Орбитальное топливное депо — это тайник с топливом , который размещается на орбите вокруг Земли или другого тела, чтобы позволить космическому кораблю или переходной ступени космического корабля заправляться в космосе. Это один из типов космических ресурсных депо, которые были предложены для обеспечения инфраструктурного исследования космоса . [1] Существует множество концепций депо в зависимости от типа поставляемого топлива, местоположения или типа депо, которые также могут включать в себя топливозаправщик , который доставляет одну загрузку на космический корабль в указанном орбитальном месте, а затем отправляется. Космические топливные депо не обязательно располагаются вблизи или на космической станции .
Потенциальными пользователями орбитальных объектов дозаправки и хранения являются космические агентства , министерства обороны, компании спутниковой связи и другие коммерческие компании.
Спутниковые сервисные депо продлят срок службы спутников, которые почти израсходовали свое орбитальное маневренное топливо и, вероятно, находятся на геосинхронной орбите. Космический корабль проведет космическое рандеву со депо или наоборот , а затем перекачает топливо для использования в последующих орбитальных маневрах . В 2011 году Intelsat проявил интерес к первоначальной демонстрационной миссии по заправке нескольких спутников на геосинхронной орбите , но с тех пор все планы были отменены. [2]
Основная функция низкоорбитального (НОО) хранилища будет заключаться в обеспечении топливом переходной ступени, направляемой на Луну, Марс или, возможно, на геосинхронную орбиту. Поскольку все или часть топлива переходной ступени может быть выгружена, отдельно запущенный космический корабль с полезной нагрузкой и/или экипажем может иметь большую массу или использовать меньшую ракету-носитель. С помощью хранилища НОО или заправки танкером размер ракеты-носителя может быть уменьшен, а скорость полета увеличена — или, с более новой архитектурой миссии, где космический корабль за пределами околоземной орбиты также служит второй ступенью, может способствовать гораздо большей полезной нагрузке — что может снизить общие затраты на запуск, поскольку фиксированные затраты распределяются на большее количество полетов, а фиксированные затраты обычно ниже с меньшими ракетами-носителями. Депо также может быть размещено в точке Лагранжа Земля-Луна 1 (EML-1) или за Луной в EML-2, чтобы сократить затраты на путешествие на Луну или Марс. Также предлагалось разместить депо на орбите Марса. [3]
В 2024 году в третьем комплексном полете Starship была продемонстрирована передача топлива на орбите [4] , возможность, необходимая для высадки экипажа на Луну с помощью корабля Starship HLS . [5] [ ненадежный источник? ]
В ракетах и космических аппаратах топливо обычно составляет 2/3 или более от их общей массы.
Большие ракетные двигатели верхней ступени обычно используют криогенное топливо , такое как жидкий водород и жидкий кислород (LOX), в качестве окислителя из-за большого возможного удельного импульса, но должны тщательно учитывать проблему, называемую «выкипанием», или испарением криогенного топлива. Выкипание всего за несколько дней задержки может не обеспечить достаточного количества топлива для закачки на более высокую орбиту, что может привести к отмене миссии. Лунные или марсианские миссии потребуют от нескольких недель до месяцев, чтобы накопить десятки тысяч или сотни тысяч килограммов топлива, поэтому на переходной ступени или в хранилище может потребоваться дополнительное оборудование для смягчения выкипания.
Некриогенные, хранящиеся на земле жидкие ракетные топлива, включая RP-1 ( керосин ), гидразин и азотный тетраоксид (NTO), и умеренно криогенные, хранящиеся в космосе топлива, такие как жидкий метан и жидкий кислород , могут храниться в жидкой форме с меньшим испарением, чем криогенные топлива, но также имеют более низкий удельный импульс. [6] Кроме того, газообразные или сверхкритические топлива, такие как те, которые используются в ионными двигателях, включают ксенон , аргон , [7] [8] и висмут . [9]
Бывший администратор НАСА Майк Гриффин прокомментировал на 52-м ежегодном собрании ААС в Хьюстоне, штат Техас, в ноябре 2005 года, что «при консервативно низкой правительственной цене в 10 000 долларов за кг на низкой околоземной орбите, 250 тонн топлива для двух миссий в год стоят 2,5 миллиарда долларов по правительственным ставкам». [10]
В архитектуре, ориентированной на склад, склад заполняется танкерами, а затем топливо перекачивается в верхнюю ступень перед выводом на орбиту, аналогично заправочной станции, заполняемой танкерами для автомобилей. Используя склад, можно уменьшить размер ракеты-носителя и увеличить скорость полета. Поскольку накопление топлива может занять от нескольких недель до нескольких месяцев, необходимо тщательно продумать меры по смягчению испарения.
Проще говоря, пассивное криогенное депо — это переходная ступень с удлиненными топливными баками, дополнительной изоляцией и солнцезащитным экраном. В одной из концепций испарение водорода также перенаправляется для уменьшения или устранения испарения жидкого кислорода, а затем используется для управления ориентацией, питания или повторного пуска. Активное криогенное депо — это пассивное депо с дополнительным энергетическим и холодильным оборудованием/криоохладителями для уменьшения или устранения испарения топлива. [11] Другие концепции активного криогенного депо включают электрическое оборудование управления ориентацией для экономии топлива для конечной полезной нагрузки.
В архитектуре с тяжелым подъемом топливо, которое может составлять две трети или более от общей массы миссии, накапливается за меньшее количество запусков и, возможно, за более короткий промежуток времени, чем в архитектуре с депо-центром. Обычно ступень передачи заполняется напрямую, и в архитектуру не включено депо. Для криогенных транспортных средств и криогенных депо дополнительное оборудование для смягчения испарения обычно включается в ступень передачи, что снижает долю полезной нагрузки и требует большего количества топлива для той же полезной нагрузки, если только оборудование для смягчения не израсходовано.
В этой презентации, представленной на конференции FISO Telecon, доктором Аланом Уилхитом, сравнивается использование тяжелых грузов с использованием коммерческих пусковых установок и топливных складов. [12]
Как теоретические исследования, так и финансируемые проекты по разработке, которые в настоящее время ведутся, направлены на то, чтобы дать представление о возможности создания топливных складов. Исследования показали, что архитектура, ориентированная на склады, с меньшими ракетами-носителями может быть на 57 миллиардов долларов США дешевле, чем архитектура с тяжелой грузоподъемностью в течение 20-летнего периода. [13] Стоимость больших ракет-носителей настолько высока, что склад, способный вмещать топливо, поднимаемое двумя или более ракетами-носителями среднего размера, может быть экономически эффективным и поддерживать большую массу полезной нагрузки на траекториях за пределами околоземной орбиты .
В исследовании НАСА 2010 года для запуска правительственной миссии США на Марс потребовался дополнительный запуск тяжелой ракеты-носителя Ares V из-за 70 тонн испарения, при условии, что испарение составляет 0,1% в день для топлива на основе гидролокса . [14] Исследование выявило необходимость снижения проектной скорости испарения на порядок или более.
Подходы к проектированию топливных хранилищ на низкой околоземной орбите (НОО) также обсуждались в докладе Августина для НАСА за 2009 год , в котором «рассматривались [тогдашние] текущие концепции дозаправки в космосе». [15] В докладе было определено, что по сути существуют два подхода к дозаправке космического корабля на НОО: [15]
Оба подхода считались осуществимыми с технологией космических полетов 2009 года, но предполагалось, что потребуются значительные дальнейшие инженерные разработки и демонстрация в космосе, прежде чем миссии смогут полагаться на эту технологию. Оба подхода рассматривались как предлагающие потенциал долгосрочной экономии жизненного цикла. [15]
В 2010 году United Launch Alliance (ULA) предложил свой танкер Advanced Cryogenic Evolved Stage (ACES), концепцию которого компания Boeing разработала в 2006 году [16], рассчитанный на перевозку до 73 тонн (161 000 фунтов) топлива. В раннем проекте первый полет планировалось осуществить не ранее 2023 года, а первоначальное использование в качестве танкера-топлива потенциально могло начаться в середине 2020-х годов. [17] [18] ACES не финансировался, но некоторые идеи были использованы в ступени Centaur ракеты Vulcan Centaur .
Помимо теоретических исследований, по крайней мере с 2017 года SpaceX занялась финансируемой разработкой межпланетного набора технологий. В то время как архитектура межпланетной миссии состоит из комбинации нескольких элементов, которые, по мнению SpaceX, являются ключевыми для обеспечения возможности длительных космических полетов за пределами околоземной орбиты (BEO) за счет снижения стоимости за тонну, доставленную на Марс, на несколько порядков по сравнению с подходами NASA, [19] [20] [21] заправка топлива на орбите является одним из четырех ключевых элементов. В новой архитектуре миссии проект SpaceX намерен позволить космическому кораблю длительного путешествия израсходовать почти весь свой запас топлива во время запуска на низкую околоземную орбиту , пока он служит второй ступенью SpaceX Starship , а затем после заправки на орбите несколькими заправщиками Starship обеспечить большое количество энергии , необходимое для вывода космического корабля на межпланетную траекторию. Танкер Starship предназначен для транспортировки около 100 тонн (220 000 фунтов) топлива на низкую околоземную орбиту. [22] [ необходим лучший источник ] В апреле 2021 года НАСА выбрало SpaceX Lunar Starship с дозаправкой на орбите для своей первоначальной системы высадки людей на Луну. [23]
Поскольку большая часть ракеты является топливом во время запуска, сторонники указывают на несколько преимуществ использования архитектуры топливного депо. Космический корабль может быть запущен без топлива и, таким образом, потребовать меньшую структурную массу, [24] или сам танкер-депо может служить второй ступенью при запуске, когда он многоразовый. [22] На орбите может быть создан рынок дозаправки, где будет иметь место конкуренция за доставку топлива по самой низкой цене, и это также может обеспечить экономию масштаба, позволяя существующим ракетам летать чаще для дозаправки депо. [24] При использовании в сочетании с горнодобывающим предприятием на Луне , вода или топливо могут быть экспортированы обратно в депо, что еще больше снизит стоимость топлива. [25] [26] Программа исследований, основанная на архитектуре хранилища, может быть менее затратной и более эффективной, не требующей специальной ракеты или тяжелого подъемника, такого как SLS [13] [24] [27] [28] [29] для поддержки нескольких направлений, таких как Луна, точки Лагранжа, астероиды и Марс. [30]
Исследования НАСА, проведенные в 2011 году, показали наличие более дешевых и быстрых альтернатив, чем система Heavy Lift Launch System, и перечислили следующие преимущества: [27]
В середине 1960-х годов склады топлива были предложены как часть космической транспортной системы (наряду с ядерными «буксирами» для перевозки полезных грузов с низкой околоземной орбиты в другие пункты назначения). [31]
В октябре 2009 года ВВС США и United Launch Alliance (ULA) провели экспериментальную демонстрацию на орбите на модифицированной верхней ступени Centaur при запуске DMSP-18, чтобы улучшить «понимание осаждения и выплескивания топлива , управления давлением, охлаждения RL10 и двухфазных операций выключения RL10». «Легкий вес DMSP-18 позволил использовать 12 000 фунтов (5 400 кг) оставшегося жидкого топлива O 2 и жидкого H 2 , что составляет 28% от емкости Centaur», для демонстраций на орбите . Продление миссии после вывода космического корабля длилось 2,4 часа до выполнения выбега с орбиты . [32]
Программа NASA Launch Services работает над текущими экспериментами по динамике жидкости с участием партнеров под названием CRYOTE. С 2010 года [обновлять]ULA также планирует дополнительные лабораторные эксперименты в космосе для дальнейшей разработки технологий управления криогенной жидкостью с использованием верхней ступени Centaur после отделения основной полезной нагрузки. Названный CRYOTE или CRYogenic Orbital TEstbed, он станет испытательным стендом для демонстрации ряда технологий, необходимых для криогенных топливных складов, с несколькими мелкомасштабными демонстрациями, запланированными на 2012–2014 годы. [33] По состоянию на август 2011 года [обновлять]ULA заявила, что эта миссия может быть запущена уже в 2012 году, если будет профинансирована. [34] Маломасштабные демонстрации ULA CRYOTE должны привести к крупномасштабной демонстрации флагманской технологии криоспутников ULA в 2015 году. [33]
Рабочая группа по будущим космическим операциям (FISO), консорциум участников из НАСА, промышленности и академических кругов, обсуждала концепции и планы по хранению топлива несколько раз в 2010 году [35] с презентациями оптимальных мест расположения хранилищ для исследования человеком космоса за пределами низкой околоземной орбиты [36] , предлагаемого более простого (одноместного) хранилища топлива первого поколения [33] и шести важных технологий, связанных с хранилищами топлива для многоразового цислунного транспорта. [37]
НАСА также планирует разработать методы для обеспечения и улучшения космических полетов, использующих топливные хранилища в "Миссии CRYOGENIC Propellant Storage And Transfer (CRYOSTAT)". Ожидалось, что аппарат CRYOSTAT будет запущен на НОО в 2015 году. [38]
Архитектура CRYOSTAT включает технологии в следующих категориях: [38]
Миссия «Simple Depot» была предложена NASA в 2011 году как потенциальная первая PTSD-миссия с запуском не ранее 2015 года на Atlas V 551. Simple Depot будет использовать «использованный» (почти опустошенный) верхний блок Centaur LH2 для долгосрочного хранения LO2, в то время как LH2 будет храниться в модуле Simple Depot LH2, который будет запущен только с газообразным гелием при температуре окружающей среды. Бак SD LH2 должен был иметь диаметр 3 метра (9,8 фута), длину 16 метров (52 фута), объем 110 кубических метров (3900 кубических футов) и хранить 5 мТ LH2. «При полезном соотношении смеси (MR) 6:1 это количество LH2 может быть объединено с 25,7 мТ LO2, что позволяет использовать 0,7 мТ LH2 для охлаждения пара, что дает общую полезную массу топлива 30 мТ. ... описанное хранилище будет иметь скорость испарения, приближающуюся к 0,1 процента в день, состоящую полностью из водорода». [39]
В сентябре 2010 года ULA выпустила концепцию архитектуры космической транспортировки на основе складов , чтобы предложить топливные склады, которые могли бы использоваться в качестве промежуточных станций для других космических аппаратов для остановки и дозаправки — либо на низкой околоземной орбите (НОО) для миссий за пределами НОО, либо в точке Лагранжа L 2 для межпланетных миссий — на конференции AIAA Space 2010. Концепция предполагает, что отходы газообразного водорода — неизбежный побочный продукт длительного хранения жидкого водорода в лучистой тепловой среде космоса — могли бы использоваться в качестве монотоплива в солнечно-тепловой двигательной системе . Отходы водорода могли бы продуктивно использоваться как для поддержания орбитальной станции, так и для управления ориентацией , а также для обеспечения ограниченного количества топлива и тяги для использования при орбитальных маневрах для лучшего сближения с другими космическими аппаратами, которые будут прибывать для получения топлива из склада. [40] В рамках архитектуры космического транспорта на основе склада ULA предложила верхнюю ступень ракеты Advanced Common Evolved Stage (ACES) . Аппаратное обеспечение ACES изначально разрабатывалось как космическое хранилище топлива, которое могло бы использоваться в качестве промежуточных станций для других ракет, чтобы останавливаться и дозаправляться на пути к полетам за пределы НОО или межпланетным миссиям, а также для обеспечения высокоэнергетических технических возможностей для очистки космического мусора . [16]
В августе 2011 года НАСА взяло на себя значительное контрактное обязательство по разработке технологии хранения топлива [1], профинансировав четыре аэрокосмические компании для «определения демонстрационных миссий, которые подтвердили бы концепцию хранения криогенного топлива в космосе, чтобы сократить потребность в больших ракетах-носителях для исследования дальнего космоса». [41] Эти исследовательские контракты на хранение/передачу криогенного топлива и криогенных хранилищ были подписаны с Analytical Mechanics Associates , Boeing , Lockheed Martin и Ball Aerospace . Каждая компания должна была получить 600 000 долларов США по контракту. [41] [ требуется обновление ]
В апреле 2021 года НАСА выбрало SpaceX Lunar Starship с дозаправкой на орбите для своей первоначальной системы высадки людей на Луну. [23] В 2022 году планировалось построить более крупное хранилище топлива для Lunar Starship HLS.
Китайское космическое агентство (CNSA) провело первое испытание по дозаправке на орбите спутника-спутника в июне 2016 года. [42]
Существует ряд проблем проектирования топливных складов, а также несколько задач, которые на сегодняшний день не были протестированы в космосе для миссий по обслуживанию на орбите . К проблемам проектирования относятся осаждение и перенос топлива, использование топлива для управления ориентацией и повторного разгона, зрелость холодильного оборудования/криокулеров, а также мощность и масса, необходимые для складов с пониженным или нулевым испарением с охлаждением.
Передача жидких топлив в условиях микрогравитации осложняется неопределенным распределением жидкости и газов внутри бака. Осаждение топлива в космическом хранилище, таким образом, более сложно, чем даже в слабом гравитационном поле. ULA планирует использовать миссию DMSP -18 для летных испытаний центробежного осаждения топлива в качестве криогенной технологии управления топливом, которая может быть использована в будущих хранилищах топлива. [43] Предлагаемая миссия Simple Depot PTSD будет использовать несколько методов для достижения адекватного осаждения для передачи топлива. [39]
При отсутствии гравитации перенос топлива несколько затруднен, поскольку жидкости могут уплывать от входного отверстия.
В рамках миссии Orbital Express в 2007 году гидразиновое топливо было успешно перекачано между двумя демонстрационными космическими аппаратами специального назначения. Обслуживающий космический аппарат Boeing ASTRO перекачивал топливо на обслуживаемый клиентский космический аппарат Ball Aerospace NEXTSat . Поскольку ни на одном из космических аппаратов не было экипажа, это было сообщено как о первой автономной передаче жидкости с одного космического аппарата на другой. [44]
После передачи топлива заказчику баки склада необходимо будет заправить. Организация строительства и запуска ракет-заправщиков с новым топливом является обязанностью оператора склада топлива. Поскольку космические агентства, такие как NASA, надеются быть покупателями, а не владельцами, возможными операторами являются аэрокосмическая компания, которая построила склад, производители ракет, специализированная компания космического склада или нефтяная/химическая компания, которая очищает топливо. При использовании нескольких ракет-заправщиков танкеры могут быть меньше склада и больше космических аппаратов, которые они предназначены для пополнения запасов. Химические буксиры малой дальности, принадлежащие складу, могут использоваться для упрощения стыковки ракет-заправщиков и больших транспортных средств, таких как Mars Transfer Vehicles.
Передача топлива между хранилищами на низкой околоземной орбите, до которых можно добраться с помощью ракет с Земли, и возможными хранилищами в дальнем космосе, такими как точки Лагранжа и Фобос, может осуществляться с помощью буксиров с солнечными электрическими двигателями (СЭР). [45]
В настоящее время разрабатываются или предлагаются две миссии по поддержке пополнения топливных складов.
В 1962 году С. Т. Деметриадес [47] предложил метод заправки путем сбора атмосферных газов. Двигаясь по низкой околоземной орбите на высоте около 120 км, предложенное Деметриадесом хранилище извлекает воздух из границ атмосферы, сжимает и охлаждает его, а также извлекает жидкий кислород. Оставшийся азот используется в качестве топлива для ядерного магнитогидродинамического двигателя, который поддерживает орбиту, компенсируя атмосферное сопротивление . [47] Эта система была названа «PROFAC» ( PROpulsive Fluid ACcumulator ). [48] Однако существуют проблемы безопасности при размещении ядерного реактора на низкой околоземной орбите.
Предложение Деметриадеса было далее уточнено Кристофером Джонсом и другими [49] В этом предложении несколько транспортных средств-сборщиков накапливают пропеллентные газы на высоте около 120 км, а затем переносят их на более высокую орбиту. Однако предложение Джонса требует сети орбитальных спутников-излучателей энергии , чтобы избежать размещения ядерных реакторов на орбите.
Астероиды также могут быть переработаны для получения жидкого кислорода. [50]
Топливные хранилища на НОО малопригодны для перемещения между двумя низкими околоземными орбитами, когда хранилище находится в другой орбитальной плоскости, чем целевая орбита. Дельта-v для необходимого изменения плоскости обычно чрезвычайно высока. С другой стороны, хранилища обычно предлагаются для исследовательских миссий, где изменение со временем орбиты хранилища может быть выбрано для выравнивания с вектором отправления. Это позволяет одно хорошо выровненное время отправления, минимизируя использование топлива, которое требует очень точно рассчитанного отправления. Менее эффективное время отправления из того же хранилища в то же место назначения существует до и после хорошо выровненной возможности, но требуются дополнительные исследования, чтобы показать, быстро или медленно падает эффективность. [ необходима цитата ] Напротив, запуск напрямую только одним запуском с земли без орбитальной дозаправки или стыковки с другим кораблем, уже находящимся на орбите, предлагает ежедневные возможности запуска, хотя для этого требуются более крупные и дорогие пусковые установки. [51]
Ограничения на окна вылета возникают из-за того, что низкие околоземные орбиты подвержены значительным возмущениям; даже в течение коротких периодов они подвержены узловой регрессии и, что менее важно, прецессии перигея. Экваториальные депо более стабильны, но и более труднодоступны. [51]
Были обнаружены новые подходы для LEO для межпланетных орбитальных переходов, где используется трехэтапный орбитальный переход, который включает смену плоскости в апогее на высокоэллиптической фазирующей орбите, в которой инкрементная дельта-v мала — обычно менее пяти процентов от общей дельта-v — «что позволяет отправляться в пункты назначения в дальнем космосе, [используя] преимущество депо на LEO» и обеспечивая частые возможности отправления. [52] Более конкретно, было показано, что стратегия отправки с тремя эшелонами позволяет одному депо на LEO на орбите с наклоном МКС (51 градус) отправлять девять космических аппаратов к «девяти различным межпланетным целям [где депо не нужно] выполнять какие-либо фазовые маневры для выравнивания с любой из асимптот отправления ... [включая возможность] расширения экономических выгод от специализированного запуска малых спутников на межпланетные миссии». [53]
Выкипание криогенных топлив в космосе может быть смягчено как технологическими решениями, так и планированием и проектированием на уровне системы . С технической точки зрения: для эффективного хранения криогенных жидкостей в топливном хранилище с пассивной системой изоляции выкипание, вызванное нагревом от солнца и других источников, должно быть смягчено, устранено [43] или использовано в экономических целях. [16] Для некриогенных топлив выкипание не является существенной проблемой проектирования.
Скорость выкипания регулируется утечкой тепла и количеством топлива в баках. При частичном заполнении баков процент потерь выше. Утечка тепла зависит от площади поверхности, в то время как исходная масса топлива в баках зависит от объема. Таким образом, по закону куба-квадрата , чем меньше бак, тем быстрее выкипает жидкость. Некоторые конструкции баков для топлива достигли скорости выкипания жидкого водорода примерно 0,13% в день (3,8% в месяц), в то время как гораздо более высокотемпературная криогенная жидкость жидкого кислорода выкипала бы гораздо меньше, около 0,016% в день (0,49% в месяц). [54]
Можно достичь нулевого кипения (ZBO) с криогенным топливным хранилищем, используя активную систему терморегулирования. Испытания, проведенные в исследовательском центре многослойной изоляции (SMIRF) NASA Lewis Research Center летом 1998 года, показали, что гибридная система терморегулирования может исключить выкипание криогенного топлива. Оборудование состояло из герметичного бака объемом 50 куб. футов (1400 литров), изолированного 34 слоями изоляции , конденсатора и криоохладителя Gifford-McMahon (GM) , который имеет охлаждающую способность от 15 до 17,5 Вт (Вт). Жидкий водород был испытательной жидкостью. Испытательный бак был установлен в вакуумной камере, имитирующей космический вакуум. [55]
В 2001 году совместные усилия Исследовательского центра Эймса , Исследовательского центра Гленна и Центра космических полетов им. Маршалла (MSFC) были реализованы для разработки концепций ZBO для криогенного хранения в космосе. Основным элементом программы была масштабная демонстрация ZBO с использованием многоцелевого водородного испытательного стенда MSFC (MHTB) – бака H2 объемом 18,10 м3 л (около 1300 кг H2 ) . Коммерческий криоохладитель был сопряжен с существующим смесителем MHTB и системой изоляции таким образом, чтобы обеспечить баланс между входящей и извлекаемой тепловой энергией. [56]
Другое исследование NASA в июне 2003 года для концептуальной миссии на Марс показало экономию массы по сравнению с традиционным, пассивным криогенным хранением, когда продолжительность миссии составляет 5 дней на низкой околоземной орбите для кислорода, 8,5 дней для метана и 64 дня для водорода. Более длительные миссии эквивалентны большей экономии массы. Криогенный ксенон экономит массу по сравнению с пассивным хранением почти сразу. Когда энергия для работы ZBO уже доступна, продолжительность безубыточной миссии еще короче, например, около месяца для водорода. Чем больше бак, тем меньше дней на низкой околоземной орбите, когда ZBO имеет уменьшенную массу. [57]
В дополнение к техническим решениям проблемы чрезмерного выкипания криогенных ракетных топлив были предложены решения на системном уровне. С точки зрения систем, сокращение времени ожидания криогенного хранилища жидкого H2 для эффективного достижения своевременной доставки каждому клиенту, в сочетании со сбалансированной технологией нефтепереработки для разделения долгосрочно хранимого сырья — воды — на необходимые стехиометрические LOX / LH2 , теоретически способно достичь решения на системном уровне для выкипания. Такие предложения были предложены как дополнение к хорошим технологическим методам для снижения выкипания, но не заменят потребность в эффективных технологических решениях для хранения. [58]
United Launch Alliance (ULA) предложил криогенное хранилище, которое будет использовать конический солнцезащитный экран для защиты холодного топлива от солнечной и земной радиации. Открытый конец конуса позволяет остаточному теплу излучаться в холод глубокого космоса, в то время как закрытые слои конуса ослабляют лучистое тепло от Солнца и Земли. [59]
Другие проблемы — водородная хрупкость , процесс, при котором некоторые металлы (включая железо и титан ) становятся хрупкими и ломаются после воздействия водорода. Возникающие в результате утечки затрудняют хранение криогенного топлива в условиях невесомости. [60]
В начале 2010-х годов было запущено несколько проектов по дозаправке в космосе. Две частные инициативы и спонсируемая правительством испытательная миссия находились на определенном уровне разработки или тестирования по состоянию на 2010 год [обновлять].
Роботизированная заправочная миссия НАСА (RRM) была запущена в 2011 году и успешно завершила серию экспериментов по роботизированной перекачке топлива на открытой платформе Международной космической станции в январе 2013 года. [61]
Набор экспериментов включал ряд клапанов топлива , сопел и уплотнений, похожих на те, что используются на многих спутниках, и серию из четырех прототипов инструментов, которые могли быть прикреплены к дистальному концу роботизированной руки космической станции. Каждый инструмент был прототипом «устройств, которые могли бы использоваться будущими миссиями по обслуживанию спутников для дозаправки космических аппаратов на орбите. RRM — это первая демонстрация дозаправки в космосе с использованием платформы и топливного клапана, представляющих большинство существующих спутников, которые никогда не были предназначены для дозаправки. Другие демонстрации обслуживания спутников, такие как миссия Orbital Express армии США в 2007 году, перекачивали топливо между спутниками с помощью специально построенных насосов и соединений». [61]
По состоянию на март 2010 года [обновлять], в стадии разработки находился маломасштабный демонстрационный проект по заправке жидкостей системы управления реакцией (RCS). Канадская корпорация MDA Corporation объявила в начале 2010 года, что они проектируют один космический корабль, который будет заправлять другие космические корабли на орбите в качестве демонстрации обслуживания спутников. «Бизнес-модель, которая все еще развивается, может потребовать от клиентов платить за килограмм топлива, успешно добавленного на их спутник, при этом цена за килограмм будет функцией дополнительного дохода, который оператор может ожидать получить от продленного срока эксплуатации космического корабля». [62]
План состоит в том, что транспортное средство с топливом будет маневрировать к работающему спутнику связи , состыковываться с двигателем апогейного удара целевого спутника , снимать небольшую часть теплозащитного покрытия целевого космического корабля, подключаться к топливопроводу высокого давления и доставлять топливо. «Сотрудники MDA оценивают, что маневр стыковки выведет спутник связи из эксплуатации примерно на 20 минут». [62]
По состоянию на март 2011 года [обновлять]MDA обеспечила себе крупного клиента для первоначального демонстрационного проекта. Intelsat согласилась приобрести половину из 2000 килограммов (4400 фунтов) полезной нагрузки топлива, которую космический аппарат MDA должен был вывести на геостационарную орбиту . Такая покупка добавила бы где-то от двух до четырех лет дополнительного срока службы для пяти спутников Intelsat, предполагая, что на каждый из них будет доставлено 200 кг топлива. [63] По состоянию на март 2010 года [обновлять]космический аппарат мог быть готов начать дозаправку спутников связи к 2015 году. [64] По состоянию на январь 2013 года [обновлять]ни один клиент не подписался на миссию по дозаправке MDA. [61]
В 2017 году MDA объявила о возобновлении своего бизнеса по обслуживанию спутников, первым клиентом которого стал владелец/оператор спутниковой связи SES SA из Люксембурга. [65]
Существуют конкурентоспособные альтернативы конструкции для передачи топлива RCS в космосе . Можно принести дополнительное топливо в космический объект и использовать топливо для управления ориентацией или изменения орбитальной скорости, без передачи топлива в целевой космический объект.
ViviSat Mission Extension Vehicle , также разрабатываемый с начала 2010-х годов, иллюстрирует один альтернативный подход, который будет подключаться к целевому спутнику аналогично MDA SIS, через двигатель удара, но не будет передавать топливо. Вместо этого Mission Extension Vehicle будет использовать «собственные двигатели для обеспечения управления ориентацией цели». [66] ViviSat считает, что их подход более прост и может работать с меньшими затратами, чем подход передачи топлива MDA, при этом имея техническую возможность стыковаться и обслуживать большее количество (90 процентов) из примерно 450 геостационарных спутников на орбите. [66] По состоянию на январь 2013 года ни один клиент не подписался на продление миссии с использованием ViviSat. [61][обновлять]
В 2015 году компания Lockheed Martin предложила космический буксир Jupiter . Если его построить, Jupiter будет работать на низкой околоземной орбите, перевозя грузовые транспортеры на Международную космическую станцию и обратно , оставаясь на орбите неограниченное время и дозаправляясь от последующих транспортных кораблей, перевозящих более поздние модули грузовых транспортных средств. [67]
В декабре 2018 года Orbit Fab , стартап из Кремниевой долины, основанный в начале 2018 года, запустил первый из серии экспериментов на МКС, чтобы протестировать и продемонстрировать технологии, позволяющие осуществлять коммерческую дозаправку в космосе. В этих первых раундах испытаний в качестве имитатора топлива использовалась вода. [68] В июне 2021 года Orbit Fab запустила первый топливный склад, Tanker-001 Tenzing, перевозящий перекись водорода на солнечно-синхронной орбите . [69]
.jpg/1280px-Orbital_propellant_depot_1970_concept_(MSFC-9902049).jpg)
{{cite web}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )проекта ACES ведется в ULA уже много лет. Она использует конструктивные особенности верхних ступеней Centaur и Delta Cryogenic Second Stage (DCSS) и намерена дополнить и, возможно, заменить эти ступени в будущем. Базовая версия ACES будет содержать в два раза больше топлива Centaur или 4-метровой DCSS, что обеспечит значительное повышение производительности по сравнению с нашими существующими верхними ступенями. Базовая 41-метровая топливная нагрузка содержится в общей ступени переборки диаметром 5 м, которая примерно такой же длины, как и существующие верхние ступени ULA. ACES станет основой для модульной системы ступеней, чтобы удовлетворить требования к запуску самых разных пользователей. Распространенным вариантом является удлиненная версия, содержащая 73
тонны
топлива.
что это немного сложно. Потому что нам нужно выяснить, как улучшить стоимость поездок на Марс на пять миллионов процентов... это означает улучшение примерно на 4 1/2 порядка величины. Это ключевые элементы, которые необходимы для достижения улучшения на 4 1/2 порядка величины. Большая часть улучшения будет получена за счет полной повторной использования — где-то между 2 и 2 1/2 порядками величины — а затем остальные 2 порядка величины будут получены за счет заправки на орбите, производства топлива на Марсе и выбора правильного топлива.
{{cite AV media}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )миссия LO2/LH2 PTSD (демонстрация передачи и хранения топлива) к 2015 году. ... она будет запущена на Atlas 551 ... [которая] обеспечит ~12 мТ остатков Centaur (объединенных LH2 и LO2) в 28,5 градусах на 200 нм круговой LEO.
отработанный водород, который выкипел, является самым известным топливом (как монотопливо в базовой солнечно-тепловой двигательной системе) для этой задачи. Практическое хранилище должно выделять водород с минимальной скоростью, которая соответствует требованиям содержания станции.
более 40 различных типов систем заправки ... SIS будет нести достаточно инструментов, чтобы открыть 75 процентов систем заправки на борту спутников, которые сейчас находятся на геостационарной орбите. ... космический аппарат SIS рассчитан на работу в течение семи лет на орбите, но, скорее всего, он сможет работать гораздо дольше. Ключевым моментом бизнес-модели является способность MDA запускать сменные топливные баллоны, которые будут захватываться SIS и использоваться для дозаправки десятков спутников в течение нескольких лет. Эти баллоны будут намного легче, чем аппарат SIS, и, следовательно, будут намного дешевле в запуске.
заправочный аппарат должен был состыковаться с двигателем апогейного удара целевого спутника, снять часть теплозащитного покрытия корабля, подключиться к топливопроводу высокого давления и доставить топливо. По оценкам должностных лиц MDA, стыковочный маневр выведет спутник связи из эксплуатации примерно на 20 минут. ... Обслуживающий робот будет находиться на орбите около пяти лет и будет нести достаточно топлива для выполнения 10 или 11 миссий по дозаправке спутников или очистке орбиты.
если космический корабль MDA будет работать так, как запланировано, Intelsat заплатит MDA в общей сложности около 200 миллионов долларов. Это предполагает, что четыре или пять спутников получат около 200 килограммов топлива каждый. ... Первый полет транспортного средства будет осуществлен на ракете International Launch Services Proton, сообщили представители отрасли. Один из чиновников сказал, что космический корабль MDA, включая 2000 килограммов заправочного топлива, вероятно, будет весить около 6000 килограммов при запуске.
планирует запустить свой аппарат Space Infrastructure Servicing («SIS») на окологеосинхронную орбиту, где он будет обслуживать коммерческие и правительственные спутники, нуждающиеся в дополнительном топливе, изменении положения или другом обслуживании. ... MDA и Intelsat будут работать вместе, чтобы завершить спецификации и другие требования в течение следующих шести месяцев, прежде чем обе стороны разрешат этап сборки программы. Первая миссия по дозаправке должна быть доступна через 3,5 года после начала этапа сборки. ... Услуги, предоставляемые MDA Intelsat в рамках этого соглашения, оцениваются более чем в 280 миллионов долларов США.
, новое совместное предприятие US Space и ATK с равным участием 50/50, продвигает на рынок космический аппарат для дозаправки спутников, который подключается к целевому космическому аппарату с использованием того же подхода «зонд в толкающем двигателе», что и MDA, но не перекачивает свое топливо. Вместо этого аппарат становится новым топливным баком, используя собственные двигатели для управления ориентацией цели. ... концепция [ViviSat] не так продвинулась, как MDA.
