NASA bygger en mission, der skal tanke og reparere satellitter i kredsløb

NASA planlægger en mission for at demonstrere evnen til at reparere og opgradere satellitter i kredsløb om jorden. Missionen, kaldet OSAM-1 (On-orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing-1), vil sende et robotrumfartøj udstyret med robotarme og alt det nødvendige værktøj og udstyr til at reparere, tanke op eller forlænge satellitternes levetid, selvom de satellitter var ikke designet til at blive serviceret i kredsløb.

Den første testflyvning af OSAM-1 er planlagt til opsendelse tidligst i 2026 og vil gå i lav kredsløb om Jorden for at mødes, kæmpe og lægge til kaj med Landsat 7, en jordobservationssatellit, der har været i kredsløb siden 1999. Missionen vil udføre en den første af sin slags tankningsdemonstrationstest, og flyt derefter satellitten til en ny bane. Mens nogle dele af missionen er autonome, vil menneskelige teleoperatører udføre en stor del af procedurerne og manøvrerne fjernt fra Jorden.

NASA siger, at reparation af satellitter - i stedet for blot at lade hedengangne ​​rumfartøjer drive i kredsløb om jorden - hjælper med at mindske rumaffald for at skabe en mere bæredygtig fremtid for rumudforskning. Derudover vil testflyvningen vurdere kredsløbsrobotsamling og -fremstilling, som mange ser som teknologi nødvendig for fremtiden, såsom at udføre vedligeholdelse under langvarige menneskelige missioner i vores solsystem og konstruere og vedligeholde strukturer i kredsløb om månen eller Mars.

Den originale idé til et rumfartøj til satellitservice er udtænkt af den kendte NASA-ingeniør Frank Cepollina, som har en historie med at reparere rumfartøjer i kredsløb. Han ledede de hold, der var ansvarlige for planlægning og koreografering af de fem serviceopgaver for Hubble-rumteleskopet. Han hjalp med at designe de specialiserede værktøjer og procedurer, som astronauter ville bruge til med succes at reparere og opgradere Hubble, hvilket holdt det ærværdige teleskop i drift i årevis længere end forventet og tillod bedre instrumenter og teknologi at blive installeret i hver efterfølgende mission. Han ledede også hold, der udviklede teknikker til at reparere andre satellitter i de tidlige dage af rumfærgen-æraen.

"For mig er det forbløffende, at vi bare ville smide satellitter væk i kredsløb," fortalte Cepollina mig i 2016, da jeg besøgte Robotic Operations Center på det, der dengang blev kaldt Satellite Servicing Capabilities Office på NASAs Goddard Space Flight Center. "Det så ud til, at vi skulle finde en måde at reparere disse satellitter af økonomiske årsager og af de videnskabelige fordele, vi kunne opnå. Jeg ville finde en måde at reparere og opgradere satellitter på."

Cepollina, der nu er 85 år, trak sig først for nylig på pension fra NASA, men han har vejledt og trænet flere generationer af ingeniører og har aldrig opgivet sin drøm om at reparere satellitter. Efter adskillige forslag om servicering af missioner blev konceptet officielt anerkendt som en mission og opnåede status som "linjepost" i NASAs budget. Men der er stadig meget arbejde at gøre for at være klar til lancering i 2026.

"Når du gør noget for første gang, er der en masse ny teknologi og procedurer, og du løber i sagens natur ind i vejspærringer og tilbageslag, og vi er ikke anderledes," sagde Ross Henry, OSAM-1 Servicing Payload Manager, i et interview med Universe Today. "Vi har at gøre med adskillige nye systemer, såsom et nyt lidar (Light Detection and Ranging) system, et unikt drivmiddeloverførselssystem og to robotarme [den ene er en redundant backup], der kan bruge elleve unikke værktøjer og adaptere, hver med en specifik formål som en del af missionen."

Det primære mål for OSAM-1's første testflyvning vil være at tanke Landsat 7, som er omkring 705 km (440 miles) over Jorden. Men da Landsat 7 – ligesom mange andre satellitter – aldrig var beregnet til at blive serviceret eller endda set igen, kan OSAM-1 rumfartøjet ikke bare trække op ved siden af ​​en anden satellit og tilslutte brændstofslangen.

Først skal OSAM-1 komme tæt nok på, til at en af ​​robotarmene kan gribe Landsat 7, og derefter udføre docking-manøvrer ved hjælp af den originale dockingklemme eller Marman-ring på satellitten.

"Så er der meget arbejde, vi skal gøre for at få adgang til brændstofstedet," forklarede Henry. "OSAM-1's fjernoperatører bliver nødt til at skære i det termiske flerlagsisolerende tæppe og flytte det af vejen for at blotlægge påfyldnings-/drænventilerne. Men da de blev lukket ud før lanceringen, var disse ventiler dækket af låsetråde, så vi bliver nødt til at gå ind med specialsakse og klippe dem. Derudover er der overflødige sikkerhedshætter, vi vil fjerne."

OSAM-1 vil bære 122 kg (270 lbs) brændstof, og planen er at overføre 115 kg (250 lbs) af det til Landsat 7 ved hjælp af robotarmen og et optrækkeligt slangesystem.

Selvfølgelig sker alt dette, mens begge rumfartøjer rejser med omkring 26.500 km/t (16.500 mph). OSAM-1 har seks rendezvous- og nærhedsoperationskameraer til brug, mens de nærmer sig Landsat 7. Yderligere 21 kameraer er en del af et specialiseret synssensorsystem, der giver teleoperatørerne mulighed for at se operationerne fra alle vinkler, og projektører giver belysning til arbejdet fortsætte selv under orbital nat, hvilket sker omkring hvert 50. minut. Landsat 7's omløbsperiode er 99 minutter.

Goddards Robotic Operations Center inkluderer en specialiseret testseng med sorte, gardinbeklædte vægge, så når lyset er slukket, simulerer det rummets mørke. Dette giver mulighed for fuldstændig fordybende træning med fuldskala mock-ups af Landsat 7 og OSAM-1.

Tidligere var denne mission kendt som Restore-L og fokuserede udelukkende på tankning og reparation. Men i februar 2019 blev der tilføjet en ny komponent til missionen, kaldet Space Infrastructure Dexterous Robot (SPIDER).

"Dette tilføjer 'samling og fremstilling'-delen af ​​OSAM-1," sagde Henry. "Når vi er færdige med Landsat 7, frigiver vi den og går derefter i gang og udfører monterings- og fremstillingsdelen."

SPIDER inkluderer sin egen 5 meter (16 fod) lange robotarm, hvilket bringer det samlede antal robotarme, der flyver på OSAM-1, op på tre. SPIDER vil samle en funktionel 3 meter (9 fod) kommunikationsantenne, konstrueret af dele medbragt til rummet, og vil demonstrere Ka-bånd transmission med en jordstation.

SPIDER vil også fremstille en 32-fods (10 meter) let kompositstråle for at verificere evnen til at konstruere store rumfartøjsstrukturer i kredsløb.

Udviklingen af ​​alle systemer, værktøjer og teknikker har krævet input fra flere teknologiområder.

"Vi har en masse virkelig nicheingeniører, der arbejder sammen med os, som ved det her og gør det dag ud og dag ind," sagde Henry. "Nogle af vores mest unikke ingeniører er robotfolkene, der ved, hvordan armene blev bygget og forstår nuancerne af leddene og mekanismerne - såsom hvilke stillinger du kan og ikke kan sætte armen i, eller hvis et albueledde svigter, de ved, hvordan du stadig kan flytte endeeffektoren med de seks andre aktuatorer. Vi har en rigtig god arbejdsstyrke, der har dykket dybt ned i den tekniske del af denne mission i flere år. De er alle førende inden for deres felt, det gør jeg ikke tror, ​​der er et andet hold som dem i landet eller måske endda i verden."

At finde en passende satellitkandidat til at være det eksperimentelle emne for denne demonstrationsmission tog flere års forhandlinger, sagde Henry, da kravene var specifikke, og det skulle være en statsejet satellit.

"Vi havde brug for et regeringsorgan, der var villig til at få deres satellit til at være den første til at demonstrere denne teknologi," sagde Henry. "Landsat 7 passer til regningen af ​​en række grunde. Den er i en kredsløb, der er let tilgængelig, og den er ved slutningen af ​​sin missions levetid med hensyn til at generere videnskab. Landsat 9 er allerede lanceret og er ved at blive taget i brug, så dens efterfølger er allerede oppe og fungerer."

Landsat 7's nominelle videnskabsmission sluttede den 6. april 2022, og dets primære videnskabelige instrument, Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) blev sat i standbytilstand. Men dets 22 år i drift har givet væsentlige data om forvaltning og vurdering af jorddækning, undersøgelser af globale forandringer og til kortlægning.

Den finansierede og grundlæggende mission for OSAM 1 er "one and done", hvor når den er færdig med servicering, tankning og derefter monterings- og fremstillingsdelen af ​​missionen, er den planlagt til at blive deorbiteret og vil brænde op i Jordens atmosfære.

"Med det sagt, erkender vi, at vi flyver et meget dygtigt køretøj med brændstof til rådighed," sagde Henry, "så der er mange mennesker, der gerne vil se os udføre en opfølgningsmission, mens vi er i kredsløb. Men pr. lige nu er der intet blevet annonceret eller finansieret."

Henry sagde, at han er beæret og begejstret for at lede indsatsen for at gøre Frank Cepollinas drøm til virkelighed om at have en ægte satellit-servicerende "trækvogn" i kredsløb. Cepollina har også en anden drøm, nemlig at flåder af disse trækvognslignende satellitter kunne bygge strukturer i rummet, ikke kun habitater, men store rumteleskoper med evnen til direkte at afbilde fjerne exoplaneter, for eksempel.

"Det, vi demonstrerer i monterings- og fremstillingsdelen, er at lægge grunden til fremtidige fremskridt i søgen efter udenjordisk liv og forhåbentlig koloniseringen af ​​solsystemet," sagde Henry. "Årtier fra nu, tror jeg, at du vil være i stand til at spore det tilbage til OSAM-1 som den første amerikanske mission til at demonstrere disse evner i kredsløb." + Udforsk yderligere

NASAs robotiske OSAM-1-mission fuldender kritisk designgennemgang