Bagaimana NASA akan mengambil dan mengisi bahan bakar satelit di orbit Bumi yang rendah

Pada tahun 2022, pesawat ruang angkasa robot NASA akan melayani Landsat 7

Di masa mendatang, akses ke ruang akan tetap sangat mahal. Bahkan ketika menggunakan trik seperti roket yang dapat digunakan kembali atau meluncurkan dari balon dan pesawat raksasa, biaya menempatkan satu kilogram muatan ke orbit Bumi yang rendah masih beberapa ribu dolar. Dan begitu Anda memasukkan sesuatu ke orbit, maka itu (dengan beberapa pengecualian) ternyata dibiarkan sendiri, dan tetap berharap bahwa ia akan menyelesaikan tugasnya sebelum kehabisan bahan bakar. Setelah itu, sebagian besar satelit tidak berguna.

Secara umum, sistem seperti itu tampaknya sangat tidak efisien. NASA ingin mengubah ini, dan menganggapnya sebagai ide bagus untuk menempatkan bengkel reparasi dan pompa bensin di luar angkasa. Beberapa program pemeliharaan satelit sedang dalam berbagai tahap pengembangan, dan tahun ini tim majalah IEEE Spectrum mengunjungi Pusat Teknologi Robotika Ruang Angkasa Goddard NASA untuk mempelajari lebih lanjut.

RSGS

Tahun ini, proyek Geosynchronous Satellite Service Robotics (RSGS) dari Departemen Pertahanan Advanced Research Projects (DARPA) dihentikan sementara ketika kontraktor utama, Maxar Technologies, menolak untuk membangun peralatan untuknya. DARPA sedang mencari mitra baru untuk proyek tersebut dan berharap dapat mengumumkan perjanjian baru sebelum akhir tahun ini, dan meluncurkan proyek RSGS pada tahun 2023. RSGS adalah pesawat ruang angkasa semi-otomatis dengan dua manipulator robot, yang harus melayani satelit geosinkron, dan memperbaiki masalah mereka untuk memperpanjang umur layanan. Video ini menunjukkan konsep betapa berharganya teknologi ini - panel surya yang macet dapat menghapus keberadaan satelit yang sama sekali baru, sambil memecahkan masalah ini (dan menghemat ratusan juta dolar) dapat sesederhana seperti sedikit dorongan ke arah yang benar.

Rrm

RSGS terutama berfokus pada memperbaiki satelit, tetapi ada peluang besar lain untuk bekerja di orbit - pengisian bahan bakar; karena masa pakai sebagian besar satelit ditentukan oleh berapa banyak bahan bakar yang mereka miliki dalam persediaan. Beberapa proyek pengisian bahan bakar robot NASA mengirim peralatan uji ke ISS untuk menentukan cara terbaik untuk mengisi bahan bakar satelit yang proyeknya tidak termasuk tindakan seperti itu. Satelit semacam itu (memang, semua satelit) di Bumi terbungkus rapat, katup gas terbungkus rapat, difiksasi dengan kabel dan ditutup dengan isolasi termal. Untuk mengisi bahan bakar satelit, Anda harus menghapus semua ini, dan dengan cara yang benar-benar tidak normal.

Misi pengisian bahan bakar robot (RRM) NASA dimulai pada 2011 dan mengirimkan peralatan uji ukuran kulkas kecil ke ISS. Menggunakan salinan katup satelit, bahan bakar sungguhan dan satu set alat yang dapat dikendalikan oleh lengan robot di stasiun, NASA menguji misi RRM dan menetapkan seperangkat prosedur untuk pengisian bahan bakar praktis satelit di orbit. Misi RRM3 terbaru diluncurkan pada Desember 2018 untuk memverifikasi transfer bahan bakar kriogenik; itu perlu disimpan dalam bentuk yang didinginkan, tetapi berpotensi jauh lebih kuat daripada hidrazin monofuel , yang digunakan dalam mesin sebagian besar satelit. Pada bulan April tahun ini, RRM3 kehilangan kemampuannya untuk mendinginkan bahan bakar, dan harus dibuang ke luar angkasa, tetapi NASA masih dapat memeriksa semua alat dan prosedur untuk mentransfer bahan bakar, bahkan tanpa bahan bakar di dalam tangki.

Pulihkan-l

Proyek Restore-L menggabungkan fungsi layanan dan pengisian bahan bakar - dan saat ini adalah proyek layanan satelit yang paling menarik. Restore-L akan menjadi pesawat ruang angkasa robot yang mengimplementasikan semua yang dipelajari NASA tentang pemeliharaan dan pengisian bahan bakar. Dia akan mengunjungi Landsat 7, satelit penginderaan jauh milik pemerintah AS yang terletak di orbit rendah Bumi pada tahun 1999, dan mampu mengerjakan bahan bakar yang tersedia hingga 2021. Misi ini ambisius, tetapi memiliki manfaat yang sangat besar: Landsat 7 berharga lebih dari setengah miliar dolar dan akan hebat jika kita bisa mengisi bahan bakar dan meninggalkan dia dan satelit lain dalam pelayanan.


Gambar artis: Restore-L (bawah) akan menangkap dan melayani Landsat 7

Komponen Restore-L yang paling penting sedang dikembangkan di NASA Goddard Space Flight Center (GSFC), sementara Maxar bekerja pada bus kapal dan peralatan lengan robot. Kami bertemu dengan Brent Robertson, manajer proyek untuk Restore-L, di pusat robotika dinding hitam seperti gua tempat mereka memeriksa perangkat keras dan perangkat lunak Restore-L. Pada akhir proyek, itu akan menjadi sepasang lengan robot besar yang mampu menangkap satelit, dengan seperangkat alat dan sekelompok sensor yang memungkinkan keduanya untuk mengontrolnya dari jarak jauh dari Bumi dan berfungsi sepenuhnya secara mandiri.

Misi pengisian bahan bakar Landsat 7 akan mencakup prosedur rumit yang khas untuk mengisi bahan bakar satelit apa pun. Restore-L harus:

• Secara otomatis menangkap Landsat 7.
• Dengan menggunakan remote control dengan alat, potong penutup insulasi yang melindungi katup pengisian dan pelepasan.
• Dengan menggunakan alat lain, potong kabel pada katup.
• Buka tutup katup.
• Pasang port pemutusan cepat ke katup pengisian.
• Transfer 115 kg hidrazin ke satelit.
• Sekali lagi, tutup semuanya dengan isolasi termal, dan pastikan tidak ada yang lolos ke ruang angkasa.

"Landsat 7 dipilih karena satelit ini cukup representatif," kata Robertson. Seperti kebanyakan satelit. Ini memiliki cincin Marman, komponen struktural yang pernah menghubungkannya ke tahap atas roket, dan sekarang menyediakan titik pegangan standar dan nyaman untuk lengan robot Restore-L. Satelit yang berbeda mungkin memiliki katup pengisian yang berbeda, dan Restore-L akan memiliki alat yang dirancang untuk Landsat 7, tetapi secara umum prosedurnya harus kurang lebih sama, dan alat tersebut dapat diganti jika perlu.


Yang penting, Landsat 7 mewakili karena tidak direncanakan untuk mengisi bahan bakar, kata Robertson. “Ketika mereka meluncurkan Landsat 7, mereka tidak berencana untuk mengisi bahan bakar. Tidak ada yang mengira itu mungkin. Dan kita akan menjadi yang pertama menunjukkannya. "

Bagian yang paling sulit dalam misi akan dimulai, kemungkinan besar, setelah Restore-L menyusul Landsat 7 dan memulai manuver untuk penangkapan. Tidak dapat dikendalikan dari jarak jauh, karena bahkan penundaan satu atau dua detik akan terlalu lama untuk operasi yang rumit - dalam kondisi gayaberat mikro, miss dapat menyebabkan Restore-L dan Landsat 7 berputar tidak terkendali, atau bahkan merusak Landsat 7. Pengambilan harus berjalan secara otonom, dan pada Pemulihan Kamera -L untuk spektrum yang terlihat, kamera inframerah dan ruang untuk ruang, dikembangkan di GSFC, akan dipasang. Nah, jika terjadi kesalahan, kapal harus cukup pintar untuk kembali.


Model Landsat 7 parsial dipasang pada instalasi robot disimulasikan gayaberat mikro

GSFC secara komprehensif menguji peralatan di Bumi, mempersiapkan penangkapan otonom ini di orbit. Pusat robot yang beroperasi menampung model skala penuh dari bagian bawah Landsat 7, yang dipasang pada robot berkaki enam, yang kakinya mensimulasikan enam derajat kebebasan bergerak yang dialami oleh Landsat 7 dalam penerbangan.


Salah satu Manipulator Restore-L

Pegangan Restore-L, yang memiliki tujuh derajat kebebasan, cukup panjang untuk meraih Landsat 7 dari jarak satu meter, dan motor gelombang di artikulasi cengkeraman menjamin operasi yang akurat dengan serangan balik minimal. Sensor torsi pegang memungkinkannya untuk secara mandiri mengevaluasi kekuatan cengkeraman target.

Segera setelah Restore-L meraih target dengan benar, itu membuka banyak kemungkinan, kata Robertson. “Restore-L memiliki banyak kemampuan, kita bisa melakukan lebih dari sekadar mengisi bahan bakar Landsat 7. Memotong, melepaskan dan mengisi bahan bakar itu sulit. Namun, kami memiliki jangkauan luas kemampuan menangkap dan pergerakan satelit. "

Salah satu masalah adalah bahwa Restore-L mungkin tidak selalu memiliki alat yang diperlukan untuk mengisi bahan bakar dengan dirinya sendiri. Karena satelit dirancang tanpa dapat diservis, tidak ada gunanya menstandarkan katup pengisian atau membuatnya lebih mudah. GSFC telah mengembangkan katup ramah robot yang akan memfasilitasi pekerjaan ini, dan dengan senang hati melisensikan teknologi ini untuk semua orang, tetapi sejauh ini katup ini tidak ada di satelit. "Situasinya mirip dengan masalah ayam dan telur," kata Robertson. - Tidak ada yang terlibat dalam pemeliharaan robot, jadi sampai mereka menunjukkannya, operator akan enggan berinvestasi dalam pemeliharaan - sampai mereka melihat bahwa itu mungkin. Saya pikir ketika kami benar-benar menunjukkan segalanya pada Landsat 7, Anda akan melihat bagaimana industri akan menghargai peluang. "


Hanya sedikit dari banyak pelapis, katup, dan kelengkapan isolasi termal yang harus diatasi dengan Restore-L

Setelah tur Pusat Operasi Robotika, kami mengajukan beberapa pertanyaan kepada Robertson tentang masa depan pemeliharaan satelit.

IEEE Spectrum: Sekarang ada kecenderungan untuk mengurangi ukuran dan biaya, dan meningkatkan jumlah satelit. Apa yang bisa ditawarkan satelit besar untuk membuat layanan mereka bermanfaat dalam jangka panjang?

Kekuatan komputasi yang dapat dikirim ke ruang angkasa di satelit yang terus berkurang terus meningkat. Namun, beberapa hal masih membutuhkan lubang besar, seperti antena atau cermin. Beberapa penelitian dilakukan oleh orang-orang. Jika kita pergi ke bulan dan ke Mars, kita akan membutuhkan robot yang mengumpulkan berbagai hal. Dan ini bukan hanya pilihan yang lebih ekonomis, tetapi juga perlu.

Selain memperpanjang usia satelit lama dengan mengisi ulang bahan bakar mereka, dapatkah teknologi Anda menciptakan peluang baru untuk satelit yang tidak akan mereka miliki?

Ya Misi utama kami adalah mengisi bahan bakar Landsat 7, namun kami memiliki banyak kemampuan tambahan. Sejauh ini, ukuran satelit dibatasi oleh volume yang berguna dari roket yang membawanya ke orbit, dan ini membatasi segalanya mulai dari ukuran cermin teleskop hingga ukuran antena satelit komunikasi. Namun, ketika kita memiliki robot di ruang angkasa, ini akan memungkinkan kita untuk menjauh dari paradigma ini - akan mungkin untuk membuat beberapa peluncuran, dan kemudian menunjukkan pembuatan dan perakitan hal-hal di ruang angkasa. Dan ini akan mengarah pada penciptaan kelas misi baru.

Apakah itu bagaimana kita harus membayangkan Restore-L dalam jangka panjang?

Begitulah cara saya membayangkannya! Kami banyak menunjukkan. Dalam banyak hal, kita akan menjadi yang pertama, tetapi kita tidak akan menjadi yang terakhir. Tidak ada yang tahu seperti apa ruang dalam 30 tahun, tapi saya yakin akan ada lebih banyak robot di sana daripada hari ini. Semua satelit ini sangat mahal - beberapa di antaranya bernilai lebih dari satu miliar dolar. Dan jika sesuatu tiba-tiba tidak berhasil, maka misi tersebut dianggap tidak berhasil. Tetapi jika ada robot di luar angkasa, Anda akan memiliki kesempatan untuk membatalkan bagian, mengambil bagian, memindahkan bagian. Berpotensi, ketika teknologi telah berkembang secara memadai, akan dimungkinkan untuk menambahkan kemampuan baru ke satelit, meningkatkan fungsionalitas satelit, meluncurkan ke ruang angkasa bukan satelit yang sama sekali baru, tetapi hanya sebagian dari itu.

Di ruang angkasa sekarang ada sejumlah besar satelit mati, banyak peralatan. Anda dapat mulai berpikir tentang menyimpan peralatan ini dengan robot. Dimungkinkan untuk mengambil tahap atas ini, yang berisi barang elektronik bernilai jutaan dolar, dan menggunakannya - ia hanya kekurangan bahan bakar. Semua ini bisa disimpan. Atau Anda dapat mengambil dua perangkat yang berbeda dan menggabungkannya. Saya tidak akan terkejut jika dalam 20-30 tahun orang akan menangkap satelit yang tidak berfungsi dan membuat profil ulang untuk tujuan lain.

* * *

Restore-L direncanakan akan diluncurkan tidak lebih awal dari Desember 2022, kecuali, tentu saja, sistem melewati semua pemeriksaan dan pendanaan berlanjut. Jika layanan Landsat 7 berhasil, maka 115 kg bahan bakar yang dipulihkan oleh Restore-L ke Landsat 7 akan mengisi tangki yang terakhir dan memperpanjang operasinya selama beberapa tahun. Dan Restore-L akan tetap berada di orbit, di mana ia dapat membantu NASA mengembangkan teknologi baru untuk pemeliharaan atau konstruksi.