Заправка на орбите: ключ к новому космосу

Идея дозаправки в полете возникла давно и удачно прижилась в военной авиации, став там стандартом. Возможность пополнить запас топлива в полете значительно увеличило практическую дальность самолетов.

Например, стратегические бомбардировщики B-2 «Спирит» вылетали из штата Миссури (США) и наносили удары в Афганистане и Ираке. Выполняя много заправок в воздухе, они достигали целей и возвращались в Миссури, проводя в воздухе без посадки иногда почти двое суток. Дозаправку сначала использовали на крупных самолетах класса стратегических бомбардировщиков, позже она распространилась на истребители, боевые и транспортные вертолеты.

Дозаправку в космосе применяли лишь для перекачки топлива с космических кораблей на борт орбитальных станций. Сегодня ее включают многие проекты. Например, ее планируют для продления жизни околоземных спутников и придания оперативной маневренности их группировкам. Заправка становится ключевым элементом для масштабных пилотируемых программ, включая полеты на Луну и Марс.

Перекачка в космосе намного труднее авиационной. Во-первых, она требует стыковки аппаратов. Вторая ее особенность — поведение топлива в баке в состоянии невесомости. Есть и другие моменты, осложняющие картину. Давайте посмотрим, что за жидкое топливо используют в космосе и каковы его свойства.

Жидкое топливо для космоса

Самое простое однокомпонентное топливо представляет собой одно вещество, разлагающееся в процессе работы в нагретые газы. Реакция разложения идет при контакте с веществом-катализатором (которое не расходуется). Возникшая горячая смесь газов и паров течет в реактивное сопло. Там температура и давление работают на разгон потока реактивным соплом, превращаясь в скорость потока и силу тяги.

Примерами такого топлива служат перекись водорода или гидразин, используемые в двигателях ориентации. Выделяемая при их разложении энергия решает задачу создания тяги. Но получающиеся в такой реакции температуры невысоки и дают низкую эффективность двигателей, используемых поэтому обычно как вспомогательные.

Гораздо больше энергии выделяется при химической реакции двух разных компонентов, образующих топливную пару — окислителя и горючего. Они вступают в окислительно-восстановительную реакцию горения, нагревая продукты (смесь газов) до 2,5-3 тысяч градусов.
Большое выделение тепла сильнее разгоняет реактивную струю, повышая эффективность двигателя. Поэтому двухкомпонентное топливо горит в главных двигателях ступеней ракет и космических аппаратов (двигателях орбитального маневрирования, тормозных и посадочных).

Горючее часто (и неверно) тоже называют топливом, говоря «топливо и окислитель». Но у горючего и окислителя есть четкая и противоположная роль в химической реакции: горючее отдает свои электроны, а окислитель принимает их. Топливу же нельзя приписать одну из этих ролей, будь оно одно- или двухкомпонентным.

Поэтому, когда есть окислитель, то второй компонент — именно горючее, входящее в топливную пару. Этим точным названием ракетная техника отличается от авиации и другого транспорта, где топливом называют любое сгорающее в двигателе горючее, не упоминая окислитель — атмосферный кислород.

Высококипящие и криогенные

В отличие от горения топлива, заправка — это физика, а не химия жидких компонентов. Здесь правят бал плотность, вязкость, летучесть, упругость паров, теплоемкость, температура замерзания и кипения, теплота испарения и другие физические параметры. Основное деление топливных пар проходит по температурному классу: очень холодные сжиженные газы и жидкости с «обычными» температурами. Их называют криогенными и высококипящими топливами.
Криогенной считается топливная пара хотя бы с одним криогенным компонентом. Например, классическая пара керосин — жидкий кислород советских ракет-носителей «Союз», на которых поднимаются в космос космонавты.

Три главных двигателя «Спейс Шаттла» работали на топливной паре, в которой оба компонента криогенные: жидкие кислород и водород. А у советского тяжелого «Протона» топливом работает высококипящая пара из обычных, некриогенных жидкостей, классическая АТ — НДМГ (азотный тетраоксид — несимметричный диметилгидразин). Ее компоненты при контакте друг с другом вспыхивают немедленно. Такое самовоспламеняющееся топливо называют гиперголическим. Оно делает пуск двигателя надежным, а эту топливную пару — привычной для космических аппаратов и их многолетних полетов.

Жидкость заполняет весь бак только до начала ее расходования. Потом возникает свободный объем, наполненный под рабочим давлением газом или парами.

При выведении на орбиту постепенно наклоняемой вибрирующей ракеты поверхность жидкости может гулять по баку волнами и перекашиваться, меняя центровку топлива в баке. Это создает разность давлений на низ бака, в том числе на заборной горловине топливной магистрали. Разгул жидкой стихии до приемлемых значений конструкторы стараются уменьшить с помощью специальных перегородок в баках.

В невесомости особые задачи

Невесомость осложняет «внутрибаковую ситуацию». Топливо распределяется не продольной перегрузкой, гравитационной на Земле плюс инерционной от работы двигателей в полете. Невесомая жидкость расползается по стенкам бака за счет сил смачивания. А заполненный газом свободный объем оказывается в таком случае полостью в середине бака, находящейся во власти сил поверхностного натяжения. Переход от «нормального» стекания жидкости вниз бака к состоянию невесомости идет через разнообразные и причудливые промежуточные сочетания жидкости и «пустоты», которые распределяются в баке иногда сложным и малопредсказуемым образом.

А если в невесомости на горловину магистрали, всасывающую топливо из бака, придется газовая полость вместо жидкости? Компонент не поступит в трубопровод и не заполнит главные насосы. Они не закачают топливо в двигатель, который не запустится. Поэтому для запуска двигателей отделившейся второй или третьей ступени, временно пребывающей в невесомости свободного полета, топливо в ее баках специально осаждают к приемным горловинам.

Это делают коротким срабатыванием небольших пороховых двигателей. Они создают слабую продольную перегрузку, достаточную для сползания компонента в низ бака с заполнением заборных горловин. Магистрали наполняются, за насосами давление растет до рабочего, и запускаются главные двигатели. Создавая дальнейшую перегрузку и плотное осаждение топлива к горловинам.

Для космических аппаратов с их более слабыми двигателями и меньшим расходом работа топливных насосов часто не требуется. Компоненты подаются из баков к двигателю вытеснением сжатым газом, поступающим в бак. Чтобы газ и жидкость не смешивались, их разделяют гибкой прочной мембраной. Тонкой алюминиевой, возможно, гофрированной или эластичной полимерной, из стеклоткани или гибкой углеродной матрицы с полимерной пропиткой.
Давление газа на мембрану выжимает ею топливо из бака к двигателю. Это называется вытеснительной подачей, и она хорошо работает в невесомости.

Но возникают другие проблемы: давление в баке при этой подаче должно превышать давление в камере сгорания двигателя, ведь жидкость течет только в сторону понижения давления. Сжатый газ для заполнения освобождаемого объема бака имеет свою массу, да и сам бак должен быть прочным; толщина его стенок увеличивает массу бака.

Еще нужен баллон высокого давления с толстыми стенками для хранения этого сжатого газа. С ростом размеров корабля или ступени вытеснительная подача становится все массивнее и теряет эффективность.

Дорогие геостационарные спутники

На большой высоте геостационарной орбиты очень плотное космическое население. Неподвижность в земном небе и возможность обзора трети поверхности планеты притягивают туда большие, сложные и дорогие космические аппараты. В отличие от низкоорбитальных малоразмерных «холодильников», «стиральных машин» и мелочи кубсатов геостационарные спутники становятся все больше и дороже, достигая размеров и массы автобуса. Это настоящие заводы по обработке и перекачке информации, долгоиграющие, с ощутимым периодом возврата затрат на себя, включая запуск на столь высокую орбиту. Нормой для этих аппаратов считается 15 и более лет эксплуатации. Работа таких геостационарных «автобусов» заканчивается с исчерпанием бортового запаса топлива.

Геостационарная орбита (ГСО) — лишь расчетная линия из задачи двух тел. В реальности на спутники действуют возмущающие силы тяготения Луны, планет, Солнца, и многие другие. Они проявляются, например, в отклонении орбиты от плоскости земного экватора действием притяжения Луны и Солнца на 0,85° за год. Его приходится компенсировать корректирующим разгоном аппарата за год на 45 метров в секунду. Для конструкций массой в несколько тонн это означает расход целых центнеров топлива. Его запас на 15 лет составит тонны. После их расходования останется только запас для перевода на орбиту захоронения.

Затраты на подвоз топлива, достаточного еще на десяток лет жизни большого спутника, окупились бы за два-три года, ведь сам спутник уже там, на орбиту его поднимать не нужно. Да, на огромную высоту ГСО везти груз очень дорого. Но итоговый выигрыш оправдывает затраты. Так возникает не только потребность в дозаправке, но и готовность использовать и оплачивать услуги технических систем, решающих эту задачу.

Напомним, что кроме двигателей коррекции орбиты, на борту аппарата есть и двигатели ориентации. Большую часть времени в системе стабилизации работают силовые маховики или гиродины (это не одно и то же) — вращающиеся массивные диски. Используя их, можно задавать необходимый поворот аппарата в пространстве.

Гиродины питаются электричеством солнечных батарей, но работать бесконечно не могут: они накапливают момент вращения, после которого не действуют. Им нужна разгрузка — проводимый время от времени силовой разворот корпуса реактивными двигателями ориентации, потребляющими топливо. Которое может быть проще пары основного двигателя спутника, как тот же однокомпонентный гидразин — но оно все равно должно быть.

Военные: выигрыш не в прибыли

Есть на геостационарной орбите и военные спутники; их собратья летают и еще выше. Например, аппараты инфракрасного обнаружения пусков межконтинентальных ракет SBIRS: четыре находятся на ГСО, еще четыре контейнера с инфракрасными сенсорами установлены на других военных спутниках, которые движутся по эллиптическим орбитам с высотой апогея почти 40 тысяч километров.

И те, и другие конструкции обладают массой в несколько тонн, их запуск обходится в миллиарды долларов. Продление их жизни на 5-10 лет точно стоит возни с дозаправкой.

Военные спутники могут размещаться также на средних и низких высотах. Сейчас актуальны многоуровневые системы, объединяющие и использующие разные эшелоны: и геостационарный, и средний на высоте 10-20 тысяч километров, и низкоорбитальный сегмент высотой до двух тысяч километров..
Дозаправка продлит эксплуатацию космических аппаратов на любых высотных сегментах, а значит разного назначения. Это вдыхает жизнь в проекты по заправке военных спутников.

Космические силы США USSF в январе 2024 года профинансировали в размере 25,5 миллиона долларов разработку орбитального заправщика для военных спутников. Разработчиком выступает американская компания Astroscale U.S. Согласно контракту, она должна сделать и передать для летных испытаний не позже 2026 года прототип аппарата-заправщика APS-R (Astroscale Prototype Servicer for Refueler). Он продемонстрирует перевозку и перекачку гидразина для выполнения многократных дозаправок военных и правительственных спутников США на геостационарной орбите.

Этот прототип будет небольших размеров (60х70х115 сантиметров), его масса составит всего 200 килограммов. Зато его задачи системные: согласно алгоритму работы, сначала он сам заправится гидразином от танкера, также висящего на геостационарной орбите. А затем перевезет и отдаст полученный гидразин целевому спутнику с совместимым заправочным топливным портом.

Далее заправщик возвращается к танкеру для пополнения, и снова летит уже к другому целевому спутнику, везет ему гидразин. Повторение этого цикла позволит заправлять многие геостационарные объекты с помощью всего одного перевозчика и танкера. Их количество можно увеличить, построив систему регулярной доставки топлива.

Орбитальная оперативность, оплаченная заправкой

Выигрыш космической дозаправки — не только в продлении срока работы. Топливо можно расходовать не на поддержание орбиты, а наоборот, на ее существенное изменение. Это возможность перестроения спутниковой группировки, изменения ее геометрии: размеры, форма и положение орбит в пространстве изменятся для нескольких или всех аппаратов группировки.

Масштаб изменений ограничен лишь количеством топлива. Сколько тонн нужно спутниковой системе, чтобы задать ей целевую новую конфигурацию, оптимальную для новой задачи? Чем его забросить на рабочие высоты, за сколько запусков каких транспортных систем?
Для оперативного перестроения спутниковой системы нужен расчет по баллистике — насколько перегруппировка изменит ее общую энергию. Плюс учет всех дополнительных затрат, подобных приведенным в примере ниже.

Поставим задачу: не меняя высоты и формы, повернуть орбиту геостационарного спутника в полярную. То есть повернуть ее на 90°, положить набок, проведя над полюсами. Трасса спутника на поверхности Земли превратится из точки на экваторе в огромную восьмерку от полюса до полюса, знак бесконечности, чертимый только на одном полушарии и никогда не заходящий на другое.

Наклонение меняют работой двигателя, и поворот плоскости орбиты — весьма затратный по топливу. После его расхода, опустошающего баки, мы получим ту же энергию спутника, ведь она зависит лишь от высот верхней и нижней точек орбиты и формы эллипса. В нашем случае это просто высота круговой орбиты.

Поэтому спутник на круговой полярной орбите той же высоты будет иметь ту же энергию движения, что на геостационарной. Зато топлива на такой поворот орбитальной плоскости уйдет весь бак, а то и не хватит.

Все изменения нужно обеспечить расходом компонентов, развезенных по группировке спутников. Чем больше она и ее планируемые изменения, тем больше топлива на это уйдет, ведь оно и есть энергия, подвозимая в химическом виде. Двигатели переведут ее в энергию баллистического движения. Оценив тоннаж перевозок и положение целей, заправщиков и танкеров, можно оптимизировать проведение череды дозаправок.

Это перестроение имеет характер оперативного, то есть задаваемого под отдельные целевые операции. Например, часть полярных спутников нужно перевести в солнечно-синхронные, или наоборот. Другие с круговых на эллиптические орбиты, изменив высоту и периоды обращения; у третьих повернуть орбитальные плоскости и изменить периоды прохождения над целями. Комплекс этих изменений готовится заранее развозом топлива на все необходимые маневры.

Так рождается новое свойство спутниковой группировки — оперативная пластичность. Возможность перевести систему спутников в баллистическое обеспечение новой задачи делает ее намного более эффективной — за срок своей жизни система сможет принять несколько специализированных баллистических конфигураций. Это значительно повысит эффективность орбитальной системы как оперативного ресурса.

Ключевая задача в подвозе топлива, возможность которого будет закладываться сразу при проектировании орбитальных систем. Встроенное в их состав собственное заправочное звено задаст новый тип орбитальных систем, их работы и возможностей.
Поэтому звучат мнения, что космическая отрасль находится на пороге топливной технологической революции, открывающей путь к переосмыслению методов проектирования и эксплуатации спутников. И их систем, добавим мы.

Формат орбитальной доставки, о котором мы говорили выше, можно охарактеризовать коротко: тонны высококипящего топлива, используемого сейчас на спутниках. Но сегодня возникает и другое, еще более важное направление заправки. Оно может стать ключевым в самых амбициозных космических программах. Речь о перекачке на орбите сотен тонн криогенных компонентов.

Решение этой очень непростой задачи открывает путь к большим экспедициям на Луну и Марс, линиям регулярной доставки туда масштабных грузов и экипажей, к логистическому обеспечению постоянных обитаемых баз на других небесных телах. И выполнение этих проектов идет уже сегодня.

Криогенные гиганты: сотни тонн перекачки

У медали баллистики две стороны: движение и энергия. Сохранение энергии фундаментальный закон, и расчет по нему не обманет. Изменения орбиты легко выразить в килограммах конкретного топлива. Ведь его запас на борту, как мы помним, и есть энергия для решения баллистической задачи изменения движения.

Для оценки посадки и взлета с Луны нужно понять, с каким количеством топлива начинать посадку. Его должно хватить на прилунение и подъем обратно. При полетах «Аполлонов» готовый к посадке лунный модуль на окололунной орбите содержал 10,5 тонны топлива при полной массе 15 тонн. На посадку и возврат на низкую орбиту одной тонны конструкции (хотя садилась она вся, а взлетала лишь ее часть) шло 2,3 тонны топлива.

В этих же соотношениях можно оценить посадку лунного Starship (Starship HLS, Starship Human Landing System). Его разрабатывает компания SpaceX Илона Маска по контракту с NASA как ключевой элемент доставки астронавтов на поверхность Луны в программе «Артемида». Оценка выйдет самой грубой прикидкой, при разных конструкциях и топливных парах; однако нам интересен уже сам порядок: это тонны, десятки или сотни тонн?

Сухая масса Starship 120 тонн. Добавим вагон груза, 80 тонн. Ведь Starship и разработан для запуска в космос массы пары железнодорожных вагонов. На Луну он доставляет один груженый вагон. И пустую тару отгоняет обратно на орбиту. Перегон орбитальной тары Starship с грузом на поверхность Луны и пустой обратно близок к схеме взлета лунного модуля «Аполлона». В его пропорциях для Старшипа с грузом на предпосадочной окололунной орбите 200 тонн нужно 450 тонн топлива.

Еще полсотни тонн сгорит на спуск к ней с орбиты базовой космической станции Gateway. И столько же на обратный путь к станции с низкой окололунной орбиты. С запасами на наши ошибки, оценки и всякие полетные ситуации на борту перед началом посадки нужно тонн 600-700 компонентов. Столько надо привезти для лунного посадочного модуля танкером. Так прорисовываются объемы перекачки для посадки вагона груза на поверхность Луны: и первые посадки на наш спутник будут, скорее всего, иметь эту полетную задачу.

Еще можно посчитать, сколько топлива уйдет на запуск вагона с Земли и перегон с околоземной орбиты на окололунную к станции Gateway. Станет понятно энергетическое совершенство логистики (баллистики) и технической системы, объединенных в одну заброску вагона. Перекачки здесь будет уже не много, с Земли запускают на обычной стартовой заправке. Оставим получившиеся у нас 700 тонн как объем одной перекачки и примерный объем орбитального танкера. В базовый Starship топлива входит 1200 тонн, из которых 500 понадобятся на другие этапы полета.

Заброска запасов в сотни тонн топлива в дальний космос подобна заброске продовольствия для антарктических экспедиций или кислорода для подъема на Эверест. Эти запасы подготовят штурмы дальнего космоса и Эверестов Солнечной системы.

Ключевой вопрос перекачки: чем и как?

Воплотимся на время в инженеров: вопрос стратегии ясен, а вот как осуществить эту перекачку? Как мы помним, для сотен тонн топлива вытеснительная подача с многими тоннами вытесняющего газа станет нерационально тяжелой. Значит, перекачку будем делать насосами. Их можно вращать электромоторами: расход нужен не такой большой, как для двигателей, и процесс можно растянуть на несколько часов.

Главным становится вопрос: как в невесомости подать жидкость к заборной горловине магистрали? Разгон пороховыми ракетами танкера и корабля для осаждения топлива перегрузкой изменит их орбиты. Это не всегда годится; нужны другие способы нагона топлива к горловине.

Можно связку двух кораблей слегка закрутить вокруг ее продольной или поперечной оси. Это сделают двигателями ориентации, как и остановят вращение после перекачки. Жидкость под действием центробежной силы инерции соберется к самым удаленным от оси вращения точкам бака; в них и стоит сделать заборную горловину. Закрутки хватит небольшой, ведь вращение потом не тормозится, продолжаясь практически неограниченно. Надо лишь дать минуты для оседания компонентов к горловине, и можно начинать перекачку.

Можно использовать принцип вращения иначе: закрутить жидкость в баке вдоль стенки, как вихрь. Насосы погонят струю топлива по окружности бака. А чтобы корабль не разворачивало реактивной силой в противоположном направлении, надо сделать внутри два противонаправленных вращения компонентов, обнуляющих угловые моменты движения друг друга.

Но как собрать невесомую жидкость, висящую в середине бака? Поставить на оси бака две медленно вращающихся в противоположном направлении крыльчатки с тонкими широкими лопастями. Они захватят топливо из середины бака и отправят его в периферийный водоворот. Сделав конструкцию легкой и небыстрой, снизим затраты энергии для электродвигателей системы осаждения.

Возможны и другие конструктивные схемы. Их выбор, как и организации процессов осаждения топлива к заборному отверстию, становится неафишируемым ноу-хау, патентованным способом, собственной закрытой технологией и технической системой.

Еще одну серьезную проблему представляет криогенность. Для долгого хранения сжиженных газов нужна хорошая (и неизбежно добавляющая массу) теплозащита. Другим решением в тандеме с теплозащитой станут холодильные установки — компактные и легкие, выводящие из сверхнизкотемпературного топлива собираемый им тепловой поток.
Питание обеспечит бесконечная энергия Солнца, та же, которая и нагревает баки. Комплекс мер по стабилизации криогенной температуры может быть сложноорганизованным, с надежным управлением тепловым балансом бака. И тогда криогенные компоненты можно хранить на орбите месяцы и годы без существенных потерь.

Перспективы местного топлива: криогенные вырываются вперед

Перекачка понадобится не только на околоземных орбитах, но и над Луной и Марсом, ближайшими в перспективе, но далекими в пространстве небесными телами с обитаемыми базами. Вся логистика на них и обратно будет баллистической с расходом топлива. Его выработка из местных ресурсов упростит и увеличит грузопоток, сделав освоение масштабным.

Лунный и марсианский водяной лед даст разложением воды топливную пару жидкий кислород — жидкий водород. А углекислота, твердая в тепловых ловушках на Луне и покрывающая атмосферой Марс, позволит по реакции Сабатье наработать метан, горючее второй полностью криогенной пары. Целых два местных криогенных топлива становятся кандидатами на перекачку на орбитах около своих небесных тел. И станут, возможно, первыми вывозимыми с них продуктами местного производства.

Это учитывает проект «Голубой Луны», пилотируемого лунного взлетно-посадочного средства компании Джо Безоса Blue Origin. Его три главных двигателя BE-7 работают на топливной паре жидкие кислород — водород, а сам аппарат будет курсировать между окололунной орбитальной станцией Gateway и базой на поверхности Луны. Для предотвращения выкипания криогенных компонентов планируется использовать 20-градусные (поддерживающие температуру сжижения водорода 20 кельвинов) криорегуляторы, работающие на солнечной энергии.

Для таких рейсов «Голубую Луну» хотят заправлять на окололунной орбите от транспортера Cislunar Transporter, создаваемого компанией Lockheed Martin. Он компонуется из двух частей, буксира и танкера, запускаемых с Земли на низкую околоземную орбиту, и будет тоже оснащен криорегуляторами.
Транспортер сможет доставить криогенное топливо на окололунную орбиту станции Gatewау и там перекачать на борт «Голубой Луны» для рейсов к поверхности.

При разведанных лунных запасах водного льда и мощном источнике энергии для разложения воды (например, ядерном реакторе) производство топлива на Луне не создает принципиальных сложностей. А его доставка на окололунную орбиту позволит сделать ее стартовой площадкой для больших дальних экспедиций, намного превосходящих сегодняшние.
С разработкой замерзшей углекислоты придет и черед производства на Луне метанового горючего и метан-кислородной логистики. Это дает криогенным топливам перспективу и стратегический приоритет в вопросе перекачки в космосе.

Очередная космическая гонка

Так задача заправки спутников развивается в несколько направлений: доставка тонн высококипящего топлива на околоземные спутники и перекачка сотен тонн криогенных компонентов. Третьим будет доставка рабочего тела для ядерных ракетных двигателей. Энергия здесь находится сразу в двигателе, а не в подвозимом разгонным материале. Но именно он переводит тепло реактора в движение аппарата. И дозаправка рабочим телом расширит потенциал и оперативный простор кораблей на ядерной тяге.

Штурм задач перекачки топлива на орбите с нескольких сторон, в разных объемах и типах топлив и разными игроками говорит о том, что ее время пришло, необходимость назрела. Возникающие проекты уже видны в общих чертах. А вот детали перекачки игроки обнародовать не спешат. Подробности выбранных схем, характеристики технических устройств перекачки, параметры процесса, иные подробности пока не выходят в открытое информационное пространство.

Это проявление новой космической гонки — кто владеет перекачкой топлива на орбите, тот намного эффективнее в космосе. И эта гонка космической заправки взаимосвязана с другими: лунной гонкой № 2, гонкой многоразовости и гонкой сверхтяжелых ракетных систем. Сегодня мало сомнений, что она даст мощный импульс развитию практической космонавтики.