stringtranslate.com

Космическая логистика

Космическая логистика — это «теория и практика управления проектированием космической системы для обеспечения работоспособности и поддерживаемости, а также управления потоком материалов, услуг и информации, необходимых на протяжении всего жизненного цикла космической системы». [1] Она включает в себя наземную логистику в поддержку космических путешествий, включая любые дополнительные «проектирование и разработку, приобретение, хранение, перемещение, распределение, обслуживание, эвакуацию и утилизацию космических материалов», перемещение людей в космосе (как плановое, так и для медицинских и других чрезвычайных ситуаций), а также заключение контрактов и поставку любых требуемых вспомогательных услуг для поддержания космических путешествий. Исследования и практика космической логистики в первую очередь сосредоточены на моделировании и управлении цепочкой поставок астрологистики с Земли и далее в пункты назначения по всей Солнечной системе, а также на стратегиях архитектуры системы для минимизации как логистических требований, так и эксплуатационных расходов на человеческие и роботизированные операции в космосе. [1]

История

Еще в 1960 году Вернер фон Браун говорил о необходимости и неразвитости космической логистики: [2]

У нас есть проблема логистики в космосе... которая бросит вызов мышлению самых дальновидных инженеров-логистиков. Как вы знаете, в настоящее время мы исследуем три региона космоса: околоземной, лунный регион и планеты . Хотя можно с уверенностью сказать, что все мы, несомненно, знали о многих или большинстве логистических требований и проблем в обсуждении, по крайней мере, в общем плане, я думаю, также можно с уверенностью сказать, что многие из нас не осознавали огромного объема задач, выполняемых в области логистики. Я надеюсь, что обсуждения приведут к лучшему пониманию того факта, что логистическая поддержка является основной частью большинства крупных проектов по разработке. Логистическая поддержка, по сути, является основной причиной успеха или неудачи многих начинаний.

К 2004 году, когда НАСА начало правительственную инициативу по исследованию Луны , Марса и других космических объектов, [3] был выявлен ряд недостатков как в плане возможностей, так и в плане поддержки логистических потребностей даже на низкой околоземной орбите. [4] [5]

К 2005 году аналитики осознали, что у национальных правительств, участвующих в программе Space Shuttle, появится возможность сократить расходы за счет приобретения коммерческих услуг по логистике грузовых перевозок после завершения этапа строительства Международной космической станции [4] , которое тогда ожидалось к 2010 году [5].

Деятельность после 2005 года

По данным Manufacturing Business Technology, [6]

NASA выделило 3,8 млн долларов двум профессорам инженерии Массачусетского технологического института для проведения междисциплинарного исследования по адаптации логистики цепочки поставок для поддержки межпланетной транспортировки и передачи материалов. Профессора Дэвид Симчи-Леви и Оливье де Век из отдела инженерных систем Массачусетского технологического института возглавят проект в партнерстве с Лабораторией реактивного движения , системами полезной нагрузки и United Space Alliance .
Устойчивое освоение космоса невозможно без соответствующего управления цепочками поставок, и в отличие от Apollo, будущие исследования должны будут полагаться на сложную сеть поставок на земле и в космосе. Основная цель этого проекта — разработать комплексную структуру управления цепочками поставок и инструмент планирования для космической логистики. Окончательная интегрированная структура космической логистики будет охватывать наземное перемещение материалов и информации, передачу на стартовые площадки , интеграцию полезной нагрузки на ракеты-носители и запуск на низкую околоземную орбиту , космический и планетарный перенос и логистику на поверхности планеты. Модель управления межпланетной цепочкой поставок под руководством MIT будет использовать четырехэтапный подход к разработке:
1. Обзор уроков управления цепочками поставок, извлеченных из наземных коммерческих и военных проектов, включая военно-морские подводные лодки и арктическую логистику.
2. Анализ сети космической логистики на основе моделирования орбит Земля-Луна-Марс и ожидаемых мест посадки-исследования
3. Моделирование спроса/предложения, которое учитывает неопределенность спроса, номенклатуры грузов, затрат и сбоев в цепочке поставок.
4. Разработка архитектуры межпланетной цепочки поставок.

Примеры классов поставок

Среди классов поставок, определенных Центром космической логистики Массачусетского технологического института: [7]

В категории космического транспорта для поддержки МКС можно перечислить:

«Тяньчжоу» (космический корабль) — единственный беспилотный космический корабль для снабжения Китайской космической станции .

Состояние логистических возможностей МКС в 2005 г.

Краткое описание логистики одного космического объекта — Международной космической станции — было представлено в 2005 году в ходе комплексного исследования, проведенного Джеймсом Бейкером и Фрэнком Эйхштадтом. [8] В этом разделе статьи даются обширные ссылки на это исследование.

Требования к грузам МКС

По состоянию на 2004 год единственными космическими транспортными системами, способными перевозить грузы МКС, были американский космический корабль «Шаттл» , российский « Прогресс» и, в очень ограниченной степени, российский корабль «Союз» . [8]

Однако в 2004 году уже предполагалось, что европейский автоматический транспортный корабль (ATV) и японский транспортный корабль H-IIA (HTV) будут введены в эксплуатацию до окончания сборки МКС . По состоянию на 2004 год американский шаттл перевозил большую часть герметичных и негерметичных грузов и обеспечивал практически всю возможность возврата массы (возможность неразрушающего возвращения груза). [8] [ требуется обновление ]

Возможности грузового автомобиля

Бейкер и Эйхштадт также писали в 2005 году: [8]

Понимание будущих требований к грузам МКС необходимо для определения размера коммерческого грузового корабля, предназначенного для замены возможностей и мощностей шаттла и дополнения планируемых в настоящее время альтернативных кораблей. Точные оценки требований к грузоперевозкам МКС трудно установить из-за постоянных изменений в логистических требованиях, уровнях обслуживания экипажа, доступности кораблей и меняющейся роли, которую МКС будет играть в космических исследованиях и исследовательских целях НАСА.
Показано увеличение потребности в доставке негерметичных грузов в период 2007–2010 гг. Эта повышенная скорость является результатом текущего плана по предварительному размещению негерметичных запасных частей на МКС до вывода из эксплуатации Шаттла. Предоставление коммерческого грузового судна, способного перевозить негерметичные запасные части в дополнение к Шаттлу, устраняет необходимость предварительного размещения и выравнивает предполагаемые средние показатели в период 2007–2010 гг. примерно до 24 000 кг для герметичных грузов и 6800 кг для негерметичных грузов. Учитывая возможности доставки оставшихся систем после вывода из эксплуатации Шаттла, получаем.
Отказ от шаттла и опора на Progress, ATV и HTV для логистики МКС не приведут к существенному увеличению возвращаемой массы. Кроме того, нет никаких доказательств того, что любая из этих грузовых транспортных систем может увеличить темпы производства и запуска, чтобы покрыть дефицит доставки грузов.

Коммерческая возможность

Бейкер и Эйхштадт также писали в 2005 году: [8]

Помимо недостатков поддержки МКС, существуют альтернативные возможности для коммерческой грузовой транспортной системы. Вывод из эксплуатации шаттла также приведет к невозможности проводить исследования на низкой околоземной орбите (НОО) независимо от МКС. Коммерческая служба полезной нагрузки могла бы служить свободно летающей исследовательской платформой для удовлетворения этой потребности. По мере возникновения потребностей в логистической поддержке для инициативы NASA по исследованию космоса можно будет использовать существующую коммерческую систему.
Наконец, зарождающийся интерес к разработке негосударственных коммерческих космических станций должен учитывать вопросы пополнения запасов. Такие соображения, несомненно, будут подвергнуты анализу «сделать/купить». Существующие системы, которые амортизировали свои затраты на разработку в рамках многочисленных государственных и негосударственных программ, должны благоприятствовать решению «купить» операторов коммерческих космических станций. По мере возникновения этих рынков коммерческие компании будут в состоянии предоставлять логистические услуги по цене, составляющей лишь часть стоимости систем, разработанных правительством. Полученная экономия от масштаба принесет пользу обоим рынкам. К такому выводу пришло исследование Price-Waterhouse, заказанное NASA в 1991 году. [9] Исследование пришло к выводу, что стоимость коммерческой модульной службы SPACEHAB на основе полетных активов с предполагаемой чистой приведенной стоимостью в 160 миллионов долларов обошлась бы правительству США более чем в 1 миллиард долларов для разработки и эксплуатации с использованием стандартной себестоимости плюс контрактация. Коммерческие операции и разработки SPACEHAB (такие как Integrated Cargo Carrier) с 1991 года представляют собой дополнительную экономию средств по сравнению с системами, принадлежащими и эксплуатируемыми государством.
Коммерческие компании более склонны эффективно инвестировать частный капитал в улучшение услуг, гарантированную постоянную доступность и улучшенные возможности обслуживания. Эта тенденция, обычная для неаэрокосмических приложений, была продемонстрирована SPACEHAB на рынке коммерческих космических систем посредством постоянного улучшения модулей и внедрения новых логистических носителей.
Недостатки в грузоподъемности МКС, новые возможности и опыт, полученный в ходе существующих наземных и летных операций SPACEHAB, способствовали развитию Commercial Payload Service (CPS). Как коммерчески разработанная система, SPACEHAB признает, что для оптимизации ее возможностей и доступности необходимо использовать определенные подходы в разработке и эксплуатации системы.
Первый подход предъявляет умеренные требования к системе. Внедрение фундаментальных возможностей на переднем конце и наращивание расширенных возможностей в дальнейшем снижает стоимость запуска и сокращает время разработки.
Второе — использование существующих технологий и возможностей, где это уместно. Типичной чертой программ NASA является постоянный доступ к новым разработанным технологиям. Хотя это и привлекательно с точки зрения технического прогресса, этот поиск является дорогостоящим и часто не создает эксплуатационных возможностей. Коммерчески разработанный грузовой модуль будет максимально использовать существующие технологии (готовые к использованию, где это возможно) и стремиться к техническим достижениям только там, где системные требования или рыночные условия обуславливают необходимость таких достижений. Кроме того, расходы, связанные с разработкой космического корабля, не ограничиваются расходами, связанными с системами корабля. Необходимо также учитывать значительные расходы, связанные с инфраструктурой. Существующие логистические и технологические мощности SPACEHAB, расположенные совместно с Восточным стартовым полигоном и на объектах Sea Launch, позволяют избежать значительных затрат на разработку системы.
Наконец, SPACEHAB добился сокращения расходов и графика, используя коммерческие процессы вместо государственных. В результате шаблон интеграции миссии SPACEHAB для носителя на базе шаттла составляет 14 месяцев по сравнению с 22 месяцами для аналогичного многоцелевого логистического модуля (MPLM) на базе шаттла. [10]

Возможность переноса стойки

Бейкер и Эйхштадт также писали в 2005 году: [8]

МКС использует Международную стандартную стойку для полезной нагрузки (ISPR) в качестве основной конструкции для размещения полезной нагрузки и экспериментов во всех модулях, эксплуатируемых США. Перемещение ISPR на МКС и с нее требует прохода через люк, который имеется только в местах стыковки Common Berthing Mechanism (CBM). Диаметр CBM в сочетании с пропорциями ISPR обычно приводит к тому, что диаметры грузовых кораблей достигают размеров, которые вмещают только 5-метровые обтекатели полезной нагрузки, запускаемые на усовершенствованных одноразовых носителях (EELV).

Возвращаемые спускаемые под давлением полезные нагрузки

Бейкер и Эйхштадт также писали в 2005 году: [8]

Российский корабль «Прогресс» долгое время служил в качестве грузового транспортного средства, которое после отрыва от космической станции разрушительно возвращается в атмосферу, уничтожая весь «груз» на борту. Этот подход очень эффективно работает для удаления нежелательной массы с космической станции. Однако НАСА указало, что возврат полезных грузов с МКС крайне желателен [5]. Поэтому коммерческая система должна изучить последствия включения возможности возврата герметичного груза либо в первоначальный проект, либо в качестве расширенной функции сервиса, который будет введен в будущем. Предоставление такой возможности требует включения подсистемы тепловой защиты, подсистем наведения при сходе с орбиты, подсистем восстановления при посадке, наземной инфраструктуры восстановления и лицензирования FAA. Восстановление негерметичных полезных грузов представляет уникальные проблемы, связанные с открытой природой негерметичных носителей. Для реализации возвращаемой системы возвращения для негерметичных полезных грузов требуется разработка системы инкапсуляции. Действия по инкапсуляции должны выполняться либо автономно до входа в атмосферу, либо как часть операций, связанных с загрузкой негерметичного грузового носителя возвращаемым грузом. В любом случае дополнительные расходы, связанные с системами космического корабля или повышенными эксплуатационными требованиями, будут выше, чем простая загрузка и выход из герметичного носителя для разрушительного входа в атмосферу.

Возможность смешанного манифеста

Бейкер и Эйхштадт также писали в 2005 году: [8]

Обычно избегание точечных решений обеспечивает гибкость для данной системы, чтобы обеспечить переменные возможности. Проектирование грузового носителя, который смешивает герметичные и негерметичные системы, может привести к увеличению стоимости, если все связанные с ними грузовые помещения должны быть запущены в каждом полете. Чтобы избежать ненужных расходов, связанных с проектированием и полетом конструкции, которая вмещает фиксированные относительные мощности всех типов полезных грузов, для CPS используется модульный подход. Ожидаемые требования к транспортировке грузов для МКС после вывода из эксплуатации шаттла указывают на то, что специализированные герметичные и негерметичные миссии могут поддерживать требования к массе МКС. Использование общих базовых функций (т. е. сервисного модуля, стыковочной системы и т. д.) и модуляризация герметичных и негерметичных элементов носителя космического корабля обеспечивает гибкость, избегая точечных решений.

Передача топлива

Бейкер и Эйхштадт также писали в 2005 году: [8]

Российский сегмент МКС (RSOS) имеет возможность через стыковочные механизмы зонда и конуса поддерживать передачу топлива. Включение возможности передачи топлива вносит международные проблемы, требующие координации многочисленных корпоративных и правительственных организаций. Поскольку требования к топливу МКС адекватно обеспечиваются российскими кораблями «Прогресс» и ATV ЕКА, можно избежать расходов, связанных с включением этих функций. Однако модульная природа CPS в сочетании с присущими ей возможностями выбранных подсистем позволяет использовать экономичные альтернативы передаче топлива, если этого потребуют потребности МКС.
Косвенные затраты, учитываемые при разработке архитектуры CPS, включают лицензионные требования, связанные с Международными правилами торговли оружием (ITAR) и требованиями Федерального управления гражданской авиации (FAA) к лицензированию коммерческих запусков и въездов. Лицензирование ITAR обуславливает тщательный выбор поставщиков подсистем транспортных средств. Любое использование или производство подсистем космических аппаратов неамериканскими организациями может быть реализовано только после получения соответствующих разрешений Государственного департамента и/или Министерства торговли. Лицензионные требования FAA требуют тщательного выбора мест запуска и посадки. Транспортные средства, разработанные организованной корпорацией США, даже если они запущены в другой стране, требуют проверки системы транспортного средства, операций и программы безопасности со стороны FAA, чтобы гарантировать, что риски для людей и имущества находятся в приемлемых пределах [11]

Даунмасс

В то время как значительное внимание космической логистики уделяется upmass или массе полезного груза, перевозимого на орбиту с Земли, операции космической станции также имеют значительные требования к downmass. Возвращение груза с низкой околоземной орбиты на Землю известно как транспортировка downmass , общей массы логистического полезного груза, которая возвращается из космоса на поверхность Земли для последующего использования или анализа. [12] Логистика downmass является важным аспектом исследовательских и производственных работ, которые выполняются на орбитальных космических объектах. В 2020-х годах этот термин также начал использоваться в контексте перемещения масс к другим планетарным телам и с них . Например, «емкость upmass и downmass [ лунного посадочного модуля SpaceX Starship HLS ] намного превысила требования NASA» [13]

Для Международной космической станции были периоды, когда возможности по возвращению груза были серьезно ограничены. Например, в течение примерно десяти месяцев с момента вывода из эксплуатации космического челнока после миссии STS-135 в июле 2011 года и последующей потери способности космического челнока возвращать полезную массу груза все большую озабоченность вызывал возврат груза с низкой околоземной орбиты на Землю для последующего использования или анализа. [12] В течение этого периода времени из четырех космических аппаратов, способных достичь и доставить груз на Международную космическую станцию, только российский корабль «Союз» мог вернуть даже очень небольшой груз на Землю. Возможности по возвращению груза «Союза» были ограничены, поскольку вся космическая капсула была заполнена до отказа тремя членами экипажа МКС, которые возвращаются при каждом возвращении «Союза». В то время ни один из оставшихся грузовых транспортных аппаратов — Российское космическое агентство «Прогресс» , Европейское космическое агентство (ESA) ATV , Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) HTV — не мог вернуть какой-либо груз для наземного использования или исследования. [12]

После 2012 года, с успешной стыковкой коммерческого контрактного SpaceX Dragon во время миссии Dragon C2+ в мае 2012 года и началом эксплуатационных грузовых полетов в октябре 2012 года, [14] возможность спуска с МКС теперь составляет 3000 килограммов (6600 фунтов) за один полет Dragon, услуга, которая предоставляется грузовой капсулой Dragon в обычном режиме. [15] Возвращаемая капсула, испытанная в 2018 году под названием HTV Small Re-entry Capsule (HSRC), может использоваться в будущих полетах HTV. [16] HSRC имеет максимальную возможность спуска 20 килограммов (44 фунта). [17]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab AIAA STLC. "Определение космической логистики". AIAA . Получено 22 ноября 2022 г. .
  2. ^ Вернер фон Браун (1960). Вернер фон Браун обсуждает важность космической логистики. АИАА . Архивировано из оригинала 18 октября 2010 года.
  3. ↑ Джордж Буш, Возрожденный дух открытий: видение президентом космических исследований США, январь 2004 г.
  4. ^ ab Baker, James D.; Eichstadt, James (май 2005). «Коммерческая грузовая транспортная служба для МКС». Acta Astronautica . 57 (2): 257–265. Bibcode : 2005AcAau..57..257B. doi : 10.1016/j.actaastro.2005.04.001.
  5. ^ ab Конгресс США, Закон о национальной аэронавтике и космосе 1958 года с поправками, Публичный закон 85-568, 1984.
  6. ^ «Управление цепочками поставок и исследование транспортировки материалов выходят на межпланетный уровень: Лунная логистика». Manufacturing Business Technology . 23 (8): 12. 1 августа 2005 г. Архивировано из оригинала 6 ноября 2012 г.
  7. ^ "Классы поставок для логистики исследований". Межпланетное управление цепочками поставок и архитектура логистики . MIT Space Logistics Center. Архивировано из оригинала 5 июля 2008 года . Получено 8 августа 2011 года .
  8. ^ abcdefghi Бейкер, Джеймс Д.; Айхштадт, Франк (май 2005 г.). «Коммерческая грузовая транспортная служба для МКС». Acta Astronautica . 57 (2): 257–265. Bibcode : 2005AcAau..57..257B. doi : 10.1016/j.actaastro.2005.04.001.
  9. ^ Прайс Уотерхаус, Анализ альтернатив аренды и покупки НАСА коммерческого модуля расширения Middeck, 1991.
  10. ^ Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, План реализации программы станции, т. 6: Физическая интеграция грузов, SSP 50200-06, декабрь 1997 г.
  11. ^ Федеральное управление гражданской авиации — Управление коммерческих космических перевозок, 14 CFR, ноябрь 2000 г. (глава III).
  12. ^ abc Бергин, Крис (20 апреля 2012 г.). "Грузовые перевозки вверх и вниз: Dragon демонстрирует важность приземляющейся массы". NASA Spaceflight . Получено 23 апреля 2012 г. . "Грузовые перевозки в целом жизненно важны для станции, тем не менее, не в последнюю очередь с тех пор, как закончилась огромная возможность, которой пользовалась МКС через флот Space Shuttle. Поскольку орбитальные аппараты теперь выведены из эксплуатации, ряд транспортных средств пополнения стремятся заполнить пробел, начиная от текущих российских транспортных средств Progress, до европейских ATV, японских HTV и — в очень небольшой степени — российских транспортных средств Soyuz. Однако именно дополнительные возможности роли Shuttle в приземлении на МКС часто недооценивались в последние годы их полетов на станцию, чего российские, европейские и японские транспортные средства пополнения не могли смягчить после того, как флот был выведен из эксплуатации, за исключением очень малой приземляющейся массы, допускаемой Soyuz".
  13. ^ Бургхардт, Томас (20 апреля 2021 г.). «После того, как NASA использует Starship компании SpaceX для первых посадок на аппарат Artemis, агентство рассчитывает на то, что будущие транспортные средства будут готовы». SpaceNews . Получено 21 апреля 2021 г.
  14. ^ "SpaceX capsule returns with safe landing in Pacific". BBC . 28 октября 2012 г. Получено 23 декабря 2012 г.
  15. ↑ Блэк, Чарльз (24 декабря 2012 г.). «Когда Dragon сделал коммерческие космические полеты реальностью». SEN . Получено 26 декабря 2012 г. Способность [Dragon] возвращать грузы в настоящее время уникальна, поскольку все другие обычные корабли снабжения — европейский автоматический транспортный корабль (ATV), японский HTV (или «Kounotori») и российский «Прогресс» — все сгорают во время управляемого возвращения в атмосферу.
  16. ^ Хаяси, Кимиё (13 декабря 2018 г.). «数多くの困難、時間との闘いを乗り越えて。小型回収カプセルが拓く未来» (на японском языке) . Проверено 22 января 2019 г. ... 貨物船「こうのとり」は残り2機(8号機、9号機）で終了となり、2021年度に打ち上げ予定の新型宇宙ステーション補給機HTV-Xにバトンタッチする。今回と同様の小型回収カプセル実験は9 号機で再度行う可能性はあるが、自立的な回収カプセルはHTV-Xが運ぶことになるだろう。 ...
  17. Ссылкиも» . Санкей Симбун (на японском языке). 18 марта 2018 года . Проверено 10 апреля 2018 г. ...

Внешние ссылки