Модернизация производства космических аппаратов: Как построить спутник будущего

Спутниковая индустрия – очень терпеливая отрасль. На создание обычного геостационарного космического аппарата требуется от двух до трех лет, срок его службы более десяти лет, иногда двадцать. Для сравнения, автомобильные компании, имея под рукой все необходимые детали, могут построить автомобиль менее чем за один день. Изготовление более шикарного автомобиля, например, Rolls Royce, может потребовать нескольких месяцев, но смысл понятен: по сравнению с космической промышленностью другие технические отрасли развиваются намного быстрее. Несмотря на длительные сроки производства, спутники отнюдь не подвержены быстрому устареванию, и с каждым годом все больше их припарковано выше атмосферы Земли. Тем не менее, сравнивая с другими отраслями - от автомобилей до смартфонов - существует желание сделать изготовление спутников более похожим на другие высокотехнологичные области. Знаменосцы Так как же спутникам удается оставаться конкурентоспособными? По словам Мартина Холлиуэлла, технического директора компании SES, операторы наземной связи всегда опережают спутниковую индустрию. Главная причина - рискованность экспериментов с техникой, стоимость которой выражается многими и многими миллионов долларов. Действительно, после приемки в эксплуатацию объект находится слишком далеко, чтобы заниматься ремонтом, если что-нибудь в нем выйдет из строя. «И не следует ожидать быстрых изменений. Мы, как правило, очень консервативная публика по той причине, что после запуска космического аппарата у нас нет никакой возможности что-либо изменить, так что нам свойственно вносить изменения очень медленно. Это процесс более эволюционный, нежели революционный», говорит он. По словам Холлиуэлла, спутниковая индустрия сохраняет конкурентоспособность благодаря предоставлению таких услуг, которые наземные телекоммуникационные компании просто не в состоянии предоставлять. Повсеместный охват больших географических регионов, возможность обеспечения связи в воздухе и на море, некоторые формы защищенной правительственной связи и даже возможность экономически эффективно распределять контент Ultra-HD - все это области, где спутники впереди. Но это вовсе не означает, что спутниковая индустрия почивает – или может почивать - на лаврах. Застой означает гибель, и сидеть сложа руки неизбежно означает отдать долю рынка какому-то другому решению. Холлиуэлл говорит, что в различных аспектах спутникового производства происходят постепенные улучшения. Например, становятся более эффективными солнечные батареи, производятся более совершенные датчиков, используется фотоника. Однако, по его мнению, подлинным изменением правил игры станет разработка полезных нагрузок, обладающих более высокой гибкостью. Сделать КА лучше «Что мы хотели бы видеть? Способность КА принять сигнал, немедленно разбить его на герцы, чтобы каждый герц полезного спектра можно было перенаправить туда, куда нам захочется и тому, кому, по нашему пониманию, надо пользоваться этим сигналом. Такой степени гибкости сегодня не существует, сегодня мы от нее слишком далеко. Таким образом, предстоит еще очень много работы», говорит он. Изготовители КА хорошо знакомы с этими требованиями, говорит Марк Спивак, президент Boeing Satellite Systems International. Больше гибкости с полосой частот – одно из главнейших новых требований, которое Boeing видит в запросах на предложение от операторов спутников. «Например, у вас предстоит чемпионат мира или Олимпийские игры. Ясно, что там будет всплеск спроса на емкость в конкретной области, так как люди хотят настроиться и смотреть, иметь доступ к сети Интернет, и т.д. Клиенты спутниковых компаний хотят, чтобы в соответствующий регион была гибко перенесена емкость и удовлетворены потребности клиентов», говорит он. По словам Спивака, Boeing постоянно вкладывает средства в такие технологии. Запущенный 27 января КА Intelsat 29e - первый коммерческий спутник с цифровой полезной нагрузкой производства компании Boeing. Изначально технология была разработана для министерства обороны США, для спутников Wideband Global Satcom (WGS). Спивак сказал, что компания уже ведет НИОКР по будущему седьмому поколению цифровых полезных нагрузок. Цифровые полезные нагрузки - не единственная востребованная новая технология. Другие новы ожидания и пожелания, включаемые в запросы на предложения, включают более высокую пропускную способность, более низкую стоимость за гигабит в секунду, а также все более жесткие графики создания и выхода на рынок новых продуктов и космических аппаратов. Для того, чтобы ускорить процесс создания КА и удовлетворить все эти требования, поставщики компонентов также начинают действовать в более высоком темпе. «Лет десять назад коммерческие телекоммуникации, может быть, не чувствовали столь сильного давления и побуждения к переменам. Однако, в последние несколько лет коммерческой телеком, а теперь, возможно, даже в какой-то степени и наши институциональные клиенты, чувствуют, как на них давят жесткие планы-графики и ценовые факторы», говорит Майкл Павлофф, технический директор компании RUAG Space. В компании RUAG полагают, что все больше клиентов интересуются новыми методами производства спутников. Как говорит Павлофф, в значительной мере этот импульс задается, предпринимательским сегментом участников рынка. Они хотят спутник с менее дорогостоящим спутниковым оборудованием, и они хотят его прямо сейчас. «Весь этот мир, называемый «Новым космосом» («Newspace»), действительно инициировал некоторые радикальные изменения, которые начинают переливаться обратно в отрасль ... клиенты требуют электронику, которая может быть в 10 или более раз дешевле, или требуют более быстрой поставки, чем наблюдалось на наших прежних рынках», объясняет он. Чтобы ответить на такой спрос, говорит Павлофф, RUAG Space изучает технологии, разработанные за пределами спутниковой индустрии. В дополнение к обслуживанию индустрии спутниковой связи и таких институциональных клиентов, как Европейское космическое агентство (EКA), компания также выполняет большой объем заказов из других отраслей. Павлофф говорит, что RUAG производит электронные компоненты для других отраслей гораздо быстрее, и в настоящее время рост спроса на более значительные объемы, сокращение сроков изготовления и использование покупных комплектующих постепенно становятся привычными и в космической отрасли. Спивак упоминает аналогичную стратегию в компании Boeing, где сейчас все больше делается упор на привлечение в производство спутниковых систем технологий и методов из других отраслей промышленности, например, авиационной. И Спивак, и Павлофф указывают на расширение роботизированной сборки и автоматизацию для оптимизации технологии изготовления спутников. Новые методы устраняют физический контакт людей с изделиями, сокращают объем времени и усилий, необходимых для выполнения рутинных задач. «Для изготовления сэндвич-панели, которую традиционно изготавливали с помощью ручной сверловки и ручной заливки вкладышей, мы инвестировали в роботизированные мощности (так называемые автоматические заливочные машины), чтобы иметь возможность по-новому изготавливать вкладыши в будущем», говорит Павлофф. «С этим было связано появление некоторых технологических разработок, т.е. дело не ограничилось только роботизацией, но затронуло технологии снижения массы с новыми вкладышами и компаундом для заливки». Автоматизация также находит все более широкое применение в процедурах тестирования и проверки готовности спутника к запуску. «Мы разработали нашу цифровую полезную нагрузку с функцией самотестирования, что позволило обходиться без проведения дополнительных испытаний или дополнительной контрольно-испытательной аппаратуры," добавляет Павлофф. Влияние малых космических аппаратов Любое обсуждение проблематики изготовления космических аппаратов сегодня было бы неполным без упоминания о том, как влияют на отрасль малые космические аппараты (МКА). Холлиуэлл говорит, что различия между малыми аппаратами и тяжелыми геостационарными спутниками столько велико, что точки соприкосновения между ними практически не видны. Одним из главных факторов является сравнение специализированных геосинхронных спутников с их более мелкими негеостационарными родственниками. Хотя у них очень разные миссии и конструкция, по словам Спивака, МКА подталкивают Boeing к более пристальному знакомству с новыми технологиями, системами организации производства и методами инженерного проектирования. КА Cubesat и другие небольшие проекты все чаще становятся частью учебного процесса, являя собой весьма ощутимый источник воздействия на следующее поколение изготовителей спутников. «Большинство новых инженеров, которых компания Boeing наняла в последние пять лет, уже работали над реальными спутниками в колледже. Они владеют соответствующим языком, знают алгоритмы и берутся за дело без раскачки, а это придает огромную энергию нашим разработкам и повышает темпы», говорит он. Потенциал малых спутников возрастает. По этой причине новые предприниматели ищут способы использовать их для телекоммуникаций, стараясь добиться большего успеха, чем удалось предшественникам в 1990-е годы. Брайан Холц (Brian Holz), генеральный директор OneWeb Satellites, говорит, что его компания - недавно созданное совместное предприятие между OneWeb и Airbus Defence and Space – ставит целью поставить производство МКА на поток, ежедневно выпуская два – три спутника после выхода на полную мощность. Он подчеркивает, однако, что эти спутники значительно отличаются от Cubesat или других подобных им микро-аппаратов. Космический аппарат компании OneWeb Satellites с массой 150 кг должен иметь емкость более 6 Гбит/с, обладать способностью к точному наведению, иметь соотношение мощности и веса, аналогичное обычному телекоммуникационному спутнику. Холц говорит, что перспективы быстро наладить массовое производство спутников зависят от успешного управлении кооперацией. В начале компания OneWeb Satellites планирует реализовать программу развития, которая потребует нескольких лет, говорит он, и начнется она с двух квалификационных спутников, а затем последует пилотная программа из 10 спутников. После того, как компания выйдет на определенный режим, говорит Холц, она будет наращивать производство до желаемых объемов в течение пяти - шести месяцев и в итоге еще через два-три месяц достигнет показателя в несколько спутников в день. «Что касается производства, главное – управление кооперацией и сетью поставщиков, наша интеграция и сборочные процессы, общий подход к переводу в серийное производство, наш общий подход к испытаниям и т.д. – и все это в том числе для обеспечения производственных графиков, которые отнюдь не свойственны нашей отрасли», объясняет он. «По существу, мы сначала поставим на полку готовности позиции с продолжительным сроком изготовления, а затем начнется выполнение нашего производственного графика." Павлофф говорит, что в RUAG Space наметилась растущая тенденция к совместным усилиям поставщиков компонентов и изготовителей спутников. Эта так называемая коллокация (collocation) меняет формы отношений между ними. RUAG Space участвует в тендерах примерно на 25 процентов космических аппаратов OneWeb Satellites. «Все более важными становятся тесные партнерские связи с нашими клиентами. Это происходит по нескольким направлениям. Одно из них заключается в том, что наши заказчики, будь то ЕКА или OneWeb, начинают видеть преимущества для всех участников в том, чтобы инженеры работали совместно уже с самого начала. Совместное проектирование стало важной частью того, что мы делаем», говорит он, добавляя, что иногда это сопряжено с риском и требует глубоких партнерских отношений, в которых RUAG Space порой выступает скорее в роли экономического партнера. По словам Холца, главные усилия будут направлены на анализ производственных процессов и их автоматизацию с точки зрения задач космической деятельности. Цель состоит в том, чтобы каждый спутник имел 90%-ную вероятность пятилетнего расчетного срока службы. Так как компания OneWeb заказала 900 спутников, количественная избыточность позволит ей застраховаться от иногда случающихся отказов КА. При этом Холц утверждает, что многие спутники будут служить дольше, чем пять лет. «Мы не жалеем времени на начальном этапе, чтобы убедиться в технологичности конструкции и увидеть, как элементы системы взаимодействуют между собой. При этом важно видеть, что система собирается быстро, испытания перемещаются на более низкие уровни сборки, и на конечном этапе забот становится меньше. У нас есть очень надежная программа автономного тестирования на нашем уровне автономных испытаний, а затем на уровне модулей. Несмотря на малые размеры, система имеет хороший уровень модульности, и мы много делаем по части контроля текучести и испытаний на принудительный отказ на модульном уровне до сборки изделия на системном уровне», говорит он. Изготовление спутников в следующем десятилетии Производство космических аппаратов сегодня может быть и негибкий процесс, но представления о будущем рисуют гораздо более динамичную картину. Холлиуэлл говорит, что на период 2020 - 2025 гг. SES планирует гораздо более гибкие и адаптивные спутники. Речь не только о гибких полезных нагрузках, но и о новых способах расширения возможностей КА даже после того, как они будут запущены. «Мы собираемся запускать спутники, которые способны принимать последующие полезные нагрузки, находясь на орбите в точке стояния. Мы обсуждаем такие вопросы на общем уровне. Сейчас мы работаем с конкретным производителем, чтобы постепенно продвинуться к следующему этапу. Идея заключается в том, что каждый запускаемый в тот период спутник будет иметь на тыльной части механизм стыковки. Он будет иметь электрический и механический интерфейс, позволяющий нам на более позднем этапе пристыковать другую полезную нагрузку», говорит он. Все больше компаний изучают вопросы адаптивной матчасти космических аппаратов, располагающей такими возможностями. Компания NovaWurks, например, разрабатывает свой КА, Hyper-Integrated Satlet (HISat), способный размещаться вокруг полезных нагрузок и выполнять другие задачи самосборки на орбите. Так, компания Made In Space, работает над тем, чтобы, возможно, в корне изменить современную концепцию производства КА. Основанная в 2010 году компания осваивает использование 3-D печати для производственной деятельности на орбите. «В то время, как другие рассматривают такие решения, как ракеты многоразового использования или альтернативы двигательным установкам на химическом топливе, мы задаемся совсем другим вопросом: а что, если вообще ничего и запускать-то не надо? Если, например, мы могли бы строить в космосе то, что нам необходимо? Такая вот идея возникла», говорит Джейсон Данн (Jason Dunn), соучредитель и технический директор компании Made In Space. В 2014 году компания Made In Space отправила 3-D принтер на Международную космическую станцию (МКС) и доказали, что аддитивное производство* (additive manufacturing) в космосе возможно. Следующий шаг - предоставление коммерческих услуг с помощью более надежного устройства, а именно, рабочего места аддитивного производства (Additive Manufacturing Facility (AMF), который был доставлен на МКС в марте в рамках миссии компании Orbital АТК. Данн говорит, что это рабочее место позволит компании Made In Space создавать спутники на орбите совместно с партнером, NanoRacks. Услуга под названием «Сохрани и развертывай» (Stash & Deploy) позволяет строить спутники на орбите с помощью AMF и компонентов, до поры до времени хранящихся на станции в упакованном виде. * Аддитивное производство объединяет в себе технологии 3D печати, которые - в отличие от 3D принтеров - позволяют создавать не только и не столько прототипы 3D моделей, а конечные функциональные изделия. По словам Данна, на орбите с помощью 3-D технологий спутники могут создаваться без придания им избыточной прочности, необходимой для противостояния перегрузкам во время запуска, или без ограничений по габаритам, диктуемым полезным объемом под головным обтекателем. Он полагает, что в один прекрасный день 3-D технологии и роботизированная сборка позволят строить космические корабли, которые по сложности будут превосходить сегодняшние. Компания Made In Space также работает с НАСА над еще более крупным проектом под названием Archinaut. Это устройство (уменьшительное от «космонавт - архитектор») призвано создавать целые конструкции в открытом космосе. «Archinaut позволяет заниматься в космосе роботизированным производством и сборкой целых космических систем», объясняет он. Одни варианты Archinaut строят подсистемы для космических аппаратов, другие способны вносить изменения или улучшения в космические аппараты на орбите». Аддитивное производство вызвало самую разнообразную реакцию в спутниковой индустрии: одни видят в нем большой потенциал, другие рассматривают его как просто положительный сопутствующий фактор. Павлофф говорит, что RUAG Space использует 3-D печать для создания кронштейна антенны S-диапазона с массой на 50% меньше стандартной и с улучшенными структурными свойствами, причем в два раза дешевле и настолько же быстрее. Он ожидает, что RUAG Space будет шире использовать 3-D печать в определенных ситуациях, например, когда предпочтительное решение предусматривает более легкую конструкцию. Boeing использует аддитивное производство для некоторых элементов своей платформы 702, а Спивак сообщает, что его компания также будет чаще прибегать к 3-D печати в будущем. По словам Холца, для компании OneWeb Satellites 3-D печать интересна, но требует слишком больших первоначальных капвложений, чтобы ею заниматься уже на данном этапе. Данн ожидает, что 3-D печать в космосе сначала очарует научные круги, однако затем распространится по всей космической отрасли. Что касается потенциальной конечной номенклатуры изделий, полагает Данн, речь может идти о всем спектре космических аппаратов на орбите и сегодня, и в будущем. «Мы изучили весь диапазон КА от Cubesat до мега-спутников, причем последние значительно крупнее запускаемых сегодня. Я, пожалуй, больше интересуюсь аппаратами мега-размеров, потому что именно там мы сталкиваемся с действительно новой идеологий проектирования. Речь идет о создании на орбите таких систем, которые выходят за пределы ограничений, накладываемых на сегодняшние системы необходимостью их доставки в космос. Для нас это означает, например, возможность изготовления на орбите антенны с апертурами большего размера, чем существующие», говорит он. По прогнозу Данна, в ближайшие два года можно ожидать реализации новых полетов, за которыми больше проектов типа Archinaut будут выходить из стадии НИОКР в сферу публичной деятельности компании. По его словам, такие проекты вполне могут стать провозвестниками новой эры в космической деятельности.