Япония. Разбор орбитальных завалов

IDEA OSG 1 и ELSA-d

Весной Astroscale сделала очередной шаг к приведению околоземной орбиты в надлежащее состояние. Для начала вспомним, что это за компания, и чем она занималась с первых мгновений своего «появления на свет».

Стартап как Astroscale PTE. был основан в 2013 г. в Сингапуре предпринимателем Окада Мицунобу (岡田光信), который и по сей день является его главой. В 2015 г. господин «Нобу» открыл офис на родине, а в 2018 г. учредил Astroscale Holdings, оставив «бразды управления» капиталом и ведение консолидированной финансовой отчетности «Городу Льва», а токийский филиал превратив в штаб-квартиру. В 2018 г. была зарегистрирована Astroscale Singapore, которая на следующий год слилась с Astroscale PTE., став Astroscale Singapore PTE.

К настоящему времени компания порядочно «разродилась»: ее «дочки» «живут и работают» в Великобритании (Harwell Science and Innovation Campus рядом с г. Дидкот, графство Оксфордшир) (с 2017 г.), США (Денвер, штат Колорадо, и Вашингтон) (2019), Израиле (Тель-Авив) (2020) и Франции (Тулуза, регион Окситания) (2023).

«Нобу» с Маэдзава Юсаку (前澤友作) и на фоне Р-36М «Сатана», «Южмаш», г. Днепр (бывший Днепропетровск)

Astro (древнегреч., «звезда») scale (англ., «весы») расшифровывает свое название так: «компания, взвалившая на свои плечи ношу обеспечения справедливости и порядка в масштабах космоса».

Основные направления деятельности:

— удаление аппаратов с орбиты по истечении эксплуатации EOL (End-of-Life Services) с целью предупреждения образования нового космического мусора;

— удаление антропогенного мусора ADR (Active Debris Removal);

— продление срока службы спутников LEX (Life Extension);

— оказание услуг в области космической ситуационной осведомленности на месте ISSA (In-situ Space Situational Awareness): наблюдение и инспекция вышедших из строя КА и обломков орбитального мусора.

IDEA OSG 1

Компания возлагала определенные надежды на первый в мире аппарат для наблюдения за крошечными частицами космического мусора IDEA OSG 1 (In-situ Debris Environmental Awareness OSG 1), разработанный на основе идей Лаборатории Ханада (Hanada lab.; 花田研究室) Университета Кюсю (九州大学), специализирующейся на динамике полета КА. OSG означает лишь то, что проект профинансировал производитель режущих инструментов オーエスジー (OSG Corporation). И он же оказывал и техническое содействие, например, произвел специальную обработку фланцевого кольца, составной части IDEA OSG 1.

Микроспутник весом 22 кг и габаритами 38 × 38 × 60 см предназначался для оценки последствий столкновения с мельчайшим орбитальным мусором (размером 0.1-несколько мм) в режиме почти реального времени (с небольшой задержкой) и составления модели распределения такой «мелочи» на околоземной орбите.

Но после пуска с космодрома Восточный «Союза-2.1б» с разгонным блоком «Фрегат-М» (28 ноября 2017 г.), который должен был препроводить до расчетных орбит «Метеор-М» № 2-1 и 18 единиц попутной полезной нагрузки, включая IDEA OSG 1, чаяния пришлось оставить, так как РБ со своей задачей не справился.

Стартап не уныл, достойно справившись с безвозвратной утратой. Помогло то, что в активной работе уже находился демонстратор технологии захвата космического мусора ELSA-d (End-of-Life Service by ASTROSCALE-demonstration).

А в сентябре 2017 г. – еще до «несчастного случая» – JAXA заключило с Astroscale соглашение о проведении совместных исследований в области удаления космического мусора, по которому Японское агентство оказывало помощь в разработке ELSA-d. Так что, работы было невпроворот.

В декабре 2018 г. компания вышла на новый уровень, подписав с ESA соглашение о техническом сотрудничестве в сфере мониторинга, избежания столкновения с космическим мусором и удаления оного с орбиты.

Итак, настало время ELSA-d – второй и более функциональной миссии Astroscale. Были созданы «обслуживающий» спутник-демонстратор массой 175 кг и габаритами 66 x 64 x 110 см (с нераскрытыми панелями СБ) и «мимикрирующий» под космический мусор небольшой «клиентский» аппарат (17 кг, 48 x 50 x 22.5 см).

Мишень

«Подражателя» орбитального хлама, между прочим, изготовила английская компания SSTL (Surrey Satellite Technology) на основе своей же спутниковой платформы SSTL-42. Мишень оснастили системами связи S-диапазона и GPS-позиционирования и трехосной системой управления ориентацией, а еще HD-камерой и оптическими ретрорефлекторами для съемки операций на участках полета, когда Солнце будет «недоступно».

Ферромагнитную (ferromagnetic) стыковочную пластину (docking plate/DP) тоже установили на «мусоре», чтобы главный аппарат мог определить расстояние и правильно сориентироваться на него перед выпуском удлиняющегося магнитного стыковочного механизма.

ELSA-d

ELSA-d22 марта 2021 г. с Байконура стартовал «Союз-2.1а» (https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/79330/). «Фрегат-М» исправился и вывел на нужные орбиты около 40 аппаратов разных стран. Среди них было четыре «Журавля» японской Axelspace Corporation и двойной аппарат ELSA-d – первое творение Astroscale, доставка которого в космос завершилась благополучным исходом – на ССО высотой 497.8 км и местным временем восходящего узла (local time of the ascending node/LTAN) 11:00.

PYXIS компании Axelspace. В головном обтекателе он на самой верхушке

Про Axelspace мы и думать забыли, а ее очередной аппарат, оказывается, находится на орбите не так давно. Мимоходом скажем, что 4 марта 2024 г. Falcon 9 в ходе миссии Transporter-10 доставила в космос демонстратор PYXIS – десятый спутник Axelspace после WNISAT-1, запущенного в 2013 г., HODOYOSHI-1/ほどよし1号機 (2014), WNISAT-1R (2017), RAPIS-1 (RAPid Innovative payload demonstration Satellite 1/革新的衛星技術実証1号機) (2019), GRUS-1А (2018) и GRUS-1B, -1C, -1D и -1E (2021).

Наслаждались с ним обоюдным «общением» специалисты, однако недолго – только до 9 марта. Обрыв связи, как пояснили японцы, с большой долей вероятности произошел из-за неисправности системы электропитания, связывающей панели СБ с контроллером заряда аккумуляторов. Совсем не веселая история, но ничего тут не поделаешь.

D-SAIL

Axelspace также привержена идеям организации уборки в космосе. На PYXIS она поместила развертываемое устройство с мембранной поверхностью D-SAIL для демонстрации сведения спутников с орбиты после завершения эксплуатации – такое же, что было на третьем малогабаритном спутнике-демонстраторе RAISE-3 (RApid Innovative payload demonstration SatellitE-3/革新的衛星技術実証3号機). Но осенью 2022 г. Epsilon-6 со своей задачей не справилась (https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/85028/), и если наши подсчеты верны, второй раз сряду «деорбитальный парус» не по своей вине не смог «раскрыть» свои «способности».

Есть и хорошие новости. Получается, уже третий D-SAIL испытает судьбу на четвертом малогабаритном спутнике-демонстраторе RAISE-4 (革新的衛星技術実証4号機). Запуск намечается в 2025 ф.г. на Epsilon S.

Открытие Totsuka Ground Station

Возвращаясь к ELSA-d, в 2018 г. в оксфордширском Harwell Science and Innovation Campus компания специально оборудовала миниатюрный ЦУП под названием IOCC (In-Orbit Servicing Control Centre), и построила наземную станцию Totsuka Ground Station (戸塚地上局) в районе Тоцука г. Йокохама (преф. Канагава, регион Канто) для связи со своими спутниками в S- (прием-отправка сигналов) и X-диапазонах (только прием).

И вот, 25 августа 2021 г. Astroscale выполнила первую фазу миссии, подтвердив возможность поимки мусора в космосе. Оба аппарата перед запуском были прикреплены к специальному механизму.

В начале демонстрации его отсоединили от «пары», которая стала держаться друг за друга только посредством стыковочного механизма. Затем «хватка была ослаблена», и впервые клиентский аппарат разлучили с обслуживающим, после чего был произведен захват первого, и они воссоединились вновь.

Аппараты и стыковочная пластина ELSA-d

25 января 2022 г. начался следующий этап, на котором более «крепкого сложения» аппарат, снова отпустив «космический хлам», начал тестирование системы автономной относительной навигации – совершил несколько последовательных витков вокруг «клиента», самостоятельно поддерживая заданное безопасное расстояние до цели.

Съемка «мусора» с основного аппарата. Январь 2022 г.

Но после блистательного начала у «обслуживающего» диагностировали проблемы с половиной из восьми двигателей. Стыковку пришлось отложить до лучших времен, а пару развели на максимальное расстояние 1700 км для мониторинга ситуации. Для разработки мер по устранению неполадок подключились международные партнеры, и в течение двух месяцев проводились маневры для подготовки к повторному сближению основного аппарата с «хламом».

7 апреля компания преуспела на третьем этапе демонстрации – управляемом сближении, – в которое входили наблюдение и сопровождение цели с дальнего расстояния, управляемое наведение на неуправляемый объект с подходом до 159 м, переход от режима абсолютной (GPS + наземные системы) к относительной (бортовые датчики) навигации и т.п. Операции были сопряжены с трудностями, так как четыре двигателя не работали, и, ратуя о безопасности, Astroscale справилась с искушением захватить «клиента», поэтому-то аппараты опять и развели в стороны.

Если мы говорим о коммерческой космонавтике, то таких демонстраций доселе ни одна компания не осуществляла. По крайней мере, невоенные структуры о таких операциях на низкой околоземной орбите ранее не отчитывались.

Трезво оценив проблемы с двигателями, в июне 2023 г. Astroscale сообщила о решении убрать «главное действующее лицо» со «сцены», использовав остатки топлива. «Мусору» суждено дрейфовать на просторах околоземной орбиты в течение нескольких лет, пока он естественным образом не сойдет с нее примерно в мае 2027 г.

24 января 2024 г. Astroscale объявила о завершении маневров по сведению главного аппарата, который находился тогда на высоте около 500 км, и должен «упасть» в атмосферу через 3.5 года.

В рамках миссии ELSA-d не все задачи были выполнены, например, не был произведен захват вращающегося имитатора мусора, но несмотря на это был сделан первый важный шаг в направлении очищения космоса от антропогенных объектов…

Ступень H-IIA, трепещи!

В феврале 2020 г. Astroscale была выбрана Японским агентством для реализации первой фазы первой в мире коммерческой демонстрационной программы по сведению с орбиты крупного «некооперируемого» (uncooperative) мусора под кодовым названием CRD2 (Commercial Removal of Debris Demonstration). JAXA помогало в разработке технологий.

Логотип программы

Некооперируемым называется такой объект, который никак не может помочь при сближении, стыковке и захвате. Он «несговорчив», поскольку не функционален, сломан, вышел из строя или на нем отсутствуют необходимые системы и аппаратура для приема «гостя».

Если говорить честно, то аппараты и корабли, стыкующиеся с МКС или перемещаемые на другие порты, тоже наделены «полномочиями» для осмотра, а военные спутники США, России и Китая обладают техническими возможностями для сближения и работы в непосредственной близости от космических объектов, но, насколько известно, такие «инспекторы» сопровождают на сверхблизком расстоянии только «взаимодействующие» (cooperative) объекты.

Поэтому задача сближения с «не готовым к диалогу» орбитальным объектом выглядит на уровень сложнее, смелее и инновационнее.

Цель. Снимок сделан в 2009 г. после отделения GOSAT

Первый этап заключался в сближении и осмотре верхней ступени 15-й ракеты H-IIA длиной около 11 м, диаметром 4 м и весом порядка 3 т, позабытой на долгое время после выведения в январе 2009 г. спутника для наблюдения Земли いぶき («Ибуки», «Дыхание») или GOSAT (Greenhouse gases Observing SATellite) и еще 7 аппаратов, то есть оставшейся в космосе и бесконтрольно там вращавшейся более 15 лет.

ADRAS-J

Для CRD2 компания разработала ADRAS-J (Active Debris Removal by Astroscale-Japan) массой 150 кг и габаритами 83 x 81 x 1200 cм (370 x 81 x 1200 cм при раскрытых панелях СБ). На аппарате имеется VisCam (оптическая камера), IRCam (инфракрасная) и датчики.

ADRAS-J приближается к ступени (в представлении художника)

Ракета Electron, стартовав 18 февраля 2024 г. с новозеландской площадки LC-1В компании Rocket Lab, доставила ADRAS-J на орбиту высотой около 600 км.

Уже 22 февраля демонстратор начал операции по поиску ступени H-IIA, о которой были известны лишь ее форма и размеры, но ни местоположение (ограниченные сведения), ни на сколько она «постарела», и ни с какой скоростью выполняет пируэты, то есть вращается вокруг собственной оси.

9 апреля ADRAS-J начал операции по сближению, переключившись на относительную навигацию, к 11 апреля наконец добрался до расстояния в несколько сотен км до искомого объекта, а 17 апреля был уже в нескольких кабельтовых от ступени.

Осмотр ступени

26 апреля Astroscale свершила задуманное, подобравшись к цели и поделившись первым снимком верхней ступени H-IIA, сделанным камерой видимого диапазона с расстояния нескольких сот метров.

JAXA, основываясь на расчетах и наземных оптических наблюдениях, опасалось, что ступень, вследствие многолетнего действия сил гравитации, ориентируется на центр планеты и совершает либо маятниковые вращения, либо находится в вертикальном положении по отношению к центру Земли.

Фотография Astroscale подкрепила как минимум последнее предположение. Детальные особенности вращения и животрепещущие для специалистов подробности делегировали выяснить уже ADRAS-J2.

Кроме того, Японское агентство заметило, что по прошествии 15 лет оранжевое теплоизоляционное покрытие ступени из-за жесткого ультрафиолетового «облучения» полиняло, приобретя темно-коричневый окрас.

Служба эксплуатации орбитальных дорог

Astroscale параллельно занимается несколькими проектами, направленными как на удаление, так и на продление службы КА, и хочет организовать так называемую road service («дорожную службу») для очистки орбитального «дорожного полотна» от «смежившей глаза» «техники» и для оказания технической помощи спутникам, которых еще можно спасти. Веет новаторским мышлением.

«Нобу» рассказывает про стремительное засорение орбиты (показаны объекты размером более 10 см). 12.01.2023

Новые проекты Astroscale уже готовит. В настоящее время в рамках партнерства с ESA разрабатывается аппарат ELSA-m (End-of-Life Service by ASTROSCALE-multiple), чтобы слегка подрасчистить околоземку.

ELSA-m

Готовящийся к запуску в 2025 г. «чистильщик» попробует, основываясь на продемонстрированной ELSA-d технологии, захватить и свести с орбиты несколько спутников OneWeb.

Вообще другим компаниям предлагается оснащать их аппараты стыковочной пластиной, чтобы в будущем Astroscale могла обслуживать их в космосе. Хитро.

LEXI-P (в представлении художника)

Что касается технологий дозаправки, то в январе 2022 г. Astroscale сообщила о заключении соглашения с Orbit Fab об орбитальной дозаправке LEXI-P (Life Extension In-Orbit), который должны запустить на геостационар к 2026 г.

Орбитальный танкер Orbit Fab нужен, чтобы влить в баки LEXI-P 1000 кг ксенона. Аппарат, имеющий на борту манипулятор, получит «силу», чтобы перемещать спутники заказчиков на нужные позиции.

Как заявляет компания, LEXI-P – это первый аппарат, разрабатываемый специально для того, чтобы его «накормили» топливом в космосе.

В декабре 2022 г. Astroscale договорилось и с JAXA о сотрудничестве в области разработки технологий космической дозаправки.

Первая и вторая фаза CRD2

ADRAS-J проложил путь следующей миссии. 25 апреля 2024 г. JAXA выбрало Astroscale для выполнения второй фазы CRD2, в рамках которой после 2026 ф.г. к той же ступени H-IIA будет отправлен ADRAS-J2, который дополнительно проинспектирует ее, «заарканит» и, пожертвовав собою, сгорит с ней в верхних слоях атмосферы.

COSMIC (в представлении художника)

За пазухой у компании есть еще один проект. Это разрабатываемая вместе с Космическим агентством Великобритании (UK Space Agency) миссия COSMIC (Cleaning Outer Space Mission through Innovative Capture) для сведения с орбиты двух британских неактивных спутников в 2026 г.