Планы ESA на 2024-2025 годы: дебют новых ракет-носителей и амбициозные космические миссии

Недавно Европейское космическое агентство (ESA) анонсировало ряд интересных миссий, которые стремится воплотить в жизнь в ближайшее время. В новых краткосрочных планах очевиден акцент на усиление сотрудничества с американским NASA. И это понятно, ведь прошлогодний запланированный дебют нового тяжеловеса ESA, ракеты Ariane 6 — был отсрочен, поэтому весь год после финального полета Ariane 5 космическая Европа была вынуждена полагаться на помощь стран-партнеров по космическим запускам.

Теперь ESA намеревается преодолеть данную неприятность — в планах космических миссий на 2024-2025 годы нашлось место для новой версии ракеты, которая выведет на орбиту много интересных экспериментов. В том числе и европейскую демонстрацию 3D-печати в космосе — Replicant. Об этом и многих других планах космической Европы на ближайший год читайте в нашем обзоре грядущих миссий ESA.

Первый запуск Ariane 6: предвкушение дебюта

9 июля предстоит долгожданный запуск европейской ракеты тяжелого класса — Ariane 6, которая возобновит автономный доступ ESA к космическому пространству. Пауза ввиду отсутствия собственной ракеты-носителя, способной доставлять полезный груз на орбиту, длится уже год после того, как 5 июля 2023 года с космодрома Куру во Французской Гвиане стартовала последняя ракета Ariane 5. И вот наконец космическая Европа вплотную приблизилась к долгожданной замене.

Ariane 6 будет представлена в двух основных модификациях:

1. Ariane 62 — ракета-носитель среднего класса, оснащенная двумя боковыми ускорителями (бустерами). Мощности Ariane 62 хватит для запуска на орбиту нескольких небольших спутников, преимущественно телекоммуникационных. Ariane 62 будет способна доставить на геостационарную орбиту Земли (GEO) до 4,5 тонн полезного груза. Ее стартовая масса составляет 540 тонн. Ракета должна стать основной рабочей лошадкой для коммерческих заказов, которые ESA надеется получать от ряда европейских и мировых космических компаний и стартапов.
2. Ariane 64 — ракета-носитель тяжелого класса, оснащенная четырьмя боковыми ускорителями для вывода на орбиту крупных сложных спутников научного и военного назначения. Ракета сможет выводить на GEO до 11,5 тонн грузов, а ее стартовая масса с заполненными топливными баками составит 870 тонн.

Верхняя ступень Ariane 6 будет способна производить повторное зажигание своего криогенного жидкостного ракетного двигателя Vinci, что позволит выводить несколько космических аппаратов на разные орбитальные высоты на протяжении одного запуска. Благодаря этому обстоятельству, по прогнозам, снизится стоимость вывода полезного груза на орбиту, что сделает ракету более конкурентоспособной относительно других носителей на рынке орбитальных запусков.

После первого старта Ariane 6, который должен состояться 9 июля, главный разработчик ракеты, компания ArianeGroup, собирается в течение двух лет наращивать количество коммерческих заказов, и в дальнейшем довести их до показателя 10 запусков в год. Сейчас у Ariane 6 уже запланировано 30 миссий, что свидетельствует об определенном уровне доверия, оказываемого бизнесом будущей европейской ракете.

В течение последующих 10 лет Ariane 6 должна стать главным орудием в поддержке европейских программ наблюдения за Землей, геопозиционирования и навигации, а также миссий по космической безопасности, актуальность которых неуклонно повышается с ростом геополитического напряжения на Евразийском континенте.

Демонстрация Replicator: первая 3D-печать в открытом космосе

Первый полет Ariane 6 важен не только самим фактом дебюта ракеты, но и полезной нагрузкой, которую предстоит вывести на орбиту. Среди самого интересного выделяется миссия Replicator, призванная продемонстрировать новую технологию 3D-печати в космосе.

Replicator разработан польско-немецким стартапом Orbital Matter, который позиционирует себя как первую космическую строительную компанию. Демонстрационная версия 3D-принтера специально спроектирована для работы в условиях микрогравитации и космического вакуума.

Концепция 3D-печати в космосе не нова, и первой презентации этой технологии на земной орбите уже исполнилось 10 лет. В 2014 году на борту МКС установили металлический 3D-принтер, на котором во время демонстрационных запусков напечатали несколько механических деталей. Однако тогда печать производилась в условиях космической станции, максимально приближенных к атмосферным. Replicant же предлагает воспользоваться автоматической 3D-печатью в суровых реалиях открытого космоса.

Для того чтобы внекорабельная 3D-печать стала возможной, инженерам Orbital Matter пришлось полностью переосмыслить подход, спроектировав устройство таким образом, чтобы во время печати оно не выделяло в окружающую среду тепло. Это было необходимым условием для корректной работы принтера на орбите, поскольку в космическом вакууме отсутствует конвекционное охлаждение, свойственное земной атмосфере. Потеря тепла на орбите может происходить лишь путем излучения, и на то, чтобы остудить небольшой разогретый предмет, там может потребоваться колоссальное количество времени. После удаления из процесса орбитальной трехмерной печати компоненты тепловыделения Replicator обрел способность печатать большие модульные объекты в космосе, создавая таким образом телескопы, телекоммуникационные спутники, орбитальные солнечные электростанции или даже полноценные космические станции.

Replicator установят на борту миниатюрного (10×10×30 см) спутника — Orbital Matters Replicator CubeSat, который отделится от Ariane 6 на высоте 580 км. Демонстрация технологии стала возможной благодаря ESA PUSH — европейской инициативе, оказывающей финансовую поддержку наиболее талантливым космическим стартапам Европы. В прошлом году одним из победителей ESA PUSH 2023 стал парижский стартап RIDE!, предложивший Orbital Matter свои посреднические услуги по запуску. RIDE! также будет ответственным за развертывание кубсата на орбите и управление его полетом (это должно осуществляться вместе с ESA).

По словам представителей Orbital Matter, модульная 3D-печать и строительство на орбите может оказаться на 70% более эффективным и рентабельным, нежели земное строительство и вывод готовых конструкций на орбиту. Стартап Orbital Matter уже показал удачную работу своего Replicator в условиях искусственно созданного вакуума на Земле, поэтому предстоящий запуск Ariane 6 может лишь подтвердить актуальность технологии, приблизив человечество еще на шаг к будущим мегастроительствам на орбите.

ESA Probe-3: орбитальный тандем по исследованию Солнца

В сентябре 2024 года стартует и самая амбициозная европейская космическая миссия по изучению Солнца, которая тоже продемонстрирует технологию высокоточного спутникового формирования. По планам, два космических аппарата CSC (Coronagraph Spacecraft) и OSC (Occulter Spacecraft) будут запущены на высокоэллиптическую орбиту Земли с перигеем (ближайшая к Земле точка орбиты) 600 км и апогеем (самая удаленная точка орбиты) 60 560 км. Для запуска тандема космических спутников воспользуются индийской ракетой-носителем PSLV-XL C-62.

Во время орбитального полета обоим аппаратам следует придерживаться плотного формирования и лететь на расстоянии 144 м друг от друга, образуя один виртуальный спутник без необходимости дополнительной корректировки их орбитального положения из центра управления полетом на Земле. Столь точное соотношение расстояния спутников между собой необходимо для воплощения главной научной миссии Probe-3 — исследования солнечной короны.

Расстояние рассчитано таким образом, чтобы тень от диска спутника OSC, который будет постоянно располагаться ближе к Солнцу, всегда падала точно на CSC, оставляя в поле зрения последнего лишь слабую видимость солнечной короны, куда и будут направлены его детекторы ультрафиолетового излучения. Такой тандем позволит CSC проводить сверхчувствительные исследования солнечной короны без риска ослепления ярким сиянием фотосферы нашего светила.

Миссия Probe-3 чрезвычайно значима не только ввиду исследований солнечной короны, ее основной целью определена демонстрация точного пролета на расстоянии. Потенциально это откроет путь к созданию виртуальных спутниковых структур из еще большего количества космических аппаратов. Технология автоматического соблюдения дистанции также будет полезна в ходе маневров орбитальной стыковки, которые больше не потребуют участия человека-оператора.

Ранее возможности точного полета на дистанции уже демонстрировала шведская компания Prisma. Впрочем, тогда два ее спутника летели на расстоянии 10 м друг от друга (с погрешностью всего в несколько сантиметров) в течение коротких интервалов времени. В свою очередь Probe-3 должен продемонстрировать полет двух спутников в тандеме в ходе шести часов за одно приближение, с допустимой погрешностью в несколько миллиметров, что на порядок превышает прошлые достижения в этом направлении. Такое время полета в формировании определено оптимальным с учетом расхода топлива, ведь если бы подобный полет длился больше шести часов, это обусловило бы быстрое исчерпание запаса топлива, на котором работают спутниковые двигатели OCS/CSC.

Методы дистанционной навигации, рандеву и приближения, продемонстрированные Probe-3, в будущем пригодятся для космических миссий по доставке образцов марсианского грунта на Землю, а также при эксплуатации технологически сложных спутниковых созвездий, задачи которых будут связаны с необходимостью работы единым виртуальным кластером.

Путем DART: ESA Hera оценивает эффективность

26 сентября 2022 года состоялась первая в истории человечества удачная демонстрация технологии по отклонению астероидов. Космический аппарат NASA DART столкнулся с астероидом Диморфом, отклонив орбитальную траекторию его вращения вокруг материнского астероида — 65803 Дидим.

Несмотря на то, что фронтальные камеры DART сняли столкновение, а в ходе дальнейших наблюдений с Земли астрономы зафиксировали сокращение периода орбитального оборота Димфорфа вокруг Дидима, ученым все еще не хватает данных для полного разбора результативности нанесенного аппаратом кинетического удара. Поэтому еще при планировании миссии DART в NASA решили: спустя два года после столкновения к паре астероидов отправится беспилотный космический зонд для оценки последствий первой миссии по двойному перенаправлению астероида. Его назвали Hera, а строительство и запуск поручили ESA.

Оценивать последствия собираются посредством тщательного определения размеров и морфологии кратера, который остался на Диморфе после искусственного столкновения. Вращаясь вокруг пары астероидов, Hera также надлежит исследовать облако из обломков, образовавшихся вследствие удара DART.

Европейский зонд понесет на своем борту два маленьких кубсата (Milani и Juventas), которые высвободит в межпланетном пространстве на подлете к астероиду. Milani займется спектральным анализом поверхности обоих астероидов и состава облака из пыли и обломков. Juventas же будет нацелен на исследование подповерхностной структуры астроида и определение его силы тяжести. Он же предоставит необходимые данные о механической реакции во время попытки посадки на Диморф. Прибор X-Band Radio Science (X-DST) измерит гравитацию двойной системы астероидов путем изучения колебаний в радиоволновом диапазоне, которые образуются в процессе вращения этих небесных тел.

Оптическую съемку поверхности астероида осуществит пара камер AFC (Asteroid Framing Cameras). Другие оптические изображения планируют получить с помощью малых мониторинговых камер SMC (Small Monitoring Cameras). Модуль TIRI (Thermal InfraRed Imager) предоставит изображение в инфракрасном диапазоне, а планетарный высотомер PALT (Planetary ALTimeter) выступит ориентиром положения зонда в космическом пространстве с точностью до половины метра. Hera оснастят еще и гиперспектральной фотокамерой HyperScout-H, способной получать спектральные изображения в диапазоне от 665 до 975 нм и проводить съемку поверхности астероида в 25 диапазонах.

У миссии ESA Hera сразу две основные штаб-квартиры. В частности, это ESTEC (Европейский центр космических исследований и технологий) в Нордвейке, Нидерланды, где продолжаются проектные работы и сборка зонда массой 1128 кг. Другое учреждение под названием ESOC (Европейский центр космических операций) в Дармштадте, Германия, возьмет на себя ход миссии после запуска космического аппарата в этом году в октябре (точная дата еще не определена).

Кстати, запускать космическую миссию ESA Hera будет не Ariane 6, а Falcon 9 от SpaceX. Очевидно, что новая ракета, которой предстоит стартовать в июле, не получит достаточно налета, и не сможет гарантировать необходимый уровень надежности, требуемый для запуска сложных научных миссий вроде Hera. Поэтому выбор, как и прежде, сделали в пользу аэрокосмической компании Илона Маска.

Возвращение Vega-C

Июльский старт Ariane 6 станет не единственным долгожданным вводом в эксплуатацию ракеты-носителя ESA. На осень этого года намечен и первый запуск обновленной модификации ракеты среднего класса Vega, которую назвали Vega-C (Vega Consolidation). Ракета успешно дебютировала в июле 2022 года, затем последовал провальный запуск (в декабре того же года), по результатам которого ESA решило взять двухлетнюю паузу для ее полного конструктивного переосмысления.

Разработкой новой европейской ракеты занимается Arianespace совместно с Итальянским космическим агентством (ASI). Новая версия Vega получит более мощный бустер Р120С — такой же, что будет отрывать от земли Ariane 6. Основной маршевый двигатель второй ступени ракеты Zefiro 23 также заменят — новейшей модификацией Zefiro 40. Ведь именно аномалия, случившаяся с этой двигательной установкой во время декабрьского запуска, вызвала такую длительную задержку с вводом Vega-C в эксплуатацию. 

Третья ступень ракеты-носителя будет оборудована одним ракетным двигателем Zefiro 9. Переосмыслению подвергся и последний, четвертый модуль — AVUM+, который в новой модификации ракеты оснастят многоразовым транспортным средством Space Rider. Это позволит возвращать на Землю особо чувствительный полезный груз. Однако отметим, что Space Rider не будет установлен во время ближайшего запуска Vega-C — его первая демонстрация ожидается не ранее июля 2025 года.

Новая версия ракеты сможет доставлять до 2,3 тонны на полярную орбиту Земли высотой 700 км, что почти вдвое превышает возможности оригинальной Vega. Ракета сумеет выводить на орбиту и комбинированный тип полезной нагрузки. То есть запускать как множество кубсатов весом до 1 кг, так и более массивные мини-спутники весом до 400 кг. Конфигурация полезного груза будет варьироваться от миссии к миссии, что обеспечит новой Vega-C хороший уровень масштабируемости.

Адаптер полезной нагрузки Vespa-C позволяет размещать на ракете два спутника весом более 400 кг, а большой грузовой отсек Vampire служит основным для одиночных крупных полезных грузов массой до нескольких тонн. В новой модификации Vega-C будет реализована и возможность перемещения полезной нагрузки между орбитами разных типов. За это возьмет на себя ответственность модуль верхней ступени Vega Electrical Nudge, что позволит разворачивать спутниковые созвездия лунных миссий или обслуживать уже имеющиеся спутники на орбите.

Если график миссии не претерпит изменений, уже осенью мы увидим запуск Vega-C с основного космодрома ESA в Куру, Французская Гвиана. Модификация С не будет заключительной в истории развития ракет-носителей Vega, поскольку на 2027 год запланирован запуск следующей модификации ракеты — Vega-E (Vega Evolution). Ее оснастят новым маршевым двигателем М10, работающим на смеси криогенного жидкого кислорода и метана, который планируется установить на третью и четвертую ступени ракеты, значительно повысив вариативность будущей ракеты. Сейчас двигатель М10 все еще на стадии разработки.

Как видим, у ESA множество планов на ближайший год. Агентство словно просыпается от долгого сна, вызванного бюджетными разногласиями и регулярными переносами своих ракетных запусков и космических миссий. Однако все указывает на то, что для главного космического агентства Европы этот период неопределенности позади.