Comment la NASA s'apprête à saisir et à ravitailler un satellite en orbite basse

En 2022, le vaisseau spatial robotisé de la NASA desservira Landsat 7

Dans un avenir prévisible, l'accès à l'espace restera extrêmement coûteux. Même en utilisant des astuces telles que des fusées réutilisables ou des lancements à partir de ballons et d'avions géants, le coût de mettre un kilogramme de charge utile sur une orbite terrestre basse est toujours de plusieurs milliers de dollars. Et dès que vous mettez quelque chose en orbite, il (à quelques exceptions près) se révèle être laissé à lui-même, et il ne reste plus qu'à espérer qu'il terminera sa tâche avant de manquer de carburant. Après cela, la plupart des satellites sont inutiles.

En général, un tel système semble extrêmement inefficace. La NASA voudrait changer cela et considère que c'est une excellente idée de placer des ateliers de réparation et des stations-service dans l'espace. Plusieurs programmes de services par satellite sont à divers stades de développement, et cette année, l'équipe du magazine IEEE Spectrum a visité le centre de technologie robotique Goddard Space Technology de la NASA pour en savoir plus.

RSGS

Cette année, le projet de robotique de service par satellite géosynchrone (RSGS) du Département des projets de recherche avancée du ministère de la Défense (DARPA) a été suspendu lorsque l'entrepreneur principal, Maxar Technologies, a refusé de construire du matériel pour lui. La DARPA recherchait de nouveaux partenaires pour le projet et espère pouvoir annoncer de nouveaux accords avant la fin de cette année, et lancer le projet RSGS en 2023. RSGS est un vaisseau spatial semi-automatique avec deux manipulateurs robotiques, qui devront servir les satellites géosynchrones et réparer leurs problèmes afin de prolonger la durée de vie. La vidéo montre un concept de la valeur de cette technologie - un panneau solaire coincé peut effacer l'existence d'un tout nouveau satellite, tout en résolvant ce problème (et en économisant des centaines de millions de dollars) peut être aussi simple qu'une petite poussée dans la bonne direction.

Rrm

RSGS se concentre principalement sur la réparation des satellites, mais il existe une autre grande opportunité de travailler en orbite - c'est le ravitaillement; parce que la durée de vie de la plupart des satellites est déterminée par la quantité de carburant qu'ils ont en stock. Plusieurs projets de ravitaillement robotique de la NASA ont envoyé du matériel d'essai à l'ISS afin de déterminer la meilleure façon de faire le plein de satellites dont le projet ne comportait pas de telles actions. De tels satellites (en fait, tous les satellites) sur la Terre sont étroitement enveloppés, les vannes de gaz sont étroitement enveloppées, fixées avec des fils et recouvertes d'une isolation thermique. Pour ravitailler les satellites, vous devrez supprimer complètement tout cela, et de manière complètement anormale.

Les missions de ravitaillement robotique (RRM) de la NASA ont commencé en 2011 et ont envoyé du matériel d'essai de la taille d'un petit réfrigérateur à l'ISS. À l'aide de copies de valves satellites, de carburant réel et d'un ensemble d'outils qu'un bras robotique peut contrôler à la station, la NASA a testé les missions RRM et a établi un ensemble de procédures pour le ravitaillement pratique des satellites en orbite. La dernière mission RRM3 a été lancée en décembre 2018 pour vérifier le transfert de combustible cryogénique; il doit être stocké sous forme réfrigérée, mais il est potentiellement beaucoup plus puissant que le monocarburant hydrazine, qui est utilisé dans les moteurs de la plupart des satellites. En avril de cette année, le RRM3 a perdu sa capacité à refroidir le carburant et a dû être jeté dans l'espace, mais la NASA était toujours en mesure de vérifier tous les outils et procédures de transfert de carburant, même sans le carburant dans les réservoirs.

Restaurer-l

Le projet Restore-L combine des fonctions de service et de ravitaillement - et c'est actuellement le projet de service par satellite le plus intéressant. Restore-L deviendra un vaisseau spatial robotisé qui implémentera tout ce que la NASA a appris sur la maintenance et le ravitaillement. Il visitera Landsat 7, un satellite de télédétection appartenant au gouvernement américain situé sur l'orbite basse de la Terre en 1999, et capable de travailler avec son carburant disponible jusqu'en 2021. La mission est ambitieuse, mais elle présente des avantages énormes: Landsat 7 coûte plus d'un demi-milliard de dollars et super si nous pouvons faire le plein et le laisser ainsi que d'autres satellites en service.


Dessin d'artiste: Restore-L (en bas) s'apprête à capturer et à entretenir Landsat 7

Les composants les plus importants de Restore-L sont en cours de développement au Goddard Space Flight Center (GSFC) de la NASA , tandis que Maxar travaille sur le bus du navire et l'équipement de bras robotisé. Nous avons rencontré Brent Robertson, le chef de projet de Restore-L, dans un centre de robotique à paroi noire semblable à une grotte où ils vérifient le matériel et les logiciels de Restore-L. À la fin du projet, ce sera une paire de grands bras robotiques capables de capturer des satellites, avec un ensemble d'outils et un tas de capteurs qui permettent à la fois de le contrôler à distance depuis la Terre et de fonctionner de manière totalement autonome.

La mission de ravitaillement Landsat 7 comprendra une procédure complexe typique de ravitaillement en carburant de tout satellite. Restore-L devra:

• Capturez Landsat 7 de manière autonome.
• Au moyen d'une télécommande avec un outil, couper les couvercles isolants protégeant les vannes de remplissage et de décharge.
• À l'aide d'un autre outil, coupez les fils des soupapes.
• Dévissez les couvercles de soupape.
• Fixez un port de déconnexion rapide à la vanne de remplissage.
• Transférer 115 kg d'hydrazine au satellite.
• Encore une fois, fermez tout avec une isolation thermique et assurez-vous que rien ne s'est échappé dans l'espace.

«Landsat 7 a été choisi parce que ce satellite est suffisamment représentatif», explique Robertson. Comme la plupart des satellites. Il a un anneau Marman, un composant structurel qui le connectait autrefois à l'étage supérieur de la fusée, et fournit maintenant un point de prise standard et pratique pour le bras robotique Restore-L. Différents satellites peuvent avoir des vannes de remplissage différentes, et Restore-L aura des outils conçus pour Landsat 7, mais en général, la procédure devrait être plus ou moins la même, et les outils peuvent être remplacés si nécessaire.


Surtout, Landsat 7 est représentatif en ce qu'il n'était pas prévu de faire le plein, dit Robertson. «Quand ils ont lancé Landsat 7, ils n'avaient pas l'intention de le ravitailler. Personne ne pensait que ce serait possible. Et nous serons les premiers à le montrer. »

La partie la plus difficile de la mission commencera, très probablement, après que Restore-L rattrape Landsat 7 et commence une manœuvre de capture. Il ne peut pas être contrôlé à distance, car même un retard d'une ou deux secondes sera trop long pour une opération aussi délicate - dans des conditions de microgravité, un échec peut provoquer une rotation incontrôlable de Restore-L et Landsat 7, voire endommager Landsat 7. La capture doit se faire de manière autonome et lors de la restauration. -Des caméras L pour le spectre visible, des caméras infrarouges et un lidar pour l'espace, développés au GSFC, seront installés. Eh bien, en cas de problème, le navire doit être suffisamment intelligent pour faire demi-tour.


Modèle Landsat 7 partiel installé sur une installation robotique simulée en microgravité

Le GSFC teste de manière approfondie les équipements sur Terre, se préparant à cette capture autonome en orbite. Le centre robotique en activité abrite un modèle grandeur nature de la partie inférieure de Landsat 7, monté sur un robot à six pattes, dont les jambes simulent les six degrés de liberté en mouvement subis par Landsat 7 en vol.


L'un des manipulateurs Restore-L

La poignée Restore-L, qui a sept degrés de liberté, est suffisamment longue pour saisir Landsat 7 à une distance d'un mètre, et les moteurs à engrenages ondulés dans les articulations de la poignée garantissent un fonctionnement précis avec un jeu minimal. Les capteurs de torsion de la poignée lui permettent d'évaluer de manière autonome la force de préhension de la cible.

Dès que Restore-L saisit correctement la cible, cela ouvre de nombreuses possibilités, explique Robertson. «Restore-L a de nombreuses capacités, nous pouvons faire bien plus que simplement faire le plein de Landsat 7. Couper, dévisser et faire le plein est difficile. Cependant, nous avons une large gamme de capacités de capture et de mouvement par satellite. »

L'un des problèmes est que Restore-L ne dispose pas toujours des outils nécessaires pour se ravitailler en carburant. Les satellites étant conçus sans entretien, il était inutile de standardiser les vannes de remplissage ou d'en faciliter l'accès. GSFC a développé des vannes robotisées qui faciliteront ce travail, et est heureuse de concéder cette technologie à tout le monde, mais jusqu'à présent, ces vannes ne sont pas sur les satellites. «La situation est similaire au problème du poulet et des œufs», explique Robertson. - Personne n'était impliqué dans la maintenance robotique, donc jusqu'à ce qu'ils le montrent, les opérateurs hésiteront à investir dans la maintenance - jusqu'à ce qu'ils voient que c'est possible. Je pense que lorsque nous montrerons vraiment tout sur Landsat 7, vous verrez comment l'industrie appréciera l'opportunité. »


Seuls quelques-uns des nombreux revêtements, vannes et raccords thermiquement isolants auxquels Restore-L doit faire face

Après notre visite du Robotics Operations Center, nous avons posé plusieurs questions à Robertson sur la future maintenance des satellites.

IEEE Spectrum: Il y a maintenant une tendance à réduire la taille et le coût, et à augmenter le nombre de satellites. Que peuvent offrir les grands satellites pour rendre leur service utile à long terme?

La puissance de calcul qui peut être envoyée dans l'espace par des satellites en diminution constante ne cesse de croître. Cependant, certaines choses nécessitent encore de grandes ouvertures, telles que des antennes ou des miroirs. Certaines études sont menées par des personnes. Si nous allons sur la Lune et sur Mars, nous aurons besoin de robots collectant diverses choses. Et ce n'est pas seulement une option plus économique, mais également nécessaire.

En plus de prolonger la durée de vie des anciens satellites en les ravitaillant, votre technologie peut-elle créer de nouvelles opportunités pour ces satellites qu'ils n'auraient pas autrement?

Oui Notre mission principale est de faire le plein de Landsat 7, mais nous avons de nombreuses capacités supplémentaires. Jusqu'à présent, la taille des satellites est limitée par le volume utile de fusées les amenant en orbite, ce qui limite tout, de la taille du miroir du télescope à la taille de l'antenne des satellites de communication. Cependant, lorsque nous aurons un robot dans l'espace, cela nous permettra de nous éloigner de ce paradigme - il sera possible de faire plusieurs lancements, puis de montrer la fabrication et l'assemblage de choses dans l'espace. Et cela conduira à la création d'une nouvelle classe de missions.

Est-ce ainsi que nous devrions imaginer Restore-L à long terme?

C'est comme ça que je l'imagine! Nous démontrons beaucoup. À bien des égards, nous serons les premiers, mais nous ne serons pas les derniers. Personne ne sait à quoi ressemblera l'espace dans 30 ans, mais je suis sûr qu'il y aura beaucoup plus de robots qu'aujourd'hui. Tous ces satellites sont extrêmement chers - certains d'entre eux valent plus d'un milliard de dollars. Et si quelque chose ne fonctionne pas soudainement, la mission est considérée comme infructueuse. Mais s'il y a des robots dans l'espace, vous aurez la possibilité de décoller des pièces, de prendre des pièces, de déplacer des pièces. Potentiellement, lorsque la technologie aura suffisamment évolué, il sera possible d'ajouter de nouvelles capacités aux satellites, d'augmenter la fonctionnalité des satellites, de lancer dans l'espace non pas un tout nouveau satellite, mais seulement un détail de celui-ci.

Dans l'espace, il y a maintenant un grand nombre de satellites morts, beaucoup d'équipement. Vous pouvez commencer à penser à enregistrer cet équipement avec des robots. Il sera possible de prendre cet étage supérieur, qui contient des appareils électroniques valant des millions de dollars, et de l'utiliser - il ne manque que du carburant. Tout cela peut être enregistré. Ou vous pouvez prendre deux appareils différents et les combiner. Je ne serai pas surpris si dans 20-30 ans les gens attraperont des satellites qui ne fonctionnent pas et les redirigeront à d'autres fins.

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Restore-L devrait être lancé au plus tôt en décembre 2022, à moins, bien sûr, que le système passe tous les contrôles et que le financement se poursuive. Si le service Landsat 7 réussit, 115 kg de carburant que le Restore-L peut pomper dans Landsat 7 rempliront le réservoir de ce dernier et prolongeront son fonctionnement pendant plusieurs années. Et Restore-L restera en orbite, où il pourra aider la NASA à développer de nouvelles technologies pour la maintenance ou la construction.