Roll-Out Solar Array

Roll-Out Solar Array (ROSA) — это тип развёртываемой солнечной батареи, предназначенной для использования в космических аппаратах. В отличие от традиционных жёстких панелей, ROSA представляет собой гибкую конструкцию, которая сворачивается в рулон для компактного хранения при запуске и разворачивается в полёте за счёт упругой энергии композитных материалов. Основными преимуществами технологии являются высокая удельная мощность (ватт на килограмм), компактность в сложенном состоянии и надёжность механизма развёртывания.

История разработки

Предпосылки создания

Традиционные солнечные батареи для космических аппаратов с 1960-х годов строились на основе жёстких алюминиевых или углекомпозитных панелей, складываемых в гармошку. Такие конструкции имели значительную массу и требовали сложных механизмов раскрытия (шарниры, пружины, пирозамки). С ростом энергопотребления спутников и увеличением их размеров возникла потребность в более лёгких и компактных решениях.

Разработка в США

Технология ROSA была разработана компанией Deployable Space Systems (DSS), базирующейся в Калифорнии (США). Основные работы пришлись на 2010-е годы. В 2017 году NASA в рамках программы Space Technology Mission Directorate (STMD) провело демонстрацию технологии на Международной космической станции (МКС). В ходе эксперимента ROSA-1 (2017 год) на внешней поверхности МКС была развёрнута опытная панель размером 5,4 × 2,4 метра, которая успешно вырабатывала электроэнергию в течение нескольких дней. В 2021 году состоялся эксперимент ROSA-2, в ходе которого панель была развёрнута, а затем снова свёрнута в рулон, что подтвердило возможность многократного использования.

Коммерциализация и применение

В 2020-х годах технология ROSA была адаптирована для коммерческих спутников. Компания Redwire (США, после приобретения DSS) начала серийное производство панелей ROSA. Наиболее известным применением стали солнечные батареи для модулей МКС — в 2021–2023 годах на станцию были доставлены и установлены шесть новых панелей iROSA (International ROSA), которые дополнили существующие старые панели. Каждая панель iROSA имеет длину 18,3 метра и ширину 6,1 метра, а её мощность составляет около 20 кВт.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Основу ROSA составляет гибкая фотоэлектрическая плёнка, закреплённая на лёгком каркасе из композитных материалов. Ключевые элементы:

• Фотоэлектрические модули — тонкоплёночные или кристаллические кремниевые элементы, нанесённые на гибкую подложку (например, полиимид).
• Каркас — две продольные балки-стрингеры из углекомпозитного материала, которые в сложенном состоянии скручены в спираль (как рулетка). При развёртывании стрингеры распрямляются, придавая панели жёсткость.
• Механизм развёртывания — встроенная пружинная система или привод, который раскручивает рулон. В некоторых вариантах используется только упругая энергия композитных стрингеров.

Принцип развёртывания

В сложенном состоянии панель свёрнута в рулон диаметром около 0,5–1 метра. После выведения спутника на орбиту и отделения от ракеты-носителя подаётся команда на развёртывание. Стрингеры, обладающие памятью формы, начинают распрямляться, вытягивая панель в плоскую поверхность. Процесс занимает от нескольких секунд до нескольких минут. В отличие от традиционных панелей, ROSA не требует использования пирозамков или сложных шарнирных механизмов, что повышает надёжность.

Характеристики

• Удельная мощность: до 150–200 Вт/кг (для сравнения, у традиционных панелей — 50–80 Вт/кг).
• Плотность упаковки: в сложенном виде панель занимает в 4–5 раз меньше объёма, чем жёсткая конструкция аналогичной мощности.
• Мощность: от единиц киловатт (для малых спутников) до 20–30 кВт (для крупных модулей МКС).
• Срок службы: не менее 10–15 лет на низкой околоземной орбите.

Классификация

По типу развёртывания

• Одноразовые — развёртываются только один раз при запуске. Используются на большинстве спутников.
• Многоразовые — могут сворачиваться и разворачиваться многократно (например, для обслуживания или замены). Демонстрировались в эксперименте ROSA-2.

По назначению

• Для МКС — крупные панели iROSA, устанавливаемые на фермах станции.
• Для коммерческих спутников — панели среднего размера (мощностью 5–15 кВт) для геостационарных и низкоорбитальных аппаратов.
• Для малых спутников — компактные варианты для CubeSat и микроспутников (мощностью до 1 кВт).

Применение

Международная космическая станция (МКС)

Наиболее масштабное применение ROSA получила на МКС. В 2021–2023 годах NASA установило шесть панелей iROSA (International ROSA) на внешних фермах станции. Каждая панель имеет длину 18,3 метра и ширину 6,1 метра, а её мощность составляет около 20 кВт. Панели были размещены поверх старых солнечных батарей, что позволило увеличить общую мощность энергосистемы МКС примерно на 30% (с 120 до 160 кВт). Установка производилась в ходе выходов в открытый космос астронавтами NASA.

Коммерческие спутники

Технология ROSA используется в спутниках связи, дистанционного зондирования Земли и научных аппаратах. Например, компания Maxar Technologies (США) применяет панели ROSA на своих спутниках серии WorldView Legion. Также технология рассматривается для использования в проектах лунных и марсианских баз, где важна компактность при транспортировке.

Перспективные проекты

• Лунная орбитальная станция Gateway (NASA) — планируется использование панелей ROSA для энергоснабжения модулей.
• Марсианские миссии — лёгкие и компактные панели могут быть использованы для марсоходов и посадочных аппаратов.
• Космические буксиры — для аппаратов, работающих на электрических двигателях, требуется большая мощность, которую могут обеспечить ROSA.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая удельная мощность — до 200 Вт/кг, что позволяет снизить массу спутника.
• Компактность — в сложенном виде панель занимает малый объём, что облегчает размещение под обтекателем ракеты.
• Надёжность — минимальное количество движущихся частей, отсутствие пирозамков.
• Масштабируемость — технология легко адаптируется под разные размеры и мощности.

Недостатки

• Меньшая жёсткость — гибкая конструкция может быть подвержена вибрациям при манёврах спутника.
• Ограниченная мощность — для сверхбольших панелей (сотни киловатт) требуется иная конструкция.
• Зависимость от композитных материалов — стрингеры могут терять упругость при длительном хранении в сложенном состоянии.

Интересные факты

• Панели iROSA на МКС были установлены таким образом, что они частично перекрывают старые панели, но не мешают их работе, так как старые панели продолжают вырабатывать электроэнергию.
• В 2022 году компания Redwire объявила о разработке версии ROSA для лунных миссий, способной выдерживать перепады температур от -180°C до +120°C.
• Технология ROSA была признана одной из ключевых для программы Artemis (NASA) по возвращению человека на Луну.

Источники

• NASA. «Roll-Out Solar Array (ROSA) Experiment». Space Technology Mission Directorate, 2017.
• Deployable Space Systems. «ROSA: Roll-Out Solar Array Technology». Technical Report, 2015.
• Redwire Corporation. «iROSA Solar Arrays for the International Space Station». Press Release, 2021.
• National Aeronautics and Space Administration. «International Space Station Solar Array Upgrade». ISS Program Office, 2023.