Power and Propulsion Element

Power and Propulsion Element (PPE) — это космический аппарат, разрабатываемый компанией Maxar Technologies (входит в корпорацию Maxar Space Systems) по заказу Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) США. PPE является ключевым компонентом лунной орбитальной станции Gateway, которая создаётся в рамках программы «Артемида» (Artemis). Основное назначение PPE — обеспечение станции электроэнергией и выполнение функций двигательной установки для маневрирования на орбите вокруг Луны.

История создания

Проект PPE берёт начало в 2015 году, когда NASA объявило о планах создания окололунной станции, первоначально известной как Deep Space Gateway. В 2017 году агентство заключило контракты с несколькими компаниями на разработку концепций силовой и двигательной установки. В мае 2019 года NASA выбрало компанию Maxar Technologies для строительства PPE. Контракт стоимостью 375 миллионов долларов США предусматривал создание аппарата с использованием солнечных электрических двигателей.

В 2020 году проект был пересмотрен: изначально предполагалось, что PPE будет запущен отдельно, а затем состыкован с жилым модулем. Однако в 2021 году было принято решение объединить запуск PPE с модулем HALO (Habitation and Logistics Outpost) на одной ракете-носителе Falcon Heavy компании SpaceX. Запуск станции Gateway в сборе с PPE и HALO планируется на 2025 год (по состоянию на 2024 год).

Конструкция и устройство

Энергетическая система

PPE оснащён двумя большими солнечными батареями, каждая из которых имеет размах около 19 метров. Общая площадь панелей составляет примерно 180 квадратных метров. В сложенном состоянии батареи упаковываются в компактный блок для размещения под обтекателем ракеты-носителя. Солнечные элементы выполнены на основе арсенида галлия (GaAs) с эффективностью преобразования солнечного света в электричество около 30%. При полной освещённости система способна генерировать до 60 киловатт электроэнергии, из которых около 50 кВт будет доступно для питания модулей станции и научной аппаратуры, а остальное — для собственных нужд PPE и работы двигателей.

Двигательная установка

Основу двигательной системы составляют ионные двигатели, работающие на эффекте Холла. Для PPE используются четыре двигателя типа AEPS (Advanced Electric Propulsion System), разработанные компанией Aerojet Rocketdyne (входит в L3Harris Technologies). Каждый двигатель потребляет до 12,5 кВт электроэнергии и создаёт тягу около 0,6 Ньютона. В качестве рабочего тела применяется ксенон, который хранится в баках высокого давления. Общий запас ксенона составляет около 2000 килограммов, что обеспечивает суммарный импульс, достаточный для выполнения всех запланированных манёвров в течение 15 лет эксплуатации.

Электрические двигатели обеспечивают высокую эффективность — удельный импульс достигает 2600 секунд, что в 5-6 раз выше, чем у химических двигателей. Однако тяга мала, поэтому разгон и торможение происходят медленно, в течение нескольких месяцев. Для точных манёвров и коррекций орбиты PPE также оснащён химическими двигателями малой тяги на гидразине.

Система управления и навигации

PPE имеет автономную систему управления ориентацией и навигацией. Она включает звёздные датчики, гироскопы, акселерометры и приёмники сигналов GPS/ГЛОНАСС для определения положения в околоземном пространстве. На орбите Луны навигация осуществляется с помощью оптических камер и лазерных дальномеров. Аппарат способен поддерживать связь с Землёй через антенны Ka-диапазона, обеспечивающие скорость передачи данных до 100 Мбит/с.

Задачи и функции

Электроснабжение станции Gateway

PPE является основным источником электроэнергии для всей станции Gateway. Он обеспечивает питание жилого модуля HALO, лабораторных модулей, систем жизнеобеспечения, научного оборудования и средств связи. Избыток электроэнергии может использоваться для зарядки аккумуляторов, которые обеспечивают работу станции в периоды затмений (когда станция находится в тени Луны или Земли). Продолжительность таких затмений на окололунной орбите может достигать нескольких часов.

Двигательная функция

PPE выполняет все задачи по изменению орбиты станции Gateway. Станция будет работать на так называемой «околопрямолинейной гало-орбите» (NRHO) вокруг Луны. Эта орбита нестабильна и требует периодических коррекций. PPE обеспечивает поддержание орбиты, а также манёвры для стыковки с другими модулями и космическими кораблями (например, с кораблём Orion). При необходимости PPE может перевести станцию на другую орбиту, например, для сближения с астероидом или для проведения научных экспериментов.

Связь и ретрансляция

PPE оснащён системой лазерной связи, которая позволяет передавать данные на Землю с высокой скоростью. Эта система также может использоваться для ретрансляции сигналов с поверхности Луны, что обеспечит связь с будущими лунными базами и роверами.

Эксплуатация и срок службы

Расчётный срок активного существования PPE составляет не менее 15 лет. За это время аппарат должен обеспечить работу станции Gateway в течение нескольких миссий программы «Артемида», включая высадку астронавтов на Луну. После завершения основного этапа эксплуатации PPE может быть использован для дальнейших миссий, например, для полёта к астероиду или для развёртывания дополнительных модулей.

Критика и проблемы

Проект PPE неоднократно подвергался критике со стороны экспертов и политиков. Основные претензии касаются высокой стоимости (более 375 миллионов долларов только за сам аппарат, без учёта затрат на запуск и эксплуатацию) и длительных сроков разработки. Некоторые специалисты считают, что использование солнечных электрических двигателей для окололунной станции неоправданно сложно и дорого по сравнению с традиционными химическими двигателями. Кроме того, высказывались сомнения в надёжности ионных двигателей при длительной работе в условиях космической радиации.

В 2022 году NASA провело независимую экспертизу, которая подтвердила, что проект PPE соответствует техническим требованиям, но отметила риски, связанные с задержками в поставках компонентов и с интеграцией с модулем HALO. В 2023 году компания Maxar Technologies была реорганизована, что привело к временной приостановке работ, однако к 2024 году проект был восстановлен.

Сравнение с аналогами

В российской космонавтике аналогов PPE не существует. В рамках проекта Российской орбитальной станции (РОС) рассматривается использование ядерных энергодвигательных установок (ЯЭДУ) для обеспечения энергопитания и движения, но эти разработки находятся на стадии эскизного проектирования. Китайская программа «Чанъэ» также предусматривает создание окололунной станции, но её силовая установка будет основана на химических двигателях и солнечных батареях меньшей мощности.

Источники

• NASA. «Power and Propulsion Element for Gateway». — NASA Facts, 2021.
• Maxar Technologies. «Maxar Selected to Build Power and Propulsion Element for NASA’s Lunar Gateway». — Пресс-релиз, 2019.
• Aerojet Rocketdyne. «Advanced Electric Propulsion System (AEPS)». — Техническое описание, 2020.
• NASA. «Gateway: A Lunar Outpost». — Отчёт о проекте, 2022.
• SpaceX. «Falcon Heavy User’s Guide». — 2023.