Resource Prospector – рентабельный первооткрыватель лунных природных богатств

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 1(7) 2016

Дэниэл Эндрюс (Daniel Andrews), Исследовательский центр НАСА имени Эймса, США

В настоящее время запуск планируется в 2020 году для обнаружения и соответственно извлечения кислорода, воды и других летучих веществ, а также для определения минералогического состава лунного реголита. Эффективное расширение присутствия человека за пределами околоземной орбиты до астероидов и Марса потребует максимально возможное использование местных материалов, так называемых природных ресурсов, а Луна представляет собой уникальную площадку для проведения роботизированных исследований, которые способствуют продвижению технологии использования найденных или произведённых на месте ресурсов (ISRU).

Космический зонд Resource Prospector (RP) является последователем лунного исследовательского аппарата ЛКРОСС, который подтвердил наличие водяного льда на Луне и продемонстрировал новую облегчённую концепцию проекта и выполнение задачи, что было значительно дешевле и быстрее, чем традиционные миссии НАСА.

Наряду с LCROSS был намечен космический полёт RP «класса D». Космическим полётам данного класса с риском, сведённым к минимуму, и в рамках риска NASA как таковым предоставляется большая свобода действий, чтобы принимать более высокие уровни остаточного риска. Идея заключается в экономии средств, как правило, затрачиваемых в попытке обеспечить успех одного космического полёта, за счёт которых можно профинансировать большее число космических полётов. Хорошо разработанный портфель может принять случайные неудачи миссии, так как она добивается больших результатов за те же капиталовложения.

Проект RP также ценит как международные, так и коммерческие партнёрства в качестве средства, чтобы максимизировать отдачу от инвестиций. Международные партнёрства могут обеспечить как взаимодействие функциональных возможностей, так и долевое участие в расходах, наряду с тем, что развивающиеся коммерческие варианты «нового космического пространства» выявляют новые подходы к приобретению экономически эффективных услуг. RP будет следующей поисковой операцией, чтобы одновременно обеспечить поисково-разведочные возможности будущих миссий и продолжить развивать экономически эффективные концепции NASA.

Общее описание миссии

Resource Prospector представляет собой проект Фазы А, осуществляемый в рамках компетенции Отдела систем опережающей эксплоразведки (AES) Управления исследования и освоения человечеством космических месторождений, НАСА, который в настоящее время планируется запустить в 2020 году. Команда RP также строит наземный блок технических испытаний (ETU), известный как RP15, для совершенствования технологии, проработке мер по снижению риска и приобретению навыков работы в условиях реального космического полёта.

Функциональные возможности RP и RP15 в целом представляются аналогичными. Тем не менее RP15 имеет как программные, так и земные ограничения. Космический полёт (RP) предназначен для разведки лунной поверхности; создания карты; для раскрытия природы летучих веществ и их распределения; выполнения предварительной демонстрации обработки материалов на лунной поверхности. RP15 позволяет провести предварительное тестирование некоторых из наиболее важных возможностей, необходимых для выполнения плана космического полёта RP. Функциональные задачи RP и функциональные испытания RP15 представляются следующим образом:

1. Отображение поверхности. Наземный луноход RP15 обеспечит мобильность перемещения на поверхности и склонах, аналогичных тем, которые ожидаются в лунных полярных регионах. Такая передвижная платформа будет нести систему нейтронного спектрометра (NSS) и систему спектрометра ближнего инфракрасного диапазона летучих веществ (NIRVSS).

2. Ввод постоянных областей тени. RP15 будет осуществлять навигацию фиктивных «постоянных областей тени» (PSRs), чтобы дать правильное представление о навигации, позиционировании и определении проблем в условиях посадки самого лунохода. Степень достоверности (имитатора реголита, летучего легирования и так далее) определяется имеющимися ресурсами.

3. Экспонирование реголита. Система бурения также входит в состав RP15 ETU, что допускает провести тестирование процедур и способов бурения и захвата хвостов бурового долота, но нужно учитывать, что тестирование будет в среде 1g. Система подвески лунохода необходима для компенсации нагрузок, которые меняются во время буровых работ, что позволяет экстраполяцию, что можно найти в лунной среде 1/ 6g.

4. Захват и нагревание реголита. Бур обладает возможностью выбирать образцы на глубине до 1 метра и переносить материал в систему подачи пробы для обработки. Затем образцы осаждаются в узле извлечения кислорода и летучих веществ (OVEN), в котором летучие вещества видоизменяются путём нагрева реголита в герметичной камере и кислород с водородом извлекаются. В RP15 будет включена версия OVEN, способная выполнять аналогичные функции, что и рабочая полётная версии.

5. Идентификация летучих веществ. Функциональные возможности RP15 также включают подсистему углубленного анализа лунных летучих веществ (LAVA) лунохода RP. Эта система будет проводить замеры выходящих из подсистемы OVEN газа/пара с использованием техники датчиков газовой хроматограммы и/или масс-спектрометрии. Эволюция летучих веществ из материала в легированных измерительных трубках позволит подтвердить обоснованность проектных подходов, запланированных для RP.

Таким образом, текущий вариант RP15 системы управления летательного аппарата RP позволит в значительной степени снизить риск системы, снижая впоследствии затраты на проектные изменения в процесс разработки.

Обновлённый подход

Как показано выше, миссия RP довольно сложная и пока что команда озабочена выбором подхода к разработке проекта с учётом достигнутого во время космического полёта LCROSS.

Совершить космический полёт беспрецедентно дорого. Лучшей отправной точкой сделать космический полёт более эффективным, с точки зрения затрат, и рациональным будет бросить вызов представлению о том, что требуется для выполнения космического полёта.

Космические миссии увязают в болоте: они традиционно не подлежат массовому производству, поэтому они стоят дорого; из-за того, что они стоят дорого, они «не могут провалиться»; и так как они не могут потерпеть неудачу, их успех должен быть гарантирован... что дорого! Результатом является то, что разработчики космических полётов расходуют много ресурсов, пытаясь гарантировать успешность космического полёта, потому что он слишком дорог, чтобы потерпеть неудачу. Тем не менее есть способы найти более эффективный баланс: область, в которой космический полёт LCROSS стал первопроходцем.

Первый шаг в сдерживании затрат и рисков предлагает исключить стремление к максимальной производительности, что является дорогостоящим фактором. Космический полёт LCROSS не был быстрее, лучше, дешевле; он был быстрее, «достаточно хорошим», и поэтому дешевле. Конструкция космического аппарата была несложной, и, как следствие, это была концепция с низким уровнем риска.

• Эксплуатационные характеристики. Первый шаг в сдерживании затрат и рисков предлагает исключить стремление к максимальной производительности, что является дорогостоящим фактором. Космический полёт LCROSS не был быстрее, лучше, дешевле; он был быстрее, «достаточно хорошим», а поэтому дешевле. Конструкция космического аппарата была несложной, и, как следствие, это была концепция с низким уровнем риска.

• Допустимость риска. Ещё один способ экономии затрат заключается в классификации рисков космического полёта. НАСА выделяет четыре уровня риска космических полётов: A, B, C и D, в которой класс А имеет самые узкие границы допустимости риска (дорогие флагманские или пилотируемые космические полёты), а класс D имеет самые широкие границы допустимости риска (небольшие роботизированные миссии). LCROSS и RP относятся к космическим полётам класса D. Эта классификация позволяет брать на себя решение сложных технических задач или соблюдать жёсткие программные ограничения, такие как стоимость и график. Она также допускает «однорядные» конструкции, что, в свою очередь, означает отсутствие избыточности: подход, который позволяет разработчику космического полёта экономить массу, стоимость и график за счёт оптимизации как процесса проектирования, так и сложности системы.

• Проектирование по критерию стоимости. Это означает: определить, какие возможности существуют для минимального достижения поставленных целей космического полёта. LCROSS был проектом по критерию стоимости (DTC): как можно больше имея дело с существующими конструкциями, мы имели множество возможностей, с которыми работать, и это помогло придерживаться стоимости и графика.

• Устранение риска. Если требуются нестандартные конструкции, необходимо как можно скорее устранить риск. В проекте RP в большинстве своём используется такой подход с опцией RP15, что позволяет вносить изменения в Фазе А, когда их гораздо проще и дешевле сделать. Устранение риска также означает оценку степени, в которой требуется провести тестирование, если вообще требуется. Не имеет значения, что уровень доверия одной системы составляет 98 процентов, а у другой всего лишь 70 процентов. Например, если ваша коммуникационная система отказала, не имеет значения, что другие системы работают прекрасно, потому что вы уже не в состоянии поддерживать связь с космическим кораблём!

Обновлённый источник

Существуют традиционные источники для космических полётов, а есть альтернативные источники, которые могли бы позволить проект космического полёта сделать более эффективным. Термин «источник» используется здесь в широком смысле, применительно к технике, оснащению или даже людям. В этом разделе приводятся некоторые из возможностей, используемые в прошлом и на стадии рассмотрения для RP.

Проект LCROSS стал первопроходцем для экономически ограниченных космических полётов. Часть ответа можно получить, если посмотреть на контрольно-измерительные приборы, доступные на широком коммерческом рынке (COTS) и лётные контрольно-измерительные приборы, такие как оптическая камера. Инструменты коммерческие и промышленные в идеале должны быть повышенной прочности, чтобы улучшить свои шансы на выживание при запуске в космической среде, в условиях вакуума, температуры, вибрационных испытаний и так далее.

Такой подход мы использовали в отношении всего набора инструментов LCROSS, включая тепловизор (MID-IR1), который использовался в авто-спортивных приложениях; спектрометры ближней ИК-области спектра (NSP1 и NSP2), используемые пивоваренными компаниями, и для анализа коврового волокна для оценки возможности проведения рециклинга; ультрафиолетовые спектрометры видимой области спектра (UVS) из стандартного настольного лабораторного оборудования; оптическая камера, обычно используемая для отображения запуска космического челнока; и камеры ближней ИК-области спектра (NIR-cam), используемые в волоконно-оптических коммуникационных приложениях.

Мы также обнаружили лишний топливный резервуар двигателя спутника TDRS, который с некоторыми незначительными изменениями стал главным топливным резервуаром на LCROSS! Мы даже использовали спутниковый блок инерциальных датчиков (IMU) спутника TRIANA в конструкции системы управления ориентацией LCROSS. В результате этот набор контрольно-измерительного оборудования работал безупречно во врем космического полёта, сэкономив при этом кучу денег и времени.

Проект RP перенимает подобный подход по мере возможности к снижению стоимости и технического риска, используя лётную модифицированную версию спектрометра LCROSS, который в своё время также использовался в космическом полёте LADEE.

Мы также переняли технологию батарей, солнечных элементов и конструкцию у робота Robonaut, масштабируя дизайн для RP. Эти батареи уже утверждены для развёртывания на Международной космической станции (МКС) и других людских применений, что позволяет экономить значительное количество рабочих усилий, предпринимаемых для видоизменения новой конструкции батареи. Кроме того, программное обеспечение космического полёта RP основано на том, что было создано и успешно отлетало на LADEE.

Ещё одна тема, затрагивающая как стоимость, так и риски, представляет собой использование электрических, электронных и электромеханических (EEE) частей в конструкции космических аппаратов. Пятьдесят лет тому назад, когда электронные компоненты только становились обычным явлением, качество изготовления сильно отличалось, как было установлено. Были, конечно, такие, что использовались для военной техники и космических полётов. Это привело к производству запчастей «военного класса» или «военным спецификациям» (Mil Spec).

В связи с этим требуемое повышение качества и надёжности увеличили расходы, увеличили стоимость военных и космических технических средств. В то же время коммерческий мир всё чаще использует электронику в своих продуктах, повышая изощрённость продуктов для потребительского рынка, также увеличивая спрос на хорошее качество электронных компонентов.

Тем не менее многие космические полёты по-прежнему автоматически требуют использования компонентов MilSpec по умолчанию. Космические миссии, которые будут долгое время подвергаться воздействию излучения, вероятно, по-прежнему требуют радиационно-упрочнённых или устойчивых к радиации компонентов; однако, если у вас ограниченный срок космического полёта, вы в состоянии защитить вашу электронику с помощью других средств: компонентов коммерческого класса будет вполне достаточно.

В миссии LCROSS мы использовали компоненты коммерческого класса в большинстве своих контрольно-измерительных приборов, потому что это были коммерческие инструменты, предназначенные для использования в лаборатории или в автомобильной промышленности, но не космические.

Новый партнёринг (партнёрские отношения)

Партнёринг – это термин, который в настоящее время имеет политическую предрасположенность, но мои интересы соотносятся непосредственно с обеспечением космических полётов в качестве средства, чтобы приобрести совместные выгоды. Варианты следующие:

• Запуск партнёринг. Все прекрасно понимают, что ракеты-носители стоят дорого, особенно когда миссии необходимо нести всю финансовую нагрузку запуска. Тем не менее LCROSS и LRO поделили ракету-носитель Atlas V, что позволило ESMD получить два космических полёта по стоимости одной ракеты-носителя.

• Партнёринг объединённых возможностей Объединение аналогичных требований в единый набор требований может принести экономию для двух космических полётов. Для двух космических полётов на Луну, например, нужна ракета-носитель и спускаемый аппарат, чтобы начать свою миссию на поверхности Луны. Если эти миссии проявятся на том же самом старте и придут к согласию относительно характера и требований к своим транслунным путешествиям, многие из таких необходимых возможностей будут куплены тут же, но использованы будут двумя отдельными миссиями.

• Партнёринг компонентов миссии. План RP предполагает найти партнёра для лунного посадочного модуля. НАСА предоставит луноход, полезную нагрузку для использования найденных или произведённых на месте ресурсов (ISRU) и ракету-носитель, в то время как международный или коммерческий партнёр обеспечит посадочный модуль. Намерение состоит в том, чтобы найти партнёра, который построит лунный посадочный модуль и удовлетворит свои собственные потребности в поисково-разведочных работах. Спускаемый аппарат будет нести сегмент лунохода RP, который будет исследовать поверхности Луны в соответствии с требованиями НАСА. Кроме того, одному из партнёров может понадобиться инструмент А, чтобы производить измерения А, а другой партнёр может быть в состоянии использовать прибор А, чтобы проводить измерения B и C. Это не только экономически эффективно, но и экономит массу, объём и другие факторы. Такое обсуждение сейчас происходит между проектом RP и его партнёрами в отношении спектрометрических измерений.

Статус

Миссия RP впервые продемонстрирует применение технологии использования найденных или произведённых на месте ресурсов (ISRU) на другом планетарном теле, делая первые шаги, чтобы иметь возможность «жить вне земли». Проект RP находится в фазе А, успешно прошёл Обзорную проверку НАСА осенью 2013 года, активно участвует в международных дискуссиях о партнёрстве, чтобы максимизировать отдачу от этой новой миссии в рамках бюджетных ограничений.

НАСА предоставит полезную нагрузку для технологии использования найденных или произведённых на месте ресурсов (ISRU), в том числе буровой установки, передвижной платформы и ракеты-носителя. Спускаемый аппарат будет предоставляться либо в рамках международного партнёрства, либо через коммерческие отношения на более ранней малой демонстрации до начала полноценной RP миссии. Запуск миссии запланирован на 2020/21, и НАСА работает над рентабельностью бюджета в размере $ 250 млн (не включая ракету-носителя).

Совсем недавно команда проекта Resource Prospector завершила разработку и изготовление RP15 – варианта всей наземной системы лунохода / полезной нагрузки. RP15 находится в состоянии разработки фазы А «глубокое погружение», переход от концепции к техническим средствам по созданию аналога лунной каменной посадочной площадки в течение одного года. Через дальнейшее тестирование в 2016 году RP15 позволит снизить риски и усовершенствовать конструкцию и концепцию Resource Prospector. Работу команды RP можно отследить на сайте: на nasa.gov и на Twitter @NASAexplores

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Resource Prospector – a Lunar Pathfinder
 журнал ROOM №1 (7) 2016