ATV – Automatyczny Statek Transportowy ESA

0

W związku z trwającą misją ATV-3 Edoardo Amaldi” do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej prezentujemy profil programu ATV – jednego z największych osiągnięć ESA ostatnich lat.

Program ATV (Automated Transfer Vehicle) jest największym europejskim wkładem do programu ISS. Dzięki swoim osiągom i skomplikowanej konstrukcji jest jednym z flagowych projektów ESA. W swoim obecnym kształcie pozostanie w użytku do roku 2014, czyli misji ostatniego  ATV-5 “Georges LeMaitre”. Decyzja o przyszłości programu ATV zapadnie pod koniec tego roku.

Do ATV należy kilka rekordów:

  • jest najcięższym obiektem kiedykolwiek wystrzelonym przez ESA oraz najcięższym ładunkiem wystrzelonym na rakiecie Ariane 5,
  • dostarcza trzy razy więcej zapasów niż rosyjski załogowy statek Progress-M oraz 1000 kg więcej niż japoński statek HTV,
  • jest w stanie cumować do ISS całkowicie automatycznie z precyzją do 6 centymetrów,
  • dzięki potężnym silnikom podnosi orbitę ISS najwyżej spośród pozostałych metod (Progress-M i silniki własne Stacji),
  • jest w stanie dostarczyć wodę, powietrze atmosferyczne, paliwo, żywność, eksperymenty do ISS,
  • posiada największe i najbardziej skomplikowane oprogramowanie sterujące lotem kiedykolwiek stworzone przez ESA,
  • część ładunku może być załadowana do ATV nawet jeśli jest już zintegrowany z rakietą Ariane 5.
 HTVATVProgress M1Apollo CSM
Długość9.2 m10.3 m7.4 m11.03 m
Maksymalna średnica4.4 m4.512.70 m3.90 m
Masa startowa16500 kg20750 kg7150 kg30329 kg
Objętość ciśnieniowa14m314m36.6m36.17m3
Ładunek6000 kg7667 kg2230-3200 kg(misja księżycowa)
Łączny ciąg silników2000 N1960 N2942 N97860 N

Porównanie osiągów parametrów i osiągów różnych statków kosmicznych/Credits: ESA

Rola ATV
Międzynarodowa Stacja Kosmiczna wymaga regularnych dostaw środków niezbędnych dla przeżycia załogi (jedzenie, powietrze atmosferyczne, woda) oraz do funkcjonowania stacji (części zamienne, nowe eksperymenty, paliwo do silników). Po wycofaniu ze służby amerykańskich Space Shuttle w 2011 roku ATV stał się krytycznym sposobem zaopatrzenia stacji z uwagi na swoje możliwości.

Począwszy od misji ATV-2 “Johannes Kepler” w 2011 roku co 12-13 miesięcy kolejny ATV dostarcza ładunek oraz podnosi orbitę stacji ISS, która z powodu ciśnienia słonecznego oraz szczątkowej atmosfery stopniowo się obniża. Podczas misji ATV-2 orbita ISS została podwyższona o 40 km. Podniesienie orbity jest kluczowym elementem obecnej misji, z uwagi na wysoką aktywność słońca przekładającą się na szybszą deorbitację stacji. Proporcje masowe dostarczanego  ładunku zależą od aktualnych i planowanych potrzeb ISS. Starty ATV odbywają się w lutym bądź marcu i najczęściej otwierają loty rakiety Ariane 5 w danym roku.

Cumowanie odbywa się całkowicie automatycznie, dzięki wysoce precyzyjnemu rosyjskiemu systemu nawigacji. ATV łączy się za każdym razem z rosyjskim modułem serwisowym Zwiezda. Cumowanie jest monitorowane przez dwóch astronautów ze stacji ISS i centrum kontroli (ATV-CC) w Tuluzie.

Po cumowaniu ATV jest częścią ISS przez kolejne sześć miesięcy (171 dni w przypadku ATV-3). Następnie jest załadowywany około 6 tonami odpadków, odłączany, deorbitowany i spalany w atmosferze ziemskiej. W drugiej połowie roku rolę ATV przejmuje częściowo japoński bezzałogowy statek HTV “Kounotori”.

ATV-1 “Jules Verne”marzec – wrzesień 2008
ATV-2 “Johannes Kepler”luty – czerwiec 2011
ATV-3 “Edoardo Amaldi”marzec – wrzesień 2012
ATV-4 “Albert Einstein”marzec – ??? 2013
ATV-5 “Georges LeMaitre”

marzec – ??? 2014

Daty misji poszczególnych ATV/Credits: ESA

Budowa
Cechą wyróżniającą ATV spośród innych bezzałogowych pojazdów kosmicznych jest jego pełna automatyka, przy jednoczesnym spełnieniu wszystkich wymagań dla pojazdów załogowych. Jest to związane z ciśnieniowym modułem cargo, do którego wchodzą astronauci po połączeniu ATV z ISS.

ATV jest podzielony na dwie części – moduł serwisowy i moduł cargo (stanowiący 90% objętości statku). ATV z zewnątrz pokryty jest warstwą izolacyjną MLI i warstwą ochronną zabezpieczającą przed mikrometeoridami oraz śmieciami kosmicznymi. Do kadłuba pojazdu przymocowane są cztery charakterystyczne panele słoneczne przypominające skrzydła, w kształcie litery “X”. Panele słoneczne zapewniają 4800 Watów energii elektrycznej. Po przyłączeniu statek jest zasilany ze stacji ISS. Usterka jednego z dwóch systemów transmitujących zasilanie z ISS jest powodem opóźnień misji ATV-3.

Moduł serwisowy
Moduł serwisowy znajduje się z tyłu pojazdu. Zawiera awionikę, cztery główne silniki o łącznym ciągu 490 N służące napędu ATV oraz 28 małych silniczków (łączny ciąg 220 N) do kontroli położenia pojazdu. Napęd ATV jest najbardziej skomplikowanym systemem napędowym kiedykolwiek powstałym w Europie. Ogromną jego zaletą jest waga – zaledwie 1,5 tony przy 32 silnikach, 68 zaworach, 84 czujników ciśnienia, 200 czujnikach temperatur oraz 200 grzałkom.

Po zacumowaniu ATV jest w stanie manewrować całą stacją (np. w celu uniknięcia zderzenia ze śmieciami kosmicznymi) oraz podnosić jej orbitę. Na te potrzeby w module serwisowym mogą znajdować się ponad 4 tony paliwa. W przypadku ATV-3 jest to 3150 kg, z czego 860 kg zostanie przepompowane do zbiorników rosyjskiego modułu Zarja do zasilenia silników stacji.

Moduł cargo
Ciśnieniowy moduł cargo mieści cały ładunek który musi być ręcznie wypakowany przez astronautów, co umożliwia specjalna śluza. Przednia część modułu cargo zawiera systemy nawigacyjne pozwalające na zbliżenie się (tzw. rendezvous) ATV do modułu serwisowego Zwiezda oraz systemy mechaniczne umożliwiające cumowanie. Ponieważ we wnętrzu modułu panuje ciśnienie takie jak na stacji, po cumowaniu astronauci ubrani w zwykłe kombinezony mogą przystąpić do wyładowywania bądź załadowywania ekwipunku. Ładunki przechowywane są w zestandaryzowanych modułach znajdujących się w ośmiu “półkach”. Dodatkowo część cargo zawiera zbiorniki w których jest przechowywane powietrze, woda pitna, paliwo oraz utleniacz do silników stacji ISS.

Ładunek
Masa startowa ATV wynosi 20 700 kg, z czego 60% stanowi masa samego pojazdu. W zależności od aktualnych potrzeb stacji, ATV zabiera do 6.6 ton ekwipunku i do 4 ton paliwa na potrzeby ATV. Obecny limit masy startowej statku jest podyktowany przez możliwości rakiety Ariane 5 ES, która jest modyfikacją Ariane 5 ECA przeprowadzoną na potrzeby wynoszenia ATV.
ATV-3 zabrał o 600 kg więcej ładunku dzięki optymalizacji modułu cargo i dodaniu dodatkowych dwóch półek.

Większość ekwipunku została załadowana do ATV-3 w listopadzie, część jednak może być dodana nawet na trzy tygodnie przed startem. Jest to tak zwany “late cargo”, w którego skład wchodzą między innymi prywatne paczki od rodzin astronautów. W wyniku modyfikacji “late cargo” został dwukrotnie powiększony względem maksimum dla ATV-2 i wynosi teraz 530 kg. Operacja umieszczania tego ostatniego ładunku jest bardzo finezyjna i przeprowadzana za pomocą specjalnego urządzenia, gdyż ATV znajduje się wtedy na rakiecie Ariane 5. Potwierdza to tym samym wysoką operacyjność konstrukcji.

Prawdopodobnie najważniejszym ładunkiem zabranym przez ATV-3 jest urządzenie FCPA (Fluids Control Pump Assembly) umożliwiające recyrkulację wody. Przed cumowaniem na ISS znajdowało się tylko jedno takie urządzenie, w razie awarii astronauci posiadaliby zapasy wody na ograniczony czas.

ATV-3 dostarczy na pokład również dwa eksperymenty naukowe i zaopatrzenie do laboratoriów:

  • “Altea Shield”, badanie interakcja pomiędzy promieniowaniem kosmicznym a funkcjonowaniem mózgu oraz testy materiałów ochronnych przed promieniowaniem,
  • “Energy”, badanie wymaganej ilości energii dla funkcjonowania człowieka w mikrograwitacji,
  • “Biolab Life Support Module 3”, zaopatrzenie do laboratorium biologicznego “Biolab”.

W skład ładunku ATV wchodzi:

  • paliwo (do 4 ton) do silników ATV. Zużywane jest podczas podnoszenia orbity stacji ISS, manewrowania stacją oraz przy manewrach mających na celu uniknięcie kolizji z śmieciami kosmicznymi (tzw. ISS Debris Avoidance Manoeuvres),
  • paliwo i utleniacz (do 860 kg), służące do napędu silników ISS. Pozwalają na autonomiczne manewry stacji, bez pomocy ATV i rosyjskich statków Progress,
  • woda (do 855 kg),
  • powietrze atmosferyczne (do 102 kg),
  • suchy prowiant, narzędzia i eksperymenty (do 3200 kg).

Poniżej prezentujemy rozkład ładunku dla poszczególnych misji ATV w kilogramach. Paliwo ATV* oznacza ilość paliwa na potrzeby manewrów stacją i podnoszenia jej orbity.

 ZapasyWodaPowietrzePaliwo ISSPaliwo ATV*ŁącznieŚmieci
ATV-1115026720825239046521100
ATV-216050100825400065301270
ATV-3
220026710082531506542???

Rozkład ładunku dla poszczególnych ATV/Credits: ESA

Start, manewr rendevous i cumowanie
Odliczanie zaczyna się na 10 godzin przed startem ATV na rakiecie Ariane 5 ES. Około godziny po starcie następuje separacja i rozpoczyna wejście na trajektorię manewru rendevous ze stacją ISS.  ATV  korzysta z wbudowanego systemu nawigacyjnego składającego się z odbiornika GPS i Star Trackera, który służy do określania pozycji na podstawie gwiazd. Porównanie parametrów tych dwóch urządzeń umożliwia precyzyjne określenie położenia ATV.

W czasie trwającej misji ATV-3 istniało ryzyko że duże promieniowanie wynikające z nadaktywności słońca spowoduje awarię statku, jednak ATV-3 przeszedł ten test bez żadnych zakłóceń. Zagrożeniem dla misji były również śmieci kosmiczne. Ich monitoringiem zajmujmował się tzw. Flight Dynamic Team w ATV-CC.

Przez kilka dni ATV dążył do wejścia na trajektorię manewru rendevous, który zaczyna się kiedy ATV znajduje się w odległości około 39 km od stacji (tzw. punkt S1/2). Następnie przybliża się do ISS  z prędkością ok. 13 cm/s, osiągając kolejne “punkty S”. W każdym punkcie zatrzymuje się na kilka minut i  przeprowadza przegląd swoich systemów. Do 250 metrów przed stacją (punkt S3) ATV podchodzi bazując na systemie nawigacyjnym opartym na GPS i Star Trackerze, po czym przechodzi na system VD (Video Meter). VD umożliwia precyzyjne naprowadzanie ATV na podstawie analizy promieni lasera wysyłanych z ATV i odbijających się od modułu serwisowego Zwiezda na stacji ISS. Od punktu S3 ATV musi poruszać się w korytarzu, na końcu którego znajduje się moduł Zwiezda. Strefa ta nazywa się “Keep-out Zone”. Przejście pomiędzy poprzednimi “punktami S” mogło odbywać się teoretycznie z dowolnych kierunków. Manewr rendevous i cumowanie monitorowane przez dwóch astronautów ze stacji ISS i ATV-CC w Tuluzie. W razie nieudanego podejścia każda z ekip jest w stanie przerwać manewr i wysłać komendę rozpoczynającą randevous od nowa.

Po zacumowaniu statku astronauci sprawdzają szczelność włazu prowadzącego z ATV do modułu Zwiezda, sprawdzają czy powietrze w module cargo ATV nie jest zanieczyszczone, oczyszczają je a następnie rozładowują ładunki bądź rozpoczynają manewr podnoszenia orbity ISS.

Przyszłość
Dzięki trzem misjom ATV ESA zademonstrowała zdolność do stałego zaopatrywania ISS tak, by mogło w niej pracować maksymalna liczba członków załogi (sześć osób). Kontrakt przewiduje wykorzystanie ATV do 2014 roku. W przeszłości mówiono o siedmiu ATV, gdzie ostatni miałby na celu deorbitację ISS.

Wstępne decyzje na temat przyszłości ATV mają zapaść na ministerialnym szczycie we Włoszech w grudniu tego roku. Scenariuszy jest kilka. ESA zrzeknie się funkcji zaopatrywania Stacji na rzecz przyszłych komercyjnych amerykańskich statków załogowych (scenariusz najmniej prawdopodobny), dalej będzie rozwijać i optymalizować obecną wersję ATV lub rozpocznie tworzenie wersji załogowej, zdolnej do ponownego wejścia w atmosferę i bezpiecznego lądowania załogi. W momencie wejścia do użytku przyszłych amerykańskich komercyjnych statków załogowych ostatni scenariusz może wydawać się nierozsądny z punktu widzenia komercyjnego. Europa jednak zaczyna przejawiać ambicje posiadania własnego statku załogowego, a ATV ma solidne podstawy aby się nim stać. Obecnie trwają też prace koncepcyjne nad jego załogową wersją ATV-R.

Ponadto, w ostatnich tygodniach pojawiła się informacja, że ESA może zaproponować pojazd APEX (Advanced Platform for EXploration), który miałby pełnić dotychczasowe role ATV a także (w innych wersjach) być zdolnym do lotu do innych celów, w tym do przechwytywania satelitów oraz dużych śmieci kosmicznych, takich jak zużyte górne stopnie rakiet nośnych.

Trwają również rozmowy z NASA na temat potencjalnej roli modułu serwisowego dla pojazdu MPCV Orion. Jednakże, na początku marca przedstawiciele ESA odmówili współpracy z NASA na proponowanych warunkach.

Zobacz również:
ATV-3: otwarcie włazu i problemy z zasilaniem
Cumowanie ATV-3 do ISS: relacja na żywo
ATV-3 wystartował

(ESA, NASA)

Share.

Comments are closed.