скафандру.
Вплив на проектування та розгортування супутників
На мою думку, такий підхід не лише оптимізує процес доставки апаратів на орбіту, а й створить нові можливості, яких раніше не існувало. Наприклад, зараз термін служби супутника обмежується двома основними факторами: запасом палива та зношуванням компонентів. Але з наявністю орбітальних буксирів можна буде завжди доставити супутник назад до хабу, провести його інспекцію, ремонт або навіть модернізацію прямо на орбіті й повернути його до роботи. Таку практику ремонту апаратів на орбіті вже доволі добре продемонстрували місії Space Shuttle. На один тільки телексоп Hubble прийшлося аж 5 сервісних місій, за які телескоп не тільки був відремонтований, а й отримав апгрейди для продовження життя.
У концепції орбітальних хабів якщо ремонт виявиться неможливим, супутник можна спустити на Землю на порожньому кораблі або підвезти потрібні компоненти для заміни. Такий підхід не лише продовжить життєвий цикл супутників, але й спростить їхнє проєктування та управління ризиками, адже відмова деяких компонентів більше не означатиме автоматичну «смерть» апарата.
Можливість ремонту супутника на орбіті відкриває й іншу важливу перспективу — збирання та тестування апаратів прямо в космосі. Навіщо це потрібно? Під час проєктування супутників розробники завжди мають знаходити баланс між трьома факторами:
- Вага апарату – він повинен бути легким, щоб забезпечити довший час роботи за рахунок економії палива.
- Об’єм апарату – він має вміщатися під обтічник ракети.
- Витривалість до перенавантажень та вібрацій – апарат повинен витримати польотні навантаження без пошкоджень.
При цьому два останні фактори значно впливають на перший. Якщо потрібні більші сонячні панелі, то їх треба робити складними, щоб вони вмістилися під обтічник. А щоб уникнути їхнього пошкодження під час польоту, доведеться зміцнювати кріплення між панелями та апаратом.
Однак, після доставки на орбіту вплив цих факторів зникає. В космосі немає атмосфери, тому обтічники стають зайвими, а перевантаження та вібрації мінімальні, оскільки немає потреби використовувати потужні двигуни, здатні долати земну гравітацію в 9,81 м/с².
Тепер уявімо, що супутник доставляється в орбітальний хаб у розібраному вигляді, як меблі з IKEA. Після цього його збирають, тестують і, можливо, навіть доопрацьовують на місці, а потім буксирують на потрібну орбіту. Таким чином наявність орбітальної інфраструктури не тільки надає значно більше гнучкості й дозволяє ефективніше використовувати космічні ресурси, а й значно знижує ризик втрати апарату під час його розгортування .
Розташування хабу
Ті, хто знайомий з правилами орбітальної механіки, знають, що ракети не завжди літають “однією дорогою”, де хтось просто летить вище, а хтось нижче. Одним із ключових параметрів орбіти є її нахил. Зміна нахилу на орбіті дуже енерговитратна, і для цього потрібно значно більше палива. Нахил орбіти може відрізнятися на цілих 90 градусів, і це створює складнощі. Наприклад, щоб змінити нахил орбіти на 30 градусів на круговій орбіті з висотою 600 км, потрібно приблизно 3,9 км/с ∆v, що є величезною витратою палива.
Щоб вирішити цю проблему, потрібно зрозуміти, де розташована більшість супутників. Для цього скористаємося даними UCS Satellite Database, щоб отримати уявлення про те, на яких орбітах знаходиться найбільше корисного навантаження.
На цій тепловій мапі ми можемо побачити два основних скупчення. Перше має апогей приблизно від 500 до 1300 км і нахил орбіти від 97 до 108 градусів — це супутники на полярних та сонячно-синхронних орбітах. Друге скупчення має нахил від 0 до 7 градусів і розташоване на висотах від 19 тисяч до 36 тисяч км — це супутники на геосинхронних орбітах. Є також невелике скупчення супутників на низьких навколоземних орбітах з нахилом від 30 до 68 градусів.
З огляду на ці дані, я вважаю, що можна обійтися двома орбітальними хабами. Перший хаб має розташовуватися на орбіті з малим нахилом (від 20 до 30 градусів). З нього супутники зможуть підніматися на геосинхронну орбіту та низьку навколоземну орбіту з нахилами до 40 градусів. Цей хаб повинен бути оснащений потужними орбітальними буксирами, здатними піднімати великі супутники на геосинхронні орбіти.
Другий хаб призначатиметься для полярних орбіт і має бути розташований на орбіті з нахилом приблизно 80 градусів і якомога нижче, щоб мінімізувати витрати палива на доставку супутників на полярні орбіти.
Орбітальні буксири
На сьогодні орбітальні буксири — це, здебільшого, одноразові машини. Вони призначені для того, щоб доставити один або кілька апаратів на визначені орбіти, після чого залишаються разом з одним із апаратів для подальшої корекції орбіти та зведення супутника після закінчення його життєвого циклу, або самі згоряють в атмосфері. У концепції орбітальних хабів роль буксирів значно розширюється, дозволяючи їм виконувати набагато більше функцій, ніж це можливо сьогодні.
Головна ідея полягає в тому, щоб створити можливість дозаправки буксирів на орбіті. Паливо для них буде доставляти наша «велика вантажівка». Поки на її роль найбільше підходить Starship, але технічно такі місії може виконувати будь-який надважкий ракето-носій. Самі буксири будуть модульними: вони зможуть не тільки доставляти апарати на їхні орбіти, а й виконувати дозаправку, технічне обслуговування, буксирування апаратів до хабів для ремонту або ж зведення відпрацьованих апаратів з орбіти.
Але чому доставка апарата на буксирі має бути дешевшою, ніж пряма доставка на цільову орбіту? Я розділю відповідь на дві частини: ефективність і розмір навантаження.
Ефективність. Starship, як і будь-який інший потенційно багаторазовий ракетоносій, має бути оптимізованим для двох середовищ: атмосферного польоту та польоту у вакуумі на орбіті. Зазвичай, атмосферний політ вимагає більше інженерних рішень, що в результаті збільшує вагу апарата. Серед таких рішень — тепловий щит, обтічник, двигуни з укороченим соплом, посилені конструкції для витримування перевантажень, потужні двигуни, які повинні подолати земне тяжіння тощо. У космічному вакуумі всі ці елементи стають надлишковими і лише знижують можливості щодо корисного навантаження ракети.
Тому важливо мінімізувати маневри таких кораблів на орбіті та сконцентрувати їх роботу на найскладнішому етапі польоту — виведенні апарата на орбіту. Подальшу ж доставку корисного навантаження на цільові орбіти варто передати багаторазовим буксирам. Двигуни буксирів не потребують надмірної тяги, оскільки оптимізовані для роботи у вакуумі та мікрогравітації, а їхня конструкція не вимагає аеродинамічного захисту, що дозволяє зекономити вагу та спостити дизайн.
Розмір навантаження. Один із трендів сучасної космонавтики (та й технологій загалом) — мініатюризація, а розмір обтічника Starship частково суперечить цьому тренду. Наразі на ринку існує дуже мало замовників, які могли б самостійно завантажити хоча б половину корисного об’єму або ваги Starship. За даними джерела UCS Satellite Database, понад половина загальної маси супутників на орбіті не перевищує 4,2 тонни. Саме через це історично більшість надважких ракет-носіїв створювалися лише для виконання державних замовлень, пов’язаних з будівництвом космічних станцій, місіями на Місяць чи відправленням апаратів у далекий космос.
Концепція орбітальних буксирів, з урахуванням представлених факторів і майбутніх можливостей, має значний потенціал для оптимізації космічних польотів. Для того, щоб ця система була ефективною та конкурентоспроможною, необхідно визначити кілька ключових характеристик для орбітальних буксирів:
- Надійність. Орбітальні буксири повинні працювати на орбіті протягом тривалого часу, виконуючи численні місії з перевезення вантажів між різними орбітами. Це означає, що двигуни буксирів мають витримувати значно більше загального часу роботи, ніж двигуни звичайних ракет, які зазвичай працюють лише поки паливо не закінчиться в паливних баках. Тому можливо є сенс проектувати їх з можливістю їх подальшого обслуговування на орбіті, щоб ще більше збільшити їх життєвий цикл.
- Ефективність. Двигуни орбітальних буксирів повинні бути оптимізовані для роботи у вакуумі та мати високий питомий імпульс, щоб забезпечити мінімальні витрати палива під час маневрів між орбітами. Відсутність потреби в подоланні земного тяжіння дозволить знизити вимоги до тяги двигунів та зосередитися на їх ефективності.
- Модульність. Щоб буксири могли виконувати різноманітні завдання, важливо забезпечити можливість їхньої модульної адаптації. Наприклад, для різних типів вантажів можуть знадобитися різні стиковочні адаптери або маніпулятори. Заміна окремих модулів дозволить продовжити термін служби буксирів без необхідності повної заміни самого буксиру.
Майбутній потенціал
Польоти на місяць. Оскільки політ на низьку місячну орбіту вимагає майже стільки ж ∆v (приблизно 4 км/с), скільки політ на геосинхронну орбіту, буксири можуть використовуватися для доставки вантажів не тільки на орбіти Землі, а й до Місяця. У майбутньому, якщо з’являться можливості видобутку води на Місяці та її розкладу на водень і кисень для ракетного палива, дозаправка буксирів стане ще більш ефективною. Оскільки політ з поверхні Місяця на низьку орбіту Землі вимагає значно менше палива, ніж запуск із Землі.
| Маршрут | Витрата ∆v |
| Поверхня Місяця – ННО | ~5,67 км/с |
| Поверхня Землі – ННО | ~9,4 км/с |
| НHО – ГСО | ~3,91 км/с |
| ННО – НЛО | ~3.94 км/с |
- Буксир відправляєься до місячного орбітального хабу
- Буксир завантажує паливо на місячному орбітальному хабі для доставки на орбіту Землі.
- Буксир прибуває на низьку оклоземну орбіту з паливом.
Ядерні буксири. Для виконання більш енерговитратних маневрів, таких як польоти на Місяць або доставка супутників на геосинхронну орбіту, можуть бути застосовані буксири з ядерними двигунами. Ядерні рушії забезпечать більшу ефективність і дозволять буксирам виконувати довші та складніші місії.
Польоти в дальній космос. З часом старі буксири, які досягли кінця свого строку служби, можуть бути використані як одноразові розгінні блоки для відправки космічних апаратів у далекий космос.
Орбітальна верфь. Концепнція використання орбітального хабу та доставки палива з місяця робить більш привабливою та реалістичною іншу концепцію, а саме будівництва великих міжпланетарних космічних кораблів на орбіті. Так як орбітальний хаб буде вже мати багато інструментів потрібних для орбітального будівництва: джерело енергії, астронавтів інженерів, які займаються підтримкою та обслуговуванням супутників, а заправити сам апарат можна буде паливом привезенем з місяця.
Висновки
Запровадження орбітальних хабів та багаторазових буксирів може докорінно змінити правила гри в космічній логістиці. Завдяки можливості обслуговування і модернізації супутників, дозаправки буксирів та підтримки на орбіті, такі хаби зможуть значно зменшити витрати на запуск і підтримку місій, подовжити життєвий цикл апаратів і навіть спростити процес їхнього проектування.
Орбітальні хаби та буксири, зокрема із дозаправкою з ресурсів Місяця, закладають фундамент для космічної інфраструктури нового рівня, яка здатна підтримувати як комерційні, так і наукові місії. Це може бути першим кроком до створення повноцінної орбітальної “економіки”, де космос стане доступнішим для досліджень, технологічного прогресу та людства в цілому.