Cómo la NASA está a punto de tomar y repostar un satélite en órbita terrestre baja

En 2022, la nave espacial robótica de la NASA dará servicio al Landsat 7

En el futuro previsible, el acceso al espacio seguirá siendo extremadamente costoso. Incluso cuando se usan trucos como cohetes reutilizables o se lanzan desde globos y aviones gigantes, el costo de poner un kilogramo de carga útil en una órbita terrestre baja sigue siendo de varios miles de dólares. Y tan pronto como pones algo en órbita, entonces (con algunas excepciones) se deja a sus propios dispositivos, y solo queda esperar que complete su tarea antes de que se quede sin combustible. Después de eso, la mayoría de los satélites son inútiles.

En general, dicho sistema parece extremadamente ineficiente. A la NASA le gustaría cambiar esto, y considera que es una gran idea colocar talleres de reparación y estaciones de servicio en el espacio. Varios programas de servicios satelitales se encuentran en diversas etapas de desarrollo, y este año el equipo de la revista IEEE Spectrum visitó el Centro de Tecnología de Robótica Goddard Space Technology de la NASA para obtener más información.

RSGS

Este año, el proyecto del Servicio de Robótica del Servicio de Satélite Geosíncrono (RSGS) de la Oficina de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Defensa (DARPA) se suspendió cuando el contratista principal, Maxar Technologies, se negó a crear equipos para él. DARPA estaba buscando nuevos socios para el proyecto y espera poder anunciar nuevos acuerdos antes de finales de este año, y lanzar el proyecto RSGS en 2023. RSGS es una nave espacial semiautomática con dos manipuladores robóticos, que tendrá que servir a los satélites geosíncronos y reparar sus problemas para extender la vida útil. El video muestra un concepto de lo valiosa que puede ser esta tecnología: un panel solar atascado puede borrar la existencia de un satélite completamente nuevo, mientras que resolver este problema (y ahorrar cientos de millones de dólares) puede ser tan simple como un pequeño empujón en la dirección correcta.

Rrm

RSGS se centra principalmente en la fijación de satélites, pero existe otra gran oportunidad para trabajar en órbita: es el reabastecimiento de combustible; porque la vida útil de la mayoría de los satélites está determinada por la cantidad de combustible que tienen en stock. Varios proyectos de reabastecimiento robótico de la NASA enviaron equipos de prueba a la EEI para determinar la mejor manera de reabastecer los satélites cuyo proyecto no incluía tales acciones. Dichos satélites (de hecho, todos los satélites) en la Tierra están bien envueltos, las válvulas de gas están bien envueltas, fijadas con cables y cubiertas con aislamiento térmico. Para repostar los satélites, tendrá que eliminar completamente todo esto, y de una manera completamente anormal.

Las misiones robóticas de reabastecimiento de combustible (RRM) de la NASA comenzaron en 2011 y enviaron equipos de prueba del tamaño de un refrigerador pequeño a la EEI. Utilizando copias de válvulas satelitales, combustible real y un conjunto de herramientas que un brazo robótico puede controlar en la estación, la NASA probó las misiones RRM y estableció un conjunto de procedimientos para el reabastecimiento práctico de satélites en órbita. La misión RRM3 más reciente se lanzó en diciembre de 2018 para verificar la transferencia de combustible criogénico; debe almacenarse en forma refrigerada, pero potencialmente es mucho más potente que el monofuel de hidrazina, que se usa en los motores de la mayoría de los satélites. En abril de este año, RRM3 perdió su capacidad de enfriar combustible y tuvo que ser arrojado al espacio, pero la NASA aún pudo verificar todas las herramientas y procedimientos para transferir combustible, incluso sin el combustible en los tanques.

Restaurar-l

El proyecto Restore-L combina funciones de servicio y reabastecimiento de combustible, y en este momento es el proyecto de servicio satelital más interesante. Restore-L se convertirá en una nave espacial robótica que implementará todo lo que la NASA aprendió sobre mantenimiento y reabastecimiento de combustible. Visitará Landsat 7, un satélite de detección remota propiedad del gobierno de EE. UU. Ubicado en la órbita baja de la Tierra en 1999 y capaz de trabajar con su combustible disponible hasta 2021. La misión es ambiciosa, pero tiene enormes beneficios: Landsat 7 cuesta más de medio billón de dólares y lo hará genial si podemos repostar y dejarlo a él y a otros satélites en servicio.


Dibujo del artista: Restore-L (abajo) está a punto de capturar y dar servicio a Landsat 7

Los componentes más importantes de Restore-L se están desarrollando en el Goddard Space Flight Center (GSFC) de la NASA, mientras Maxar está trabajando en el autobús del barco y en el equipo de brazo robótico. Nos reunimos con Brent Robertson, el gerente de proyectos de Restore-L, en un centro de robótica de pared negra similar a una cueva donde revisan el hardware y el software de Restore-L. Al final del proyecto, será un par de brazos robóticos grandes capaces de capturar satélites, con un conjunto de herramientas y un grupo de sensores que permiten que ambos lo controlen de forma remota desde la Tierra y funcionen de manera completamente autónoma.

La misión de reabastecimiento de combustible del Landsat 7 incluirá un procedimiento complejo típico de reabastecimiento de combustible de cualquier satélite. Restore-L tendrá que:

• Captura de forma autónoma Landsat 7.
• Mediante un control remoto con una herramienta, corte las cubiertas aislantes que protegen las válvulas de llenado y descarga.
• Usando otra herramienta, corte los cables en las válvulas.
• Desenrosque las tapas de las válvulas.
• Conecte un puerto de desconexión rápida a la válvula de llenado.
• Transfiera 115 kg de hidrazina al satélite.
• Nuevamente, cierre todo con aislamiento térmico y asegúrese de que nada se haya escapado al espacio.

"Se eligió Landsat 7 porque este satélite es lo suficientemente representativo", dice Robertson. Como la mayoría de los satélites. Tiene un anillo Marman, un componente estructural que una vez lo conectó a la etapa superior del cohete, y ahora proporciona un punto de agarre estándar y conveniente para el brazo robótico Restore-L. Diferentes satélites pueden tener diferentes válvulas de llenado, y Restore-L tendrá herramientas diseñadas para Landsat 7, pero en general el procedimiento debería ser más o menos el mismo, y las herramientas se pueden reemplazar si es necesario.


Es importante destacar que Landsat 7 es representativo porque no se planeó repostar, dice Robertson. “Cuando lanzaron Landsat 7, no planearon repostarlo. Nadie pensó que sería posible. Y seremos los primeros en mostrarlo ”.

La parte más difícil de la misión comenzará, muy probablemente, después de que Restore-L alcance a Landsat 7 y comience una maniobra de captura. No se puede controlar de forma remota, ya que incluso una demora de uno o dos segundos será demasiado larga para una operación tan delicada: en condiciones de microgravedad, una falla puede hacer que Restore-L y Landsat 7 giren sin control, o incluso dañar Landsat 7. La captura debe realizarse de forma autónoma y en Restore -Se instalarán cámaras L para el espectro visible, cámaras infrarrojas y un lidar para el espacio, desarrollado en GSFC. Bueno, si algo sale mal, la nave debe ser lo suficientemente inteligente como para regresar.


Modelo Landsat 7 parcial instalado en una instalación robótica simulada por microgravedad

GSFC prueba exhaustivamente los equipos en la Tierra, preparándose para esta captura autónoma en órbita. El centro robótico operativo alberga un modelo a escala real de la parte inferior del Landsat 7, montado en un robot de seis patas, cuyas piernas simulan los seis grados de libertad de movimiento que experimenta Landsat 7 en vuelo.


Uno de los manipuladores Restore-L

La empuñadura Restore-L, que tiene siete grados de libertad, es lo suficientemente larga como para agarrar el Landsat 7 desde una distancia de un metro, y los motores de engranajes de onda en las juntas de la empuñadura garantizan un funcionamiento preciso con una reacción mínima. Los sensores de torsión de agarre le permiten evaluar de forma autónoma la fuerza de agarre del objetivo.

Tan pronto como Restore-L agarra el objetivo correctamente, abre muchas posibilidades, dice Robertson. “Restore-L tiene muchas habilidades, podemos hacer mucho más que simplemente reabastecer de combustible el Landsat 7. Cortar, desenroscar y reabastecer de combustible es difícil. Sin embargo, tenemos una amplia gama de capacidades de captura y movimiento de satélites ".

Uno de los problemas es que Restore-L no siempre tiene las herramientas que necesita para repostar consigo mismo. Como los satélites se diseñaron sin capacidad de servicio, no tenía sentido estandarizar las válvulas de llenado o facilitar el acceso a ellas. GSFC ha desarrollado válvulas robóticas que facilitarán este trabajo, y se complace en otorgar licencias de esta tecnología a todos, pero hasta ahora estas válvulas no están en los satélites. "La situación es similar al problema del pollo y los huevos", dice Robertson. - Nadie estuvo involucrado en el mantenimiento robótico, así que hasta que lo demuestren, los operadores serán reacios a invertir en mantenimiento, hasta que vean que es posible. Creo que cuando realmente mostramos todo en Landsat 7, verá cómo la industria apreciará la oportunidad ”.


Solo algunos de los muchos recubrimientos, válvulas y accesorios aislantes térmicamente con los que Restore-L tiene que lidiar

Después de nuestro recorrido por el Centro de Operaciones de Robótica, le hicimos varias preguntas a Robertson sobre el mantenimiento futuro de los satélites.

Espectro IEEE: ahora hay una tendencia a reducir el tamaño y el costo, y a aumentar el número de satélites. ¿Qué pueden ofrecer los grandes satélites para que su servicio sea útil a largo plazo?

La potencia informática que se puede enviar al espacio en satélites en constante disminución está en constante crecimiento. Sin embargo, algunas cosas aún requieren grandes aperturas, como antenas o espejos. Algunos estudios son realizados por personas. Si vamos a la luna y a Marte, necesitaremos robots que recojan varias cosas. Y esta no es solo una opción más económica, sino también necesaria.

Además de extender la vida útil de los satélites antiguos al reabastecerlos de combustible, ¿puede su tecnología crear nuevas oportunidades para estos satélites que de otro modo no tendrían?

Si Nuestra misión principal es repostar Landsat 7, sin embargo, tenemos muchas habilidades adicionales. Hasta ahora, el tamaño de los satélites está limitado por el volumen útil de los cohetes que los ponen en órbita, y esto limita todo, desde el tamaño del espejo del telescopio hasta el tamaño de la antena de los satélites de comunicación. Sin embargo, cuando tenemos un robot en el espacio, esto nos permitirá alejarnos de este paradigma: será posible realizar varios lanzamientos y luego mostrar la fabricación y el montaje de las cosas en el espacio. Y esto conducirá a la creación de una nueva clase de misiones.

¿Es así como deberíamos imaginar Restore-L a largo plazo?

¡Así es como lo imagino! Demostramos mucho. En muchos sentidos, seremos los primeros, pero no seremos los últimos. Nadie sabe cómo será el espacio en 30 años, pero estoy seguro de que habrá muchos más robots allí que hoy. Todos estos satélites son extremadamente caros, algunos de ellos valen más de mil millones de dólares. Y si algo de repente no funciona, entonces la misión se considera fallida. Pero si hay robots en el espacio, tendrás la oportunidad de despegar partes, tomar partes, mover partes. Potencialmente, cuando la tecnología se haya desarrollado lo suficiente, será posible agregar nuevas capacidades a los satélites, aumentar la funcionalidad de los satélites, lanzar al espacio no un satélite completamente nuevo, sino solo un detalle de él.

En el espacio ahora hay una gran cantidad de satélites muertos, muchos equipos. Puede comenzar a pensar en guardar este equipo con robots. Será posible tomar esta etapa superior, que contiene componentes electrónicos por valor de millones de dólares, y usarla: solo le falta combustible. Todo esto se puede guardar. O puede tomar dos dispositivos diferentes y combinarlos. No me sorprenderá si en 20-30 años la gente capturará satélites que no funcionan y los volverá a perfilar para otros fines.

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Restore-L está previsto que se lance no antes de diciembre de 2022, a menos que, por supuesto, el sistema pase todos los controles y continúe la financiación. Si el servicio Landsat 7 es exitoso, entonces 115 kg de combustible que Restore-L puede bombear en Landsat 7 llenará el tanque de este último y extenderá su operación por varios años. Y Restore-L permanecerá en órbita, donde puede ayudar a la NASA a desarrollar nuevas tecnologías para mantenimiento o construcción.