docking, rendezvous og Newtons tredje lov – udfordringen med at servicere satellitter i rummet

Hvis du vil bygge eller reparere noget i rummet, du tror måske du skal bruge et menneske til at gøre det. Men hvad hvis du ikke gjorde det? Hvad hvis robot-rumfartøjer kunne bruges til at tanke satellitter i kredsløb, tilføje nye instrumenter til forældet maskineri og endda bygge hele strukturer, mens du er i rummet?

Denne idé om in-space service har længe været drømt om, men det er nu ved at blive en realitet. I sidste måned lagde en satellit fra det amerikanske forsvarsselskab Northrop Grumman til kaj med en anden satellit i kredsløb, forlænger dens levetid i flere år og indvarsler en spændende ny æra for robotmissioner i kredsløb.

Med mere end 3, 000 døde satellitter i kredsløb i dag, at finde måder at reparere gamle satellitter med robotter kan hjælpe os med at reducere mængden af ​​rumskrot omkring Jorden. Og hvis vi også kan bruge robot-rumfartøjer til at bygge strukturer i kredsløb, det kan åbne nye døre til spændende rummissioner i fremtiden.

Rendezvous og docking

En af de største udfordringer ved at udføre service i rummet er at få to rumfartøjer til at mødes og lægge til kaj i kredsløb. For at gøre rumrobotik vellykket, virksomheder skal sikre sig, at de kan nærme sig et mål-rumfartøj langsomt og sikkert, og fastgør den derefter uden at forårsage skade.

Northrop Grumman-missionen var bemærkelsesværdig ved, at mål-rumfartøjet ikke var designet til at blive serviceret. Men, bemærker Sabrina Andiappane fra satellitspecialister Thales Alenia Space i Frankrig, der koordinerer et projekt kaldet EROSS, hvis vi kan opsende satellitter med service i tankerne, kan processen forenkles.

"Målet med (Northrop Grumman-missionen) var at servicere en satellit, der ikke var klar til at blive serviceret, " sagde hun. "Vi sigter mod at gøre det for satellitter, der vil blive forberedt, og derfor vil det være mere effektivt, hvis du ønsker at forlænge deres levetid."

Senere på året, EROSS-teamet planlægger at øve sig i at docke et 'chaser' rumfartøj med et klientrumfartøj. I et laboratorium, to falske rumfartøjer vil blive holdt af robotarme for at simulere at være i rummet, og chaseren vil derefter nærme sig det andet rumfartøj og lægge til kaj autonomt - en ønskværdig kvalitet for at begrænse chancerne for menneskelige fejl.

Når de er lagt til kaj, chaseren kunne derefter installere nye instrumenter og tanke klientsatellitten. Hvis processen kan gøres så enkel som muligt, kan mange af disse missioner udføres i kredsløb med relativ lethed.

"Målet med EROSS er at (forberede) til rigtige missioner, " sagde Andiappane. "Vi har flere byggeklodser som sensorer, gribere og algoritmer, der er nødvendige for at udføre rendezvous. Og vi vil demonstrere denne evne."

Rummiljøet i sig selv udgør en del udfordringer for robotserviceopgaver. Den ene er Newtons tredje lov - enhver handling har en lige og modsat reaktion. Det betyder, at i rummet, hvis du prøver at bruge en robotarm til at flytte noget, du kommer også til at flytte dit rumfartøj.

"I mikrotyngdekraften skaber hver bevægelse en reaktion på hele strukturen, " sagde Dr. Thierry Germa fra det franske geoinformationsfirma Magellium.

Spejl

Dr. Germa koordinerer et projekt kaldet PULSAR, som undersøger, hvordan man bygger store strukturer i kredsløb med robotter, såsom store spejle til fremtidige rumteleskoper. I 2021, NASA planlægger at opsende James Webb Space Telescope (JWST), et køretøj med et stort 6,5 meter spejl til at studere universet. Imidlertid, JWSTs spejl er ved at nå grænsen for, hvad vi kan få plads til i en raket. Så, PULSAR ser på en anden måde at få et stort spejl i kredsløb, ved at opsende det i dele og bygge det i rummet.

For at overvinde problemet med Newtons tredje lov, robot-rumfartøjet skal justere sin orientering for at kompensere for denne bevægelse, mens spejlet konstrueres, holde rumfartøjet pænt og stabilt. På grund af kompleksiteten af ​​denne proces, det vil ikke være muligt at lade et menneske fjernstyre robot-rumfartøjet, kendt som teleoperation. I stedet, automatisering vil være nøglen.

"Samlingsprocessen skal være fuldt valideret og sikret, fordi det ikke er muligt at have et menneske i løkken, " sagde Dr. Germa.

PULSAR vil øve sig i at samle de forskellige segmenter af et falsk teleskops hovedspejl i en pool senere på året. Ultimativt, holdet planlægger at producere en realistisk simulering af, hvordan et spejl 10 meter på tværs, lavet af 36 forskellige segmenter, kunne bygges i kredsløb. Og den samme proces kunne bruges til at bygge andre strukturer i kredsløb, store antenner til telekommunikationssatellitter, eller måske endda solpaneler til rumfartøjer.

Opgraderinger

Forskere arbejder også på satellitopgraderinger i rummet for at forlænge levetiden af ​​udstyret, der kredser om Jorden, og mindske behovet for at fortsætte med at opsende nyere satellitter for at erstatte de gamle.

En løsning er at designe satellitter med forskellige moduler, eller segmenter, som nemt kan skiftes ud af et robot-servicende rumfartøj.

Professor Xiu Yan fra University of Strathclyde, UK og hans kolleger arbejder på det. "Vi forsøger at udvikle en løsning for at sikre bæredygtigheden af ​​den fremtidige brug af rummet, " han sagde.

Han koordinerer MOSAR-projektet, som har til formål at udvikle en open source-satellit, der let kan genbruges i rummet. "I særdeleshed, vi sigter efter at have orbital service, vedligeholdelse og levetidsforlængelse (for satellitter)."

Hvert modul ville være omkring 40 centimeter på tværs, med en robotarm i stand til autonomt at løsne dem fra en satellit eller tilføje nye. Ved at bruge et standardiseret design, enhver satellit kan nemt opgraderes via en robot-servicesatellit, uden behov for at lancere en erstatning.

Senere på året, projektet vil udføre en demonstration af denne modulære teknologi i et laboratorium, ved hjælp af en robotarm til at øve sig i at fastgøre forskellige moduler til en falsk satellit. Og i sidste ende, snarere end en satellit, der opererer i et begrænset tidsrum i kredsløb, deres missioner kunne i det væsentlige blive uendelige.

"De kan blive der, så længe du vil, " sagde Prof. Yan. "Det er et paradigmeskift. Med denne nye generation af satellitter i rummet, det bliver muligt at opgradere dem. Så i stedet for at sende en helt ny satellit, du kan sende en lille opgradering til en eksisterende satellitstruktur for at sikre langsigtet og overkommelig brug og adgang til rummet."