Информация по пуску Falcon Heavy (STP-2)

Автор: Павел Поцелуев · Июнь 24, 2019

Основная миссия STP-2

STP-2 (Space Test Program 2) — запуск в интересах Министерства обороны США, который включает в себя 24 аппарата. Спутники планируется вывести на низкую околоземную орбиту (однако высоты орбит варьируются). Масса большинства аппаратов составляет менее 100 кг, а общая их масса — всего 3700 кг. Контракт на запуск был подписан в 2012 году.

Эмблема миссии от SpaceX

Программа STP стартовала в августе 2001 года — тогда было проведено два успешных эксперимента при помощи Спейс Шаттла и МКС. STS-105 доставил на МКС и успешно запустил эксперимент MISSE, который стал первым внешним экспериментом на МКС. В той же миссии был успешно возвращён эксперимент MACE II, который проработал на станции год и предназначался для калибровки систем управления спутников.

Всего с 2001-го года в рамках STP было запущено более десяти аппаратов. STP-2 станет первой миссией программы с 2014-го года и включит в себя самую масштабную для STP кампанию по выведению спутников. Вас может удивить, что для запуска такой лёгкой полезной нагрузки SpaceX использует самую тяжёлую ракету из существующих, Falcon Heavy. Это обусловлено количеством спутников и необходимостью их вывода на разные орбиты — во время выполнения миссии двигатель второй ступени будет многократно включаться и выключаться, а в завершении будет проверен переход на среднюю околоземную орбиту. Всё это необходимо SpaceX для получения сертификации ВВС США на запуск аппаратов на самые разные орбиты. Таким образом, всего один запуск позволит получить сразу несколько сертификатов — в том числе, на запуск повторно использованных ступеней в миссиях для министерства обороны США.

Эмблема миссии от ВВС

Теперь детальнее об аппаратах. Пойдём от более тяжёлых к более лёгким.

DSX (600 кг, околоземная орбита 12000 км)

Этот аппарат научно-исследовательской лаборатории военно-воздушных сил США проведёт исследования в суровых условиях радиации на средней околоземной орбите (MEO). DSX представляет собой модифицированный адаптер полезной нагрузки ESPA, кольцевую структуру, на которой размещаются сами грузы. DSX включает в себя три основных эксперимента:

• Эксперимент по взаимодействию волновых частиц (WPIx) будет изучать физику взаимодействия частиц и волн с очень низкой частотой в ионосфере и магнитосфере.
• Эксперимент по космической погоде (SWx) будeт измерять и составлять карту распределения протонов, электронов и низкоэнергетической плазмы во внутренней магнитосфере. Это позволит улучшить модели околоземной среды для проектирования и эксплуатации космических аппаратов.
• Эффект космической среды (SFx) будет определять влияние окружающей среды на обычные электрические компоненты, схемы и материалы. Включает эксперименты NASA по испытанию космического пространства (SET). SET будет исследовать, как излучение, исходящее от Солнца, со временем воздействует на аппаратные средства спутников, что позволит в будущем смягчить воздействие солнечной активности на конструкцию и эксплуатацию космических аппаратов.

FORMOSAT-7/COSMIC-2 (278 кг x 6 аппаратов, низкая околоземная орбита 520 км)

FormoSat-7/COSMIC-2 является совместной миссией США и Тайваня, в которой принимают участие NOAA, ВВС США, Лаборатория реактивного движения NASA, Тайваньская национальная космическая организация,  а также международные партнёры — британская компания Surrey Satellite Technology Limited, Бразильский институт космических исследований и Австралийское бюро метеорологии. FormoSat-7/COSMIC-2 предствляет собой группировку из шести спутников, которая будет предоставлять данные радиозатменных измерений. Каждый спутник несёт радиозатменный ресивер. Он принимает GNSS-сигнал от спутников GPS и Глонасс, который преломляется при путешествии через атмосферу. Полученные радиозатменные измерения затем передаются на землю, где их анализируют и получают из них информацию о состоянии атмосферы: температуру, давление, содержание водяного пара и так далее.

Преломление сигнала GPS при прохождении через атмосферу Земли

GPIM (180 кг, низкая околоземная орбита)

Миссия Green Propellant Infusion Mission, или GPIM, является миссией NASA, частью программы по разработке «зелёной» альтернативы обычным двигательным установкам космических аппаратов. По задумке исследователей, использование такого топлива в ракетах и космических аппаратах будет более безопасным, быстрым и намного менее затратным. Создание топлива при помощи нового метода сократится с нескольких недель до нескольких дней.

• Демонстрация новой формы «зелёного» топлива
• Улучшение эффективности двигательной установки при одновременном снижении сроков обработки топлива

Специалист Ball Aerospace проводит последние проверки GPIM перед отправкой на мыс Канаверал (Credit: Ball Aerospace)

В качестве «зелёного» топлива в этой миссии выступит нитрат гидроксиламина в смеси, известной под названием AF-M315E. Она была разработана исследовательской лабораторией ВВС США и в перспективе может стать заменой своему ядовитому коллеге, гидразину. Смесь AF-M315E не такая токсичная, так что проще работать с топливом. А упрощённые процедуры выливаются в более короткие сроки, а значит — и меньшие затраты. Кроме этого, ожидается, что AF-M315E будет довольно эффективной альтернивой. Её плотность выше, чем у гидразина, — то есть, в том же объёме может поместиться больше топлива. Плюс удельный импульс у AF-M315E выше — то есть при расходе того же объёма топлива AF-M315E обеспечивает большую тягу. И, наконец, температура замерзания у AF-M315E ниже, что тоже важно для космических аппаратов — облегчает задачу по поддержанию нужных условий для сохранения работоспособности в космосе.

В общем, на AF-M315E большие надежды. В этой миссии смесь будет испытана на малом спутнике, произведённом компанией Ball Aerospace. Во время полёта им будут всячески маневрировать, наблюдая, как себя покажет топливо при выполнении рутинных операций на орбите — изменения ориентации, высоты и наклонения.

OTB-1

Orbital Test Bed (OTB) компании General Atomics — это универсальная модульная платформа, созданная для тестирования и аттестации технологий в космосе. На STP-2 в OTB размещено несколько полезных нагрузок для демонстрации технологий, в том числе атомные часы для глубокого космоса, спроектированные и построенные Лабораторией реактивного движения NASA. Об этих атомных часах на нашем сайте есть отдельный материал. Особенностью этих атомных часов является то, что они гораздо точнее и стабильнее любых других часов, которые раньше отправлялись в космос.

• Гибкая демонстрационная технологическая платформа
• Включает в себя миниатюрные, высокостабильные атомные часы, которые за 3 миллиона лет будут отставать (либо спешить) не более чем на 1 секунду

Кроме этого, на этом аппарате размещены и другие грузы. Один из них — не научного, а мемориального характера.

На OTB в космос отправится капсула с прахом более 120 человек — по заказу компании Celestis, которая уже больше двадцати лет лет предлагает подобные услуги. С биографиями людей, чей прах отправится в космос, можно ознакомиться тут.

Oculus-ASR (70 кг, низкая околоземная орбита)

Спутник был разработан студентами Мичиганского технологического университета в рамках университетской программы исследовательской лаборатории ВВС Nanosatellite. Задача —  предоставить возможности калибровки наземным наблюдателям, пытающимся определить ориентацию и конфигурацию космических аппаратов при помощи оптических наблюдений. Так что Oculus-ASR будет выступать в роли калибровочной цели для наземных обсерваторий. 

• Включает в себя спектрально отличные поверхности и формы, которые легко можно наблюдать с поверхности Земли
• Записывает временную историю движения для исправления ошибок в наземных наблюдениях

Сборка аппарата Oculus ASR (Credit: MTU/mtu.edu)

NPSAT 1 (86 кг, низкая околоземная орбита)

Включает два эксперимента, построенных Военно-морской исследовательской лабораторией (NRL) для исследования космической погоды и поддержки космической ситуационной осведомленности (SSA). Особое внимание будет уделено плотным электронным структурам ионосферы, которые вызывают радиосцинтилляции, влияющие на связь и навигацию.

• Мониторинг содержания электронов и сцинтилляций с использованием радиочастотных передач
• Эксперимент по когерентной электромагнитной радиотомографии
• Зонд Ленгмюра, установленный на NRL, будет проводить измерения для улучшения ионосферного моделирования

PROX-1 (71 кг вместе с кубсатом LightSail 2, низкая околоземная орбита)

Микроспутник, разработанный студентами Технологического института Джорджии в Атланте в рамках университетской программы Nanosatellite для демонстрации операций сближения спутников и их перемещений в непосредственной близости.

• Продемонстрирует операции сближения небольших спутников
• Prox-1 включает в себя кубсат LightSail 2, разработанный Планетарным обществом (The Planetary Society)

Кубсаты (все — на низкую околоземную орбиту)

E-TBEx: измерит искажения радиосигналов, проходящих через ионосферу, с помощью периодических сигналов, которые будут передаваться с восьми орбитальных местоположений: шести спутников COSMIC-2 и двух кубсатов E-TBEx.

Launch Environment Observer (LEO) и StangSat: измерят тепловые и вибрационные колебания во время запуска и продемонстрируют передачу данных Wi-Fi между двумя отдельными кубсатами

Выведение аппарата LightSail 2 при помощи другого микроспутника, PROX 1 (Credit: GIT)

PSAT: аппарат будет предоставлять услуги ретрансляции для помощи студентам и исследователям-радиолюбителям по всему миру.

TEPCE: демонстрирует возможность использования электродинамической двигательной установки путем развертывания электропроводящего троса длиной 1 км, выполнения маневров с изменением орбиты без расхода топлива. На орбите аппарат разделится: два кубсата формата 15 x 10 x 10 см разведутся пружиной, развёртывая между собой километровый трос толщиной 3 мм. Предполагается, что взаимодействие этого электродинамического троса и магнитного поля Земли сможет производить достаточно энергии, чтобы менять положение аппарата на орбите. Таким образом, может появиться возможность поддерживать орбиту аппаратов на небольшой высоте, сводить с орбиты мусор.

LightSail 2: финансируемый гражданским Планетарным сообществом космический аппарат с солнечным парусом, будет двигаться за счёт давления солнечного света. У нас выходила небольшая статья об этом проекте. Это продолжение миссии Lightsail 1, которая была запущена в 2015 году.

Автопортрет Lightsail 1, сделанный 8 июня 2015 вскоре после развёртывания паруса (Credit: The Planetary Society)

В целом Lightsail 2 несильно отличается от своего предшественника. Главной «новинкой» является то, что новый спутник будет отправлен на более высокую орбиту, а также попытается поднять свою высоту за счёт солнечного паруса. В остальном в новом аппарате доработали разные мелочи, проблемы с которыми были выявлены в LightSail 1.

Оказавшись на орбите, LightSail 2 проведет примерно две недели за проверкой всех систем. Затем он развернёт солнечный парус площадью 32 квадратных метра. Сама технология солнечного паруса — не новая, и уже успешно испытывалась в таких миссиях как межпланетный японский аппарат IKAROS.

Ракета-носитель Falcon Heavy

Falcon Heavy — ракета-носитель сверхтяжёлого класса, разработанная компанией SpaceX. На низкую околоземную орбиту она способна выводить до 64 тонн полезного груза, на геопереходную — почти 27 тонн, а к Марсу почти 17 тонн — это всё при полёте без возвращения первой ступени. Это делает Falcon Heavy самой тяжёлой из действующих ракет.

Ракета состоит из двух ступеней. В качестве первой выступают три блока, центральный и два боковых. Вторая ступень аналогична используемой на Falcon 9, как и адаптер полезной нагрузки и головной обтекатель. По тому же принципу (три блока вместе) спроектированы такие ракеты как Delta IV Heavy и семейство ракет Ангара.  Все ступени используют в качестве топливной пары керосин и жидкий кислород.

Falcon Heavy в сборочном ангаре SpaceX на стартовой площадке 39А (Credit: SpaceX)

Центральный блок представляет собой структурно усиленную первую ступень Falcon 9, которая была модифицирована для того, чтобы передавать импульс от боковых блоков ко второй ступени, а также выдерживать дополнительные вибрационные и акустические нагрузки от работы боковых блоков. Все вместе блоки соединены лонжеронами, идущими вдоль конструкции, и штоками, проходящими поперёк неё, которые будут отсоединяться гидравликой.

Каждый из блоков имеет по девять двигателей Merlin 1D, которые суммарно обеспечивают тягу в 22819 кН на уровне моря. Это 27 двигателей, больше было только у ракеты Н1. Огневые испытания и успешный первый полёт Falcon Heavy показали, что синхронизированная работа всех двигателей не проблема. Но в отличие от Falcon 9, двигатели Falcon Heavy будут зажигаться не все сразу. Cначала будут включены два двигателя, через считанные миллисекунды ещё два, и так далее. Заметно это при старте, правда, не будет. Но так же как и Falcon 9, Falcon Heavy сможет продолжать полёт при вышедшем из строя двигателе, пересчитывая траекторию полёта и компенсируя недостачу остальными двигателями.

Так же как и в прошлых полётах Falcon Heavy, планируется возвращение всех трёх блоков первой ступени. Боковые должны будут приземлиться на посадочные площадки LZ-1 и LZ-2 неподалёку от места старта, а центральный блок планируется посадить на плавучую платформу Of Course I Still Love You, которая будет находиться на рекордном расстоянии в 1233 км от побережья Флориды. Боковые блоки используются повторно — их первой миссией был апрельский запуск Arabsat-6A. Центральный блок новый.

Приземление боковых блоков первой ступени Falcon Heavy в первом запуске (Credit: SpaceX)

Центральный блок соединяется композитным переходным отсеком со второй ступенью, которая аналогична используемой на Falcon 9. На ней установлен один двигатель Merlin-1D, оптимизированный для работы в вакууме и обеспечивающий до 934 кН тяги. На второй же ступени установлены бортовые компьютеры ракеты, которые управляют полётом. Завершает ракету головной обтекатель диаметром 5.2 м, который защищает полезную нагрузку при полёте в атмосфере и отделяется после.

В этой миссии будет предпринята попытка поймать створку головного обтекателя при помощи скоростного судна SpaceX Ms. Tree (бывший Mr. Steven —  у него сменился владелец, поэтому судну дали новое имя). Его сопровождает судно GO Navigator,  с помощью которого из воды достанут вторую створку обтекателя.