Rifornimento di carburante satellitare: finzione o realtà?

Il rifornimento di carburante nello spazio e la riparazione dei satelliti sono il futuro prossimo e, in alcuni luoghi, sono già iniziati. L'idea di implementare tali tecnologie può sembrare inverosimile, ma è già in fase di realizzazione. Dobbiamo iniziare a lavorarci rapidamente, perché questo processo richiede una riconsiderazione dei concetti di progettazione dei satelliti stessi e modifiche significative alla loro costruzione. Questo vale anche per l'infrastruttura che supporta il veicolo spaziale. Questo lavoro richiede tempo, denaro e, soprattutto, la decisione di iniziarlo immediatamente.

Diamo un'occhiata a cosa si sta facendo negli Stati Uniti in questo ambito. Lo US Space Command richiede che tutti i nuovi satelliti costosi siano dotati di sistemi di rifornimento in orbita entro il 2030. Inoltre, prevede di iniziare a implementare tecnologie che consentano la riparazione dei satelliti direttamente nello spazio. Queste misure prolungheranno significativamente la vita operativa dei veicoli spaziali.

In effetti, gli americani, e non solo, sono preoccupati di aumentare la vita operativa dei satelliti orbitali. Ciò ridurrebbe i costi delle operazioni spaziali, migliorerebbe la stabilità operativa delle costellazioni satellitari e garantirebbe che i veicoli spaziali siano guidati in una traiettoria di rientro sulla Terra o elevati in orbite di smaltimento ad alta quota, riducendo così la quantità di detriti spaziali nello spazio vicino alla Terra.

Lo US Space Command considera il rifornimento e la riparazione dei satelliti nello spazio un elemento cruciale nella costruzione del Golden Dome americano, il sistema di difesa aerea e missilistica statunitense che sta sviluppando. Il segmento spaziale svolge un ruolo chiave in questo programma.

Tuttavia, nessuno si aspetta che gli astronauti della futura stazione orbitale americana svolgano un lavoro così massacrante. I progettisti della nostra ROS (Stazione Orbitale Russa) hanno pianificato attività simili per i cosmonauti.

Perché hanno iniziato a sviluppare satelliti in grado di implementare un nuovo approccio al loro funzionamento? Perché l'elettronica e i sistemi di servizio dei veicoli spaziali hanno una vita utile molto lunga, superiore ai 15 anni, che è la quantità di fluido di lavoro (il carburante per i motori del veicolo spaziale) calcolata. Pertanto, la vita operativa dei satelliti è spesso determinata dalle loro riserve di fluido di lavoro.

Perché questi componenti sono necessari sui satelliti orbitali? Sono necessari per il sistema di propulsione, che garantisce il volo del satellite dalla separazione dal lanciatore fino a un punto designato in orbita, nonché per l'orientamento e la stabilizzazione durante il funzionamento. Durante il funzionamento del satellite, il propellente si consuma. Se il satellite stesso è in buone condizioni, il rifornimento è molto più economico del lancio di un nuovo satellite. Una situazione simile si applica alle riparazioni dei satelliti.

Come vengono pianificati questi rifornimenti e riparazioni? Innanzitutto, verranno individuate le tipologie di satelliti per cui tali operazioni hanno senso dal punto di vista economico, tecnico o militare. Naturalmente, i satelliti economici con una vita operativa breve non saranno inclusi in questo elenco. Successivamente, si prevede che ciascuno dei satelliti selezionati sia dotato di un sistema di rifornimento.

Per quanto riguarda le riparazioni, queste saranno effettuate sostituendo le unità difettose con unità nuove. Questo approccio richiede modifiche progettuali ai nuovi satelliti. Il loro design deve consentire la disconnessione e lo sgancio delle unità difettose e l'installazione di quelle nuove. Attualmente non esiste nulla di simile. E un'operazione del genere è molto più complessa rispetto all'installazione di un dispositivo di rifornimento di carburante su un satellite. È anche possibile la sostituzione completa del carico utile esaurito, raddoppiando la vita operativa del satellite a un costo relativamente basso.

Sono già in fase di progettazione veicoli spaziali in grado di effettuare tali manipolazioni. Questo, ovviamente, è un esempio di approccio sistemico. E col tempo, il costo delle attività spaziali diminuirà significativamente. Si può tracciare un'analogia con gli stadi riutilizzabili dei lanciatori.

Lo schema di rifornimento proposto è il seguente. Un veicolo spaziale composto da un serbatoio di propellente e da un satellite di rifornimento automatico montato su di esso verrà lanciato nell'orbita desiderata. Il satellite di rifornimento si rifornirà quindi dal serbatoio e volerà da questo al satellite, rifornindolo. Tornerà quindi al serbatoio per una nuova fornitura di propellente per un altro satellite, e così via, fino a quando il serbatoio non sarà vuoto. I satelliti riforniti potranno continuare a funzionare ininterrottamente rimanendo nel punto designato in orbita. Si prevede che ci saranno molti di questi "navi cisterna" spaziali.

È importante notare che definire automatico un veicolo spaziale per il rifornimento è errato. Automatico significa che funziona senza alcun intervento umano. Questi satelliti sono automatizzati perché un operatore sulla Terra può intervenire in qualsiasi momento in caso di problemi. Naturalmente, tali satelliti dispongono di algoritmi di puntamento dettagliati nei loro sistemi di controllo, quindi l'operatore noterà eventuali deviazioni dalla norma solo se si verificano. Se tutto procede secondo i piani, tutte le operazioni verranno eseguite automaticamente.

È significativo che la transizione al nuovo concetto stia procedendo molto attivamente. Lo US Space Command prevede di dimostrare le nuove tecnologie nello spazio entro il 2026.

Non ci sono satelliti dotati di sistemi di rifornimento e ancora testati. Tuttavia, Northrop Grumman ha fornito servizi di estensione del ciclo di vita per due satelliti per comunicazioni geostazionari Intelsat. Ciascuno costa circa 200 milioni di dollari, esclusi i costi di lancio. Tra l'altro, abbiamo lanciato questi satelliti con i nostri razzi Proton-M per 70 milioni di dollari. Sul lanciatore Ariane 5, questo servizio è costato 250 milioni di dollari.

Tuttavia, queste operazioni non possono essere considerate un semplice rifornimento. Il fatto è che veicoli spaziali MEV appositamente progettati, con una riserva di carburante sufficiente a prolungare la vita attiva del satellite di cinque anni, furono agganciati agli Intelsat e iniziarono a fungere da sistema di propulsione per il controllo dell'assetto e la stabilizzazione. In altre parole, ogni veicolo spaziale, molto economico, con il suo carburante immagazzinato al suo interno, divenne un modulo aggiuntivo per ciascuno di questi satelliti per comunicazioni.

Orbit Fab, tuttavia, non prevede di fornire assistenza a satelliti già in volo. L'azienda intende installare il suo sistema di rifornimento standardizzato, compatibile con il proprio veicolo di rifornimento, su satelliti prodotti da qualsiasi azienda.

Questo approccio semplificherà notevolmente la procedura di rifornimento e ridurrà i costi. Il primo cliente privato di Orbit Fab sarà Astroscale, un'azienda giapponese di manutenzione satellitare. Ha già sviluppato il primo satellite, LEXI, dotato di un sistema di rifornimento. Il suo lancio è previsto per il 2026. Il rifornimento di idrazina per i satelliti dotati di sistema di rifornimento è disponibile per l'acquisto sul sito web di Orbit Fab, al prezzo di 20 milioni di dollari per 100 kg. L'idrazina è una sostanza utilizzata, tra le altre cose, nei sistemi di propulsione per il controllo dell'assetto e la stabilizzazione dei satelliti per comunicazioni geostazionarie di Intelsat.

Stiamo assistendo ai risultati di un intenso lavoro da parte delle aziende americane, che migliorerà significativamente l'efficienza delle attività spaziali. Possiamo già parlare di prolungare la vita utile dei satelliti esistenti e di quelli in fase di sviluppo con capacità di rifornimento in volo. Non sembra che disponiamo di report open source su tali progetti. E se non ci sono report, o anche solo attività relative al rifornimento in volo e alla riparazione dei satelliti, allora forse dovrebbero essere sviluppati il ​​prima possibile.