Освоение дальнего космоса невозможно без решения одной из главных технических проблем современной космонавтики — ограниченного запаса топлива. Сегодня практически все космические аппараты отправляются в полёт с тем количеством горючего, которое удалось разместить в их баках во время запуска. После его расходования возможности корабля существенно сокращаются, а многие миссии попросту завершаются.
Инженеры NASA уже несколько лет работают над технологиями, которые позволят отказаться от такого подхода. Одним из наиболее перспективных решений считается дозаправка космических аппаратов непосредственно на орбите. Недавно специалисты агентства провели очередные испытания нового устройства, предназначенного именно для этой задачи. Если технология будет успешно доведена до практического применения, в будущем в космосе могут появиться настоящие орбитальные «заправочные станции», значительно расширяющие возможности пилотируемых и автоматических миссий.
Почему дозаправка в космосе так важна
На Земле самолёт, автомобиль или корабль можно многократно заправлять.
Космические аппараты пока лишены такой возможности.
Их запас топлива определяется ещё до запуска.
Это накладывает серьёзные ограничения:
- уменьшается полезная нагрузка;
- ограничивается дальность полёта;
- сокращается срок службы спутников;
- усложняются длительные экспедиции.
Особенно остро эта проблема проявится во время будущих полётов к Луне, Марсу и другим объектам Солнечной системы.
Чем дальше находится цель экспедиции, тем больше топлива требуется доставить с Земли, а значит, тем тяжелее становится вся миссия.
Что предлагает NASA
Исследователи разрабатывают специальное соединительное устройство, которое получило название криомуфта (cryocoupler).
По своему назначению оно напоминает обычный заправочный пистолет на автомобильной станции.
Однако условия работы здесь несравнимо сложнее.
Устройство должно автоматически соединять два космических аппарата и обеспечивать безопасную передачу топлива из одного резервуара в другой.
После завершения операции соединение должно так же надёжно разъединяться, позволяя обоим аппаратам продолжить полёт.
Почему обычные технологии не подходят
Может показаться, что достаточно использовать оборудование, уже применяемое при запуске ракет.
На самом деле это невозможно.
Наземные системы создавались для совершенно других условий.
Они:
- слишком крупные;
- рассчитаны только на одноразовое использование;
- требуют участия обслуживающего персонала;
- не предназначены для работы в открытом космосе.
Орбитальная система должна быть компактной, полностью автоматической и выдерживать многократные циклы соединения и разъединения.
Главная сложность — сверхнизкие температуры
Будущие межпланетные корабли будут использовать криогенное топливо.
К нему относятся:
- жидкий водород;
- жидкий кислород.
Эти вещества необходимо хранить при чрезвычайно низких температурах.
Даже небольшое нагревание приводит к испарению топлива, а значит — к потерям, которые во время длительных экспедиций могут оказаться критическими.
Именно поэтому вся система передачи должна работать максимально эффективно, не допуская значительного повышения температуры.
Какие испытания уже проведены
Специалисты NASA совместно с компанией L3Harris испытали опытный образец криомуфты в исследовательском центре имени Маршалла.
Во время экспериментов через устройство пропускали жидкий азот, охлаждённый примерно до минус 196 градусов по Цельсию.
Такие условия позволяют проверить работу оборудования при температурах, близких к тем, которые будут встречаться при использовании настоящих криогенных компонентов топлива.
Исследователи оценивали:
- изменение размеров деталей при охлаждении;
- герметичность соединения;
- устойчивость материалов;
- работу механизмов соединения и разъединения;
- стабильность потока жидкости.
Испытывали даже неправильную стыковку
В реальном космосе невозможно гарантировать идеальное совпадение двух аппаратов.
Даже современные системы сближения допускают небольшие отклонения.
Поэтому инженеры решили проверить работу устройства в условиях неполного совмещения.
Для этого одну часть соединителя закрепили на роботизированной платформе, способной перемещаться и поворачиваться сразу по нескольким направлениям.
Так удалось смоделировать различные варианты неточной стыковки.
Испытания показали, что конструкция способна компенсировать определённые ошибки взаимного положения аппаратов.
Почему автоматизация имеет большое значение
Во время будущих экспедиций никто не захочет отправлять астронавтов в открытый космос только ради подключения топливного шланга.
Выход за пределы корабля всегда связан с дополнительным риском.
Поэтому новая система проектируется полностью автоматической.
После сближения космические аппараты смогут самостоятельно:
- выполнить соединение;
- проверить герметичность;
- начать перекачку топлива;
- завершить операцию;
- отсоединиться.
Это значительно повысит безопасность подобных операций.
Орбитальные топливные базы
Разработка криомуфт является лишь частью гораздо более масштабной концепции.
В будущем NASA рассматривает возможность создания специальных орбитальных хранилищ топлива.
Их иногда сравнивают с автозаправочными станциями.
Принцип работы выглядит следующим образом.
Сначала тяжёлые ракеты доставляют большие объёмы топлива на околоземную орбиту.
Там оно хранится в специальных резервуарах.
Позже прибывающие космические корабли смогут пополнять свои баки перед отправкой к Луне, Марсу или другим объектам Солнечной системы.
Подобная схема позволит отказаться от необходимости запускать полностью заправленный межпланетный корабль одной сверхтяжёлой ракетой.
Какие преимущества это даст
Орбитальная дозаправка способна изменить саму архитектуру будущих космических программ.
Она позволит:
- увеличить массу научного оборудования;
- использовать более экономичные траектории полёта;
- продлевать срок службы спутников;
- повторно использовать дорогостоящие космические аппараты;
- организовать регулярные экспедиции к Луне;
- упростить подготовку пилотируемых миссий к Марсу.
По сути, космические корабли смогут получать дополнительное топливо так же, как морские суда пополняют запасы в портах.
Технология пока находится на раннем этапе
Несмотря на успешные испытания, разработчики подчёркивают, что речь пока идёт лишь о первых этапах создания системы.
Основная задача нынешних экспериментов — убедиться, что сама конструкция способна работать в экстремальных условиях.
В дальнейшем инженерам предстоит адаптировать её под конкретные миссии, провести дополнительные проверки на надёжность и испытать оборудование в условиях, максимально приближённых к реальному космосу.
Без подобных технологий дальний космос останется труднодоступным
Освоение Луны, строительство долговременных орбитальных станций и будущие пилотируемые экспедиции к Марсу потребуют совершенно новой космической инфраструктуры. Возможность многократной дозаправки аппаратов станет одним из её ключевых элементов.
Испытания новой криомуфты показывают, что NASA постепенно приближается к созданию систем, которые ещё недавно казались частью научной фантастики. Если технология подтвердит свою эффективность в последующих испытаниях и однажды будет применена на орбите, космические корабли смогут получать топливо уже после запуска, а околоземное пространство со временем может превратиться в полноценный транспортный узел для дальнейшего освоения Солнечной системы.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
