systemy satelitarne - Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej

SYSTEMY SATELITARNE
1.
Systemy satelitarne
Podstawowe wykorzystanie przestrzeni okołoziemskiej sprowadza się obecnie do wynoszenia i umieszczania na odpowiednich orbitach satelitów, służących celom badawczym oraz utylitarnym. Intensywny rozwój takich dziedzin jak telekomunikacja, nawigacja, badania środowiska naturalnego, przewidywanie klęsk żywiołowych, monitorowanie i planowanie upraw itp. automatycznie wymusza rozwój technik satelitarnych, z którymi wymienione dziedziny są ściśle powiązane. Agencje państw zaangażowanych w przedsięwzięcia kosmiczne kładą co prawda nacisk na szeroko rozumianą eksplorację przestrzeni kosmicznej, jednak w ich polu widzenia znajduje się również rozwój technologii systemów satelitarnych pełniących role użytkowe. W szczególności trwają prace nad:
– zarządzaniem istniejącą infrastrukturą satelitarną oraz rozwojem technologii infrastruktury satelitarnej następnej generacji,
– rozwojem platform satelitarnych i robotyzacją przestrzeni kosmicznej.
– zagadnieniami związanymi z rozwojem autonomii bezzałogowych pojazdów kosmicznych,
– rozwojem systemów wielosatelitarnych,
– wydłużeniem czasu działania satelitów (m.in. poprzez naprawy na orbicie),
Infrastruktura serwisująca
Punktem wyjścia do realizacji przyszłych systemów satelitarnych jest konieczność obniżenia relatywnych kosztów ich użytkowania (ceny misji w odniesieniu do czasu użyteczności satelitów). Można to osiągnąć poprzez wydłużanie czasu użytkowania poszczególnych satelitów, czy to poprzez umożliwienie ich naprawy lub modernizacji na orbicie, czy też poprzez korygowanie samej orbity (np. jej podniesienie, gdy po latach satelita opadnie poniżej założonego pułapu System serwisowania i tankowania satelitów Orbital Express (DARPA)
w wyniku hamującego wpływu górnych warstw atmosfery) przy pomocy dodatkowego pojazdu usługowego. Realizowane obecnie programy zaczynają uwzględniać te potrzeby już na etapie projektowania satelity. Należy oczekiwać, że zagadnienie konstrukcji satelitów przystosowanych do obsługi przez autonomiczne systemy transportowo­serwisujące (czyli wykonujące operacje napraw na orbicie, uzupełniania paliwa, korekcji orbity, itp.) stanie się zagadnieniem priorytetowym w perspektywie najbliższych 5–10 lat. W szczególności, dokładnej analizie podlegać będą problemy związane z:
– modułowością satelitów,
– rozwojem i standaryzacją interfejsów wewnętrznych modułów pod kątem ich przystosowania do łatwego przyłączenia i odłączenia,
– rozwojem i standaryzacją interfejsów zewnętrznych modułów w celu umożliwienia ich montażu i demontażu przez autonomiczne jednostki serwisujące,
– rozwojem urządzeń dokujących dla systemów transportowych i serwisujących,
– autonomią systemów sterowania lotem (dolot do celu i dokowanie),
– autonomią procedur wymiany podzespołów i tankowania.
–
Artystyczna wizja satelity CX­OLEV, przeznaczonego do zmiany orbit Obecnie realizowanych jest kilka dużych przedsięwzięć związanych innych satelitów (ESA)
z orbitalnymi systemami serwisującymi. Do najważniejszych można zaliczyć misje DART, Orbital Express, Orbital Recovery. W ciągu następnych pięciu lat część z wymienionych rozwiązań zostanie wdrożona w praktyce, a do roku 2020 systemy serwisujące i transportowe staną się nieodzownym elementem infrastruktury orbitalnej.
Konstelacje satelitarne
Innym oczekiwanym aspektem rozwoju infrastruktury orbitalnej jest rozbudowa konstelacji satelitarnych. Konstelacje satelitarne nie są niczym szczególnie nowym w świecie technologii kosmicznych. Mianem tym określa się wszelkie systemy wielosatelitarne, w których każda platforma działa indywidualnie i znajduje się przez większość czasu w dużej odległości od platform sąsiednich. Celem budowy konstelacji jest pokrycie zasięgiem jak największego obszaru globu w taki sposób, aby operator konstelacji mógł dotrzeć ze swoimi usługami do możliwie największej liczby odbiorców. Ze względu na przeznaczenie, konstelacje można podzielić na kilka typów, z których największe znaczenie mają dzisiaj systemy nawigacji satelitarnej. Również planowane na najbliższe lata wielkie inwestycje w sektorze kosmicznym skupiają się na nowo powstających lub osiągających operacyjny stopień rozwoju Konstelacja systemu nawigacyjnego GALILEO konstelacjach satelitów nawigacyjnych, takich jak europejski (Astrium)
Galileo, rosyjski Glonass i być może systemy chińskie lub hinduskie. Podobnie jak w przypadku amerykańskiego systemu GPS, można się spodziewać intensywnego wykorzystania usług świadczonych przez te systemy w najróżniejszych dziedzinach gospodarki. Po nawigacji kolejnym intensywnie rozwijanym zastosowaniem konstelacji jest telekomunikacja. Co prawda od ekonomicznego fiaska programu Iridium idea tworzenia konstelacji telekomunikacyjnych straciła nieco na atrakcyjności w oczach potencjalnych inwestorów, istnieją jednak systemy o podobnym charakterze (np. Globalstar), które prosperują całkiem dobrze. Operatorzy tych systemów planują ich dalszą rozbudowę jak i tworzenie konstelacji satelitarnych następnej generacji. Zważywszy na dynamicznie rosnące potrzeby społeczeństw w dostępie do usług teleinformatycznych, można oczekiwać dalszego rozwoju tego typu usług również w oparciu o infrastrukturę orbitalną.
W ostatnich latach istotnym elementem infrastruktury orbitalnej stały się satelity monitorujące powierzchnię Ziemi. Ilość i dokładność informacji dostarczanych przez tego typu systemy stale się poprawia, a ich dostępność i znaczenie rośnie. Z rosnącym zapotrzebowaniem na tego typu dane wiąże się konieczność tworzenia konstelacji satelitów teledetekcyjnych. W nadchodzących latach należy się spodziewać przede wszystkim poprawy rozdzielczości systemów obrazujących (10cm dla zakresów optycznych i do 0.5m dla systemów radarowych), ale i zwiększenia częstotliwości wykonywania obrazowań danego terenu poprzez współpracę wielu satelitów w ramach jednej konstelacji.
Formacje satelitarne
Kolejną istotną gałęzią rozwoju infrastruktury satelitarnej są formacje satelitarne, czyli zespoły satelitów poruszających się w zwartej grupie i wypełniających wspólne dla całej grupy zadanie. Dzięki rozwojowi formacji możliwa stanie się realizacja przyrządów rozproszonych, takich jak interferometryczne teleskopy o niespotykanej dzisiaj rozdzielczości. Dzięki formacjom możliwa stanie się również budowa i składanie wielkich struktur w kosmosie, czy wręcz wynoszenie satelitarnych na raty. Zmiana filozofii misji w kierunku wykorzystania dużej liczby współpracujących ze sobą niewielkich obiektów znacznie zwiększy elastyczność i możliwości projektowanych systemów. Dalekosiężne cele nakreślone w programach badawczych agencji kosmicznych zakładają gwałtowny rozwój formacji satelitarnych w ciągu Misja DARWIN, wykorzystujący formację satelitów jako interferometr do wyszukiwania planet pozasłonecznych (ESA)
najbliższych 10– 15 lat. Przykładowe instrumenty, jakie w latach 2010–2020 planuje się zrealizować w oparciu o formacje satelitarne, to:
– interferometryczne teleskopy o rozdzielczości umożliwiającej wykrycie i badanie planet pozasłonecznych (misje DARWIN, TPF),
– teleskopy o bardzo długich ogniskowych i wysokiej rozdzielczości, pracujące w różnych zakresach fal elektromagnetycznych (misje MAX, SIMBOL­X, ASPIX)
– systemy detektorów fal grawitacyjnych (LISA)
Bardzo dobrym przykładem szerokiej ekspansji idei formacji satelitarnych może być aktualnie wprowadzany program naukowy ESA o nazwie „Cosmic Vision”. Program ten ma w założeniu objąć najpoważniejsze misje naukowe realizowane przez agencję w ciągu następnego dziesięciolecia. W końcu 2007 roku ESA dokonała selekcji ośmiu propozycji projektów, z których cztery będą realizowane w przyszłości. Selekcja obejmowała kilkadziesiąt propozycji nadesłanych przez, głównie europejskie, konsorcja. Wśród tych propozycji znaczącą ilość stanowiły propozycje misji całych formacji satelitarnych. Wśród wyselekcjonowanych ośmiu misji dwie (bardzo poważnie brane pod uwagę) dotyczą właśnie formacji satelitarnych: CROSS SCALE i XEUS. CROSS SCALE jest wzmiankowany w poprzednim rozdziale i dotyczy formacji 10­12 niewielkich satelitów rozłożonych w trzech, wzajemnie przenikających się obszarach o rozmiarach: 10­cio kilometrowym („electron scale”), 500­set kilometrowym (formacja „ion scale”) i 5000 kilometrowym (formacja „fluid scale”). Misja XEUS jest natomiast formacją dwóch bardzo dużych obiektów orbitujących bardzo blisko siebie.
XEUS to teleskop promieniowania X. Podstawową cecha tego typu instrumentów jest układ ogniskowania promieniowania X na detektorze o ogniskowej rzędu kilkudziesięciu metrów. Układ ogniskujący takiego teleskopu to masywny, ważący kilka ton, zestaw masek. Detektor to również masywny, choć lżejszy od układu ogniskującego, zestaw kilku typów, częściowo chłodzonych, wielosegmentowych detektorów.
W oficjalnym dokumencie złożonym do ESA i opisującym założenia dla projektu XEUS jego autorzy (41 znanych naukowców i eksperymentatorów, głównie z Europy, USA i Japonii kierowanych przez Martina Turnera z Department of Physics and Astronomy, University of Leicester w Wielkiej Brytanii oraz Günthera Hasingera z Max­Planck­Institut für extraterrestrische Physik, Garching w Niemczech) zdają sobie sprawę z trudności wyniesienia na orbitę obiektu o wadze sześciu ton i długości kilkudziesięciu metrów. Dlatego proponują jednoczesne wyniesienie do punktu L2 w układzie Słońce­Ziemia dwóch obiektów na pokładzie rakiety Ariane5 ECA: satelity nazwanego MSC (Mirror Spacecraft) o wadze 4200kg oraz satelity DSC (Detector Spacecraft) o wadze 2125kg. Oba obiekty będą orbitowały we wspólnej formacji w oddaleniu 35 metrów od siebie a wynikowa niedokładność ustalenia położenia obu obiektów względem siebie nie może być większa niż 1mm. Założenie jest trudne do spełnienia, tym bardziej, że oba obiekty razem mają stanowić jeden teleskop. MSC powinien być, w zależności od zadania misji, nakierowywany na różne obiekty astronomiczne, a DSC powinien za nim nadążać z zadaną dokładnością umożliwiając jednocześnie ustawienie w ognisku MSC różnych fragmentów detektorów (w zależności od typu obserwacji różne fragmenty zespołu detektorów będą używane). Satelita MSC posiadać będzie typowy zestaw aparatury AOCS (Altitude and Orbital Control System) pozwalający na względnie dokładną, trzyosiową stabilizację pozycji MSC na orbicie. Satelita DSC, poza typowym układem AOCS będzie wyposażony w dodatkowy, specjalizowany system „formation­flying package” realizujący stabilizację pozycji DSC względem MSC z zadaną precyzją.
Formacja dwóch satelitów tworzących teleskop XEUS: lewy obiekt to DSC o masie ponad 2 tony, prawy obiekt to MSC o masie ponad 4 tony, obiekty oddalone o 35 metrów ich względna pozycja utrzymywana z dokładnością do 1mm. Rysunek pochodzi z dokumentu złożonego do ESA przez konsorcjum XEUS.
Zanim dojdzie do realizacji tych ambitnych przedsięwzięć, musi się dokonać znaczący postęp technologiczny w wielu dziedzinach. W związku z tym na lata 2006­2010 przewidziano realizację szeregu misji technologicznych oraz projektów badawczych, mających na celu dopracowanie metod nawigacji formacją, kontroli położenia względnego obiektów w formacji, komunikacji, itp.
Intensywny rozwój technik satelitarnych w ostatnich latach ugruntował znaczenie infrastruktury kosmicznej jako źródła wielu usług, takich jak nawigacja czy obrazowanie powierzchni Ziemi. Należy oczekiwać, że ilość aplikacji wykorzystujących informacje dostarczane przez satelity będzie systematycznie rosła. Obecne uwarunkowania i tendencje rozwoju infrastruktury orbitalnej otwierają jednak szereg możliwości, które pozwalają na włączenie się w ten proces również państwom o mniejszym potencjale gospodarczym i naukowym niż czołowi gracze branży kosmicznej. Stwarza to również szanse dla Polski. Jak dotąd, Polska jest jedynie odbiorcą usług dostarczanych przez systemy satelitarne, należy jednak oczekiwać, że wkrótce polskie instytucje podejmą szereg prób realizacji projektów satelitarnych w ramach konsorcjów krajowych współpracujących z doświadczonymi w tej dziedzinie partnerami zagranicznymi.
Opracowanie: R. Wawrzaszek
Redakcja: B. Dąbrowski