О возможном подходе к сборке модуля ТЭМ на орбите роботизированным комплексом

Космическая робототехника: Орбитальный сервис ядерного модуля ТЭМ

20/05/2020г

Дубин А.Е., Рахманов Е.В.

21-й век получил в наследство от 20-го большой арсенал ракетно-технических средств и новых знаний о космосе. Человечество включило космос в сферу своей деятельности.  21-й век подошел осмыслению новых идей, реализация которых может реально продвинуть новый век к  более широкому освоению космического пространства.

В настоящее время совершается переход к новому этапу этой работы, который характеризуется переходом от, так сказать, экспериментально-разведывательной деятельности, к практическому освоению околоземного космического пространства, от военно-престижных целей к хозяйственным, практическим, полезным и коммерческим проектам. При этом увеличивается количество, качество, сложность и разнообразие КА, как в гражданской, так и в военной сфере. Производятся работы по созданию КА для продления «жизни» на орбитах для сложных и дорогих спутников Земли. Примером служит недавняя успешная операция по реанимированию телекоммуникационного спутника Intelsat 901 с помощью аппарата MEV-1 разработанного компанией Northrop Grumman, которая после такого успеха расширяет работы в направлении сервиса на орбите.

Гораздо более широкие возможности, в том числе и в коммерческом плане, сулят проекты, требующие создания на орбите сложных, крупногабаритных и массивных конструкций, таких, например, как обитаемые космические станции, тяжелые межпланетные корабли и/или, как атомные энергетические объекты.

«Сборка и запуск межпланетного пилотируемого комплекса для полета на Луну и Марс должен осуществляться на околоземной орбите.» Говорил, выступая на 55-м  международном конгрессе по астронавтике в Вануквере еще в 2004 году (Приложение 1), тогдашний глава Роскосмоса Анатолий Перминов. «Уже сейчас очевидно, что интеграция и старт межпланетного пилотируемого комплекса должны осуществляться на околоземной орбите. Это потребует создания сборочной платформы и эффективной системы транспортно-технического обеспечения проводимых сборочных операций», заявил Анатолий Перминов.

Осуществление подобной задачи потребовало бы большого объема совершенно новых исследовательских, проектных и конструкторских работ и, возможно, с объединением  усилий всех стран «космического клуба» по примеру создания МКС. Но и некоторые вопросы, на основе более чем полувекового опыта стали ясны. Так, стало совершенно понятно, что такой комплекс должен быть оснащен развитыми робототехническими системами. Еще в прошлом веке известный авторитет ученый-космонавт Константин Феоктистов высказал высказал мысль о необходимости сделать ставку на космических роботов,  так как возможности человека в такой враждебной человеку космической среде весьма ограничены.

Атомный энергетический модуль ТЭМ

Пожалуй, одними из наиболее перспективных применений орбитального сборочного комплекса, является сборка и обслуживание ядерных энергетических установок. Проекты космических ядерных установок неоднократно рассматривались ведущими космическими странами. Наиболее продвинутым в этом направлении является проект, создаваемого в РФ транспортного энергетического модуля (ТЭМ) для обеспечения энергией миссий различного назначения (Приложение 2).

Транспортно-энергетический модуль ТЭМ, это разработка, которая может существенно продвинуть вперед возможности освоения околоземного пространства и обеспечить полеты к более дальним объектам солнечной системы (Приложение 2).

Модуль оснащен высокотемпературным газоохлаждаемым реактором тепловой мощностью 4 МВт. Электроэнергия будет генерироваться двухконтурным турбомашинным преобразователем на основе газодинамического цикла Брайтона, электрической мощностью в 1 МВт. Он же будет выполнять функцию компрессора теплоносителя. (Рисунок 1)

Варианты применения ТЭМ весьма обширны. Он может использоваться как орбитальный буксир для доставки спутников с низкой орбиты на геостационарную или любую другую. Это позволит уменьшить стоимость запуска спутников связи и других аппаратов, использующих химическое топливо.

Применение ТЭМ в КА для дистанционного зондирования Земли и исследования космоса могли бы работать гораздо более длительное время, чем существующие КА.

Актуально использование таких ТЭМ в интересах решения задач радиоэлектронной борьбы (РЭБ) в космосе и из космоса, требующих высоких уровней мощности передатчиков помех, а, следовательно, и достаточно мощной бортовой энергетики. Наибольшие ожидания связаны, конечно же, с межпланетными рейсами. Открываются реальные перспективы освоения Луны. Стоимость отправки грузов на Луну на ядерном буксире, по сравнению с традиционными ракетами, по предварительным расчетам, уменьшится в два раза. В этом случае, транспортно-энергетический модуль будет оснащаться электроракетными двигателями большой мощности. Двигатели будут размещаться на четырех штангах, по шесть двигателей на каждой. Дополнительно будет установлено восемь двигателей меньшей мощности, для корректировки курса.

Рабочим телом в двигателях будет ксенон, но рассматриваются и альтернативные варианты с использованием лития и натрия.

Расчетное время работы ТЭМ составляет 10 лет. Запускаться он будет с помощью ракет-носителей семейства «Ангара 5». Предполагается, что при запуске модуль будет находиться в сложенном виде под головным обтекателем ракеты-носителя, а на орбите трансформироваться в рабочее положение.

Станет возможен беспилотный, а затем и пилотируемый полет на Марс, полеты к астероидам и другим планетам. Транспортно-энергетический модуль дает 20-кратное увеличение экономической эффективности и 10-кратное увеличение электрической мощности на космическом корабле.

В своем докладе на Королевских чтениях в 2020 году (XLIV академические чтения по космонавтике  первый заместитель гендиректора Роскосмоса Юрий Урличич, летные испытания модуля ТЭМ намечены на 2030 год. Сроки сдвинуты, как и по другим проектам. Первый полет ТЭМ должен был состояться намного раньше. Однако работы над проектом продолжаются, и предстоит решить еще множество серьезных технических проблем и одна из труднейших, это способ доставки его на орбиту, так как массогабаритные характеристики ТЭМ даже в предполагаемом сложенном положении весьма не просто совместить даже с возможностями модернизированного варианта «Ангара-5М».

В 1970-е гг. СССР и США вели параллельную разработку реакторов, однако к настоящему времени  в этой отрасли по совокупности решенных и проверенных технических решений безусловным лидером является  Россия.

В США Наиболее известен проект Kilopower (также KRUSTY — Kilopower Reactor Using Stirling Technology^[1]) — проект НАСА по созданию ядерного реактора для космических аппаратов. Наземный ядерный реактор, предназначенный для работы на поверхности Луны и Марса.Проект Kilopower был начат в октябре 2015 года. Реакторы должны иметь разную мощность — от 1 до 10 кВт и производить электроэнергию в течение 10 лет и более. Особенностью устройства является его способность повышать или понижать свою мощность и таким образом вырабатывать большие количества энергии, в отличие от РИТЭГов.

В Европейском Союзе они пока находятся в начальной стадии. Страны ЕС только разрабатывают «дорожную карту» подобного проекта. Вполне вероятно работают над этой темой и в Китае.

.

Проблемы доставки ТЭМ на орбиту

Модуль ТЭМ, можно сказать, классический образец крупногабаритной конструкции, которую необходимо развернуть на околоземной орбите. На рисунке ниже приведена концепиция одиного из последних вариантов облика ТЭМ.

Макет космического ядерного буксира. ТЭМ на МАКС-2019.

Эта конструкция предполагает вариант телескопического развертывания основной фермы и панелей радиаторов, выведенного на орбиту ТЭМ. Невооруженным глазом видно, как будет сложно с выводом и развертыванием такой конструкции на орбите спутника Земли. И трудности предстоят здесь огромные. Последние конструкторские проработки, показывают, что габариты и массы ТЭМ, превышают возможности существующих средств доставки, и с трудом удовлетворяют возможностям перспективных носителей, к каковым относится тяжелые ракеты носители семейства Ангара А5 (в модификации «Ангара-А5В») с возможностями выводить до 37 тонн полезной нагрузки на низкую опорную орбиту. Так, по расчетам, масса всей развернутой конструкции ТЭМ может превысить 20 тонн, а длину 50 м. Конструкторы пытаются решить проблему за счет создания складной конструкции, вписывающейся в возможности ракеты «Ангара-5М». Необходимо разработать и создать не только, как можно  более легкую конструкцию, которая должна вписаться в нужные габариты, но и супернадежные телескопические ферменные механизмы. Особенно большие трудности вызывает поиск конструктивных решений и разработка надежных раздвигающихся трубопроводных магистралей при развертывании ТЭМ из транспортного положения в рабочее.

Не менее технически трудной задачей будет обеспечение запуска в эксплуатацию на орбите сложнейшего комплекса блоков, узлов, механизмов и систем различного назначения в условиях радиационной опасности, когда любой отказ может привести к выходу из строя всего ТЭМ, а в худшем случае, и к катастрофе очень серьезного масштаба. Возможно, что в процессе дальнейших исследований будет рассмотрена и двух-трех пусковая схема доставки отдельных узлов и модулей ТЭМ на орбиту, с последующей их сборкой и запуском в условиях космического пространства. Тогда, в принципе, могли бы быть использованы и существующие ракеты носители. Достаточно сказать, что вместе с ядерным реактором, AC/DC и DC/DC преобразователями, буферными аккумуляторами, дополнительными системами охлаждения оборудования, масса энергоблока должна была составить около 6800 килограмм.

И конечно, вопросы безопасности. Как безопасно обеспечить запуск ТЭМ в работу? Как проводить обследование состояния ТЭМ в процессе эксплуатации? Как производить сервисные операции, ремонты, ликвидации возможных последствий отказов? Никто не хочет допустить «космический Чернобыль». Совершенно очевидно, что без робототехнических средств, как дистанционно-управляемых, так и автоматических обойтись будет невозможно!

Проблемы сборки, обслуживания, ремонта и защиты ТЭМ

Роботизированная сборка ТЭМ и роботизация его дальнейшей эксплуатации (невесомость и глубокий вакуум), способна значительно облегчить все необходимые операции и уменьшить риски для людей, которые будут задействованы на этих операциях.

Вопросы, связанные с вводом ТЭМ в эксплуатацию, эксплуатационным обслуживанием, ремонтом, и защитой от различных угроз, пока не рассматривается совсем. Это понятно, так как все усилия разработчиков направлены на решение принципиальных проблем по его созданию и запуску на орбиту. Однако эти вопросы неизбежно встанут перед разработчиками и не в такой уж далекой перспективе. Особенно если ТЭМ должен будет обеспечивать интересы и военного космоса.

На орбите придется заниматься операциями, связанными с проверкой и настройкой сложной аппаратуры, регулярным обследованием, диагностикой отказов и, при необходимости, осуществлять ремонты, и ряд других необходимых операций в процессе длительного срока эксплуатации ТЭМ. И все это в условиях высокого радиационного излучения.

Кроме того, не приходится сомневаться, что при появлении ТЭМ на орбите, неизбежно встанет вопрос о создании средств, обеспечивающих и защиту его от всевозможных угроз.

Под руководством министерства обороны США разрабатывается стратегия по нескольким направлениям способов защиты спутников-разведчиков и военных спутников от нападения. Не секрет, что частью этой стратегии является разработка более продуманной политики в области наступательной тактики в космосе.

Все эти проблемы потребуют своего решения.

Кажется вполне очевидным, что для обеспечения всех перечисленных выше задач потребует создания на орбите станции, оснащенной комплексом роботизированных сборочно-сервисно-защитных средств,  исключающих необходимость работы человека в опасных зонах.

Конечно, создание такого роботизированного комплекса на орбите, это весьма сложная и затратная затея, однако, видится, совершенно необходимой. К тому же перспективы, которые открывает технология орбитального сервисного комплекса просто огромны.

По-видимому, для обеспечения обследования и возможных ремонтов в зоне работы ядерного реактора ТЭМ и в процессе полета, дистанционно-управляемые и автоматические  робототехнические средства понадобятся и на его борту.

Требования к  облику орбитального сервисно-сборочного и ремонтного комплекса (ОССРК) для сборки и обслуживания ТЭМ.

Для того, чтобы реализовать все функции, необходимые для сборки конструкции ТЭМ, его сервисного обслуживания, ремонта и других необходимых операций, необходимо, чтобы ОССРК был оснащен комплексами дистанционно-управляемого и автоматическое технологического оборудования, включая:

• Узлы кооперации в зоне сборочно-монтажных и ремонтных работ для стыковки в автоматическом режиме к ОССК.

• Площадка для приема и «складирования» узлов и элементов собираемой конструкции после доставки их на орбиту;
• Технические средства для перемещения элементов собираемой конструкции к месту сборки, развертывание (при необходимости) и приведение их в положение для захвата сборочным манипулятором;
• Дистанционно-управляемый манипулятор, осуществляющий захват, установку и закрепление элементов собираемой конструкции на рабочее место;

• Технические средства (обзорный манипулятор, свободно летающие инспекционные роботы) для выполнения инспекционного контроля качества выполнения каждой операции;
• Рабочие места и пульты управления для космонавтов-операторов сборочного комплекса
• Технические средства, обеспечивающие возможности для перемещения космонавтов-монтажников на внешней поверхности отдельных блоков, модулей монтируемого ТЭМ в открытом космосе с использованием манипуляторов ОССК и других вспомогательных технологических средств.
• Дистанционно-управляемые механизмы для удержания, управления положением и ориентацией собираемой конструкции;
• Технические средства для заправки ТЭМ необходимыми компонентами и снабжением электропитанием;
• Технические средства комплексного контроля  и предпусковой подготовки систем ТЭМ;
• Робототехнические средства для техобслуживания и поузлового ремонта, замены сменных блоков и агрегатов собранного ТЭМ в условиях радиационной опасности.

Пуск ТЭМ в работу, очевидно, это отдельная операция, которую следует производить в любом случае, приняв максимально возможные меры безопасности. Не менее важно обеспечивать безопасность выполнения сервисных операций и, похоже, что единственным вариантом здесь является использование дистанционно управляемых и автономных робототехнических комплексов.

О системах управления робототехники сборочного комплекса.

Пульт Canadarm2. Фото из открытых источников.

Как мы видим, за довольно уже длительный период выполнения различных космических проектов, накоплен довольно большой и успешный опыт использования робототехнических систем в космосе, который однозначно показывает возможность создания роботизированного комплекса для сборки ядерного модуля ТЭМ. Тем не менее, чтобы обеспечить сборочный процесс, необходимо будет создавать робототехническую технику с совершенно новыми, расширенными, возможностями, работающую, так сказать, коллективно.

Особые требования возникают к системам управления  сборочным манипулятором, манипулятором обзора и контроля и средств перемещения и ориентирования конструкции в процессе сборки.

Главной технической задачей станет создание стапеля, в котором должна производиться сборка ТЭМ, предположительно, должен включать в себя два обитаемых модуля жестко соединенных между собой и охватывающих собираемую конструкцию образуя сборочное пространство. (На рисунках 7,8 приведены схематические эскизы операций по сборке ТЭМ.). Внутри модулей располагаются посты операторов управления ДУМ, которые установлены на этих модулях. Один из манипуляторов осуществляет захват элементов ТЭМ, подготовленных для сборки и установку их на место. Второй – обеспечивает вспомогательные функции.

Основные требования к такому стапелю:

1. Собираемая конструкция должна удерживаться специальными ориентирующими механизмами, дистанционно-управляемыми одним из операторов.
2. Захват деталей для сборки должен производиться из определенных положений относительно сборочного манипулятора. Поэтому к сборочному пространству непосредственно должны прилегать роботизированные устройства для предварительного перемещения и позиционирования собираемых элементов ТЭМ.
3. Необходимо обеспечить контроль производимой сборки. Для этого предусмотрен второй манипулятор, который оснащен специальным комплексом контрольно-диагностических средств.
4. Конструкции собираемых элементов ТЭМ необходимо будет оптимизировать по размерам и массам.
5. Необходимо предусматривать максимальную простоту и надежность соединительных, стыковочных устройств, а также возможность постоянного контроля и диагностики каждой операции сборочного процесса на каждом этапе сборки, а также в процессе комплексной проверки.
6. Система управления сборочного манипулятора должна включать в себя (в самом общем виде на рисунке):

Основные блоки пульта управления сборочным манипулятором

• Средства, управления, как в дистанционных режимах, так и в автоматических;
• Средства обратной связи, включая аппаратуру объемного технического зрения и дополненной реальности для оператора;
• Средства текущего автоматического контроля правильности и качества сборки;
• Средства отображения текущей информации для оператора;
• Средства контроля и предупреждения опасных ситуаций в процессе выполнения сборочных операций;
• Программные средства управления, включающие автоматизацию отдельных операций или всего сборочного процесса, обеспечивающие высокую точность выполнения сборочных операций;
• Блоки управления приводами сборочного манипулятора, кинематика и количество степеней подвижности которого, должны быть определены в процессе проектирования всего технологического процесса сборки;
• Система управления сборочного манипулятора должна многорежимной, обеспечивая работу с свободно перемещаемыми грузами, частично связанными и связанными нагрузками;
• Система управления сборочным манипулятором должна учитывать эффекты, возникающие при работе в условиях микрогравитации с массивными и нежесткими конструкциями. (В приложении 9 приведено одно из исследований, в котором рассматриваются проблемы управления группами робототехнических систем, работающих с нежесткими конструкциями на орбите. Отметим, что подобные исследования ранее проводились и специалистами в МГТУ им. Н.Э. Баумана.)
• Необходимо оптимизировать взаимное влияние работы манипулятора и системы стабилизации платформы, на которой он установлен.

После выполнения всего комплекса сборочных и предпусковых работ дальнейшая работа по осуществлению пуска должна выполнятьсясогласно назначению и технологическим особенностям ТЭМ на орбите в дистанционном режиме, обеспечивающем безопасность команды космонавтов-монтажников.

Некоторые выводы

1. Ограничения, связанные с массо-габаритными характеристиками выводимых на орбиту полезных нагрузок, современных и перспективных ракет-носителей, существенно затрудняют или делают невозможными многие эффективные конструкторские решения возможные или даже необходимые при создании ТЭМ.
2. Применение сборки на орбите позволит существенно уменьшить размеры и массы выводимых в космос модулей, блоков, панелей и ферменных элементов и других конструкций ТЭМ.
3. Появится возможность предварительной проверки и, при необходимости замены, всех узлов и систем ТЭМ перед запуском в работу непосредственно на орбите.
4. Появится возможность организации сервисного обслуживания и ремонта ТЭМ непосредственно на орбите в процессе длительной эксплуатации. Это должно существенно повысить надежность, увеличить сроки эксплуатации, а также улучшить эксплуатационные качества ТЭМ.
5. Существующие наработки и опыт проведения сборочных операций в космосе позволяют представить облик и характеристики основных элементов ОССК для сборки ТЭМ.
6. Технические решения, разработанные и проверенные при создании ОССК для сборки модуля ТЭМ на орбите, позволят использовать их и при создании других крупных КА, необходимых для решения задач на орбите спутника Земли.
7. Появятся коллективы специалистов, способных решать технические задачи по разработке и освоению техники для осуществления сборочных и сервисных операций  крупных КА на орбите спутника Земли.

Приложение 1. Перминов: сборка и запуск космического корабля для полетов на Луну и к Марсу должны осуществляться на околоземной орбите.

Приложение 2. Атомные энергетические модули.

Ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса. Wikipedia

Транспортно-энергетический модуль ТЭМ.  Wikipedia

Приложение 3. Роботы Canadarm следующего поколения будут ремонтировать и заправлять спутники на околоземной орбите

Приложение 4. Европейский манипулятор ERA

Приложение 5. Кибо (модуль МКС)

Приложение 6. Трансформируемые крупногабаритные конструкции перспективных пилотируемых комплексов

Приложение 7. Ферменные конструкции космических аппаратов

Приложение 8. “Made in Space”. Роботизированное производство и сборка в космосе

Приложение 9. The Coordinated Control of Space Robot Teams for the On-Orbit Construction of Large Flexible Space Structures

Приложение 10: Робот по ремонту спутников

DARPA разработала концепт космического аппарата для ремонта спутников

Робот-паук для работы в открытом космосе