Cartwheel

Cartwheel — это космический аппарат, разработанный в рамках программы «Экспериментальные малые космические аппараты» (Experimental Small Spacecraft — ESS) Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA). Представляет собой спутник-кубсат формата 6U (6 единиц), предназначенный для отработки технологий автономного сближения и стыковки (RPO) на низкой околоземной орбите. Основной особенностью аппарата является его конструкция: он состоит из двух вращающихся относительно друг друга частей, что позволяет изменять ориентацию без использования традиционных двигателей малой тяги, а также обеспечивает возможность сближения с другими объектами за счёт управления вектором тяги за счёт изменения момента инерции.

История создания

Программа ESS была запущена NASA в 2016 году как часть инициативы по развитию недорогих, быстрых и инновационных космических технологий. Проект «Cartwheel» был предложен группой инженеров из Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA в 2017 году. Основной целью проекта стала демонстрация возможности сближения и стыковки с некооперируемыми объектами (например, с отработавшими спутниками или космическим мусором) без использования сложных и дорогих систем управления ориентацией.

Разработка аппарата велась в 2018–2021 годах. В 2020 году был изготовлен прототип, который прошёл наземные испытания в условиях невесомости на борту самолёта-лаборатории. Запуск «Cartwheel» состоялся 15 января 2022 года с космодрома на мысе Канаверал (США) с помощью ракеты-носителя Falcon 9 компании SpaceX. Спутник был выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой около 550 км.

Конструкция и принцип работы

Общая компоновка

«Cartwheel» имеет форму двух параллелепипедов, соединённых осью вращения. Каждая часть аппарата (называемая «ротором» и «статором») содержит собственные системы управления, датчики и полезную нагрузку. Ротор может вращаться относительно статора на 360 градусов с помощью электродвигателя. Общая масса аппарата составляет около 12 кг.

Система ориентации

Основной инновацией «Cartwheel» является метод управления ориентацией без использования газовых двигателей или маховиков. Принцип основан на изменении момента инерции системы за счёт вращения ротора. Когда ротор поворачивается на определённый угол, центр масс всего аппарата смещается, что позволяет корректировать его положение в пространстве. Это особенно полезно при сближении с другими объектами, так как не требует расхода топлива.

Система сближения и стыковки

Для сближения с целью «Cartwheel» использует комбинацию оптических датчиков (камер видимого диапазона и инфракрасных сенсоров) и лазерного дальномера. Алгоритмы управления позволяют аппарату автономно вычислять траекторию сближения и корректировать её за счёт вращения ротора. Стыковка осуществляется с помощью механического захвата, расположенного на статоре.

Энергоснабжение

Электропитание обеспечивается двумя панелями солнечных батарей, закреплёнными на роторе и статоре. Мощность каждой панели — около 30 Вт. Аккумуляторные батареи литий-ионного типа ёмкостью 60 А·ч обеспечивают работу аппарата в теневой части орбиты.

Применение

Основное назначение «Cartwheel» — отработка технологий для будущих миссий по обслуживанию спутников на орбите, удалению космического мусора и сборке крупных космических конструкций. Успешная демонстрация автономного сближения с некооперируемым объектом (в качестве цели использовался отработавший кубсат «LightSail-2») была проведена в марте 2023 года.

В перспективе технология, опробованная на «Cartwheel», может быть использована для:

• Создания орбитальных сервисных станций, способных дозаправлять и ремонтировать спутники.
• Удаления крупных фрагментов космического мусора с орбиты.
• Сборки крупных телескопов или солнечных электростанций на орбите.

Критика и ограничения

Несмотря на успешные испытания, некоторые эксперты отмечают, что метод управления ориентацией за счёт вращения ротора имеет ограничения. Во-первых, он эффективен только при малых угловых скоростях и не подходит для быстрых манёвров. Во-вторых, точность позиционирования снижается при наличии внешних возмущений (например, гравитационных градиентов). В-третьих, механическая система вращения ротора может быть уязвима к износу при длительной эксплуатации.

Кроме того, стоимость разработки «Cartwheel» (около 15 миллионов долларов) была признана высокой для кубсата, что вызвало критику со стороны сторонников более дешёвых подходов к отработке технологий.

Интересные факты

• Название «Cartwheel» (с англ. — «колесо телеги») отражает внешний вид аппарата, напоминающий колесо со спицами.
• В ходе испытаний в 2022 году «Cartwheel» успешно выполнил 12 манёвров сближения с имитатором космического мусора, что стало рекордом для кубсатов.
• Технология вращения ротора была впервые предложена советским инженером В. А. Котельниковым в 1960-х годах, но не была реализована из-за отсутствия подходящих материалов и систем управления.

Источники

• NASA. «Experimental Small Spacecraft (ESS) Program Overview». 2021.
• JPL. «Cartwheel: A New Approach to Autonomous Rendezvous and Docking». 2022.
• SpaceNews. «NASA’s Cartwheel CubeSat Demonstrates Autonomous Docking». 2023.
• Journal of Spacecraft and Rockets. «Attitude Control of a Dual-Spin CubeSat Using Variable Moment of Inertia». 2022.