NGC Aerospace научила спутники маневрировать за счёт сопротивления атмосферы

NGC Aerospace закончила исследование для Европейского космического агентства и показала простую вещь: на сверхнизких околоземных орбитах атмосфера мешает не всегда. Её можно и использовать. Компания предлагает маневрировать спутником с помощью аэродинамических поверхностей и тем самым разгрузить обычные системы ориентации. Для аппаратов на VLEO, то есть very low Earth orbit, это особенно чувствительно: чем ниже орбита, тем лучше связь и выше детализация съёмки, но тем быстрее спутник теряет скорость из-за верхних слоёв атмосферы.

Работа велась в рамках программы RAVELO. Инженеры NGC Aerospace сделали систему Robust Attitude and Orbit Control System for Very Low Earth Orbit, где внешние аэродинамические элементы помогают управлять ориентацией аппарата сразу по трём осям. Смысл здесь в том, чтобы не воевать с разреженным потоком каждую секунду полёта, а заставить его делать часть работы за спутник.

Есть у этого подхода и ещё один плюс. Обычно накопленный момент вращения спутники сбрасывают с помощью магнитных исполнительных органов или двигателей ориентации. В варианте NGC Aerospace часть этой нагрузки берёт на себя сам аэродинамический момент. Он помогает разгружать реакционные колёса и уменьшает зависимость от дополнительных систем.

Параллельно компания допиливает софт. Новые алгоритмы автономной навигации позволяют аппарату держать ориентацию по направлению воздушного потока и положению Солнца, оценивать плотность атмосферы в реальном времени и корректировать поведение без постоянных команд с Земли. Отдельная часть проекта, и, пожалуй, самая любопытная, — связка с электроракетной установкой, которая будет использовать частицы остаточной атмосферы как рабочее вещество.

Спутники на VLEO: история вопроса

Сверхнизкие орбиты давно интересуют операторов спутников, но условия там жёсткие. На высотах заметно ниже классических орбит дистанционного зондирования аппарат получает бонус в виде меньшей задержки связи и более высокого пространственного разрешения при той же оптике. Платить за это приходится постоянно: атмосферное торможение быстро съедает скорость и требует непрерывной компенсации.

Прецеденты уже были. Европейский спутник GOCE в 2009 году работал примерно на высоте около 255 км и держал орбиту с помощью ионного двигателя, компенсируя сопротивление атмосферы. Японский аппарат SLATS, он же Tsubame, опускался ещё ниже и в 2018 году, по данным JAXA, работал примерно на высоте около 167 км. Это один из самых наглядных примеров того, насколько заманчивы VLEO и насколько трудно там работать без точного управления.

Параллельно отрасль ищет и другой ответ на ту же задачу: так называемую air-breathing electric propulsion, электрическую тягу с забором частиц из верхней атмосферы. В Европе такими системами несколько лет занимаются ESA и итальянская Sitael, а несколько стартапов продвигают похожие схемы для малых спутников. Если NGC Aerospace удастся свести аэродинамическое управление и такую тягу в одну архитектуру, VLEO перестанет быть территорией одних только демонстраторов.

Интерес к теме легко понять и по рынку. Низкие орбиты нужны не только операторам связи, но и компаниям, которые строят группировки для наблюдения Земли: каждый десяток километров высоты тут заметно влияет на качество снимка. Поэтому следующая фаза проекта важна не сама по себе, а как проверка того, можно ли превратить атмосферное торможение из вечной помехи в обычный элемент системы управления.