Wie die NASA einen Satelliten im erdnahen Orbit ergreifen und auftanken will

Im Jahr 2022 wird das Roboter-Raumschiff der NASA Landsat 7 bedienen

In absehbarer Zeit wird der Zugang zum Weltraum äußerst kostspielig bleiben. Selbst wenn Tricks wie wiederverwendbare Raketen oder das Starten von Ballons und Riesenflugzeugen verwendet werden, betragen die Kosten für das Einbringen eines Kilogramms Nutzlast in eine erdnahe Umlaufbahn immer noch mehrere tausend Dollar. Und sobald Sie etwas in die Umlaufbahn bringen, stellt sich heraus, dass es (mit wenigen Ausnahmen) sich selbst überlassen bleibt, und es bleibt nur zu hoffen, dass es seine Aufgabe erfüllt, bevor ihm der Treibstoff ausgeht. Danach sind die meisten Satelliten unbrauchbar.

Im Allgemeinen scheint ein solches System äußerst ineffizient zu sein. Die NASA möchte dies ändern und hält es für eine großartige Idee, Reparaturwerkstätten und Tankstellen im Weltraum zu platzieren. Mehrere Satellitendienstprogramme befinden sich in verschiedenen Entwicklungsstadien. In diesem Jahr besuchte das IEEE Spectrum-Magazinteam das Goddard Space Technology Robotics Technology Center der NASA, um mehr zu erfahren.

RSGS

In diesem Jahr wurde das Projekt Geosynchronous Satellite Service Robotics (RSGS) des Ministeriums für Verteidigungsforschung (DARPA) ausgesetzt, als der Hauptauftragnehmer Maxar Technologies sich weigerte, Geräte für ihn zu bauen. DARPA suchte nach neuen Partnern für das Projekt und erwartet, noch in diesem Jahr neue Vereinbarungen bekannt geben und das RSGS-Projekt im Jahr 2023 starten zu können. RSGS ist ein halbautomatisches Raumschiff mit zwei Robotermanipulatoren, die die geosynchronen Satelliten bedienen und ihre Probleme beheben müssen, um die Lebensdauer zu verlängern. Das Video zeigt ein Konzept, wie wertvoll diese Technologie sein kann - ein feststeckendes Solarpanel kann die Existenz eines völlig neuen Satelliten auslöschen, während die Lösung dieses Problems (und die Einsparung von Hunderten von Millionen Dollar) so einfach wie ein kleiner Schritt in die richtige Richtung sein kann.

Rrm

RSGS konzentriert sich hauptsächlich auf die Reparatur von Satelliten, aber es gibt noch eine weitere großartige Möglichkeit, im Orbit zu arbeiten - das Auftanken; denn die Lebensdauer der meisten Satelliten hängt davon ab, wie viel Treibstoff sie auf Lager haben. Mehrere NASA-Roboterbetankungsprojekte schickten Testgeräte an die ISS, um herauszufinden, wie Satelliten am besten betankt werden können, deren Projekt solche Maßnahmen nicht beinhaltete. Solche Satelliten (in der Tat alle Satelliten) auf der Erde sind dicht umwickelt, Gasventile sind fest umwickelt, mit Drähten befestigt und mit Wärmedämmung bedeckt. Um die Satelliten wieder aufzutanken, müssen Sie all dies vollständig und auf völlig abnormale Weise entfernen.

Die Roboter-Betankungsmissionen (RRMs) der NASA begannen 2011 und schickten Testgeräte in der Größe eines kleinen Kühlschranks zur ISS. Mit Kopien von Satellitenventilen, echtem Treibstoff und einer Reihe von Werkzeugen, die ein Roboterarm an der Station steuern kann, testete die NASA die RRM-Missionen und legte eine Reihe von Verfahren für das praktische Betanken von Satelliten im Orbit fest. Die jüngste RRM3-Mission wurde im Dezember 2018 gestartet, um die Übertragung von kryogenem Kraftstoff zu überprüfen. Es muss gekühlt gelagert werden, ist aber möglicherweise viel leistungsfähiger als Hydrazin- Monokraftstoff , der in den Triebwerken der meisten Satelliten verwendet wird. Im April dieses Jahres verlor RRM3 seine Fähigkeit, Kraftstoff zu kühlen, und musste in den Weltraum geworfen werden. Die NASA konnte jedoch weiterhin alle Werkzeuge und Verfahren für den Kraftstofftransfer überprüfen , auch ohne den Kraftstoff in den Tanks.

Restore-l

Das Restore-L-Projekt kombiniert Service- und Betankungsfunktionen - und derzeit ist dies das interessanteste Satellitendienstprojekt. Restore-L wird zu einem Roboter-Raumschiff, das alles implementiert, was die NASA über Wartung und Betanken gelernt hat. Er wird Landsat 7 besuchen, einen von der US-Regierung betriebenen Fernerkundungssatelliten, der sich 1999 in der niedrigen Erdumlaufbahn befindet und bis 2021 an seinem verfügbaren Treibstoff arbeiten kann. Die Mission ist ehrgeizig, hat aber enorme Vorteile: Landsat 7 kostet mehr als eine halbe Milliarde Dollar und wird es tun Großartig, wenn wir ihn und andere Satelliten tanken und in Betrieb lassen können.


Künstlerzeichnung: Restore-L (unten) ist im Begriff, Landsat 7 zu erfassen und zu warten

Die wichtigsten Restore-L-Komponenten werden im Goddard Space Flight Center (GSFC) der NASA entwickelt, während Maxar an der Bus- und Roboterarmausrüstung des Schiffes arbeitet . Wir trafen uns mit Brent Robertson, dem Projektmanager von Restore-L, in einem höhlenartigen Schwarzwand- Roboter-Operationszentrum, in dem die Hardware und Software von Restore-L überprüft wurden. Am Ende des Projekts wird es ein Paar großer Roboterarme sein, die Satelliten erfassen können, mit einer Reihe von Werkzeugen und einer Reihe von Sensoren, mit denen beide es von der Erde aus fernsteuern und völlig autonom funktionieren können.

Die Landsat 7-Betankungsmission wird ein komplexes Verfahren beinhalten, das für das Betanken eines Satelliten typisch ist. Restore-L muss:

• Erfassen Sie Landsat 7 autonom.
• Schneiden Sie mit einer Fernbedienung mit einem Werkzeug die Isolierabdeckungen ab, die die Füll- und Auslassventile schützen.
• Schneiden Sie mit einem anderen Werkzeug die Drähte an den Ventilen ab.
• Ventildeckel abschrauben.
• Befestigen Sie einen Schnelltrennanschluss am Füllventil.
• Übertragen Sie 115 kg Hydrazin auf den Satelliten.
• Schließen Sie alles wieder mit Wärmedämmung und stellen Sie sicher, dass nichts in den Weltraum gelangt ist.

"Landsat 7 wurde ausgewählt, weil dieser Satellit repräsentativ genug ist", sagt Robertson. Wie die meisten Satelliten. Es hat einen Marman-Ring, eine strukturelle Komponente, die ihn einst mit der oberen Stufe der Rakete verband, und bietet jetzt einen standardmäßigen und praktischen Griffpunkt für den Restore-L-Roboterarm. Verschiedene Satelliten können unterschiedliche Füllventile haben, und Restore-L verfügt über Werkzeuge, die für Landsat 7 entwickelt wurden. Im Allgemeinen sollte das Verfahren jedoch mehr oder weniger gleich sein, und die Werkzeuge können bei Bedarf ausgetauscht werden.


Wichtig ist, dass Landsat 7 insofern repräsentativ ist, als es nicht geplant war, zu tanken, sagt Robertson. „Als sie Landsat 7 auf den Markt brachten, hatten sie nicht vor, es aufzutanken. Niemand dachte, dass es möglich wäre. Und wir werden es als Erste zeigen. “

Der schwierigste Teil der Mission beginnt höchstwahrscheinlich, nachdem Restore-L Landsat 7 eingeholt und ein Manöver zur Eroberung gestartet hat. Es kann nicht ferngesteuert werden, da selbst eine Verzögerung von ein oder zwei Sekunden für eine solch heikle Operation zu lang ist. Unter Schwerelosigkeitsbedingungen kann ein Fehlschlag dazu führen, dass sich Restore-L und Landsat 7 unkontrolliert drehen oder sogar Landsat 7 beschädigen. Die Erfassung sollte autonom erfolgen und auf Wiederherstellen -L-Kameras für das sichtbare Spektrum, Infrarotkameras und ein bei GSFC entwickeltes Lidar für den Weltraum werden installiert. Wenn etwas schief geht, muss das Schiff klug genug sein, um umzukehren.


Teilweise Landsat 7-Modell, installiert auf einer mikrogravitationssimulierten Roboterinstallation

GSFC testet Geräte auf der Erde umfassend und bereitet sich auf diese autonome Erfassung im Orbit vor. Das Betriebsroboterzentrum beherbergt ein maßstabsgetreues Modell des unteren Teils von Landsat 7, das auf einem sechsbeinigen Roboter montiert ist, dessen Beine die sechs Bewegungsfreiheitsgrade simulieren, die Landsat 7 im Flug erlebt.


Einer der Restore-L-Manipulatoren

Der Restore-L-Griff mit sieben Freiheitsgraden ist lang genug, um Landsat 7 aus einer Entfernung von einem Meter zu erfassen, und die Wellengetriebemotoren in den Griffgelenken garantieren einen präzisen Betrieb bei minimalem Spiel. Griff-Torsionssensoren ermöglichen es, die Griffkraft des Ziels autonom zu bewerten.

Sobald Restore-L das Ziel richtig erfasst, eröffnet es viele Möglichkeiten, sagt Robertson. „Restore-L hat viele Fähigkeiten, wir können viel mehr als nur Landsat 7 tanken. Schneiden, Abschrauben und Tanken ist schwierig. Wir verfügen jedoch über ein umfassendes Spektrum an Satellitenerfassungs- und Bewegungsfunktionen. “

Eines der Probleme ist, dass Restore-L möglicherweise nicht immer über die Werkzeuge verfügt, die zum Auftanken erforderlich sind. Da die Satelliten ohne Wartungsfreundlichkeit konstruiert wurden, war es sinnlos, Füllventile zu standardisieren oder den Zugang zu ihnen zu erleichtern. GSFC hat roboterfreundliche Ventile entwickelt, die diese Arbeit erleichtern, und freut sich, diese Technologie an alle zu lizenzieren. Bisher befinden sich diese Ventile jedoch nicht auf den Satelliten. "Die Situation ist ähnlich wie das Problem von Huhn und Eiern", sagt Robertson. - Niemand war an der Wartung von Robotern beteiligt. Bis sie dies zeigen, werden die Bediener nur ungern in die Wartung investieren - bis sie erkennen, dass dies möglich ist. Ich denke, wenn wir wirklich alles auf Landsat 7 zeigen, werden Sie sehen, wie die Branche die Gelegenheit schätzen wird. “


Nur einige der vielen wärmeisolierenden Beschichtungen, Ventile und Armaturen, mit denen sich Restore-L befassen muss

Nach unserer Besichtigung des Robotics Operations Center stellten wir Robertson einige Fragen zur zukünftigen Wartung von Satelliten.

IEEE-Spektrum: Jetzt besteht die Tendenz, Größe und Kosten zu reduzieren und die Anzahl der Satelliten zu erhöhen. Was können große Satelliten bieten, um ihren Dienst langfristig nützlich zu machen?

Die Rechenleistung, die in immer weniger Satelliten in den Weltraum geschickt werden kann, wächst ständig. Einige Dinge erfordern jedoch immer noch große Öffnungen, wie z. B. Antennen oder Spiegel. Einige Studien werden von Menschen durchgeführt. Wenn wir zum Mond und zum Mars gehen, brauchen wir Roboter, die verschiedene Dinge sammeln. Und dies ist nicht nur eine wirtschaftlichere Option, sondern auch notwendig.

Kann Ihre Technologie nicht nur die Lebensdauer alter Satelliten durch Auftanken verlängern, sondern auch neue Möglichkeiten für diese Satelliten schaffen, die sie sonst nicht hätten?

Ja Unsere Hauptaufgabe ist es, Landsat 7 zu tanken, aber wir haben viele zusätzliche Fähigkeiten. Bisher ist die Größe der Satelliten durch das nützliche Volumen der Raketen begrenzt, die sie in die Umlaufbahn bringen, und dies begrenzt alles von der Größe des Teleskopspiegels bis zur Größe der Antenne des Kommunikationssatelliten. Wenn wir jedoch einen Roboter im Weltraum haben, können wir uns von diesem Paradigma entfernen - es wird möglich sein, mehrere Starts durchzuführen und dann die Herstellung und Montage von Dingen im Weltraum zu zeigen. Und dies wird zur Schaffung einer neuen Klasse von Missionen führen.

Sollten wir uns Restore-L auf lange Sicht so vorstellen?

So stelle ich ihn mir vor! Wir zeigen viel. In vielerlei Hinsicht werden wir die Ersten sein, aber wir werden nicht die Letzten sein. Niemand weiß, wie der Weltraum in 30 Jahren aussehen wird, aber ich bin sicher, dass es dort viel mehr Roboter geben wird als heute. Alle diese Satelliten sind extrem teuer - einige von ihnen sind mehr als eine Milliarde Dollar wert. Und wenn plötzlich etwas nicht mehr funktioniert, gilt die Mission als erfolglos. Wenn sich jedoch Roboter im Weltraum befinden, haben Sie die Möglichkeit, Teile zu lösen, Teile zu nehmen und Teile zu bewegen. Wenn sich die Technologie ausreichend entwickelt hat, wird es möglich sein, Satelliten neue Funktionen hinzuzufügen, die Funktionalität von Satelliten zu erhöhen und nicht einen ganz neuen Satelliten, sondern nur ein Detail davon in den Weltraum zu bringen.

Im Weltraum gibt es jetzt eine große Anzahl toter Satelliten, eine Menge Ausrüstung. Sie können darüber nachdenken, dieses Gerät mit Robotern zu speichern. Es wird möglich sein, diese obere Stufe, die Elektronik im Wert von Millionen von Dollar enthält, zu nutzen - es fehlt nur Kraftstoff. All dies kann gespeichert werden. Oder Sie können zwei verschiedene Geräte nehmen und kombinieren. Ich werde nicht überrascht sein, wenn Menschen in 20 bis 30 Jahren nicht funktionierende Satelliten fangen und sie für andere Zwecke neu profilieren werden.

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Restore-L soll frühestens im Dezember 2022 gestartet werden, es sei denn, das System besteht alle Prüfungen und die Finanzierung wird fortgesetzt. Wenn der Landsat 7-Service erfolgreich ist, füllen 115 kg Kraftstoff, den Restore-L in Landsat 7 pumpen kann, den Tank des letzteren und verlängern seinen Betrieb um mehrere Jahre. Und Restore-L bleibt im Orbit, wo es der NASA helfen kann, neue Technologien für Wartung oder Bau zu entwickeln.