Управление спутниками и космическими аппаратами на орбите
Исторически в большинстве систем космических полетов использовался один космический аппарат, предназначенный для самостоятельного выполнения всей миссии. Будь то метеорологический спутник или модуль с человеческим экипажем, такой как "Аполлон", почти каждый космический аппарат развертывался и выполнял свою разовую миссию полностью самостоятельно.
Но сегодня организации космической отрасли изучают возможности совместных полетов со многими спутниками. Например, созвездия Starlink компании SpaceX включают тысячи спутников. И вскоре новые космические аппараты смогут соединяться с другими спутниками на орбите для ремонта или дозаправки.
Некоторые из этих космических аппаратов уже эксплуатируются и обслуживают клиентов, например, Northrop Grumman mission extension vehicle. Этот орбитальный аппарат продлил срок службы нескольких спутников связи.
Эти новые конструктивные решения и возможности на орбите делают космические полеты более похожими на крупные логистические операции на Земле.
Мы - исследователи, которые много лет изучали космическую отрасль. Мы изучили, как космический сектор может извлечь уроки из опыта таких компаний, как Amazon или FedEx, в области управления сложными автопарками и координации операций.
Уроки, извлеченные из развития сети наземного транспорта
Разработчики космических миссий планируют свои маршруты таким образом, чтобы эффективно доставлять полезные грузы на Луну или Марс или на орбиту с учетом определенных затрат, сроков и пропускной способности. Но когда им нужно координировать работу нескольких космических аппаратов, планирование маршрута может усложниться.
Наземные логистические компании ежедневно решают аналогичные задачи и перевозят товары по всему миру. Таким образом, исследователи могут изучить, как эти компании управляют своей логистикой, чтобы помочь космическим компаниям и агентствам понять, как успешно планировать свои полеты.
В начале 2000-х годов в рамках одного исследования, финансируемого НАСА, была предложена идея моделирования операций космической логистики. Эти исследователи рассматривали орбиты или планеты как города, а соединяющие их траектории - как маршруты. Они также рассматривали полезную нагрузку, расходные материалы, топливо и другие предметы для транспортировки как товары первой необходимости.
Такой подход помог им переосмыслить проблему космических полетов как проблему товарных потоков — проблему, над которой постоянно работают наземные логистические компании.
Уроки наземной логистической инфраструктуры
Новые возможности дозаправки и ремонта космических аппаратов на орбите создают как новые возможности, так и проблемы.
А именно, космические операторы обычно не знают, какой спутник выйдет из строя следующим и когда это произойдет. Для того чтобы эти новые технологии были полезными, проектировщикам космических полетов необходимо было бы разработать систему инфраструктуры. Это могло бы выглядеть как парк служебных транспортных средств и складов в космосе, которые быстро реагировали бы на любые непредсказуемые события.
К счастью, проектировщикам космических полетов есть чему поучиться у наземных служб. Градостроители и организации, занимающиеся реагированием на чрезвычайные ситуации, учитывают такие проблемы при определении местоположения больниц или пожарных частей. Они также учитывают способность этих учреждений реагировать на непредсказуемые вызовы.
Мы можем провести аналогию между проектированием наземной логистической системы и системой обслуживания в космосе. Таким образом, исследователи могут использовать теории, разработанные для наземной логистики, для улучшения практики проектирования космических миссий.
В одном исследовании, опубликованном в ноябре 2020 года, была разработана концепция обслуживания космических аппаратов на орбите с использованием того, что эксперты в области логистики называют теорией пространственных очередей. Исследователи чаще всего используют эту теорию моделирования для анализа эффективности наземной логистической системы.
Уроки управления наземными складами
В прошлом отдельные космические аппараты выполняли свои миссии независимо, поэтому, если спутник выходил из строя, инженерам его миссии приходилось разрабатывать и отправлять замену.
В настоящее время для миссий с несколькими спутниками, таких как спутниковая группировка Iridium, операторы часто поддерживают на орбите один или несколько запасных спутников.
Это становится сложным для группировок, состоящих из сотен или тысяч космических аппаратов. Разработчики программы хотят обеспечить достаточное количество запасных спутников на орбите, чтобы им не пришлось прерывать миссию в случае поломки одного из них. Но отправка слишком большого количества запасных спутников обходится дорого.
Имея дело с такими крупными группировками, разработчики миссий могут воспользоваться методами, которые Amazon и другие наземные компании используют для управления своими складами. Amazon размещает эти склады в определенных местах и обеспечивает их определенными товарами, чтобы обеспечить эффективную обработку поставок.
Теории управления запасами на местах могут помочь понять, как космические компании решают эти задачи.
В исследовании, опубликованном в ноябре 2019 года, был разработан подход, который космические компании могли бы использовать для управления своими стратегиями по резервированию спутников. Этот подход может помочь им решить, где на орбите разместить свои запасные спутники для удовлетворения своих потребностей, сводя к минимуму любые перебои в обслуживании.
Международные аспекты
Космические аппараты работают в сложных и быстро меняющихся условиях. Операторам необходимо знать, где работают другие миссии и каким правилам они должны следовать при заправке или ремонте в космосе. Однако в космосе эти правила еще никто не определил.
На кораблях, самолетах и наземных транспортных средствах действуют четкие правила дорожного движения, которым необходимо следовать при взаимодействии с другими транспортными средствами. Например, гражданские суда и воздушные суда должны сообщать о своем местоположении другим транспортным средствам и должностным лицам, чтобы помочь в управлении дорожным движением.
Некоторые исследователи изучают, как могли бы выглядеть аналогичные правила для космоса. В одном исследовании изучалось, как разработка правил, основанных на размерах, возрасте или других характеристиках космического аппарата, может помочь будущим космическим операциям проходить более гладко. Например, одно из правил может заключаться в том, что космический корабль, запущенный последним, должен взять на себя ответственность за маневрирование, когда на его пути находится другой космический аппарат.
Сейчас, когда запускается больше спутников и космических аппаратов, чем когда-либо, компаниям и правительственным учреждениям потребуются новые технологии и политика для их координации. Поскольку космическая деятельность становится все более сложной, исследователи могут продолжать применять полученные на местах знания для новых миссий в космосе.
