NASA wystrzeliwuje Capstone, 55-funtowego satelitę w kształcie sześcianu na Księżycu

26 czerwca 2022: W niedzielę NASA ogłosiła co najmniej jednodniowe opóźnienie w uruchomieniu CAPSTONE, aby dać więcej czasu na ostateczne sprawdzenie systemów. Artykuł został zaktualizowany.

W nadchodzących latach NASA będzie zajęta na Księżycu.

Gigantyczna rakieta na szczycie kapsuły bez astronautów wokół Księżyca iz powrotem, prawdopodobnie przed końcem lata. Parada robotycznych lądowników zrzuci eksperymenty na Księżyc, aby zebrać ryzy danych naukowych, zwłaszcza na temat lodu wodnego uwięzionego w regionach polarnych. Za kilka lat wrócą tam astronauci, ponad pół wieku po ostatnim lądowaniu na Księżycu Apollo.

To wszystko jest częścią Programu Księżycowego XXI wieku NASA, nazwanego na cześć Artemidy, która w mitologii greckiej była siostrą bliźniaczką Apolla.

Raz w tym tygodniu statek kosmiczny o nazwie CAPSTONE zostanie wystrzelony jako pierwszy kawałek Artemidy zmierzający na Księżyc. W porównaniu do tego, co dalej, jest skromne pod względem rozmiaru i zakresu.

Na pokładzie CAPSTONE nie będzie astronautów. Statek kosmiczny jest bardzo mały, mniej więcej wielkości kuchenki mikrofalowej. Ta robotyczna sonda nie wyląduje na Księżycu.

Różni się jednak pod wieloma względami od poprzednich misji księżycowych. Może służyć jako model dla partnerstw publiczno-prywatnych, które NASA może podjąć w przyszłości, aby mieć lepszy wpływ na jej loty międzyplanetarne.

„NASA była już wcześniej na Księżycu, ale nie jestem pewien, czy zostało to zmontowane w ten sposób” – powiedział Bradley Cheetham, dyrektor generalny i prezes Advanced Space, firmy prowadzącej misję NASA.

Uruchomienie zaplanowano na poniedziałek, ale w niedzielę uruchomienie zostało przesunięte o co najmniej jeden dzień, aby dać Rocket Lab, Firma amerykańska i nowozelandzka To oszczędza lot CAPSTONE na orbitę i więcej czasu na ostateczne sprawdzenie systemu.

„Zespoły oceniają pogodę i inne czynniki, aby określić, kiedy nastąpi następna próba startu” – powiedziała NASA. W poście na blogu. „Następna okazja do uruchomienia w bieżącym okresie przypada 28 czerwca”.

Pełna nazwa misji to Cislunar Autonomous GPS Technology Operations and Navigation Experience. Będzie służył jako eksplorator orbity księżycowej, gdzie załogowa stacja kosmiczna zostanie ostatecznie zbudowana jako część Artemidy. Ta placówka, zwana Bramą, będzie służyć jako stacja drogowa, na której przyszłe załogi zatrzymają się przed kontynuowaniem podróży na powierzchnię Księżyca.

CAPSTONE jest pod wieloma względami niezwykły dla NASA. Na przykład znajduje się na wyrzutni nie na Florydzie, ale w Nowej Zelandii. Po drugie, NASA nie zaprojektowała ani nie zbudowała CAPSTONE, ani nie będzie go obsługiwać. Agencja nie jest nawet jej właścicielem. CAPSTONE należy do Advanced Space, firmy zatrudniającej 45 pracowników na przedmieściach Denver.

Statek kosmiczny podąża wolną, ale wydajną drogą na Księżyc. Istnieją codzienne możliwości uruchomienia do 27 lipca. Jeśli do tego czasu statek kosmiczny wystartuje z Ziemi, bez względu na dzień startu, osiągnie orbitę wokół Księżyca tego samego dnia: 13 listopada.

Misja CAPSTONE kontynuuje wysiłki NASA na rzecz współpracy na nowe sposoby z prywatnymi firmami w nadziei na szybsze uzyskanie dodatkowych możliwości przy niższych kosztach.

„To kolejny sposób, w jaki NASA może dowiedzieć się, czego potrzebuje, aby dowiedzieć się i obniżyć koszty” – powiedział Bill Nelson, administrator NASA.

Koszt kontraktu Advance Space z NASA dla CAPSTONE, podpisanego w 2019 roku, wynosi 20 milionów dolarów. Podróż CAPSTONE w kosmos jest również niewielka i tania: prawie 10 milionów dolarów na uruchomienie Rocket Lab.

„Za niecałe trzy lata będzie to mniej niż 30 milionów dolarów”, powiedział Christopher Baker, dyrektor wykonawczy programu NASA Small Spacecraft Technology Program. „Stosunkowo szybki i stosunkowo niski koszt”.

aż do Beresheet, minimalny wysiłek izraelskiej organizacji non-profit, aby wylądować na Księżycu W 2019 roku kosztem 100 milionów dolarów.

„Postrzegam to jako przewodnik, w jaki sposób możemy ułatwić misje komercyjne poza Ziemią” – powiedział Baker.

Dr Cheetham powiedział, że główna misja CAPSTONE ma trwać sześć miesięcy, z możliwością dodatkowego roku.

Zebrane dane pomogą planistom księżycowej placówki znanej jako Brama.

Kiedy prezydent Donald J.

To skłoniło NASA do uczynienia stacji kosmicznej wokół Księżyca istotną częścią sposobu, w jaki astronauci docierają na powierzchnię Księżyca. Taka stopniowa lokalizacja ułatwiłaby im dotarcie do różnych części księżyca.

Gateway nie użyje pierwszej misji lądowania Artemis, która jest obecnie zaplanowana na 2025 r., ale prawdopodobnie zostanie opóźniona. Ale kolejne misje będą.

NASA ustaliła, że ​​najlepszym miejscem na umieszczenie tej placówki byłaby tak zwana półprosta orbita Halo.

Orbity korony to te, na które wpływa grawitacja dwóch obiektów – w tym przypadku Ziemi i Księżyca. Uderzenie dwóch ciał pomaga uczynić orbitę bardzo stabilną, zmniejszając ilość paliwa potrzebnego do utrzymania orbity statku kosmicznego wokół Księżyca.

Oddziaływania grawitacyjne również utrzymują orbitę pod kątem około 90 stopni podczas obserwacji linii wzroku z Ziemi. (Jest to półprosta część nazwy.) Tak więc statek kosmiczny na tej orbicie nigdy nie przechodzi za Księżycem, gdzie komunikacja zostanie przerwana.

Orbita, którą będzie podróżować brama, znajduje się około 2200 mil od bieguna północnego Księżyca i okrąża 44 000 mil, gdy przechodzi nad biegunem południowym. Jedna podróż dookoła Księżyca zajęłaby około tygodnia.

Z podstaw matematyki dobrze znane są egzotyczne ścieżki, takie jak orbita halo w pobliżu prostej. Ale jest to również orbita, po której nie przeleciał wcześniej żaden statek kosmiczny.

Tak więc, CAPSTONE.

„Uważamy, że mamy bardzo różne cechy” — powiedział Dan Hartmann, dyrektor programu w Gateway. „Ale dzięki zestawowi ładunku CAPSTONE możemy pomóc w walidacji naszych modeli”.

W praktyce, bez żadnych satelitów GPS wokół Księżyca do precyzyjnego pozycjonowania, może zająć trochę prób i błędów, aby dowiedzieć się, jak najlepiej utrzymać statek kosmiczny na pożądanej orbicie.

„Największą niepewnością jest wiedza, gdzie naprawdę się znajdujesz” – powiedział dr Cheetham. „Nigdy tak naprawdę nie wiesz, gdzie jesteś w kosmosie. Więc zawsze doceniasz to, gdzie jest, z pewną niepewnością wokół tego.”

Podobnie jak inne misje NASA, CAPSTONE dokona triangulacji swojej szacunkowej pozycji za pomocą Sygnały z NASA Deep Space Network z anten radiowych, a następnie, jeśli to konieczne, po przejściu najdalszego punktu od Księżyca wraca na wybraną orbitę.

CAPSTONE przetestuje również alternatywny sposób na znalezienie jego lokalizacji. Jest mało prawdopodobne, aby ktokolwiek poświęcił czas i wydatki na zbudowanie sieci GPS wokół Księżyca. Ale są inne statki kosmiczne, w tym Lunar Reconnaissance Orbiter NASA, krążący wokół Księżyca i z większym prawdopodobieństwem pojawienia się w nadchodzących latach. Komunikując się ze sobą, flota statków kosmicznych na różnych orbitach może w istocie stworzyć niestandardowy system globalnego systemu pozycjonowania (GPS).

Advanced Space rozwija tę technologię od ponad siedmiu lat, a teraz przetestuje tę koncepcję za pomocą CAPSTONE, aby wysyłać sygnały tam iz powrotem za pomocą Lunar Reconnaissance Orbiter. „Z czasem będziemy w stanie zlokalizować oba statki kosmiczne” – powiedział dr Cheetham.

Kiedy zacząłem opracowywać CAPSTONE, Advanced Space zdecydowało się również dodać do statku kosmicznego zegar atomowy z chipem komputerowym i porównać ten czas z czasem nadawanym z Ziemi. Te dane mogą również pomóc w określeniu lokalizacji statku kosmicznego.

Ponieważ Advanced Space jest właścicielem CAPSTONE, miał możliwość wprowadzenia tej zmiany bez zgody NASA. I chociaż agencja nadal ściśle współpracuje przy takich projektach, ta elastyczność może być dobrodziejstwem zarówno dla prywatnych firm, jak Advanced Space i NASA.

„Ponieważ mieliśmy umowę handlową z naszymi dostawcami, kiedy musieliśmy coś zmienić, nie było konieczne przeprowadzanie poważnego audytu urzędników rządowych kontraktujących”, powiedział dr Cheetham. „Pomogło to z perspektywy szybkości”.

Z drugiej strony, ponieważ Advanced Space wynegocjowało zryczałtowaną opłatę za misję, firma nie była w stanie udać się do NASA w celu uzyskania dodatkowych środków (mimo że otrzymała dodatkowe płatności z powodu opóźnień w łańcuchu dostaw z powodu pandemii Covid-19). Bardziej tradycyjne kontrakty NASA, znane jako „dopłata kosztowa”, płacą firmom za to, co wydają, a następnie dodają opłaty – otrzymywane jako zyski – na dodatek, co daje im niewielką zachętę do kontrolowania kosztów.

„Jak się okazało, musieliśmy wymyślić, jak sobie z tym poradzić bardzo skutecznie” – powiedział dr Cheetham.

Jest to podobne do udanej strategii NASA polegającej na wykorzystaniu umów o stałej cenie z firmą SpaceX Elona Muska, która obecnie transportuje ładunki i astronautów do iz Międzynarodowej Stacji Kosmicznej po znacznie niższych kosztach niż poprzednie wahadłowce agencji. W przypadku SpaceX inwestycje NASA umożliwiły przyciągnięcie klientów spoza NASA zainteresowanych wystrzeliwaniem ładunków i prywatnych astronautów na orbitę.

Do czasu CAPSTONE prace Advanced Space były głównie teoretyczne — analizowanie orbit i pisanie programów dla niestandardowego GPS — a nie budowanie i obsługa statków kosmicznych.

Firma nadal nie zajmuje się budowaniem statków kosmicznych. „Kupiliśmy statek kosmiczny” – powiedział dr Cheatham. „Mówię ludziom, że jedyne maszyny, które budujemy tutaj w Advanced to Lego. Mamy ogromną kolekcję Lego.”

W ciągu ostatnich dwóch dekad Rozprzestrzeniły się małe satelity znane jako CubeSat, umożliwiając większej liczbie firm szybkie zbudowanie statku kosmicznego w oparciu o ustandaryzowany projekt, w którym każdy sześcian ma 10 centymetrów lub cztery cale. CAPSTONE jest jednym z największych, o objętości 12 kostek, ale Advanced Space udało się go kupić, z grubsza, od Tyvak Nano-Satellite Systems w Irvine w Kalifornii.

To nadal wymaga wiele rozwiązywania problemów. na przykład, Większość CubeSatów Na niskiej orbicie okołoziemskiej, kilkaset mil nad powierzchnią. Księżyc jest prawie ćwierć miliona mil stąd.

„Nikt nigdy nie latał z cupsat na Księżycu” – powiedział dr Cheetham. „Więc ma sens, że nikt nie zbudował radiotelefonów, aby latać CubeSatami na Księżyc. Musieliśmy więc naprawdę zagłębić się w wiele z tych szczegółów i faktycznie współpracować z wieloma różnymi ludźmi, aby uzyskać systemy, które mogłyby działać.”

Pan Hartmann, dyrektor programu Gateway, jest podekscytowany CAPSTONE, ale mówi, że nie ma potrzeby iść naprzód z księżycową placówką. NASA przyznała już kontrakty na budowę pierwszych dwóch jednostek Gateway. ESA wnosi również wkład do dwóch jednostek.

„Czy możemy latać bez niego?” Pan Hartmann powiedział o CAPSTONE. – Tak. Czy to obowiązkowe? Nie.

Dodał jednak: „Zawsze, gdy możesz zmniejszyć paski błędów w swoich modelach, jest to zawsze dobra rzecz”.

Dr Cheetham rozważa, co może nastąpić dalej, być może więcej misji na Księżyc, zarówno dla NASA, jak i innych partnerów komercyjnych. On też myśli dalej niż to.

„Jestem bardzo zafascynowany myślą o tym, jak możemy zrobić coś podobnego do Marsa” – powiedział. „Osobiście jestem również bardzo zainteresowany Wenus. Myślę, że nie poświęca mu wystarczająco dużo uwagi”.