Satellittmøte i geostasjonær bane*

Satellittmøte i geostasjonær bane*

Publisert av Norsk Astronautisk Forening den 05.04.20. Oppdatert 01.05.21.

eRomfart 2020-016 Norsk Astronautisk Forening, 03.03.2020

 

Dette er en nyhetsartikkel som opprinnelig ble sendt på epost til medlemmer av Norsk Astronautisk Forening. Dersom du ikke er medlem, men ønsker å motta disse epostene og nyte godt av våre øvrige tilbud, kan du melde deg inn via vårt elektroniske innmeldingsskjema.

 

Satellittmøte i geostasjonær bane

 

Av Øyvind Guldbrandsen

For første gang har to romfartøy møttes i nærheten av den geostasjonære banen. Det skjedde 25. februar 2020, da satellitten MEV-1 (Mission Extension Vehicle-1) søkte opp og koblet seg til den 18 år gamle kommunikasjonssatellitten Intelsat 901.

Som navnet antyder er hensikten med MEV å øke levetiden til satellitten den kobler seg til. Det gjøres ved at MEV tar over banejusteringer og stillingskontroll til satellitten den er koblet til, som er nesten tom for styredrivstoff. Drivstoffet er blitt brukt til å holde satellitten på riktig plass i banen, som stadig forstyrres av gravitasjonen fra Månen og Solen, samt å tømme gyroene for moment når disse nærmer seg metningspunktet. Gyroer er sett med svinghjul som ved å rotere i varierende retning og hastighet sørger for å konstant holde satellitten i riktig stilling i rommet. Fra tid til annen nærmer ett eller flere av hjulene seg maksimal rotasjonshastighet. Da må satellittens stillingskontrollmotorer avfyres for at hjulenes rotasjonshastighet skal kunne reduseres.


Intelsat 901, som ble skutt opp med en Ariane 4-rakett i juni 2001, sett fra MEV-1, nær den geostasjonære banen. Jorden befinner seg omtrent 36 000 km unna. Til sammenligning kretser Den internasjonale romstasjonen om lag 400 km over Jorden. (Foto: Northrop Grumman)


Den geostasjonære banen ligger 35 786 km over Jordens ekvator. Satellitter som plasseres her bruker 24 timer på å kretse rundt Jorden, og ser derfor ut til å henge stille over jordoverflaten, noe som gjør banen attraktiv å plassere mange typer satellitter i, spesielt kommunikasjonssatellitter.

Med unntak av hva som ble gjort under Apollo-ferdene til Månen har alle andre møter mellom romfartøy skjedd i lave jordbaner på noen få hundre km, altså i størrelsesorden 100 ganger nærmere Jorden enn den geostasjonære banen. Unntakene var de åtte gangene (Apollo 10-17) hvor kommando-/serviceseksjonen til et Apollo-romfartøy koblet seg til månelandingsfartøyet på vei mellom Jorden og Månen, og de syv gangene (alle de nevnte, unntatt Apollo 13) hvor månelandingsfartøyet koblet seg til kommando-/serviceseksjonen i månebane (etter seks månelandinger, pluss på Apollo 10, som ikke landet.) I alle disse tilfellene var imidlertid månelandingsfartøy og kommando/serviceseksjon skutt opp samtidig og med samme bærerakett.

Apollo 12 kan kanskje dras frem som et unntak fra dette igjen. I november 1969 landet månelandingsfartøyet 260 meter unna den ubemannede månesonden Surveyor 3, som hadde landet på månen i april 1967. De to astronautene, som muligens ville protestert på å bli definert som «romfartøy», spaserte bort til Surveyor og plukket med seg 10 kg deler som ble brakt tilbake til Jorden for undersøkelser.

Mekanisk foregikk koblingen mellom MEV-1 og Intelsat 901 ved at en spesialdesignet stang med låsmekanismer ble stukket inn i dysen på Intelsats apogeummotor og låst fast. Apogeummotoren ble i sin tid avfyrt for å endre banen fra en avlang, geostasjonær overføringsbane til en nær sirkulær geostasjonær bane. Den har ikke blitt benyttet siden.

Sammenkoblingen beskrives som den første mellom to kommersielle satellitter og den første mellom to romfartøy hvor det ene aldri var konstruert med tanke på å bli koblet til et annet. Det sistnevnte er ikke helt korrekt. Noe lignende ble gjort allerede i 1984. Også her var astronauter involvert. Tidligere samme år hadde de to satellittene Palapa B2 og Westar 6 havnet i ubrukelige baner etter at kickmotorene deres sviktet underveis i brennperioden. Motorene skulle sende satellittene ut av den lave jordbanen de var blitt utplassert i fra romfergen Challenger og inn i en geostasjonær overføringsbane. Så langt kom de aldri.


MEV 1 tilkoblet Intelsat 901. (Illustrasjon: Northrop Grumman)


Etter at bakkemannskaper hadde fått kontroll på de tumlende satellittene og styrt dem tilbake i lav jordbane igjen, ble romfergen Discovery skutt opp for å hente dem ned til Jorden igjen, etter først å ha utplassert to andre satellitter på samme ferd. To astronauter på romvandring benyttet MMU-enheter, altså de store, nitrogentrykkgassdrevne «ryggsekkene» som gjorde det mulig for astronautene å fly fritt i rommet, manøvrerte seg bort til satellittene og koblet seg til dem med en såkalt stinger, en innretning festet til brystet med likhetstrekk med den som ble brukt av MEV-1 på Intelsat 901. Etter å ha fått kontroll på satellittene kunne de gripes med romfergens manipulatorarm, plasseres i lasterommet og bringes hjem. Satellittene ble skutt opp igjen under nye navn med med hver sin konvensjonelle bærerakett i 1990.

I 1992, på romfergen Endeavours første ferd, hentet man inn satellitten Intelsat 603, som hadde vært strandet i lav jordbane etter en Titan III-oppskyting i 1990 som ikke hadde gått helt som den skulle. Tre astronauter måtte ut av romfergen og gripe tak i satellitten og få den plassert i lasterommet. Der fikk den en ny kickmotor påmontert, som noen dager senere sendte satellitten inn i en geostasjonær overføringsbane, uten at man trengte å bringe den ned til Jorden først.

MEV-1 er bygget av Northrop Grumman Innovation Systems, tidligere Orbital ATK. Det var ATK Space Systems som før sammenslåingen med Orbital i 2014 opprinnelig foreslo konseptet sammen med selskapet U.S. Space, og startet utviklingen gjennom et felles datterselskap kalt ViviSat i 2010. Den noe brokete historien avstedkom i hver fall én rettssak, da U.S. Space i 2016 saksøkte sin tidligere partner ATK for å ha oppløst ViviSat og fortsatt MEV-konseptet på egenhånd, noe U.S. Space kalte «et svik av kosmiske proporsjoner».

Uansett juridiske viderverdigheter ble MEV-1 skutt opp i geostasjonær overføringsbane sammen med en Eutelsat 5-satellitt med en russisk Proton M-rakett 9. oktober 2019. MEV benyttet de neste månedene elektriske rakettmotorer for å manøvrere seg inn i geostasjonær bane. Det siste stykket frem til koblingen med Intelsat 901 ble små, tradisjonelle kjemiske rakettmotorer benyttet. Kjemiske motorer er kraftigere, men mer drivstofftørste enn elektriske.


Ingeniører ved Northrop Grumman tester sammenkoblingsprosedyrer på testmodeller av MEV-1 og Intelsat 901. (Northrop Grumman)


For å redusere risiko i forhold til andre satellitter i den tett "befolkede" geostasjonære banen hadde Intesat 901 på forhånd blitt manøvrert opp i en såkalt kirkegårdsbane, om lag 290 km over den geostasjonære. Før geostasjonære satellitter deaktiveres blir de vanligvis manøvrert inn i en kirkegårdsbane for å ikke drifte rundt i den geostasjonære banen og utgjøre en fare for de operative satellittene der.

MEV-1 befant seg i nærheten av Intelsat 901 i om lag tre uker og testet ut diverse prosedyrer før sammenkoblingen ble gjennomført. Møte og sammenkobling skjedde automatisk, styrt av MEVs egen datamaskin, basert på data en skanning-LIDAR og visuelle og infrarøde kameraer. Alt ble overvåket av personell i Northrop Grummans kontrollsenter i Dulles, som var klare til å avbryte skulle man mistenke at noe bar galt av sted.

MEV-1 skal i tiden som kommer benytte ionemotorene til å dytte Intelsat tilbake til en ny lokasjon i den geostasjonære banen, ved 27,5 grader vest, og samtidig redusere inklinasjonen fra 1,5 grader tilbake til 0. Avtalen er at MEV-1 skal betjene Intelsat-satellitten og holde denne operativ i fem år før den igjen blir sendt inn i kirkegårdsbanen, frakoblet MEV-1 og deaktivert.

MEV-1 vil deretter kunne søke opp og koble seg til en annen, tilnærmet drivstofftom satellitt.

Northrop Grumman skal skyte opp MEV-2 i juni og koble denne til en annen Intelsat-satellitt, men planlegger ikke å deretter skyte opp flere satellitter av akkurat denne typen. I stedet fokuserer selskapet nå på neste generasjon, som vil kunne etterlate en manøvreringspod på satellittene de kobler seg til, før den drar videre til en annen, i stedet for å være tilkoblet i årevis. Det er ikke direkte spesifisert, men nærliggende å anta at disse neste generasjons satellittene vil bringe med seg flere manøvreringspoder.

Northrop Grumman ser for seg å etterhvert betjene satellitter også i andre baner enn den geostasjonære, samt å etterfylle satellitter med drivstoff, slik et alternativ i det opprinnelige konseptet fra 2010 gikk ut på, i stedet for å etterlate en egen manøvreringspod på dem.

Etterfylling av drivstoff mellom romfartøy ble første gang utført i 1978, fra det sovjetiske forsyningsskipet Progress 1 til romstasjonen Saljut 6. I 2007 ble drivstoffoverføring demonstrert mellom de amerikanske eksperimentelle satellittene ASTRO og NextSat, under OrbitalExpress-ferden.