CAPSTONE | Electron | Everyday Astronaut⁠⁠

Austin DeSisto, 30 мая, 2022, 10 минут на чтение

Первоисточник:

Время старта (возможны изменения)
27 июня 2022 г. – 09:50 UTC | 21:50 по новозеландскому времени
Название миссии
CAPSTONE
Поставщик запуска (какая ракетная компания запускает?)
Rocket Lab
Клиент (Кто за это платит?)
National Aeronautics and Space Administration (NASA)
Ракета-носитель
Electron
Место запуска
Стартовый комплекс-1А, полуостров Махия, Новая Зеландия
Масса полезной нагрузки
300 кг (660 фунтов)
Куда летит спутник?
Почти прямолинейная гало-орбита (NRHO) вокруг Луны
Будут ли они пытаться возвратить первую ступень?
Нет
Где приземлится первая ступень?
Она рухнет в Тихий океан
Будут ли они пытаться возвратить обтекатели?
Нет
Эти обтекатели новые?
Да
Как выглядит погода?
подлежит уточнению
Это будет:
— 4-й запуск Rocket Lab в 2022 г.
— 27-й запуск Electron
— 1-й полет Rocket Lab в дальний космос
— 1-й полет Lunar Photon
— 64-я попытка орбитального запуска в 2022 г.
Где смотреть
— Официальную прямую трансляцию можно будет найти здесь
— Тим Додд начнет трансляцию в T-30 минут; задавайте вопросы и присоединяйтесь к беседе в прямом эфире!

Что все это значит?

Rocket Lab запустит миссию Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment (CAPSTONE) для Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства NASA. Миссия состоит из одного космического аппарата, который в течение многих месяцев отправится к Луне и выйдет на околопрямолинейную гало-орбиту (NRHO). Эта орбита уникальна для программы NASA Artemis, и на ней планируется разместить космическую станцию Gateway, для поддержки частых миссий на Луну. Миссия представляет собой сотрудничество между несколькими компаниями, включая Terran Orbital, Advanced Space, Rocket Lab и Stellar Exploration.

Что такое CAPSTONE ?

Короче говоря, CAPSTONE является первооткрывателем программы НАСА Artemis. Эта программа направлена на высадку мужчины и первой женщины на Луне. Однако, как показала предшествующая программа «Аполлон», «Артемида» потребует времени, планирования и множества экспериментов по поиску пути. Космический корабль был спроектирован, построен, испытан и будет эксплуатироваться компанией Terran Orbital, а программирование и планирование будет осуществляться Advanced Space.

Художественный рендер космического корабля CAPSTONE около Луны (Источник: НАСА)

Есть много ключевых задач, которые CAPSTONE стремится выполнить в течение ожидаемого шестимесячного срока миссии, с возможным увеличением миссии еще на 12 месяцев. К ним относятся подтверждение реальной кинетики гало-орбиты и тестирование совершенно новой навигационной технологии. Результаты этого многомесячного эксперимента будут внедрены непосредственно в разработку Gateway.

Почти прямолинейная гало-орбита

Впервые космический аппарат будет выведен на почти прямолинейную гало-орбиту (NRHO). Эта орбита была специально выбрана НАСА как наиболее подходящая орбита для космической станции Gateway. Gateway — это лунный аванпост, который обеспечит пересадку астронавтов во время длительных миссий на Луну.

Эта орбита имеет период 6,5 дней и обладает уникальной способностью постоянно поддерживать линию обзора с Землей, с одночасовым лунным затмением Солнца на каждой орбите. Перилун (ближайшее сближение с Луной) будет составлять около 3000 км (1900 миль), а его аполун - около 70 000 км (43 000 миль) и будет проходить над южным полюсом.

Еще одним преимуществом этой орбиты является низкая энергия, необходимая для входа и выхода из нее, в том числе обратно на Землю, на более низкую лунную орбиту и на лунную поверхность. Конкретным NRHO для CAPSTONE и, следовательно, Gateway является NRHO 9:2. Точнее, это означает, что на каждые девять оборотов, которые совершает CAPSTONE, Луна совершает два оборота.

Анимация почти прямолинейной гало-орбиты (NRHO)

(Источник: aisolutionsinc, Космический центр имени Джонсона НАСА)

CAPSTONE поможет определить графики отслеживания, используя Deep Space Network (DSN), которые будут работать для Gateway. По словам Итана Кайзера из Advanced Space, используя DSN для генерации важных данных, CAPSTONE сможет сделать больше открытий о состоянии космического корабля вокруг перилуны, области с «шаткой динамикой», что затрудняет ее моделирование. В частности, навигационная неопределенность будет расти по мере прохождения космического корабля через перилуну. Поэтому CAPSTONE будет использовать различные стратегии, чтобы уменьшить эту навигационную неопределенность.

Решение, которое CAPSTONE надеется протестировать, состоит в том, чтобы выполнять один маневр за каждый оборот при истинной аномалии в 200 градусов, примерно через день после оборота. В этом маневре потребуется всего несколько сантиметров в секунду дельта-V. Как и любой маневр, он был смоделирован на земле. Однако CAPSTONE сможет попробовать это в реальных условиях. Если CAPSTONE дойдет до этапа расширенной миссии, он выполнит маневр удержания станции в различных точках, чтобы увидеть, что лучше всего работает в этих реальных условиях.

Полет с низким энергопотреблением

Уникальный маневр, чтобы добраться до Луны, низкоэнергетический переход занимает около трех-четырех месяцев. Это сопоставимо с тремя-четырьмя днями путешествия астронавтов «Аполлона», которые использовали прямую траекторию полета. По словам Итана Кайзера, руководителя разработки миссии CAPSTONE в Advanced Space, прямой полет может потребовать 500 м/с дельта-V для выхода на лунную орбиту, что намного больше, чем способны дать CAPSTONE и Lunar Photon. Напротив, для введения с использованием траектории с низкой энергией требуется всего 20 м/с дельта-V.

«Использование траектории с низким энергопотреблением — это то, что сделало возможным аппарат формат CubeSat 12U», — сказал Кайзер. Низкоэнергетическая траектория также использует Солнце, позволяя его магии работать. Солнце выполняет два действия: помогает поднять апогей на орбите Земли и помогает изменить наклонение орбиты; что-то, что иногда могло добавить существенные требования к delta-V.

Большинство других космических аппаратов использовали прямые траектории, но некоторые использовали траекторию с низким энергопотреблением. Миссии Grail и Genesis использовали низкоэнергетические траектории. По словам Кайзера, максимальный вес спутника для прямой траектории составляет около 100 кг. В основном это связано с количеством топлива, необходимого для удовлетворения требований дельта-V для торможения при выходе на лунную орбиту.

Окололунная автономная система позиционирования (CAPS)

Одним словом, CAPS позволит космическому аппарату самостоятельно иметь навигационное решение без связи с землей. Для этого космический корабль будет связываться с другим космическим кораблем, находящимся поблизости. В случае с CAPSTONE лунный разведывательный орбитальный аппарат (LRO) является идеальным кандидатом. Эта связь будет происходить в перилуне, длиться максимум 40 минут и включать в себя измерение дальности и относительной скорости, которые затем будут рассчитаны на борту CAPSTONE для получения абсолютной позиции. Это позволяет CAPSTONE понять, где он находится.

Это было бы невозможно на низкой околоземной орбите, потому что орбита была бы симметричной. В NRHO CAPSTONE может получить абсолютную позицию; не только относительное положение к LRO. Итан Кайзер из Advanced Space подчеркнул важность этой автономной и независимой навигации, поскольку наземные станции имеют больше космических аппаратов для отслеживания. «Мы видим, что все больше и больше космических кораблей отправляются на Луну; все больше и больше этих космических аппаратов будут иметь на борту технологию CAPS», — сказал Кайзер.

Автономность наступает после того, как космический корабль понимает, где он находится в пространстве (абсолютное положение). Если космический корабль сойдет с запрограммированной орбиты, то он сможет сделать так, чтобы станция сохраняла поправки, необходимые для возвращения на правильную орбиту.

Техническая информация

CAPSTONE — чрезвычайно сложный космический корабль для своего размера. «Мы используем формат 12U, поэтому мы уже продвигаем то, что я на самом деле рассматриваю как CubeSat», — сказал Итан Кайзер, руководитель отдела разработки миссий CAPSTONE, работающий в Advanced Space. Общий вес космического корабля вместе с Lunar Photon Kick Stage от Rocket Lab составляет 300 кг (662 фунта) или CubeSat высотой 12U. Сам космический корабль весит 25 кг (55 фунтов).

Космический корабль имеет размеры 34 х 34 х 61 см и использует монотопливную гидразиновую систему для маневров по удержанию станции. Они также известны как орбитальные маневры технического обслуживания (OMM). CAPSTONE имеет антенну S-диапазона для связи с орбитальным аппаратом Lunar Reconnaissance Orbiter и радиостанцию IRIS X-диапазона для связи с DSN.

Эта миссия претерпела много задержек, как и большинство сложных и важных миссий, что было результатом очень сжатых сроков. Генеральный директор Terran Orbital Марк Белл заявил: «Самой большой проблемой были сроки. Они хотели очень агрессивных сроков». Это означало, что у команд, проектирующих и строящих CAPSTONE, не было выходных, поскольку они уложились в сроки и построили надежный космический корабль.

Какова роль CAPSTONE для Rocket Lab?

Rocket Lab, новозеландская компания, запускает малые спутники в диапазоне кубсатов и связок микроспутников. Таким образом, эта лунная миссия является важным шагом для Rocket Lab и сопряжена со многими проблемами. «[CAPSTONE] была единственной лучшей программой в компании, не считая Neutron», — сказал генеральный директор Rocket Lab Питер Бек в интервью Everyday Astronaut.

Чтобы добавить больше перспективы, по данным CAPSTONE, максимальная масса запущенного Electron составляет около 180-200 кг. CAPSTONE и Lunar Photon весят не менее 300 кг. Бек выразился просто: «Миссия CAPSTONE — это определение проблемы». Как и во многих сложных миссиях, приходится идти на жертвы. Например, из-за большого веса полезной нагрузки первая ступень была очищена до голого каркаса. Никакого оборудования для возвращения, никаких камер. Само оборудование для возвращения занимает около 10-15% возможностей массы полезной нагрузки данного запуска.

Что такое Lunar Photon Rocket Lab?

Lunar Photon, специально созданный для миссий за пределами околоземной орбиты, хотя и основан на платформе Photon, был разработан практически с нуля. Он сможет достичь пунктов назначения, включая Венеру и Марс, а также Луну. «По сути, это гигантский бак с горючим и окислителем, — сказал Бек. Чтобы максимально уменьшить массу, Lunar Photon использует тонкостенные углеродные композитные баки Rocket Lab.

Lunar Photon также содержит новый двигатель, систему управления положением и новые клапаны. Чтобы еще больше уменьшить массу и сохранить стиль Electron, Lunar Photon использует турбонасосы с электрическим приводом. Использование герметика для облегчения запуска двигателей добавило бы невероятное количество массы по сравнению с инертной массой транспортного средства. Эти электродвигатели будут иметь полный заряд батареи перед каждым сжиганием, поскольку батареи могут перезаряжаться между включениями с помощью солнечной энергии.

Lunar Photon использовался для запуска CAPSTONE на Луну (Источник: Rocket Lab)

Основная роль Lunar Photon — доставить CAPSTONE с околоземной орбиты на лунную орбиту посредством транслунной инъекции. Реализация низкоэнергетической траектории полета в первую очередь будет проводиться Lunar Photon. Для этого Lunar Photon проведет коррекции в перигее, точную настройку и небольшое повышение орбиты до окончательной коррекции транслунной инъекции.

Второстепенная миссия Lunar Photon состоит в том, чтобы потенциально провести собственный облет Луны и выполнить некоторые другие наблюдения. Это полностью зависит от того, сколько топлива останется. Тем не менее, основная миссия состоит в том, чтобы получить CAPSTONE на стабильной и почти идеальной транслунной инъекции.

Что такое Electron?

Electron от Rocket Lab — это ракета-носитель малой грузоподъемности, разработанная специально для вывода малых спутников (CubeSats, нано-, микро- и мини-спутников) на НОО и солнечно-синхронные орбиты (SSO). Electron состоит из двух ступеней с необязательными третьими ступенями.

Electron имеет высоту около 18,5 метров (60,7 футов) и всего 1,2 метра (3,9 футов) в диаметре. Он не только небольшого размера, но и легкий. Конструкции ракеты изготовлены из передовых композитов из углеродного волокна, что обеспечивает улучшенные характеристики ракеты. Грузоподъемность Electron до НОО составляет 300 кг (~ 660 фунтов).

Бустер Electron с модернизацией системы тепловой защиты. (Кредит: Ракетная лаборатория)

Первый полет It's A Test был осуществлен 25 мая 2017 года со стартового комплекса Rocket Lab Launch Complex-1 (LC-1) в Новой Зеландии. В этой миссии произошел сбой в наземной системе связи, что привело к потере телеметрии. Несмотря на то, что компании пришлось вручную прервать полет, с самим транспортным средством не возникло больших проблем. С тех пор Electron совершил в общей сложности 26 полетов (23 из них были полностью успешными) и вывел на орбиту 146 спутников.

Первая и вторая ступень

Первая ступень Electron состоит из общих переборочных баков без вкладыша для топлива и промежуточной ступени и приводится в движение девятью двигателями Rutherford для работы на уровне моря. Вторая ступень также состоит из баков для топлива (~ 2000 кг) и приводится в движение одним двигателем Rutherford оптимизированным для работы в вакууме. Основное различие между этими двумя вариантами двигателя Rutherford заключается в том, что последний имеет удлиненное сопло, что приводит к улучшению характеристик в условиях, близких к вакууму.

Для миссии Love At First Insight компания представила обновление второй ступени, растянув ее на 0,5 м. Кроме того, они впервые использовали автономную систему прекращения полета (AFTS).

Двигатель Rutherford

Двигатели Rutherford являются основным источником движения для Electron и были разработаны специально для этого носителя. Они работают на ракетном керосине (RP-1) и жидком кислороде (LOx). В двигателе Rutherford есть как минимум две особенности, которые выделяют его.

Генеральный директор Rocket Lab Питер Бек стоит рядом с ракетой Electron с двигателем Rutherford.(Предоставлено: Rocket Lab)

Во-первых, все основные компоненты двигателей Rutherford напечатаны на 3D-принтере. Основные топливные клапаны, инжекторные насосы и камера двигателя производятся методом электронно-лучевой плавки (EBM), что является одним из вариантов 3D-печати. Этот метод производства экономичен и экономичен по времени, поскольку позволяет изготовить полный двигатель всего за 24 часа.

Rutherford — первый двигатель RP-1/LOx, в котором используются электродвигатели и высокоэффективные литий-полимерные батареи для питания топливных насосов. Эти насосы являются важными компонентами двигателя, поскольку они подают топливо в камеру сгорания, где оно воспламеняется и создает тягу. Однако процесс транспортировки жидкого топлива и окислителя в камеру нетривиален. В типичном двигателе газогенераторного цикла требуется дополнительное топливо и сложная турбомашина только для привода этих насосов. Вместо этого Rocket Lab решила использовать аккумуляторную технологию, что позволило избавиться от большого количества дополнительного оборудования без ущерба для грузоподъемности.

Kick Stage

У Electron есть дополнительные третьи ступени, также известные как Kick Stage, Photon и версия Photon для дальнего космоса. Kick Stage приводится в движение одним двигателем Curie, который может развивать тягу 120 Н. Как и Rutherford, он был разработан собственными силами и изготовлен с помощью 3D-печати. Помимо двигателя, Kick Stage состоит из углеродных композитных баков для хранения топлива и шести реактивных двигателей управления.

Kick Stages, адаптированные для трех отдельных миссий (Фото: Питер Бек, Twitter )

Kick Stage в своей стандартной конфигурации служит в качестве движущей силы в космосе для развертывания полезной нагрузки клиентов Rocket Lab на назначенных им орбитах. Он имеет возможность повторного запуска, что означает, что двигатель может повторно зажигаться несколько раз, чтобы отправить несколько полезных нагрузок на разные индивидуальные орбиты. Одним из примеров является 19-я миссия Electron под названием «Они поднимаются так быстро», запущенная в марте 2021 года. Двигатель Curie был запущен для круговой орбиты, прежде чем развернуть полезную нагрузку на 550 км. Затем Curie повторно включился, чтобы снизить высоту до 450 км, и оставшиеся полезные нагрузки были успешно развернуты. Для миссии «Туда и обратно» опорная ступень была запущена один раз, чтобы сделать ее орбиту круговой.

Первоисточник: