Плани ESA на 2024-2025 роки: дебют нових ракет-носіїв та амбітні космічні місії

Нещодавно Європейське космічне агентство (ESA) анонсувало низку цікавих місій, які прагне втілити у життя найближчим часом. У нових короткострокових планах очевидний акцент на посилення співпраці з американським NASA. І це зрозуміло, адже минулорічний запланований дебют нового важковаговика ESA, ракети Ariane 6 — відтерміновано, відтак увесь рік після останнього польоту Ariane 5 космічна Європа мусила покладатися на допомогу країн-партнерів щодо космічних запусків.

Тепер ESA воліє побороти цю прикрість — у планах космічних місій на 2024-2025 роки знайшлося місце для нової версії ракети, яка виведе на орбіту багато цікавих експериментів. Зокрема й європейську демонстрацію 3D-друку в космосі — Replicant. Про цей і багато інших планів космічної Європи на найближчий рік читайте у нашому огляді майбутніх місій ESA. 

Перший запуск Ariane 6: передчуття дебюту

9 липня має відбутися довгоочікуваний запуск європейської ракети важкого класу — Ariane 6, яка відновить автономний доступ ESA до космічного простору. Пауза через відсутність власної ракети-носія, здатної доставляти корисний вантаж на орбіту, триває вже рік після того, як 5 липня 2023 року з космодрому Куру у Французькій Гвіані стартувала остання ракета Ariane 5. І ось нарешті космічна Європа впритул наблизилася до довгоочікуваної заміни.

Ariane 6 буде представлена у двох основних модифікаціях:

1. Ariane 62 — ракета-носій середнього класу, оснащена двома бічними прискорювачами (бустерами). Потужності Ariane 62 вистачить для запуску на орбіту кількох невеликих супутників, переважно телекомунікаційних. Ariane 62 буде здатна доставити на геостаціонарну орбіту Землі (GEO) до 4,5 тонн корисного вантажу. Її стартова маса становить 540 тонн. Ракета має стати основною робочою конячкою для комерційних замовлень, які ESA сподівається отримувати від низки європейських та світових космічних компаній і стартапів. 
2. Ariane 64 — ракета-носій важкого класу, оснащена чотирма бічними прискорювачами для виведення на орбіту великих складних супутників наукового і військового призначення. Ракета зможе виводити на GEO до 11,5 тонн вантажів, а її стартова маса з заповненими паливними баками становитиме 870 тонн. 

Верхній ступінь Ariane 6 буде здатен виконувати повторне запалення свого кріогенного рідинного ракетного двигуна Vinci, що дозволить виводити декілька космічних апаратів на різні орбітальні висоти впродовж одного запуску. Завдяки цій обставині, за прогнозами, має зменшитись вартість виведення корисного вантажу на орбіту, що зробить ракету більш конкурентоспроможною відносно інших носіїв на ринку орбітальних запусків. 

Після першого старту Ariane 6, що має відбутися 9 липня, головний розробник ракети, компанія ArianeGroup, збирається протягом двох років нарощувати кількість комерційних замовлень, та у подальшому довести їх до показника 10 запусків на рік. Наразі у Ariane 6 уже заплановано 30 місій, що свідчить про певний рівень довіри, які бізнес виказує до майбутньої європейської ракети.

Упродовж подальших 10 років Ariane 6 має стати головним знаряддям з підтримки європейських програм спостереження за Землею, геопозиціонування та навігації, а також місій з космічної безпеки, актуальність яких дедалі більшає зі зростанням геополітичної напруги на Євразійському континенті. 

Демонстрація Replicator: перший 3D-друк у відкритому космосі

Перший політ Ariane 6 важливий не тільки самим фактом дебюту ракети, але й корисним навантаженням, яке слід вивести на орбіту. Серед найцікавішого виділяється місія Replicator, яка має продемонструвати нову технологію 3D-друку у космосі. 

Replicator розроблено польсько-німецьким стартапом Orbital Matter, який позиціонує себе як першу космічну будівельну компанію. Демонстраційна версія 3D-принтера спеціально спроєктована для роботи в умовах мікрогравітації та космічного вакууму.

Концепція 3D-друку у космосі не нова, і першій презентації цієї технології на земній орбіті вже виповнилося 10 років. 2014 року на борту МКС встановили металевий 3D-принтер, на якому під час демонстраційних запусків надрукували кілька механічних деталей. Однак тоді друк відбувався в умовах космічної станції, максимально наближених до атмосферних. Replicant же пропонує скористатися автоматичним 3D-друком у суворих реаліях відкритого космосу.

Для того щоб позакорабельний 3D-друк став можливим, інженерам Orbital Matter довелося цілковито переосмислити підхід, спроєктувавши пристрій таким чином, щоб під час друку він не виділяв у навколишнє середовище тепло. Це було необхідною умовою для коректної роботи принтера на орбіті, оскільки в космічному вакуумі відсутнє конвекційне охолодження, властиве земній атмосфері. Втрата тепла на орбіті може відбуватися лише шляхом випромінювання, і на те, щоб остудити невеличкий розігрітий предмет, там може знадобитися колосальна кількість часу. Після видалення з процесу орбітального тривимірного друку компоненти тепловиділення, Replicator набув здатності друкувати великі модульні об’єкти у космосі, створюючи таким чином телескопи, телекомунікаційні супутники, орбітальні сонячні електростанції або навіть повноцінні космічні станції.

Replicator встановлять на борту мініатюрного (10×10×30 см) супутника — Orbital Matters Replicator CubeSat, який відокремиться від Ariane 6 на висоті 580 км. Демонстрація технології стала можливою за допомоги ESA PUSH — європейської ініціативи, що надає фінансову підтримку найбільш талановитим космічним стартапам Європи. Минулоріч одним із переможців ESA PUSH 2023 став паризький стартап RIDE!, який запропонував Orbital Matter свої посередницькі послуги з запуску. RIDE! також буде відповідальний за розгортання кубсата на орбіті та керування його польотом (це виконуватимуть разом з ESA).

За словами представників Orbital Matter, модульний 3D-друк та будівництво на орбіті може виявитися на 70% більш ефективним і рентабельним, аніж земне будівництво та виведення готових конструкцій на орбіту. Стартап Orbital Matter уже продемонстрував вдалу роботу свого Replicator в умовах штучно створеного вакууму на Землі, тож запуск Ariane 6 має лише підтвердити нагальність технології, наблизивши людство ще на крок до майбутніх мегабудівництв на орбіті. 

ESA Probe-3: орбітальний тандем з дослідження Сонця

У вересні 2024 року стартує й найбільш амбіційна європейська космічна місія з вивчення Сонця, яка теж продемонструє технологію високоточного супутникового формування. За планами, два космічних апарати CSC (Coronagraph Spacecraft) та OSC (Occulter Spacecraft) будуть запущені на високоеліптичну орбіту Землі з перигеєм (найближча до Землі точка орбіти) 600 км та апогеєм (найвіддаленіша точка орбіти) 60 560 км. Для запуску тандему космічних супутників скористаються індійською ракетою-носієм PSLV-XL C-62.

Під час орбітального польоту обидва апарати мають дотримуватися щільного формування та летіти на відстані 144 м один від одного, утворюючи об’єднаний віртуальний супутник без необхідності додаткового коригування їхнього орбітального положення із центру управління польотом на Землі. Таке точне співвідношення відстані супутників між собою необхідне для втілення головної наукової місії Probe-3 — дослідження сонячної корони.

Відстань розраховано таким чином, аби тінь від диска супутника OSC, який буде постійно розташований ближче до Сонця, завжди падала точно на CSC, залишаючи в полі зору останнього лише слабку видимість сонячної корони, куди й будуть спрямовані його детектори ультрафіолетового випромінювання. Такий тандем дозволить CSC проводити надчутливі дослідження сонячної корони без ризику засліплення яскравим сяйвом фотосфери нашого світила.

Місія Probe-3 надзвичайно важлива не тільки через дослідження сонячної корони, її основна мета полягає у демонстрації точного прольоту на відстані. Потенційно це відкриє шлях до створення віртуальних супутникових структур з іще більшої кількості космічних апаратів. Технологія автоматичного дотримання дистанції також буде корисна під час маневрів орбітального стикування, які більше не потребуватимуть участі людини-оператора.

Раніше можливості точного польоту на дистанції уже демонструвала шведська компанія Prisma. Щоправда, тоді два її супутники летіли на відстані 10 м один від одного (з похибкою всього у кілька сантиметрів) протягом коротких інтервалів часу. Зі свого боку Probe-3 має показати політ двох супутників у тандемі впродовж шести годин за одне наближення, з допустимою похибкою в декілька міліметрів, що на порядок перевищує минулі досягнення в цьому напрямку. Такий час польоту у формуванні обрано оптимальним з огляду на витрати палива, адже якби подібний політ тривав понад шість годин, це призвело б до швидкого вичерпання запасу палива, на якому працюють супутникові двигуни OCS/CSC.

Методи дистанційної навігації, рандеву та наближення, які продемонструє Probe-3, у майбутньому стануть у пригоді для космічних місій з доправлення зразків марсіанського ґрунту на Землю, а також під час експлуатації технологічно складних супутникових сузір’їв, завдання яких будуть пов’язані із необхідністю роботи єдиним віртуальним кластером. 

Шляхом DART: ESA Hera оцінює ефективність

26 вересня 2022 року відбулася перша в історії людства вдала демонстрація технології з відхилення астероїдів. Космічний апарат NASA DART зіштовхнувся з астероїдом Діморфом, відхиливши орбітальну траєкторію його оберту навколо материнського астероїда — 65803 Дідім.

Попри те, що фронтальні камери DART зафільмували зіткнення, а під час подальших спостережень із Землі астрономи зафіксували скорочення періоду орбітального оберту Дімфорфа навколо Дідіма, вченим досі бракує даних для повного розбору результативності кінетичного удару, завданого апаратом. Тому ще при плануванні місії DART у NASA вирішили: за два роки після зіткнення до пари астероїдів вирушить безпілотний зонд задля оцінки наслідків першої місії з подвійного перенаправлення астероїда. Його нарекли Hera, а будівництво та запуск доручили ESA.

Оцінювати наслідки збираються за допомогою ретельного визначення розмірів та морфології кратера, який лишився на Діморфі після штучного зіткнення. Обертаючись навколо пари астероїдів, Hera також повинен дослідити хмару з уламків, які утворилися від удару DART. 

Європейський зонд нестиме на своєму борту два маленькі кубсати (Milani та Juventas), які вивільнить у міжпланетному просторі на підльоті до астероїда. Milani займатиметься спектральним аналізом поверхні обох астероїдів і складу хмари з пилу та уламків. Juventas буде націлений на дослідження підповерхневої структури астроїда та визначення його сили тяжіння. Він же надасть необхідні дані про механічну реакцію під час спроби посадки на Діморф. Прилад X-Band Radio Science (X-DST) вимірюватиме гравітацію подвійної системи астероїдів шляхом вивчення коливань у радіохвильовому діапазоні, які утворюються в процесі обертання цих небесних тіл.

Оптичну зйомку поверхні астероїда здійснюватиме пара камер AFC (Asteroid Framing Cameras). Інші оптичні зображення планують отримати за допомогою малих моніторингових камер SMC (Small Monitoring Cameras). Модуль TIRI (Thermal InfraRed Imager) надасть зображення у інфрачервоному діапазоні, а планетарний висотомір PALT (Planetary ALTimeter) виступатиме орієнтиром положення зонда у космічному просторі з точністю до половини метра. Hera буде оснащений ще й гіперспектральною фотокамерою HyperScout-H, що може отримувати спектральні зображення в діапазоні від 665 до 975 нм та проводити зйомку поверхні астероїда у 25 діапазонах.

У місії ESA Hera одразу дві основні штаб-квартири. Зокрема, це ESTEC (Європейський центр космічних досліджень і технологій) у Нордвейку, Нідерланди, де тривають проєктні роботи та збирання зонда масою 1128 кг. Інший заклад під назвою ESOC (Європейський центр космічних операцій) у Дармштадті, Німеччина, опікуватиметься перебігом місії після запуску космічного апарата цьогоріч у жовтні (точну дату ще не визначено).

До речі, запускатиме космічну місію ESA Hera не Ariane 6, а Falcon 9 від SpaceX. Вочевидь, нова ракета, що має стартувати в липні, не матиме вдосталь нальоту, та не зможе гарантувати необхідний рівень надійності, якого потребує запуск складних наукових місій на кшталт Hera. Тож вибір, як і раніше, зробили на користь аерокосмічної компанії Ілона Маска. 

Повернення Vega-C

Липневий старт Ariane 6 стане не єдиним довгоочікуваним введенням в експлуатацію ракети-носія ESA. На осінь цього року намічено й перший запуск оновленої модифікації ракети середнього класу Vega, яку назвали Vega-C (Vega Consolidation). Ракета успішно дебютувала у липні 2022 року, далі стався провальний запуск (у грудні того ж року), за результатами якого ESA вирішило взяти дворічну паузу задля її повного конструктивного переосмислення. 

Розробкою нової європейської ракети займається Arianespace спільно з Італійським космічним агентством (ASI). Нова версія Vega отримає більш потужний бустер Р120С — такий самий, що відриватиме від землі Ariane 6. Основний маршовий двигун другого ступеня ракети Zefiro 23 також замінять — новітньою модифікацією Zefiro 40. Адже саме аномалія, що сталося з цією руховою установкою під час грудневого запуску, спричинила таку довгу затримку із введенням Vega-C в експлуатацію. 

Третій ступінь ракети-носія обладнають одним ракетним двигуном Zefiro 9. Переосмислення зазнав і останній, четвертий модуль — AVUM+, який у новій модифікації ракети оснастять багаторазовим транспортним засобом Space Rider. Це дозволить повертати на Землю особливо чутливий корисний вантаж. Однак зазначимо, що Space Rider не буде встановлено під час найближчого запуску Vega-C — його перша демонстрація очікується не раніше липня 2025 року.

Нова версія ракети зможе доставляти до 2,3 тонни на полярну орбіту Землі заввишки 700 км, що майже вдвічі перевищує спроможності оригінальної Vega. Ракета буде здатна виводити на орбіту і комбінований тип корисного навантаження. Тобто запускати як велику кількість кубсатів вагою до 1 кг, так і масивніші мінісупутники вагою до 400 кг. Конфігурація корисного вантажу варіюватиметься від місії до місії, що забезпечить новій Vega-C гарний рівень масштабованості.

Адаптер корисного навантаження Vespa-C дозволяє розміщувати на ракеті два супутники вагою понад 400 кг, а просторий вантажний відсік Vampire є основним для одиночних великих корисних вантажів масою до кількох тонн. У новій модифікації Vega-C буде реалізовано і можливість переміщення корисного навантаження між орбітами різних типів. За це відповідатиме модуль верхнього ступеня Vega Electrical Nudge, що дозволить розгортати супутникові сузір’я місячних місій або обслуговувати вже наявні супутники на орбіті.

Якщо графік місії не зазнає змін, то вже восени ми побачимо запуск Vega-C з основного космодрому ESA у Куру, Французька Гвіана. Модифікація С не буде заключною в історії розвитку ракет-носіїв Vega, оскільки на 2027 рік заплановано запуск наступної модифікації ракети — Vega-E (Vega Evolution). Вона буде оснащена новим маршовим двигуном М10, що працюватиме на суміші кріогенного рідкого кисню та метану, який планується встановити на третій і четвертий ступені ракети, значно підвищивши варіативність майбутньої ракети. Наразі двигун М10 усе ще на стадії розробки.

Як бачимо, у ESA багато планів на найближчий рік. Агентство немов прокидається від довгого сну, спричиненого бюджетними розбіжностями та регулярними переносами своїх ракетних запусків і космічних місій. Проте все вказує на те, що для головного космічного агентства Європи цей період невизначеності позаду.