Орбитальный сегмент США ( USOS ) — название компонентов Международной космической станции (МКС), построенных и эксплуатируемых Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA), Европейским космическим агентством (ESA), Канадским космическим агентством (CSA) и Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA). Сегмент состоит из одиннадцати герметичных компонентов и различных внешних элементов, почти все из которых были доставлены космическим челноком .
Сегмент контролируется и управляется из различных центров управления полетами по всему миру, включая Космический центр Джонсона в Хьюстоне, Техас , Центр управления Колумбусом в Оберпфаффенхофене , Германия и Космический центр Цукуба в Цукубе , Япония. Однако он зависит от российского орбитального сегмента для необходимого управления полетом, поддержания орбитальной станции и систем жизнеобеспечения. [1]
Орбитальный сегмент США состоит из 10 герметичных модулей. Из них семь обитаемых, а три — соединительные узлы с большими портами. Порты используются для соединения модулей или предоставления причалов и доков для космических кораблей.
Каждый из узлов имеет порты, называемые общими механизмами стыковки (CBM). Все три узла имеют 4 порта по всей их внешней стороне и по 1 порту на каждом конце, всего 6 портов. В дополнение к 18 портам на узлах есть дополнительные порты на модулях, большинство из которых используются для стыковки модулей вместе, в то время как неиспользуемые порты CBM могут пришвартовать один из космических кораблей пополнения запасов MPLM, HTV, Dragon Cargo или Cygnus. Есть два адаптера PMA , которые меняют порты CBM на стыковочные порты , типа используемых на кораблях «Союз», «Прогресс», «Автоматизированный транспортный корабль» и бывшем космическом челноке.
Первым компонентом герметичного сегмента USOS является Unity . На кормовом конце Unity находится герметичный стыковочный адаптер (PMA) 1. PMA-1 соединяет Unity с российским сегментом . Unity также соединен с шлюзом Quest по правому борту, Tranquility по левому борту и фермой Z1 в зените . Лаборатория Destiny соединяется с передним концом, ведущим к остальной части USOS. Unity также используется экипажами на борту МКС для приема пищи и совместного отдыха. Узел Unity был доставлен на станцию STS-88 6 декабря 1998 года. [2]
Harmony является центральным соединительным узлом USOS. Harmony соединяется с кормовой частью лаборатории Destiny , с левой стороны — с лабораторией Kibo, а с правой — с лабораторией Columbus . Надирный и зенитный порты узла Harmony также служат в качестве причального порта для транспортного средства H-II (HTV), транспортных средств снабжения Dragon и Cygnus . На переднем конце Harmony находится PMA-2, который использовался космическими челноками в качестве стыковочного адаптера и будущими пилотируемыми миссиями на МКС. 18 июля 2016 года на борту SpaceX CRS-9 NASA запустило Международный стыковочный адаптер-2 для преобразования стыковочного адаптера Shuttle APAS-95 в стыковочную систему NASA , которая будет использоваться с SpaceX Dragon 2 и Boeing Starliner . Harmony был доставлен миссией STS-120 23 октября 2007 года. [3]
Узел Tranquility вмещает системы жизнеобеспечения USOS. [4] Tranquility также размещает модуль Cupola с семью окнами и модуль Leonardo на своем переднем порту. Передний порт Tranquility заблокирован ферменной конструкцией станции, в то время как задний порт свободен для использования. В то время как надирный порт используется Cupola , зенитный порт используется некоторым тренировочным оборудованием внутри узла. Правый порт соединен с узлом 1, а левая сторона занята PMA 3, ранее резервным для стыковки Shuttle, который получит Международный стыковочный адаптер -3 во время CRS-18, чтобы обеспечить соединение с Crew Dragon и Boeing Starliner. Модуль Tranquility был доставлен STS-130 в феврале 2010 года вместе с Cupola . [5]
Лаборатория Destiny — это лабораторный модуль, построенный в Америке. Он используется для медицинских, инженерных, биотехнологических, физических, материаловедения и исследований в области наук о Земле. Destiny также содержит резервную роботизированную рабочую станцию и была первой из доставленных лабораторий USOS. Она была доставлена STS-98 7 февраля 2001 года. [6] Лаборатория Destiny управляется центрами управления полетами в Хьюстоне, штат Техас , и Хантсвилле, штат Алабама .
Columbus — лабораторный модуль, построенный Европейским космическим агентством . [7] Он является местом проведения научных исследований в области жидкостей, биологии, медицины, материалов и наук о Земле. Columbus также имеет четыре внешних места для полезной нагрузки, используемых для проведения экспериментов в вакууме космоса. Модуль Columbus был доставлен на МКС STS-122 7 февраля 2008 года. [8] Центр управления Columbus , расположенный в Германии , отвечает за управление модулем Columbus . [ необходима цитата ]
Лаборатория Kibo является японским компонентом USOS. [9] Kibo состоит из четырех основных частей: собственно лаборатория Kibo , герметичный грузовой контейнер, открытая научная платформа и два роботизированных манипулятора. Модуль уникален тем, что имеет небольшой шлюз, который может использоваться для передачи полезных грузов роботизированным манипуляторам или астронавтам за пределами станции. Роботизированные манипуляторы управляются с рабочей станции внутри лаборатории. Лаборатория используется для исследований в области медицины, инженерии, биотехнологии, физики, материаловедения и наук о Земле. Логистический контейнер был первой прибывшей частью Kibo . Он был доставлен STS-123 в марте 2008 года. [10] Сама лаборатория Кибо была доставлена на МКС миссией STS-124 в мае 2008 года. [11] Открытый объект был доставлен на МКС миссией STS-127 в июле 2009 года. [12] Центр управления полетами JEM в Цукубе, Япония , отвечает за управление всеми элементами лаборатории Кибо . [13]
Совместный шлюзовой отсек Quest используется для размещения выходов в открытый космос с сегмента USOS МКС. Он состоит из двух основных частей: шлюза оборудования и шлюза экипажа. В шлюзовом отсеке оборудования хранятся модули внекорабельной мобильности и проводится подготовка к выходу в открытый космос. Во время выхода в открытый космос шлюзовой отсек разгерметизируется. Шлюзовой отсек Quest был доставлен и установлен экипажем STS-104 в июле 2001 года. [14]
Модуль Leonardo , также известный как Постоянный многоцелевой модуль (PMM), представляет собой модуль, используемый в качестве складского помещения на МКС. Leonardo прикреплен к передней стороне узла Tranquility . PMM был доставлен на МКС миссией STS-133 в начале 2011 года. Первоначально многоцелевой логистический модуль (MPLM) Leonardo , он был переоборудован для пребывания на орбите в течение длительного периода времени перед установкой на МКС.
Cupola — это модуль с семью окнами, прикрепленный к модулю Tranquility . Он используется для наблюдения за Землей и вмещает некоторое спортивное оборудование. Все семь окон имеют крышки, которые закрываются, когда окна не используются, чтобы защитить станцию от ударов космического мусора. Cupola был доставлен вместе с узлом Tranquility на STS-130 в феврале 2010 года. [ 5]
Герметичные стыковочные адаптеры (PMA) служат стыковочными портами на USOS-части МКС. Он преобразует стандартный Common Berthing Mechanism в APAS-95 , стыковочную систему, которая использовалась космическим челноком и российским орбитальным сегментом . В настоящее время PMA-1 используется для соединения узла Unity с модулем Zarya на МКС. Герметичный стыковочный адаптер-2 расположен на переднем конце Harmony , в то время как PMA-3 расположен в зенитном порту того же узла. [16] [ циклическая ссылка ] PMA-2 был основным стыковочным портом Shuttle, а PMA-3 был его резервным, использовавшимся всего несколько раз. С новой программой Crew Commercial Program и выводом из эксплуатации флота Shuttle NASA построило Международный стыковочный адаптер для преобразования PMA-2 и PMA-3 в стыковочную систему NASA . IDA-1 должен был состыковаться с PMA-2, но был потерян в результате неудачного запуска SpaceX CRS-7 . Таким образом, IDA-2, который был доставлен SpaceX CRS-9 и должен был состыковаться с PMA-3, был перемещен на PMA-2. IDA-3, замена потерянного IDA-1, была запущена в июле 2019 года на SpaceX CRS-18 и была пришвартована к PMA-3. PMA-1 и PMA-2 были доставлены с узлом Unity на STS-88 в декабре 1998 года. [2] Третий PMA был доставлен STS-92 11 октября 2000 года. [17]
Интегрированная ферменная конструкция (ITS) размещает жизненно важное оборудование на внешней стороне МКС. [18] Каждому сегменту фермы присваивается обозначение P или S, указывающее, находится ли сегмент на левом или правом борту, и номер, который указывает его положение на соответствующей стороне. Сама ферменная система состоит из 12 сегментов — по четыре с каждой стороны и одного центрального сегмента, — которые соединены с МКС точками крепления на модуле Destiny . [19] Тринадцатая часть, известная как сегмент фермы Zenith-1 (Z1), прикреплена к модулю Unity и первоначально использовалась для удержания солнечных батарей P6 для обеспечения питания USOS. Сегмент Z1 теперь размещает антенны диапазона Ku и служит точкой маршрутизации для кабелей питания и данных на внешней стороне МКС. Интегрированная ферменная конструкция изготовлена из нержавеющей стали , титана и алюминия . Она простирается примерно на 110 метров в длину и вмещает четыре набора солнечных батарей. Каждый набор солнечных батарей содержит четыре батареи, всего 16 солнечных батарей. Каждый из четырех наборов батарей также имеет связанную систему охлаждения и радиатор для охлаждения оборудования электропитания. Интегрированная ферменная конструкция также вмещает основную систему охлаждения для МКС, которая состоит из двух насосов, двух радиаторных решеток и двух сборок баков с аммиаком и двумя азотными баками. Также на интегрированной ферменной конструкции расположено несколько точек крепления полезной нагрузки. В этих точках размещены внешние складские платформы , внешние логистические носители, альфа-магнитный спектрометр и мобильная базовая система для Canadarm2 . Ферма Z1 была доставлена миссией STS-92 в октябре 2000 года. [17] Сегмент P6 был установлен на STS-97 в декабре 2000 года. [20] Ферма S0 была доставлена на МКС на STS-110 , [21] а сегмент S1 последовал на STS-112 . [22] Сегмент фермы P1 был доставлен на МКС STS-113 , [23] за ним последовал сегмент P3/P4 на STS-115 , [24] и сегмент P5 на STS-116 . [25] Сегмент фермы S3/S4 был доставлен STS-117 , [26] за ним последовал сегмент S5 на STS-118 . [27] Последний компонент сегмента фермы, сегмент S6, был доставлен STS-119 . [ 28]
Внешние складские платформы (ESP) представляют собой ряд платформ, которые используются для хранения орбитальных сменных блоков (ORU) на МКС. ESP обеспечивают питание ORU, но не позволяют управлять и обрабатывать данные. Внешняя складская платформа 1 расположена на левой стороне лаборатории Destiny и была доставлена в ходе миссии STS-102 в марте 2001 года. [29] ESP-2 расположена на левой стороне шлюза Quest и была доставлена на МКС экипажем STS-114 в 2005 году. [30] ESP-3 расположена на сегменте фермы правого борта 3 (S3) и была доставлена на МКС в ходе миссии STS-118 в августе 2007 года. [27]
Логистические носители ExPRESS (ELC) похожи на внешнюю складскую платформу, но предназначены для перевозки большего количества грузов. В отличие от ESP, ELC позволяют осуществлять управление и обработку данных. Они используют стальную сетчатую конструкцию, на которой монтируются внешние контейнеры, полезные грузы и гироскопы; и могут быть установлены научные эксперименты. Некоторые компоненты ELC были построены Бразильским космическим агентством . [31] Логистические носители ExPRESS 1, расположенные на нижней ферме P3, и ELC 2, расположенные на верхней ферме S3, были доставлены миссией STS-129 в ноябре 2009 года. [32] ELC-3 был доставлен на МКС экипажем STS-134 , расположен на верхней ферме P3. [33] ELC-4 был доставлен и установлен на нижнем сегменте фермы S3 во время миссии STS-133 . [34]
Альфа -магнитный спектрометр (AMS) — это эксперимент по физике элементарных частиц, который установлен на сегменте фермы S3. AMS предназначен для поиска темной материи и антиматерии . Пятьсот ученых из 56 различных учреждений и 16 стран приняли участие в разработке и строительстве AMS. Альфа-магнитный спектрометр был доставлен экипажем STS-134. [33]
Компоненты MSS были поставлены Канадским космическим агентством совместно с MDA Space Missions . Мобильный транспортер, который несет мобильную базовую систему, был разработан и построен Northrop Grumman по контракту с NASA.
Основным компонентом мобильной системы обслуживания является Canadarm2 , также известная как система дистанционного манипулятора космической станции (SSRMS). Рука способна перемещать большие, тяжелые полезные грузы, которые не могут быть обработаны астронавтами во время выхода в открытый космос. Рука имеет грузоподъемность 116 000 кг (256 000 фунтов ) и 7 степеней свободы. [35] Canadarm2 также способна менять свое местоположение и используемый конец. Для Candarm2 имеются захватные приспособления на лаборатории Destiny , узле Harmony , узле Unity и мобильной базовой системе. Захватное приспособление установлено на модуле Zarya , но к нему не подключены кабели данных. После подключения этих кабелей Canadarm2 сможет позиционироваться на внешней стороне Zarya и поддерживать внекорабельную деятельность (EVA) в непосредственной близости от российского орбитального сегмента (ROS). Canadarm2 был собран и установлен экипажем STS-100 в начале 2001 года. [36]
Специальный манипулятор Dexterous Manipulator (SPDM), также известный как Dextre, представляет собой двурукого робота, который может быть прикреплен к МКС, мобильной базовой системе или Canadarm2. Dextre способен выполнять задачи, которые в противном случае потребовали бы выполнения астронавтом. К этим задачам относятся переключение орбитальных сменных блоков или перемещение ORU из мест их хранения в места их установки. Использование Dextre может сократить время подготовки, необходимое для выполнения определенных задач, и предоставить астронавтам возможность уделять больше времени выполнению других задач. Основное захватное приспособление Dextre находится в лаборатории Destiny , но также может быть установлено на любом силовом захватном приспособлении на МКС. Он имеет грузоподъемность 600 кг (1300 фунтов) и 15 степеней свободы. [35] Dextre был доставлен на МКС STS-123 . [10]
Мобильная базовая система (MBS) представляет собой устройство, похожее на рельсовый вагон, установленное на интегрированной ферменной конструкции МКС. Он весит 886 кг (1953 фунта ) и имеет грузоподъемность 20 954 кг (46 196 фунтов). [37] MBS может перемещаться от сегментов фермы правого борта 3 (S3) до сегментов левого борта 3 (P3) и имеет максимальную скорость 2,5 см/с (0,082 фута/с ). MBS имеет четыре PDGF , которые могут использоваться в качестве креплений для Canadarm2 и Dextre , а также размещение полезной нагрузки/орбитального сменного блока (POA) для хранения полезных грузов и орбитальных сменных блоков (ORU). MBS также имеет общую систему крепления для захвата специальной захватной планки на полезных грузах. Он также имеет свой собственный главный компьютер и блоки распределения видео, а также модули дистанционного управления питанием. [38] MBS был доставлен на борту STS-111 в июне 2002 года. [39]
Усовершенствованная сборка стрелы МКС используется для расширения досягаемости Canadarm2 и обеспечивает возможность детального осмотра. На конце стрелы имеются лазеры и камеры, способные записывать с разрешением в несколько миллиметров. Стрела также оснащена поручнями, чтобы она могла помогать астронавтам во время выхода в открытый космос, как это было сделано на STS-120 для ремонта солнечных батарей.
27 января 2020 года NASA объявило, что дало разрешение Axiom Space на запуск до трех модулей для присоединения к Международной космической станции. Первый модуль может быть запущен уже в 2024 году; в настоящее время предлагается пристыковать первый модуль к переднему порту модуля Harmony , хотя это потребует перемещения PMA-2 и IDA-2 . Axiom Space планирует прикрепить до двух дополнительных модулей к своему первому основному модулю и отправить частных астронавтов для заселения модулей. [40] После вывода из эксплуатации МКС к модулю Axiom присоединятся дополнительные элементы, включая энергетический и тепловой модуль с воздушным шлюзом, которые вместе будут функционировать как коммерческая космическая станция Axiom. [41]
Существуют различные предлагаемые модули для расширения американского орбитального сегмента.
Модули расширения жилья (Habitation Extension Modules, HEM) относятся к предлагаемым британским модулям, предназначенным для подключения к модулю Tranquility Международной космической станции . Они были задуманы консорциумом инженеров и ученых во главе с Марком Хемпселлом , авиационным инженером из Университета Бристоля . По состоянию на январь 2008 года предложение не имело официальной поддержки британского правительства. [обновлять]В случае финансирования модули должны были быть запущены в 2011 году. [42]
Узел 4, также известный как Система стыковочного узла (DHS), был предложенным модулем, который должен был быть построен с использованием Структурного испытательного изделия узла (STA) и пристыкован к переднему порту модуля Harmony . Структурное испытательное изделие было построено для облегчения тестирования оборудования МКС и должно было стать Узлом 1. Однако во время строительства были обнаружены недостатки в конструкции. Строящийся Узел 2 был переименован в Узел 1, а STA (бывший Узел 1) был помещен на хранение в Космический центр Кеннеди (KSC). [43]
В 2011 году НАСА рассматривало 40-месячную разработку и проектирование Node 4, что должно было привести к его запуску в конце 2013 года. [44] Поскольку программа Space Shuttle была закрыта, если бы было принято решение о строительстве и запуске Node 4, его бы запустили с помощью ракеты-носителя Atlas V или Delta IV Heavy . [44]
Для оценки и характеристики влияния и эффектов центрифуги относительно реакций человека, механических динамических реакций и воздействий, демонстрационная модель центрифуги Nautilus-X будет испытана на МКС.
Если бы эта центрифуга была создана, она стала бы первой в космосе демонстрацией достаточного масштаба для искусственных эффектов частичной гравитации . [45] Демонстратор был бы отправлен с использованием одной ракеты-носителя Delta IV Heavy или Atlas V. Полная стоимость такого демонстратора составила бы от 83 до 143 миллионов долларов США.
В августе 2016 года Bigelow Aerospace заключила соглашение с NASA о разработке полноразмерного наземного прототипа Deep Space Habitation на базе B330 в рамках второго этапа Next Space Technologies for Exploration Partnerships . Модуль называется Expandable Bigelow Advanced Station Enhancement (XBASE), поскольку Bigelow надеется протестировать модуль, прикрепив его к Международной космической станции. [46] [47]
Оперативное управление американским орбитальным сегментом МКС осуществляется НАСА и ЕКА — агентством, управляющим гражданской частью космической программы правительства США .
В первые годы работы МКС, начиная с 2000 года, [48] большую часть работы в американском орбитальном сегменте выполняли астронавты НАСА, хотя некоторые астронавты, прошедшие подготовку в НАСА, были сотрудниками неамериканских государственных космических агентств, а все перевозки грузов и экипажей на космическую станцию осуществлялись космическими аппаратами, принадлежащими НАСА, в частности, космическими челноками . Начиная с конца 2000-х годов НАСА начало заключать контракты на коммерческие услуги по доставке грузов на космическую станцию [49], и эти услуги начались в 2012 году. [50] К 2020 году коммерческие рейсы также осуществляли перевозки экипажей на МКС USOS. [51]
В 2010 году NASA начало открывать ограниченное количество своего космического пространства и времени астронавтов на американском орбитальном сегменте для коммерческого использования. В 2005 году Конгресс США разрешил одной из нескольких национальных лабораторий США существовать на борту МКС, и там можно было проводить коммерческие исследования. Для управления лабораторией был создан Центр развития науки в космосе (CASIS). В сентябре 2009 года Nanoracks подписала первый контракт с NASA на использование пространства орбитальной лаборатории и в апреле 2010 года открыла свою первую лабораторию на космической станции. [52] За ними последовали и другие компании, [ необходима ссылка ] однако коммерческое пространство и коммерческие эксперименты на МКС всегда были ограничены, при этом большая часть пространства орбитального сегмента и экспериментов была зарезервирована для прямого использования NASA, ESA и JAXA.
Цены, которые должны были платить коммерческие компании, использующие Национальную лабораторию МКС на USOS, были в значительной степени субсидированы с 2010 года до начала 2021 года. Начиная с марта 2021 года субсидия была отменена, и цены были повышены НАСА, чтобы приблизиться к «полному возмещению стоимости ресурсов НАСА». [53]
НАСА опубликовало «Политику коммерческого и маркетингового ценообразования», начиная с 2019 года. [54] Исторические цены и цены ~2021 года, предлагаемые на услуги в USOS, следующие: [55] [ требуется обновление ]