ПопулярноеРедакцияСвежее
ЛучшееОбсуждаемое

На пути к созданию космических заправок

Уильям Нотардонато — эксперт по холоду: если быть точным, по температурам минус 252,87 градуса по Цельсию. Будучи ветераном NASA с 30-летним стажем, он посвятил свою карьеру изучению способов хранения и обращения с жидким водородом в космосе. В сочетании с жидким кислородом это криогенное вещество, наиболее известно как топливо для космических ракет-носителей, но если бы его большие объёмы возможно было хранить в резервуарах в космосе, ракеты могли бы пролетать мимо этих заправок, расположенных в непосредственной близости от Земли, пополнять запасы топлива и перевозить пассажиров и грузы в дальний космос, будь то на Луну, Марс, астероид или же обитаемый аванпост.

«В итоге мы провели множество экспериментов с жидким водородом в лаборатории, чего никто раньше не делал, — говорит Нотардонато. — Поддерживали условия его хранения при нулевых потерях, охлаждали его, и всё это без малейших утечек».

Чего они не успели сделать? Провести эксперимент в космосе для проверки работоспособности этих методов в условиях свободного падения, также известных как микрогравитация. Поэтому, когда Нотардонато покинул NASA в 2019 году, он решил достичь целей, недоступных ему как государственному служащему, основав Eta Space с «группой бывших сотрудников NASA со множеством хороших идей».

Они не будут сразу заправлять аппараты для дальнего космоса. Вместо этого Eta Space планирует в 2024 году запустить на низкую околоземную орбиту свой демонстрационный спутник LOXSAT 1. 150-килограммовый аппарат, в основе конструкции которого лежит сферический резервуар и кубический радиатор, докажет работоспособность идеи долгосрочного хранения криогенных материалов. Сначала компании придётся продемонстрировать, что спутник способен сохранять жидкий кислород при нулевом выкипании в течение своей девятимесячной миссии. Eta Space также проведёт испытания при повышенном и пониженном давлении, отработает охлаждение компонентов для транспортировки жидкости с нулевой потерей топлива и попытается перелить его между внутренними баками LOXSAT. NASA тоже участвует в разработке – в 2020 году Управление выделилоEta Space 27 миллионов долларов на финансирование LOXSAT в рамках программы Tipping Point.

«Многое из этого мы уже испытали на земле, — говорит Нотардонато. — Сейчас нам придётся проводить испытания в условиях микрогравитации, чего раньше никто не делал».

Eta Space не будет пытаться состыковать демонстрационный образец LOXSAT с другим космическим аппаратом, но в случае успеха миссии компания планирует запустить Cryo-Dock – увеличенную версию LOXSAT 1 массой 20 тонн. Этот аппарат будет выступать в качестве первой коммерческой заправки, предлагающей жидкий водород и кислород для космических аппаратов: начиная от верхних ступеней ракет, направляющихся в дальний космос, и заканчивая орбитальными аппаратами, выполняющими обслуживание спутников или уборку космического мусора. В конце концов, говорит Нотордонато, Cryo-Dock сможет заправлять даже шаттлы и посадочные модули, направляющиеся к Луне.

Если с LOXSAT 1 всё пойдёт по плану, компания планирует запустить свою первую заправку (меньшее изображение в углу) в 2025 году. Этот цилиндрический аппарат, названный Cryo-Dock, будет стыковаться с различными космическими кораблями для заправки их топливных баков. Изображение: Eta Space

Размещение ракетного топлива в космосе и дозаправка на орбите — не новые идеи, но эта концепция актуальна как никогда. В дополнение к Eta Space, NASA и SpaceX разрабатывают лунный посадочный модуль на основе корабля Starship, предназначенный для дозаправки жидким метаном и жидким кислородом на околоземной орбите вскоре после запуска. Эту технологию SpaceX должна испытать в рамках демонстрационного беспилотного полёта Starship на Луну, который состоится перед первым полётом с астронавтами. А идея дозаправки спутников уже набирает обороты, и по крайней мере одно действующее предприятие уже предлагает некриогенное топливо. В долгосрочной перспективе сторонники подобных идей рассуждают о возможности создания устойчивой окололунной экономики в качестве плацдарма для использования ресурсов Луны — или астероидов, а может и даже Марса — для создания топлива там, где оно дешевле всего: за пределами гравитационного колодца Земли.

Основной вопрос в том, почему космические заправки стали актуальны сейчас, а не 10, 20 или 30 лет назад. Ответ находится одновременно и в политической, и в технической плоскостях, причём политика зачастую диктует темпы инноваций.

Исследование возможности заправки

Возможность заправки может стать долгожданным ответом на одну из величайших загадок ракетостроения: как взять как можно больше топлива на борт и при этом не сделать ракету слишком тяжёлой, чтобы преодолеть земное притяжение. Заправка верхней ступени ракеты в космосе означает, что больше не нужно брать всё необходимое топливо сразу с собой.

«Космические заправки позволят выполнять более серьёзные миссии при помощи аппаратов меньшего размера», — говорит Джонатан Гофф, владелец аэрокосмической консалтинговой фирмы Starbright Engineering. А меньшие по размеру и более дешёвые аппараты смогут обеспечить более высокую скорость полёта, что является своего рода ключом к снижению стоимости всей миссии. Заправки также смогут обеспечить условия для появления совершенно новых систем, таких как многоразовые ракетные носители, которые, например, смогут перемещаться туда и обратно между околоземной и лунной орбитами, никогда не возвращаясь на Землю.

Eta Space — самая небольшая из четырёх компаний, получивших финансирование от NASA в рамках программы Tipping Point в 2020 году: Lockheed Martin досталось 89,7 миллиона долларов, United Launch Alliance — 86,2, а SpaceX — 53,2. Lockheed Martin планирует продемонстрировать возможность работы с жидким водородом в космосе. ULA рассчитывает оставлять верхние ступени Vulcan Centaur на орбите после каждого запуска и использовать их в качестве буксиров в дальнем космосе; поэтому компания планирует изучить долгосрочное хранение и внутреннее переливание криогенных компонентов второй ступени своей ракеты. А SpaceX попробует перелить 10 тонн жидкого кислорода между баками космического корабля Starship на околоземной орбите, как если бы он заправлял космический аппарат, который направится к Луне и встретится с капсулой Orion, чтобы доставить двух астронавтов на поверхность нашего спутника для миссии NASA Artemis III, которая в настоящее время запланирована на 2025 год.

Но заправки предназначены не только для ракет и дальнекосмических миссий. Эта концепция получила дальнейшее развитие в сфере спутников: в прошлом году компания Orbit Fab, расположенная в Колорадо, запустила Tanker-001 Tenzing, первую действующую космическую заправку для военных спутников. В баках Tenzing находится перекись водорода, хранить которую проще, чем криогенное топливо, хотя соучредитель Orbit Fab Джереми Шил говорит, что в будущем компания может рассмотреть возможность создания и криогенных заправок. По его словам, заправка спутников сможет не только продлить срок их службы и облегчить вывод с орбиты, но и дать возможность операторам проводить орбитальные манёвры в соответствии с их потребностями, а не запасами топлива.

«Возможность заправки в космосе полностью меняет всю парадигму, — говорит он. Барьер, который будет преодолён в ближайшие три-пять лет, — это всего лишь следствие 60-летней истории отсутствия топлива на орбите».

Исторические вызовы

Каждая эпоха космических полётов имела свои особенности, отвлекавшие внимание NASA от стратегии разработки космической заправки. В эпоху «Аполлона» стремление США опередить СССР в гонке к Луне привело к тому, что NASA одобрило архитектуру миссии, в которой одна ракета доставляла астронавтов, их посадочный и командный модули на лунную орбиту, где они расстыковывались и посадочный модуль совершал прилунение на поверхности нашего спутника. Однако Вернер фон Браун и другие сотрудники Центра космических полётов NASA им. Маршалла отдавали предпочтение концепции рандеву на околоземной орбите, согласно которой два космических корабля запускались бы двумя ракетами: одна с астронавтами Аполлона, а другая с топливом в качестве танкера для сближения и заправки на околоземной орбите. В конце концов, фон Браун и NASA всё же решили, что рандеву должно проходить именно на лунной орбите, чтобы уложиться в установленный Кеннеди срок.

«Если бы они использовали космическую заправку, им не понадобилась бы такая большая ракета, им бы не пришлось строить Saturn 1», — говорит Гофф. Это могло бы обеспечить более высокую скорость полёта и более гибкий график, поскольку технология была бы уже опробована, и им было бы проще выполнять последующие миссии, даже при урезанном финансировании».

Чуть позже случилось так, что администрация Никсона решила закрыть программу Apollo после миссии Apollo-17, и к концу 1970-х годов NASA перешло в эпоху космических челноков – Space Shuttle. Поскольку агенство сосредоточило внимание на орбитальных космических полётах, а не на исследовании дальнего космоса, создание космических заправок просто не было приоритетом, и эта тенденция сохранялась на протяжении всего начала 2000-х годов и в эпоху Международной космической станции.

Какое-то время, при администрации Обамы, Гоффу казалось, что идея космических заправок всё же может снова вернуться на стол. В то время он был генеральным директором Altius Space Machines, производителя роботизированных манипуляторов, топливных клапанов и другого космического оборудования. В 2010 году новая администрация отменила программу Constellation эпохи Буша и разработку гигантской лунной ракеты в пользу поощрения создания частных ракет зарождающейся индустрией коммерческих космических запусков для доставки астронавтов на МКС и обратно. Эти ракеты смогут, в конечном итоге, также доставлять астронавтов и оборудование на Луну или Марс, думал Гофф – подход, который потенциально может привести к размещению на орбите одной или нескольких космических заправок.

Но он не учёл политической составляющей этой идеи.

Orbit Fab проектирует космическую систему сразу с несколькими топливными баками для дозаправки спутников на геостационарной орбите. Проект Tanker-002, показанный здесь на иллюстрации, планируется запустить в середине 2020-х годов. Изображение: Orbit Fab

«По сути, мы столкнулись с противостоянием, в рамках которого космические заправки противопоставлялись большим ракетам NASA, — говорит Гофф. — Однако есть люди в Конгрессе, заботящиеся о рабочих местах, которые появляются в их районах благодаря этим самым огромным ракетам NASA».

Члены Конгресса во главе с сенаторами республиканцем Ричардом Шелби из Алабамы и демократом Биллом Нельсоном из Флориды — ныне администратором NASA — по-прежнему поддерживали линейку больших одноразовых ракет, и, в конечном итоге, она получила воплощение в рамках программы Space Launch System. По словам Гоффа, когда в 2011 году началась разработка SLS, NASA и крупные подрядчики не хотели иметь ничего общего с концепциями космических заправок.

«Эти идеи были полностью под запретом, — говорит он. — Если ты говорил хоть что-нибудь про них, то становился врагом».

Таким образом, одним из ответов на вопрос, почему концепция космических заправок сейчас набирает обороты, может быть то, что большая часть политического давления 2010-х годов сейчас значительно ослабла. «SLS вот-вот полетит, Starship вот-вот полетит, — говорит Гофф. — Почти все люди в Сенате, лобировавшие SLS, ушли на пенсию».

Но это вовсе не единственная причина. Коммерческая космическая отрасль развилась столь сильно, что сейчас существует неудовлетворённый спрос на такие услуги, как заправка спутников. «Когда Orbit Fab впервые обратила свой взгляд на этот рынок четыре года назад, было восемь компаний, которые хотели заниматься обслуживанием спутников», — говорит Шил. В настоящее время во всём мире насчитывается более 100 компаний, включая Northrop Grumman и её подразделение Mission Extension Vehicles, а также, к примеру, стартап Momentus из Калифорнии.

«Мы начали в идеальное время, когда этот рынок только зарождался », — добавляет Шил.

Другая причина, по которой концепция космических заправок сейчас в моде, также связана с NASA и SLS.

«Всё из-за “Артемиды”», — говорит космический консультант Лаура Форчик, автор книги «Rise of the space age millennials: the space aspirations of a rising generation». Когда NASA выбрало модификацию космического корабля SpaceX в качестве лунного посадочного модуля для миссии Artemis III, агентство взяло на себя обязательство по её архитектуре, требующей до 16 запусков Starship, чтобы заполнить «танкерную» версию ракеты жидкими метаном и кислородом. Затем этот заправщик-Starship будет переливать топливо на посадочный модуль Starship на околоземной орбите.

«Прототип Starship ещё не взлетал выше 10 километров и никогда не эксплуатировался в связке со своей первой ступенью, необходимой для его отправки на орбиту, но NASA теперь полагается на эту технологию, чтобы доставить людей на поверхность Луны», — добавляет Форчик.

Заставить это работать

И, конечно же, остаются технологические проблемы.

«Если вам нужна криогенная двигательная установка, есть несколько ключевых технологий, которых ещё не существует», — говорит Джейсон Адам, руководящий отделом управления проектами NASA по криогенным жидкостям. Его команда сосредоточена на проектах в рамках программы Tipping Point, включая подготовку к демонстрационной миссии Eta Space, а также проводит исследования, посвящённые проблемам криогенного топлива в космосе.

И первая из них — активное охлаждение. Изоляция не способна помочь, когда жидкий водород кипит при температуре чуть выше минус 253,15 °C – можно воочию увидеть этот процесс, если установить камеру внутри ракеты на стартовой площадке. Эта проблема останется и в космосе, потому что конвекция как механизм теплопередачи просто перестаёт работать, и любая космическая заправка, предназначенная для хранения криогенного топлива в течение длительного времени, должна минимизировать его выкипание. Команда Адама разрабатывает криокулерную технологию для решения этих проблем.

NASA хочет создать базовый лагерь Artemis к 2030-м годам рядом с Южным полюсом Луны, покрытым кратерами, которые, как подозревают учёные, могут содержать лёд. Теоретически, помимо всего прочего, эту воду можно собирать и превращать в ракетное топливо, храня в специальных резервуарах либо на лунной орбите, либо прямо на поверхности нашего спутника. Изображение: NASA

«Представьте эту систему как мотор холодильника, работающий на ракете, — говорит он. — Цель состоит в том, чтобы поддерживать стабильность жидкого водорода и кислорода, или то, что мы называем условием нулевого выкипания».

По словам Нотардонато, технология криокулера существует уже некоторое время, и большая часть разработок была обусловлена научными миссиями NASA, такими как космический телескоп «Хаббл», но за последние 30 лет она значительно продвинулась вперёд.

Вторая проблема, с которой должны столкнуться все компании в рамках программы NASA Tipping Point, — переливание топлива в условиях микрогравитации. У вас есть космическая заправка с резервуаром, наполовину заполненным жидким водородом, и аппарат, на который вы хотите его доставить: но где конкретно находится этот водород?

«На Земле он будет на дне бака, поскольку мы находимся при гравитации в 1G, — говорит Адам. — Но в свободном падении где, чёрт возьми, водород? Он может быть где угодно».

Пока неясно, будут ли работать в криогенике методы, которые давно использовались для управления некриогенными жидкостями в условиях микрогравитации, такие как надувные баллоны, лопасти и перегородки внутренних резервуаров для хранения, чтобы использовать поверхностное натяжение, но Адам сказал, что различные программы Tipping Point направлены на изучение подобных возможностей.

Между тем, инженеры NASA в Центре космических полётов им. Маршалла работают над ещё одной проблемой: удержанием топлива.

«Если у вас когда-либо был опыт работы с криосистемами, единственное, что вы знаете наверняка, — это то, что во всех них есть утечки», — говорит Адам.

Небольшая утечка не имеет большого значения для ракеты, которая доставляет полезную нагрузку за считанные минуты, а потом разрушается в атмосфере. Но для миссии на Марс или же космической заправки с жидким водородным топливом герметичность критически важна.

И NASA добивается прогресса: «Сейчас мы проводим наземные испытания больших криогенных клапанов, которые уменьшат внутреннюю утечку на два-три порядка по сравнению с современным уровнем технологии», — говорит Адам.

Он совершенно уверен, что исследования NASA вместе с программой Tipping Point решат многие проблемы с криогенными жидкостями, хотя, конечно, не все. «Криогеника — довольно сумасшедшая штука. Я проработал в этой сфере достаточно долго, чтобы понять, что может случиться всё что угодно».

В будущее с космическими заправками

Да, в криогенике и вообще в космосе может случиться всякое. Но что, если случится что-то хорошее? Как может выглядеть успех?

Для Orbit Fab это будет означать запуск Tanker-002 в конце этого или начале следующего года, геостационарной заправочной станции с 90 кг гидразина и адаптации спутниковых операторов к совершенно новому подходу к дозаправке топливом.

«Сегодня топливо — это капитальные затраты, — говорит Шил. — Вы заправились им и всё, сколько есть, столько есть».

Для Eta Space успех будет означать миссию LOXSAT, которая продемонстрирует технологию первого Cryo-Dock и, в конечном итоге, космических заправок на поверхности Луны для поддержки программы NASA Artemis — при условии, что SpaceX решит свою задачу по транспортировке криогенной жидкости, необходимой для посадки астронавтов.

В этот момент, говорит Форчик, NASA и другие компании, включая Eta Space, могут начать рассматривать возможность производства топлива из лунных ресурсов и вообще отказаться от его доставке с Земли.

«Идея состоит в том, чтобы переместиться к той точке, где вы будете производить это топливо, — говорит она. — Луна — наш ближайший сосед, и у неё есть все ресурсы, нужные нам для синтеза топлива для ракетных двигателей».

Затем правительство и промышленность могут рассмотреть вопрос о создании стратегического запаса топлива на Луне, как предложил генеральный директор ULA Тони Бруно Национальному космическому совету в 2020 году, что Форчик назвала «отличным способом дать толчок окололунной экономике».

Она отмечает, что прямо сейчас эти идеи опережают события, быть может, лет на десять. Кроме того, технические проблемы, экономические и политические реалии вполне могут изменить темп развития всего этого «сюжета». «Но похоже, что мы находимся на его начальном этапе, — говорит Форчик. — Орбитальная дозаправка обязательно случится в том или ином виде. А вот все ли существующие разработки в этой области увидят свет в конечном итоге, думаю, не сможет сказать никто».

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

14
Войдите, чтобы видеть ещё 10 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Волшебная Эллен Рипли
Вечность назад

По-моему, это не очень умно - везти с Земли на орбитальную заправку LH2 и LOX. Надо везти воду, и пусть заправка сама производит нужное количество к нужному моменту. Воду на орбите можно хранить практически бесконечно.

Качественный Бори Труно
Вечность назад

Интересно, спасибо. Несколько мыслей не совсем по основной теме: > основав Eta Space с «группой бывших сотрудников NASA со множеством хороших идей» В НАСА валом сотрудников "со множеством хороших идей" у которых чешутся руки, они горят желанием творить, а НАСА всё бабло и ресурсы тратит на "сохранение рабочих мест"(читай "жоп сенаторов в тепле") и навоз типа SLS. > NASA тоже участвует в разработке – в 2020 году Управление выделилоEta Space 27 миллионов долларов... Ну как же без них, не дадут с цепи соскочить. Иначе все толковые инженеры свалят и останутся одни бюрократы совсем без проектов. Возникнут ненужные вопросы... > NASA и SpaceX разрабатывают лунный посадочный модуль на основе корабля Starship НАСА аж вспотело как разрабатывает. "Папа решает, а Вася сдаёт". > NASA и крупные подрядчики не хотели иметь ничего общего с концепциями космических заправок. Мастодонтам не выгодна конкуренция мелких фирмочек с мелкими же ракетками, а значит "у кого нет миллиарда, могут идти в жопу"(с). Вывод: хочешь творить - вали из НАСА.

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.