Rocket Lab planea usar reabastecimiento en órbita para la segunda etapa de Electron y Photon para misiones interplanetarias

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Durante una conferencia de Rocket Lab en la Interplanetary Small Satellite Conference 2021, se conoció que la compañía estaría trabajando con ETA Space (Empresa aeroespacial de desarrollo de sistemas de propulsión criogénicos en el espacio) para evaluar la posibilidad de que la segunda etapa de su cohete Electron y su nave Photon, puedan hacer una recarga o reabastecimiento de combustible en órbita, además esta tecnología también podría ser usada para hacer el reabastecimiento en órbita entre dos naves Photon.

De acuerdo a la información mostrada en la conferencia virtual, Rocket Lab estaría trabajando junto con ETA Space para crear tecnologías demostrativas de reabastecimiento de combustible en órbita baja el programa STMD (Space Technology Mission Directorate) de la NASA y patrocinado por el programa Tipping Point. La compañía menciona dos fases de desarrollo de esta tecnología llamadas “LOXSAT-1” y “LOXSAT-2”.

LOXSAT-1

LOXSAT-1 es la primera fase de desarrollo de la tecnología de reabastecimiento en órbita la cual sería una prueba a pequeña escala que tendría una duración de 9 meses con la cual buscan demostrar la posibilidad de tener una opción de recarga de propelente en órbita de forma comercial, estas serían las tecnologías que se probarían en la primera fase:

• Control térmico activo y pasivo
• Transferencia de Oxígeno líquido y Queroseno
• Control de la presión
• Transferencia
• Desconexiones rápidas
• Dinámica del propelente
• Carga útil de 150 kg en una órbita sincrónica al sol de 500 km lanzada a finales de 2023 en el cohete Electron y la nave Photon

LOXSAT-2

LOXSAT-2 sería la segunda parte de este proyecto el cual busca llevar de manera comercial la recarga de propelentes en órbita, para esta fase, LOXSAT-2 será una demostración de vuelo a gran escala de un sistema completo de gestión de fluidos de desarrollado por Eta Space y que se lanzaría en 2025 para en un futuro ayudar a las misiones planetarias de pequeñas naves.

Las características de LOXSAT-2 para lograr un reabastecimiento en orbital completo y sustentable son:

• Lanzar 20 toneladas de masa total con 16 toneladas de propelente (11,5 toneladas de LOX y 4,5 toneladas de RP)
• LOXSAT-2 tendria 2 metros de diámetro y 8,5 metros de largo
• Dos paneles solares plegables con una potencia de 3 kw.
• Control térmico activo con almacenamiento y transferencia sin pérdidas
• Sistemas activos en gran parte en depósito
• Manipulador remoto de atraque para el mantenimiento del umbilical

Además de dar detalles sobre LOXSAT-1 y LOXSAT-2, Rocket Lab presento otros casos para usar el reabastecimiento en órbita usando su nave Photon, esta sería una nueva variante llamada “Photon Tanker” con la cual se podría recargar tanto otra nave Photon como la segunda etapa del cohete Electron, la compañía presento algunos ejemplos donde sería útil el reabastecimiento de proponente en órbita con el LOXSAT-2 y la nave Photon Tanker.

Caso 1: Lanzamiento de dos naves Photon de larga duración con dos cohetes Electron

• Similar al Caso 4; después de las operaciones de abastecimiento de combustible, Photon realiza una serie de quemaduras para elevar la órbita y ponerse en la órbita de escape.

Caso 2: Reabastecimiento de la segunda etapa de Electron con la nave Photon de larga duración

• Reabastecimiento de la segunda etapa hasta la capacidad restante de las baterías eléctricas; los casos por debajo de 10 km²/seg² requieren menos propelente, los casos por encima están al límite de su capacidad.
• La segunda etapa realiza un quemado de escape directo y, para trayectorias superiores a 10 km²/seg², quemado de escape de Photon de larga duración hacia el objetivo C3.

Caso 3: Reabastecimiento de la segunda etapa de Electron con reabastecimiento de la nave Photon (2 veces el volumen típico del tanque de Photon de larga duración)

• La segunda etapa se recarga de combustible hasta la capacidad restante de las baterías eléctricas, todos los casos están al límite de su capacidad.
• La segunda etapa se eleva a una órbita altamente elíptica (período de ~1,2 días) con la nave Photon de larga duración realizando el quemado de escape.

Caso 4: El cohete Electron y la nave Photon de larga duración (caso de referencia)

• Al igual que en el caso 1, tras el lanzamiento a la órbita terrestre baja, Photon realiza una serie de quemados para elevar la órbita y ponerla en órbita de escape.

Estos casos presentados por Rocket Lab serian usados para el lanzamiento de la misión CAPSTONE que viajara a la Luna a finales de 2021 y la misión NZSA a Venus en 2023. Sin embargo, la capacidad de trabajo de la segunda etapa de Electron aun estaría limitada debido a sus baterías eléctricas ya que una parte de estas son arrojadas durante el ascenso, para eso la compañía estaría planeando quitar esto y que las baterías se mantengan en la segunda etapa y en la nave Photon para que el tiempo de propulsión y de vida útil aumenten. (Photon de larga duración).

Como se mencionó en el “Caso 1” y “Caso 4“, el lanzamiento de una misión interplanetaria o la Luna consistirá en lanzar dos cohetes Electron con dos naves Photon, la primera nave será una “Photon Tanker” la cual llevaría todo el propelente para ser cargado en la otra nave y se lanzaría a una órbita de 250 km, la segunda nave consiste en un Photon la cual llevar la carga útil al destino. Luego de los dos lanzamientos, la nave Photon iguala la órbita de la nave “Photon Tanker” y se acoplan para realizar la transferencia de combustible, una vez pase esta fase, las naves se separan donde la “Photon Tanker” se desorbita y la segunda nave sigue su rumbo para luego separar la carga útil.

Para este plan de vuelo se usaría un cohete Electron con su nave Photon y el LOXSAT-2 el cual ya estaría en órbita anteriormente (similar a la de la ISS), luego del lanzamiento, la segunda etapa del cohete Electron realizara las maniobras orbitales para igualar la órbita de LOXSAT-2, posteriormente el LOXSAT-2 atrapa la segunda etapa de Electron y recarga tanto la segunda etapa del cohete Electron como la nave Photon, luego de esto, la segunda etapa se separa de LOXSAT-2 y realiza los quemaduras necesarias para ajustar la órbita justo por debajo de la velocidad de escape terrestre o realizar las quemaduras para la inyección interplanetaria/lunar, mientras esto pasa el LOXSAT-2 sigue su órbita operacional, luego de las quemaduras, la nave Photon se separa de la segunda etapa y toma su camino hacia el lugar de destino.

Para el reabastecimiento de dos naves Photon, se planea el lanzamiento de estas mismas para que los dos tengan una órbita similar y así se puedan acoplar con facilidad y luego la nave “Photo Tanker” se acopla a la nave Photon y realice la transferencia de combustible

Por último, se dan a conocer unos resultados preliminares de la capacidad de carga que se puede lograr con cada uno de estos métodos de reabastecimiento en órbita, los cuales son válidos para Electron y Photon, pero gracias a que LOXSAT-2 busca ser una solución comercial, esto permitirá a otros cohetes o naves realizar el reabastecimiento en órbita y así aumentar su tiempo de propulsión para llevar más carga a sus diferentes sistemas.

Conferencia de Rocket Lab en la Interplanetary Small Satellite Conference 2021.