Возвращение на Землю: как вернуть спутник с орбиты и сэкономить деньги

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 3(5) 2015

Стефано Антонетти (Stefano Antonetti), руководитель программы D-Orbit

Зато слишком мало внимания уделяется её концу. Могут пройти годы, пока спутник пройдёт через низкие орбиты до полного сжигания в атмосфере или потенциального падения на землю, поскольку бортовая двигательная установка в состоянии лишь слегка подталкивать спутник вперёд. В свою очередь, этот процесс представляет собой фактор риска не только для других спутников, но также увеличивает расходы операторов.

Система вывода из эксплуатации D-Orbit Decommissioning Device D3 не только быстро и безопасно снимает спутник с орбиты, но и продлевает его срок службы и, как нам кажется, способна решить эту проблему.

Вернёмся назад, в 1908 год, когда Model T Ford (1) как раз готовилась стать хитом автомобильной промышленности: польза от стеклоочистителя для снижении риска столкновения на дороге не являлась тогда главной составляющей процесса продаж, чтобы интегрировать щётки (дворников) в новые модели автомобилей.

К 1916 году, когда потребность в повышении безопасности была уже более очевидной, дворники стали стандартным функциональным элементом всех машин, резко улучшая видимость и позволяя водителям перемещаться на более дальние расстояния, не опасаясь плохих погодных условий.

В современное время развилась такая сильная зависимость от космических технологий, что наша повседневная жизнь претерпит резкие изменения, если паче чаяния наши космические операции постигнет какая-либо неудача. Но, по аналогии с автомобильной промышленностью на ранних стадиях, космическая деятельность развивается по нарастающей лишь с небольшой оглядкой, а то и без на необходимость сохранения безопасной космической среды, что может помешать эксплуатации космического пространства в будущих полётах.

Космический мусор представляет опасность в двух своих основных ипостасях. Во-первых, он представляет собой опасность для навигации действующих спутников, так как осколок при столкновении со спутником может привести к его повреждению или, что ещё хуже, к разрушению, как это произошло в 2009 году, когда недействующий русской спутник «Космос» уничтожил рабочий спутник Iridium.

Возвращение в атмосферу Земли спутника Envisat, который признали непригодным к эксплуатации в 2012 году, займёт около 150 лет.

Сегодня спутниковые операторы экономят на ракетном топливе и, следовательно, сроке службы спутника и потенциальных доходах, чтобы осуществить маневрирование при уклонении от столкновений. Во-вторых, это создаёт серьёзную опасность для людей на Земле. По данным НАСА, только лишь в 2014 году сто тонн осколков упало обратно на Землю, причём в среднем каждый день из космоса падает один нежелательный объект. И почти невозможно точно предугадать, где и когда это может случиться.

Затраты космических операторов с учётом этой проблемы будут расти, что потенциально может повлиять на жизнеспособность коммерческой бизнес-модели. По последним данным компании Euroconsult (2), в ближайшие восемь лет $ 255 миллиардов будут потрачены на изготовление и запуск 1 400 спутников, тем самым увеличивая в пять раз число компаний, активно работающих в космической отрасли. Более того, отрасль постоянно развивается. Текущие тенденции, такие как запуск мега-созвездий и мини-спутников Cubesat, могут в считанные годы изменить всю отрасль, придавая неопределённость любым прогнозам и ставя новые задачи для предупреждения образования космического мусора.

Возьмём оператора, который хочет вывести на низкую околоземную орбиту группу спутников, состоящую из 1 000 единиц с 10% годовым оборотом. В настоящее время процедура снятия с эксплуатации состоит в снижении перигея до приблизительно 550 км для увеличения аэродинамического сопротивления и выведения спутника вниз.

Даже если руководствоваться действующими международными принципами, такая процедура приведёт к тому, что списанные спутники десятилетиями будут пересекать наиболее густонаселённую низкую околоземную орбиту, где располагается Международная космическая станция. В течение двадцати пяти лет, начиная с первого этапа вывода из эксплуатации, на различных высотах будет находиться около 2 500 отработавших свой ресурс дрейфующих спутников. Оператору это обойдётся очень дорого, так как ему придётся нести ответственность за любой ущерб, который его неработающие спутники могут причинить другим действующим КЛА.

Система калибровки не в состоянии точно рассчитать остаточное топливо. Статистическая погрешность обычно выше, чем 15%.

Иллюстрация на тему космического мусора в 2008 году. Объекты, загромождающие низкую околоземную орбиту, фактический размер которых не показан. Авторское право: ЕКА

Растущие расходы

Ирония заключается в том, что эти расходы имеют тенденцию расти в геометрической прогрессии относительно числа спутников, оставляя операторов один на один с их снижающимися доходами и неустойчивым бизнесом. Прямые затраты, такие как расход топлива для манёвров, исключающих столкновения, простой во время манёвров и снятие с эксплуатации в конце срока службы, оказывают большое влияние на стоимость размещения на орбитальной позиции и страховые взносы.

Похожие проблемы распространяются не только на низкую околоземную орбиту и большие созвездия спутников, но нарушают сценарии обычного развития бизнеса, в том числе спутники, находящиеся на геостационарной и на средней околоземной орбитах. По мере увеличения степени «заселённости» космического пространства важно оставаться в состоянии очистить занятые орбитальные позиции, чтобы открыть путь для замены спутников. Особую важность такой подход приобретает в случае серьёзной неисправности спутника или невозможности контролировать спутник с земли.

Чтобы быстро снять спутник с орбиты, в системе вывода из эксплуатации D3 используется принцип движения за счёт ракетного двигателя твёрдого топлива

Европейское космическое агентство запустило свой спутник Envisat в апреле 2002 года и сделало заявление о его выходе их строя по неустановленным причинам в 2012 году. Процесс вывода этого спутника обратно в атмосферу Земли займёт до 150 лет. Каждый год 2,3 € млрд для неконтролируемого спутника на низкой околоземной орбите, который увеличивает риск столкновения с другими объектами. Каждому действующему спутнику, проходящему в пределах 200 м мимо от Envisat, потребуется обширная команда инженеров, чтобы рассчитать точные манёвры и уклониться от столкновения.

Такие реалии оказывают влияние на конструкцию спутника. Контрмеры по смягчению последствий контакта с мусором должны учитывать прогнозы орбитальной концентрации мусора в ближайшие 20 лет, что сделает спутники тяжелее и дороже. А это, в свою очередь, приведёт к немедленному увеличению стоимости запуска. Малейшее изменение в фазе вывода из эксплуатации может сильно пошатнуть шансы на успех для повторного захода на манёвр.

Меры по уменьшению образования космического мусора и предупреждению столкновений неуклонно становятся более жёсткими. Пока что эти меры распространяются на все наиболее эксплуатируемые участки орбитального космического пространства. Наиболее удачные методические рекомендации, сформулированные межведомственной комиссией МККМ (3), внедряются на национальном уровне, в новых процедурах лицензирования, в производстве спутников, а также в договорах страхования. В некоторых случаях национальное законодательство реализует дополнительные правила для предотвращения образования мусора.

Закон о космических операциях Франции обязует всех национальных и международных операторов, осуществляющих свою деятельность на территории Франции, выводить из эксплуатации все спутники на низкой околоземной орбите в пределах 2 000 км, у которых заканчивается срок службы, посредством прямого и контролируемого возвращения, если вероятность падения на население и объекты на земле больше, чем 1 на 10000.

Если риск несчастного случая выше, международные руководящие принципы исключают возможность неконтролируемого вхождения. В большинстве случаев, однако, правила и методические рекомендации требуют ввести манёвр «конца-жизни» для повторного ввода в течение 25 лет.

Решение дилеммы мусора

Существующие подходы, от пассивных механизмов спуска с орбиты до двигательных систем на борту, способны лишь сократить время спуска с орбиты; спутник по-прежнему остаётся дрейфовать неконтролируемым на весь период своего ухода. Такая концепция сопровождается высокой интенсивностью отказов и не предлагает решения, которые всё чаще требуют вмешательства международных руководящих принципов по предупреждению образования космического мусора.

Вывод из эксплуатации является болезненно дорогим с точки зрения бюджета топлива для удержания станции на орбите и стартовой массы. Силовые установки должны соответствовать по крайней мере 90% надёжности в конце срока службы, с тем чтобы избежать потери контроля после неисправности агрегата.

В настоящее время калибровочная система ракетного топлива не в состоянии точно рассчитать остаточное топливо на борту. Статистическая погрешность часто выше, чем 15%. Такая неопределённость значительно увеличивает операционные риски и может снизить, если вовсе не лишить, шанса на успешное возвращение в конце срока миссии. Из-за такой неопределённости оператор сталкивается с проблемой вывода из эксплуатации спутника, где вполне возможно наличие остаточного топливаи, которое можно было бы использовать, чтобы увеличить его операционную жизнь и последующие доходы.

Установка D-Orbit’s Decommissioning Device D3 или просто D3 представляет независимую и автономную систему на основе ракетного двигателя твёрдого топлива. Она способна быстро, безопасно и подконтрольно утилизировать спутник в конце его срока службы, освобождая орбитальную позицию для последующей замены, даже в случае отказа спутника.

Обладая массой, которая составляет всего лишь часть массы всего спутника, система вывода из эксплуатации обеспечивает необходимое ускорение с целью эффективного завершения манёвра утилизации без привлечения движительной системы космического корабля и обеспечивает надёжность на уровне 99,9%. Подобные системы могут увеличить срок службы спутника на срок до шести месяцев и уменьшить затраты на удаление после завершения миссии, особенно если речь идёт о больших спутниковых созвездиях.

На данный момент мы не имеем возможности восстанавливать объекты в космическом пространстве, поскольку специализированная система должна быть интегрирована перед запуском. D3 в настоящее время является единственным решением, полностью направленным на контролируемое удаление всех типов спутников с независимой системой вывода из эксплуатации, предназначенной для предупреждения образования космического мусора. Выполняя быстрые прямые манёвры повторного входа или повторного вывода на орбиту, устройство поможет сохранить окружающую среду и космическое пространство, а также снизить затраты операторов.

В 2009 году после контакта с недействующим спутником один из спутников – Iridium – был разрушен 

Конец становится более простым

Фаза завершения космического полёта является частью миссии и, возможно, самой высокотехнологичный её частью с точки зрения продолжительности жизни спутника. На борту двигательные системы не оптимизированы, чтобы включить манёвр завершения выполнения задачи: они в первую очередь предназначены для выполнения небольших манёвров коррекции пространственного положения и не особо сложных постполётных манёвров.

Поскольку бортовая двигательная система придаёт лишь небольшие импульсы порядка 1 Ньютона, манёвр по выводу из эксплуатации может занять длительное время – до 25 лет, плюс ко всему с дополнительными оперативными расходами, затратами на мониторинг и ответственность по факту риска. Кроме того, из-за низкой тяги, она не в состоянии выполнить прямой повторный вход, который во многих случаях требуют международные нормы и национальные законодательства.

Спутник, оснащённый независимой специализированной системой вывода из эксплуатации, автономной и специально разработанной для этой цели, больше не будет зависеть от проблем ракетного топлива, потому что оператор может израсходовать всё оставшееся топливо до того, как ещё будет оставаться в состоянии удалить спутник в конце полёта. Система снижает степень неопределённости и риски и в конечном итоге значительно продлевает срок службы спутника. Дополнительные доходы, в свою очередь, покрывают стоимость устройства и дополнительный вес при запуске.

Теперь о нейтрализации станции заправки. В соответствии с международными правилами спутники полностью расходуют все формы аккумулируемой энергии как движителей, так и электрическую, чтобы избежать возможных взрывов или разрушений на орбите после окончания срока миссии.

Процедура нейтрализации является относительно непростой и может привести к существенному увеличению стоимости с точки зрения сложности спутниковых систем и наземных операций. Если спутник утилизируется посредством прямого повторного входа, нейтрализация не требуется. Такой подход упрощает процесс завершения срока службы и требует менее сложной конструкции спутниковой системы.

Наконец, специальное и независимое устройство вывода из эксплуатации значительно увеличивает шансы утилизации спутника. На самом деле устройство может выполнить свою задачу удаления, даже если спутник находится в состоянии серьёзной неисправности, которая исключает возможность его контролировать с Земли. В различных ситуациях это имеет большое значение.

В случае геостационарной орбиты, где операторам назначаются очень узкие позиции, спутник должен быть удалён, чтобы освободить место для новых поколений. В случае больших созвездий на низкой и средней околоземных орбитах, дрейфующий вдоль мёртвый спутник может поставить под угрозу функционирование всей группы. Наконец, это касается орбит для навигационных спутников, которые важно держать в чистоте, чтобы гарантировать долгосрочную работоспособность политически и стратегически важных созвездий.

В прошлом веке развитие автомобильного дизайна и производительности вовлекали все мыслимые и немыслимые процессы для создания эффективной технологии с целью повышения безопасности и сведения к минимуму воздействия на окружающую среду без снижения производительности.

Рабочие характеристики космического корабля должны учитывать все аспекты безопасности с целью снижения операционных рисков. В ближайшем будущем системы по выводу из эксплуатации будут приняты к использованию в законодательном порядке. Для прогулки в глубокий космос наша дальность видимости должна быть чистой от болтающихся обломков, которые могут помешать дальнейшему освоению и изучению Вселенной.

***

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Down to Earth: how to deorbit satellites and save money
 журнал ROOM №1 (3) март 2014