NASA + Ракета-носитель

После запуска JWST требуется две недели на крупномасштабное развертывание солнцезащитного экрана и телескопа — процесс с множеством потенциальных отказов. Предоставлено: NASA GSFC / CIL / Адриана Манрике Гутьеррес

ВАШИНГТОН. Грядущий запуск космического телескопа «Джеймса Уэбба» волнует и восхищает астрономов, но этот запуск знаменует только начало самой рискованной части миссии.

NASA и другие партнеры миссии заявили 22 декабря, что они изменили график запуска на 25 декабря JWST на Ariane 5 из Французской Гвианы после того, как 21 декабря из-за погодных условий произошел однодневный перенос.

Старт запланирован на 7:20 и 7:52 утра по восточному времени 25 декабря. Если все пойдет по плану, JWST отделится от верхней ступени ракеты через 27 минут после старта.

Хотя запуск обычно является самой рискованной частью полета космического корабля, он бледнеет по сравнению с тем, что предстоит испытать JWST. В то время как космический аппарат стартует на ракете, которая находится в эксплуатации более двух десятилетий, с ее последним катастрофическим отказом при запуске в 2002 году, JWST должна будет завершить серию первых в своем роде сложнейших развертываний и маневров после отделения от верхней ступени ракеты.

Первое развертывание происходит через 33 минуты после старта, когда разворачиваются солнечные батареи. За этим последует первая коррекция в середине курса, названная MCC-1a, которая состоится через 12,5 часов после старта.

Эти два события являются наиболее чувствительными ко времени для космического корабля, сказал Грег Робинсон, директор программы JWST в штаб-квартире NASA, во время разговора с журналистами 21 декабря. «Все остальное относительно гибкое по срокам, но на этих операциях планируем конкретные сроки», — сказал он.

Номинальный предварительный график предусматривает начало развертывания солнцезащитного экрана через три дня после запуска. Два поддона по бокам космического аппарата будут опускаться вниз со сложенным в них элементами солнцезащитного экрана. Два дня спустя откроются крышки, закрывающие материал солнцезащитного экрана, а через день произойдет развертывание двух штанг для развертывания солнцезащитного экрана до его полных размеров. Пять слоев Kapton с алюминиевым покрытием для солнцезащитного экрана натягиваются до рабочего состояния в течение следующих двух дней, завершая развертывание солнцезащитного экрана через восемь дней после запуска.

Развертывание зеркала телескопа начинается через 10 дней после старта, когда штатив, удерживающий небольшое вторичное зеркало, выдвигается на рабочее место. Два крыла, каждое из которых удерживает три из 18 сегментов главного зеркала, затем фиксируются на месте, завершая развертывание телескопа через 13 дней после запуска.

Впереди месяцы работы по выравниванию зеркал телескопа и пуско-наладке инструментов по мере их охлаждения до рабочих температур — процесс, который завершится не раньше, чем через шесть месяцев после запуска. Маневр через 29 дней после запуска выведет JWST на свою последнюю гало-орбиту вокруг точки Лагранжа Земля-Солнце L-2, в 1,5 миллиона километров от Земли.

Однако эти первоначальные развертывания являются одними из самых важных и самых рискованных. На ноябрьском брифинге Майк Мензел, ведущий системный инженер JWST в Центре космических полетов имени Годдарда NASA, сказал, что в космическом корабле (по анализу конструкции) возможны 344 одноточечных мест отказа, 80% из которых связаны с механизмами развертывания. «Когда у вас есть такой механизм, трудно обеспечить его полную избыточность», — сказал он.

«Солнцезащитный экран, например, включает в себя 140 спусковых механизмов, 70 шарнирных узлов, восемь двигателей развертывания, около 400 шкивов и 90 тросов, общая длина которых составляет 400 метров», — сказала Кристал Пуга, системный инженер JWST в Northrop Grumman, во время того ноябрьского брифинга.

«Я думаю о развертывании солнцезащитного экрана аналогично машине Руба Голдберга, поскольку он использует серию реакций, которые работают последовательно, вызывая одно событие за другим, пока не будет полностью развернут весь солнцезащитный экран», — сказала она, но добавила, что уверена в правильности работы.

«В течение нескольких лет мы проводили тестирование нескольких развертываний как на малых, так и на полноразмерных моделях», — сказала она. «Это вселяет в нас уверенность в том, что Webb будет успешно развернут».

«То, на чем мы сосредоточились при развертывании, — это определенно солнцезащитный экран, — сказал Мензель. «Солнцезащитный экран — одна из тех вещей, которые по своей природе почти недетерминированы».

Если что-то пойдет не так во время процесса развертывания, существуют различные планы действий на случай непредвиденных обстоятельств, чтобы попытаться исправить проблему. Альфонсо Стюарт, руководитель систем развертывания JWST в Goddard, сказал, что простейшие исправления включают повторную отправку команд развертывания и проверку телеметрии на наличие ошибочных сигналов.

По его словам, более сложные шаги включают в себя «шимми», когда космический корабль раскачивают вперед и назад, или «вращение», чтобы вращать космический корабль на одной оси, чтобы высвободить застрявший элемент. Еще одна процедура, получившая название «огонь и лед», — переориентировать космический корабль, чтобы солнечный свет попадал в определенные области для нагрева компонентов. «Это конкретное мероприятие, это непредвиденное обстоятельство, вероятно, является последним шагом», — сказал он. «У нас довольно много альтернативных непредвиденных обстоятельств в системе».

Если проблема с развертыванием не может быть решена, это не обязательно означает конец миссии. «Не думаю, что я бы в день, если бы половина из них не развернулась, у нас не было бы проблем. Они, конечно, будут, — сказал Мензель о солнцезащитном козырьке. «Если бы его части развернулись не так, как мы хотели, это во многом зависело бы от того, где было рассогласование».

У телескопа есть «криогенные поля», которые могут устранить некоторые проблемы с развертыванием солнцезащитного козырька. «У нас могут быть неизвестные тепловые нагрузки, например, та, которая может возникнуть из-за соприкосновения слоев [солнцезащитного экрана]», — сказал он, особенно если этот контракт был локализован в одной области солнцезащитного экрана.

Билл Окс, менеджер проекта JWST в Goddard, сказал, что команды готовы к любому количеству потенциальных проблем во время развертывания. «Мы не говорим о том, что будем делать, если потерпим неудачу. Мы говорим о том, как мы исправляем проблемы, которые видим на орбите, и как двигаться дальше», — сказал он.

Хотя установка солнцезащитного козырька и телескопа — одни из самых рискованных этапов полета, он сказал, что не будет расслабляться после того, как они будут выполнены. «Как руководитель проекта, я не вздохну с облегчением, пока мы не объявим, что мы работаем через 180 дней после запуска».

Первоисточник:

Илон Маск сказал, что первый орбитальный запуск Starship может состояться уже в январе, если FAA завершит экологическую экспертизу и выдаст лицензию на запуск к концу этого года. Предоставлено: SpaceX

Возможно, Илон Маск решил, что настало время и National Academies понадобился X-фактор. Когда основателю и исполнительному директору SpaceX пришло время выступить на виртуальном заседании Space Studies Board и Board on Physics and Astronomy 17 ноября, он появился на экране со своим младшим сыном "X" (сокращенно от X AE A -XII), сидящим у него на коленях. Маск не пояснил, почему его сын был с ним, сразу же запустив видео о космическом корабле SpaceX.

Появление «Икса» было кратким — малыша унесли через несколько минут — но он очаровал тысячи людей, которые настроились посмотреть. («Автомобиль! Автомобиль?» - сказал он, когда появилась фотография корабля Starship, выкатывающегося на площадку. «Это ракета на большой машине», — сказал Маск.) Даже самый богатый человек в мире должен совмещать работу и семью на сеанса Zoom.

Независимо от того, играл ли «X» какую-либо роль, Маск получил положительный отклик в двух комитетах. Планируемая получасовая презентация Starship растянулась на более чем час, пока ученые и инженеры на засыпали его вопросами, начиная от технических деталей конструкции Starship и заканчивая почти философскими вопросами об угрозах, стоящих перед человечеством. Он провел 10 минут в одиночестве, отвечая на один вопрос об использовании нержавеющей стали в конструкции Starship: «Очевидно, вы можете сказать, что я большой поклонник нержавеющей стали».

Отсутствие резко критических вопросов о Starship или SpaceX предполагает, что Маск победил комитеты. У SpaceX есть легионы поклонников по всему миру, которые приветствуют каждую незначительную разработку компании. И все же время от времени может показаться, что SpaceX хочет весь для себя, поскольку компания расширяется свое присутствие от ракет-носителей до спутниковой широкополосной связи и лунных посадочных устройств.

Конкуренция в развитии

Масштабы конкуренции SpaceX выросли вместе с ее амбициями. Когда компания начала свою деятельность почти 20 лет назад, она сосредоточилась на небольших запусках, противопоставив Falcon 1 другим разработчикам малых ракет-носителей, в том числе российским компаниям, занимающимся маркетингом переделанных межконтинентальных баллистических ракет.

Среднегабаритный Falcon 9 был нацелен на крупных коммерческих и государственных заказчиков, что толкнуло SpaceX в яростную конкуренцию с United Launch Alliance за государственный бюджет США и Arianespace за коммерческие контракты.

Сегодня сложно представить запускающую компанию, которая не считала бы себя конкурентом SpaceX. Даже представители индустрии малых ракет-носителей настороженно следят за SpaceX: хотя SpaceX давно отказалась от Falcon 1, ее сервисы совместного запуска на Falcon 9 предлагают для небольших спутников гораздо более низкие цены для выхода на орбиту, чем специальные небольшие ракеты-носители. Теперь этим компаниям необходимо объяснить, как их ракеты, более дорогие, чем услуги совместного запуска SpaceX, могут предложить качество обслуживания, которое оправдывает более высокую цену.

Ранее использованная ступень Falcon 9 садится на морскую посадочную платформу после запуска спутника GPS 3. Предоставлено: SpaceX.

Переход SpaceX к спутниковой широкополосной связи со Starlink открыл второй фронт глобальной конкуренции. Теперь он конкурирует с операторами традиционных геостационарных спутников и такими компаниями, как Amazon, OneWeb и Telesat, создающих конкурирующие спутниковые группировки. Хотя эти системы все еще находятся в разработке, конкуренция разыгралась в подаче заявок в Федеральную комиссию по связи США, где конкуренты Starlink часто громогласно пытались заблокировать попытки SpaceX изменить свою лицензию, при этом SpaceX противодействовала с такой же энергией и напором.

Эта конкуренция создает острые конфликты для компаний, которые могли бы быть открыты для ведения бизнеса со SpaceX в качестве пусковой компании, если бы это не означало поддержки компании, развивающей конкурирующую группировку. SpaceX, по крайней мере публично, заявляет, что у нее нет проблем с запуском спутников для конкурентов Starlink.

Но на данный момент эти компании нашли альтернативы, которые, вероятно, будут стоить дороже, чем Falcon 9. OneWeb использует ракеты «Союз» для запуска своей группировки, в то время как Amazon Project Kuiper начнет развертывание своих спутников с использованием некоторых из последних ракет Atlas 5 от ULA перед тем она уйдет на пенсию после замены на Vulcan Centaur.

Выбор NASA космического корабля SpaceX в качестве основы для посадочного модуля, который доставит астронавтов Artemis на Луну, создал еще одну арену для соревнований. И Blue Origin, и Dynetics подали протесты в Счетную палату правительства США, когда NASA выбрало SpaceX (и только SpaceX) для программы Human Landing System (HLS). GAO отклонило оба протеста.

Затем Blue Origin подала иск в Федеральный суд по искам. Представитель Blue Origin сказал, что отношение NASA к проверкам готовности к полету SpaceX, ключевому пункту разногласий в костюме, представляет «серьезные проблемы безопасности» и ставит его в невыгодное положение.

Суд отклонил иск 4 ноября, придя к выводу, что Blue Origin не имеет права участвовать в этом проекте, и если бы и имела, проиграла бы по существу. Blue Origin признала это решение, и SpaceX, наконец, смогла начать работу с HLS с NASA.

Враг некоторых людей

Не только другие компании борются со SpaceX. Когда SpaceX запустила свою первую партию спутников Starlink в мае 2019 года, астрономы были поражены тем, насколько яркой цепочкой спутников появилась в ночном небе. Поскольку SpaceX планирует выведение на орбиту десятков тысяч спутников, компания вскоре стала «главным врагом №1» для астрономов, которые опасаются, что спутники помешают их исследованиям.

Спустя два года и 1 800 спутников многие астрономы все еще жалуются на Starlink, но другие признают, что компания предприняла некоторые шаги для смягчения проблемы, внося изменения в свои спутники, чтобы уменьшить отражаемый ими свет. Это не решило полностью проблему, особенно для чувствительных инструментов в больших обсерваториях, но не позволило проблеме усугубиться.

Астрономы приветствовали готовность SpaceX к сотрудничеству. «SpaceX стала образцом для подражания для других компаний», разрабатывающих созвездия, — сказала Конни Уокер из National Science Foundation’s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory, одного из лидеров в исследованиях влияния спутниковых группировок на астрономию.

В Техасе планы SpaceX по запуску своего Starship из местечка Бока-Чика наталкиваются на сопротивление жителей. Экологов беспокоит влияние запусков и аварий прототипов на исчезающие виды и другую дикую природу вдоль побережья Мексиканского залива. Они выразили свою обеспокоенность на двух открытых встречах в октябре, проведенных Federal Aviation Administration по поводу экологической оценки планов запуска SpaceX там, и призвали к более строгому контролю воздействия на окружающую среду.

«Ставки просто слишком высоки, чтобы не вкладывать средства в тщательную EIS», — сказала Шэрон Уилкокс, старший представитель одной из экологических групп «Защитники дикой природы» в Техасе, на одном из общественных собраний.

Инвестиции SpaceX в регион также вызвали противодействие со стороны жителей, которые опасаются, что компания увеличивает стоимость жилья и меняет характер сообщества. «SpaceX — это просто что-то прямо разрушительное и еще один пример колонизации нашего сообщества, который нам просто не нужен», — сказала одна активистка, Ребекка Хинохоса.

Тем не менее, в этих публичных слушаниях приняли участие многие люди, как местные, так и участники со всей страны, воспевающие SpaceX и призывающие FAA разрешить компании приступить к орбитальным запускам Starship. В середине ноября FAA заявило, что планирует завершить экологическую оценку к концу года. Маск на заседании Национальных Академий сказал, что рассчитывает получить в это время лицензию FAA на запуск и быть готовым к орбитальным запускам уже в январе.

«Они плохо играют с другими»

Крупные аэрокосмические компании с широким ассортиментом продукции нередко сталкиваются со многими потенциальными конкурентами и другими критиками. Но почему со SpaceX все по-другому?

Одна из причин заключается в том, что SpaceX часто работает в одиночку над крупными проектами, а не сотрудничает с другими компаниями. «Они не очень хорошо ладят с другими», — сказал один из представителей отрасли. Это следствие решения компании действовать быстро и самостоятельно, что перевешивает любые преимущества объединения усилий с другими.

В аэрокосмической отрасли обычна гибкая смена партнеров: две компании могут быть конкурентами по одной программе, но партнерами по другой. Например, для программы HLS НАСА Blue Origin сотрудничала с Lockheed Martin и Northrop Grumman. В то же время Dynetics возглавила другую команду, в партнеры которой входило космическое подразделение Sierra Nevada Corp., которое теперь называется Sierra Space. Но в рамках усилий агентства по разработке коммерческих космических станций Blue Origin пошла с Boeing и Sierra Space, в то время как Northrop и Dynetics работали над отдельной концепцией, а Lockheed обратился к Nanoracks и ее корпоративной материнской компании Voyager Space за третьим предложением.

SpaceX, напротив, пошла в одиночку на конкурс HLS и победила. Компания не сообщила, подала ли она заявку на участие в программе NASA по коммерческой космической станции, хотя только команды Blue Origin, Lockheed и Northrop выиграли 415 миллионов долларов в качестве присужденных контрактов, о которых NASA объявило 2 декабря.

Однако сложно критиковать самостоятельный подход SpaceX, учитывая успехи компании. Falcon 9 с многоразовой первой ступенью запускается чаще, чем любая другая ракета: 26 раз в 2020 году и 27 раз до начала декабря 2021 года. SpaceX запускает не только чаще, чем любая другая компания, но и опережает все страны, кроме Китая. Starlink запущен и работает, обслуживая 140 000 пользователей в 20 странах с дополнительными 750 000 предварительных заказов по всему миру. Crew Dragon перевозит астронавтов NASA и коммерческих астронавтов на орбиту, запустив пять пилотируемых миссий с мая 2020 года, в то время как Boeing все еще пытается провести успешные испытания своего конкурирующего корабля в беспилотном тесте. Starship победил всех конкурентов и выиграл контракт на разработку посадочного модуля, который доставит астронавтов на поверхность Луны.

Самой большой угрозой для планов SpaceX может быть она сама. Компании требуются миллиарды долларов капитала для разработки Starship и создания Starlink, чье следующее поколение спутников будет зависеть от запуска Starship. Проблемы с увеличением производства двигателей Raptor на Starship вынудили Маска отправить электронное письмо сотрудникам SpaceX в «Черную пятницу», предупредив, что «мы столкнемся с реальным риском банкротства», если SpaceX не сможет запускать Starship с частотой один раз в две недели в следующем году. В более поздних твитах Маск отказался от этой угрозы, заявив, что банкротство «маловероятно», но возможно.

Другая большая угроза — это время, потому что Маск очень спешит. На заседании National Academies он подтвердил давно заявленное желание сделать человечество многопланетным, начиная с Марса. «Окно этой возможности открыто сейчас впервые за четыре с половиной миллиарда лет истории Земли. Он может быть открыт в течение длительного времени, а может быть открыт только на короткое время», - сказал он. «Я думаю, нам следует поторопиться, если оно откроется на короткое время».

Эта статья впервые появилась в декабрьском выпуске журнала SpaceNews за 2021 год.

Первоисточник: