including service

מה קורה כשלוויין המקיף את כדור הארץ צריך לתדלק? נעזרים בלוויינים מיוחדים לתדלוק בגובה של 36,000 ק"מ מעל קו המשווה. הכל על פיתוחם של לווייני תחזוקה, תדלוק ושדרוג

The article was published in the February 2008 issue of Galileo magazine

Satellites orbiting the Earth need fuel for their maneuvering and stabilization systems. For the most part, it is a dimethyl hydrazine (UDMH) type fuel stored in a tank inside the satellite. Whether it is a photography satellite, a space telescope or a communication satellite - when the fuel runs out, the satellite becomes a useless tool that cannot function, even if all its other systems are in order, its solar cells provide electricity and the communication with it works.

If we remember that communication satellites, for example, cost many hundreds of millions of dollars, and are able to operate for many years (most of them more than a decade - for example, the first Israeli communication satellite, Amos 1, which was designed and built in the Israeli Aerospace Industries' space factory, has been operating successfully in space since 1996 , and will be replaced during this year by his younger and modern brother Amos 3), and that communication satellites earn a lot of money, it is a great shame to lose these satellites due to the loss of their fuel, when they could have been used for months and years more otherwise.

על בסיס ניתוח כלכלי וטכנולוגי, החלו כמה חברות יזמיות בתחום החלל לפתח רעיון של תדלוק לוויינים בחלל, ובפרט לווייני תקשורת, הפועלים במסלול מיוחד בגובה של 36,000 ק"מ מעל קו המשווה של כדור-הארץ. מסלול זה ידוע כמסלול גאוסטציונרי – לוויין הממוקם במסלול זה מקיף את כדור-הארץ בזמן השווה לזמן הסיבוב של כדור-הארץ סביב עצמו, וכך הוא קבוע מעל נקודה מסוימת על פני כדור-הארץ. שיגור לוויינים למסלול זה איננו משימה קלה, וחלק ניכר מהדלק המצוי בהם משמש לתמרוני הצבה במסלולם. יוצאי דופן הם לוויינים המשוגרים ישירות למסלול גאוסטציונרי, ולא למסלול מַעבר, וראוי לציין כי אחד מהלוויינים הראשונים בעולם שישוגרו בתמרון זה יהיה הלוויין עמוס 3 שבבעלות חברת חלל תקשורת הישראלית.

Space maintenance

השם המקובל לתפישת התחזוקה, התדלוק והשדרוג של לוויינים הוא OOS – On Orbit Servicing. הדוגמה הבולטת ביותר (וגם היקרה ביותר) היא משימות התחזוקה של טלסקופ החלל האבּל. טלסקופ חלל זה שוגר לחלל על-ידי נאס"א בשנת 1990, וזכה מאז לביקורים אחדים של מעבורות חלל, שהביאו עמן ציוד חדש (הוחלפו בו עם השנים התאים הסולאריים, המחשב, הג'ירוסקופים, מצלמה ומכלולי אלקטרוניקה שונים) וצוות אסטרונאוטים מיומן שביצע מספר רב של ריחופים בחלל לצורך הטיפול בטלסקופ. החיסרון הניכר של תחזוקה זו הוא עלותה הגבוהה – כל משימת שדרוג ותחזוקה עלתה מאות מיליוני דולרים, ולעתים אף למעלה מזה. היתרון – כושר האלתור, ההמצאה וההתגברות על תקלות שהפגינו האסטרונאוטים, ואשר היו מן הנמנע אילו היה מדובר במשימה רובוטית.

Preparation for service in space

Today, satellites are built without the ability to be maintained in space, except in exceptional cases (including the Hubble Space Telescope and unique satellites for technology demonstrations). This means, for example, that it is not possible to open panels, replace satellite assemblies or refuel them.

One of the ideas that various research bodies are currently examining is the standardization of the entire connection to satellites. Such standardization will enable the development of maintenance satellites that can handle a wide variety of satellites, from different countries and for different applications. A German company has developed a system that can connect to any communication satellite in geostationary orbit - by connecting to the exhaust nozzle of the engine installed in these satellites, which was used for the maneuvers required to bring them to their place in the geostationary satellite belt. For the purpose of the connection, an extremely sensitive laser rangefinder and contact sensors were developed, in addition to a mechanical locking mechanism that can be attached to the exhaust nozzles, which are conical in shape. Various experiments with this technology seem promising, and its great advantage is independence from the design (planning) of a specific satellite, so that one service satellite can connect to any target satellite.


Services to be provided to satellites in space

לווייני שירות יוכלו להגיע ללוויינים במסלולים מגוונים – החל ממסלולים נמוכים (LEO) בגובה של מאות קילומטרים, ועד למסלולים גבוהים (36,000 ק"מ). מובן שעלות השיגור והתפעול – וכנגזרת מכך עלות השירות ללקוח – תשתנה בהתאם לגובה הלוויין ולטיב השירות שיוזמן. ככלל, אפשר לחלק את סוגי השירות החללי ללוויינים לקטגוריות:

* בחינה ותצפית – לוויין השירות יתקרב אל לוויין המטרה, עד למרחק של עשרות סנטימטרים, ויבחן אותו מקרוב. תוצאות הבחינה (לרוב תמונות ברזולוציה גבוהה) יועברו אל הלקוח, שיוכל לעמוד על מצבו של הלוויין ולהעריך את השירותים הנוספים שיוזמנו, כמו החלפת מכלולים, שחרור חלקים תקועים (דוגמת אנטנה) וכיו"ב. בסוג שירות זה אין על הלוויין המעניק אותו להתחבר ללוויין היעד, אלא לבצע פעולות קרבה.

* תמרון – סוג שירות זה מורכב יותר משירותי בחינה ותצפית, והוא כולל התחברות פיזית ללוויין היעד וביצוע של שינוי במסלולו. שינוי יכול להיות העלאה של לוויין ממסלול נמוך למסלול גבוה (לדוגמה, במקרה של כשל בשיגור, ו"היתקעות" של לוויין המיועד להגיע למסלול גאוסטציונרי במסלול נמוך, שבו הוא חסר ערך); הורדת לוויין שסיים את חייו למסלול נמוך שיביא לבסוף לשרפתו באטמוספרה, לצורך שמירה על ניקיון החלל מגרוטאות ושברי לוויינים; תמרון בתוך החגורה הגאוסטציונרית והעברת לוויינים למיקום חדש ועוד.

* Maintenance - this type of service is the most complex, so its cost will also be high. As part of the satellite service, the treatment and maintenance satellite will come close to the target satellite, perform a scan and diagnosis, and then connect to it. Then the maintenance operations themselves will begin, which can include disassembling solar cells and replacing them with new ones, installing new satellite systems in place of systems that have failed or become obsolete, repairing assemblies that have malfunctions, and so on. It is understood that satellites that require maintenance in space will be planned in advance accordingly, and replaceable assemblies will be installed on special fasteners, without the need for soldering or screwing - so that the service satellite can easily remove them from the site and replace them with a new system that it will bring with it. It will be necessary to design an opening for the satellite to fill with fuel, which can be delivered from the refueling and service satellite (this system was actually developed in the Soviet Union back in the XNUMXs, for the Salyut space stations, to which fuel was delivered from unmanned and automatic supply spacecraft of the Progress type).

Micro-satellites - for maintenance and service tasks in space

משימות התחזוקה בחלל מתאימות במיוחד ללוויינים קטנים, המכונים מיקרו-לוויינים. לוויינים אלה מצטיינים בגודל קטן ובמשקל נמוך (בעת השיגור הם שוקלים לרוב עשרות ק"ג עד כ-150 ק"ג), בזמן פיתוח קצר יחסית ובפשטות. מיקרו-לוויינים של ארצות-הברית כבר הדגימו בשנים האחרונות את יכולתם לבצע פעילויות בקרבת לוויינים אחרים, במסגרת ניסויים של חיל האוויר האמריקני (לווייני Xss-10 ו-Xss-11) ובמסגרת נאס"א (משימתDART – Demonstration for Autonomous Rendezvous Technology).

אחד הקשיים במשימות קרבה אוטומטיות הוא הצורך לתמרן בזהירות ובעדינות רבה בקרבת לוויין היעד, מבלי לפגוע בו. משימת DART של נאס"א נכשלה, למעשה, כיוון שבאחד מתמרוני ההתקרבות פגעה החללית המתמרנת בלוויין המטרה. משימת DART יוצאת דופן במשימותיה של נאס"א, שכן מרבית ההיבטים הטכניים שלה מסווגים ולא שוחררו לידיעת הציבור. חיל האוויר האמריקני משקיע מאמצים בבחינת הטכנולוגיות של פעילות קרבה בחלל, בין היתר לשם בחינת לוויינים של מדינות אחרות, ואף פיתוח היכולת לפעול כנגדם בעת הצורך, וזאת במגוון אמצעים: התנגשות מכוונת, הסתרת שדה הראייה של לווייני צילום, יצירת עומס-יתר על הלוויין או קצר, האפלה על התאים הסולאריים שלו וכיו"ב.


Geo Ring - entrepreneurship in orbital repairs and services for satellites

The Geo Ring company is a commercial company that unites several European companies and entities, which develops a concept of refueling communication satellites in a geostationary orbit. The company plans to develop several service satellites, including a tanker, a mini-satellite to transfer the fuel and a micro-satellite to observe and supervise the processes of approaching, docking and handling the target satellite. The company has already registered several patents related to the refueling and maneuvering system, and it already has signed memorandums of understanding with companies and operators of communication satellites - including the Arab communication satellite corporation Arabsat, headquartered in Saudi Arabia.

The company's website describes the various scenarios of service for geostationary communication satellites, and among other things it appears that the company plans to build a small satellite that will hold the communication satellite and be able to operate a rocket engine located in it, in order to place the communication satellite in a new place in the geostationary belt. A satellite of this type could also be used to raise a communication satellite that has ended its operation to a very high orbit, in order to make room for another satellite (nowadays, geostationary satellites perform this maneuver towards the end of their activity, but sometimes, due to a malfunction, the maneuver is not carried out and the satellite remains in its place, taking up valuable space of a replacement satellite, and over time, and drifts in its orbit, it may endanger neighboring satellites).

security implications

The ability to operate near satellites, on the one hand, and the possibility to perform various activities on them, on the other hand, could one day pose a risk to the satellites. Although, it is easy to understand that upgrading and maintenance activities in space will be the property of a few countries, but in the future this technology could be cheaper and be within the reach of countries that are not necessarily responsible and observing international law. The operators of the various satellites must prepare for the future possibility of manipulation and deliberate sabotage of satellites, among other things by installing a system to detect approaching satellites and perform evasive maneuvers from them, or even neutralize them.

This vision seems like science fiction or the distant future, but it could be realized within a decade or two.

הסוכנות למחקרי הגנה מתקדמים (DARPA) של ארצות-הברית, ביחד עם חברת בואינג, נאס"א וחיל האוויר האמריקני, ביצעו סדרה מוצלחת מאוד של ניסויי התקרבות, התחברות והתנתקות של שני לוויינים ייעודיים,ASTRO ו-NEXT SAT, במסגרת תכנית מחקר המכונה Orbital Express. במסגרת התכנית נדגמו יכולות ההתקרבות והעגינה האוטומטית, וכן פעולות מורכבות שבוצעו באמצעות זרוע רובוטית נשלטת מרחוק.


How much does it cost?

At this stage, there are no exact estimates of the cost of the service for handling the satellites. It is understood that complex tasks or tasks in a high track will cost more than simple exam tasks in a low track. However, in order for the use of service satellites to be economical, the developers of the service satellites (such as the Hermes system of the Geo Ring company) must reach a balance point between the cost of the mission and the price that will be charged from possible customers.

It can be assumed that a communication satellite that deviated from its orbit or did not reach it at all due to engine failure would be a very suitable candidate for re-orbiting, since even at a price of tens of millions of dollars the total loss in the event of a failure would be reduced. By the way, it is likely that insurance companies that insure satellites will be customers of this kind of service, since after rescuing a stray satellite and placing it in orbit, the company will be able to sell it to the operator (