Космическая логистика
Эта статья содержит слишком много или слишком длинные цитаты . ( август 2011 г. ) |
Космическая логистика - это «теория и практика управления проектированием космических систем для обеспечения их работоспособности и поддержки, а также управления потоками материалов, услуг и информации, необходимых на протяжении всего жизненного цикла космической системы». [ 1 ] Оно включает наземную логистику для поддержки космических путешествий, включая любое дополнительное «проектирование и разработку, приобретение, хранение, перемещение, распределение, техническое обслуживание, эвакуацию и утилизацию космической техники», перемещение людей в космосе (как рутинное, так и для медицинских и других целей). чрезвычайные ситуации), а также заключение контрактов и предоставление любых необходимых вспомогательных услуг для поддержания космических путешествий. Исследования и практика космической логистики в первую очередь сосредоточены на моделировании и управлении цепочкой поставок астрологистики от Земли до пунктов назначения по всей Солнечной системе, а также на стратегиях системной архитектуры, позволяющих минимизировать как логистические требования, так и эксплуатационные затраты на человеческие и роботизированные операции. в космосе. [ 1 ]
История
[ редактировать ]Еще в 1960 году Вернер фон Браун говорил о необходимости и неразвитости космической логистики: [ 2 ]
В космосе возникает проблема с логистикой... которая бросит вызов мышлению самых дальновидных инженеров-логистиков. Как вы знаете, в настоящее время мы исследуем три области космоса: околоземное, лунное пространство и планеты . Хотя можно с уверенностью сказать, что все мы, несомненно, знали о многих или большинстве требований и проблем логистики, обсуждавшихся в обсуждении, по крайней мере, в целом, я думаю, также можно с уверенностью заявить, что многие из нас не осознали огромный объем решаемых задач в сфере логистики. Я надеюсь, что дискуссии приведут к лучшему пониманию того факта, что логистическая поддержка является важной частью большинства крупных проектов развития. Фактически, логистическая поддержка является основной причиной успеха или неудачи многих начинаний.
К 2004 году, когда НАСА начало правительственную инициативу по исследованию Луны , Марса и за их пределами, [ 3 ] был выявлен ряд недостатков как в мощности, так и в возможностях удовлетворения логистических потребностей даже на низкой околоземной орбите. [ 4 ] [ 5 ]
К 2005 году аналитики признали, что у национальных правительств, участвующих в программе «Спейс Шаттл», появится возможность сократить расходы за счет коммерческого приобретения логистических услуг по транспортировке грузов после завершения этапа строительства Международной космической станции . [ 4 ] тогда ожидается к 2010 году. [ 5 ]
Деятельность после 2005 г.
[ редактировать ]По данным «Технологии производственного бизнеса», [ 6 ]
- НАСА выделило 3,8 миллиона долларов двум профессорам инженерного дела Массачусетского технологического института на проведение междисциплинарного исследования по адаптации логистики цепочки поставок для поддержки межпланетной транспортировки и передачи материалов. Профессора Дэвид Симчи-Леви и Оливье де Век из отдела инженерных систем Массачусетского технологического института возглавят проект в партнерстве с Лабораторией реактивного движения , Payload Systems и United Space Alliance .
- Устойчивое освоение космоса невозможно без надлежащего управления цепочками поставок, и, в отличие от «Аполлона», будущие исследования должны будут опираться на сложную сеть поставок на земле и в космосе. Основная цель этого проекта — разработать комплексную структуру управления цепочками поставок и инструмент планирования для космической логистики. Возможная интегрированная структура космической логистики будет охватывать наземное перемещение материалов и информации, доставку на стартовые площадки , интеграцию полезной нагрузки на ракеты-носители и запуск на низкую околоземную орбиту , перемещение в космосе и на планете, а также наземную логистику планет. Модель управления межпланетной цепочкой поставок под руководством MIT будет предусматривать четырехэтапный подход к развитию:
- 1. Обзор уроков управления цепочками поставок, извлеченных из коммерческих и военных проектов наземного базирования, включая военно-морские подводные лодки и арктическую логистику.
- 2. Анализ сети космической логистики на основе моделирования орбит Земля-Луна-Марс и ожидаемых мест посадки и исследования.
- 3. Моделирование спроса/предложения, учитывающее неопределенность спроса, структуры грузов, затрат и сбоев в цепочке поставок.
- 4. Развитие архитектуры межпланетной цепочки поставок.
Примеры классов поставок
[ редактировать ]Среди классов поставок, определенных Центром космической логистики MIT: [ 7 ]
- Топливо и топливо
- Положение и деятельность экипажа
- Техническое обслуживание и содержание
- Хранение и удержание
- Отходы и утилизация
- Жилье и инфраструктура
- Транспорт и перевозчики
- Разнообразный
В категорию космических перевозок для обеспечения МКС можно отнести:
- Спейс Шаттл (сейчас на пенсии)
- Космический корабль «Прогресс» — российский беспилотный космический корабль одноразового использования.
- Automated Transfer Vehicle — одноразовый беспилотный космический корабль снабжения, разработанный Европейским космическим агентством.
- Одноразовый беспилотный космический корабль снабжения H-II Transfer Vehicle (HTV), разработанный Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA)
- Космический корабль Dragon , многоразовый грузовой носитель, разработанный SpaceX
«Тяньчжоу» (космический корабль) — единственный одноразовый беспилотный космический корабль для снабжения Китайской космической станции .
Состояние логистических возможностей МКС в 2005 г.
[ редактировать ]Снимок логистики одного космического объекта, Международной космической станции, был получен в 2005 году в результате комплексного исследования, проведенного Джеймсом Бейкером и Фрэнком Эйхштадтом. [ 8 ] В этом разделе статьи содержится обширная ссылка на это исследование.
Требования к грузу МКС
[ редактировать ]По состоянию на 2004 год [update], американский «Шаттл» , российский «Прогресс» и, в очень ограниченной степени, российские корабли «Союз» были единственными космическими транспортными системами, способными перевозить грузы МКС. [ 8 ]
Однако в 2004 году уже предполагалось, что европейский автоматический транспортный корабль (ATV) и японский транспортный корабль H-IIA (HTV) будут приняты на вооружение до окончания сборки МКС . По состоянию на 2004 год американский «Шаттл» перевез большую часть герметичных и негерметичных грузов и обеспечивает практически всю восстанавливаемую пуховую массу (возможность неразрушающего возвращения груза в атмосферу). [ 8 ] [ нужно обновить ]
Возможности грузового автомобиля
[ редактировать ]Бейкер и Эйхштадт также писали в 2005 году: [ 8 ]
- Понимание будущих потребностей МКС в грузах необходимо для определения размеров коммерческого грузового корабля, предназначенного для замены возможностей и мощностей «Шаттла», а также для расширения запланированных в настоящее время альтернативных транспортных средств. Точные оценки потребностей в перевозке грузов на МКС сложно установить из-за продолжающихся изменений в требованиях к логистике, уровне обслуживания экипажей, доступности транспортных средств и развивающейся роли, которую МКС будет играть в исследованиях НАСА в области исследования космоса.
- Увеличение потребности в доставке негерметичных грузов наблюдается в 2007–2010 годах. Этот увеличенный показатель является результатом текущего плана по предварительному размещению негерметичных запасных частей на МКС до вывода шаттла из эксплуатации. Предоставление коммерческого грузового перевозчика, способного перевозить запасные части без давления в дополнение к «Шаттлу», устраняет необходимость предварительного размещения и приводит расчетные средние значения на 2007–2010 годы примерно к 24 000 кг для груза под давлением и 6 800 кг для груза без давления. Учитывая возможности доставки оставшихся систем после вывода из эксплуатации «Шаттла», это дает результат.
- Вывод из эксплуатации «Шаттла» и использование «Прогресса», ATV и HTV для логистики МКС не приведет к существенным восстанавливаемым возможностям снижения массы. Кроме того, нет никаких доказательств того, что какая-либо из этих систем грузового транспорта может увеличить темпы производства и запуска, чтобы покрыть дефицит доставки грузов.
Коммерческая возможность
[ редактировать ]Бейкер и Эйхштадт также писали в 2005 году: [ 8 ]
- Помимо недостатков поддержки МКС, существуют альтернативные возможности для системы коммерческих грузовых перевозок. Вывод шаттла из эксплуатации также приведет к невозможности проведения исследований на низкой околоземной орбите (НОО) независимо от МКС. Коммерческий сервис полезной нагрузки мог бы послужить свободно летающей исследовательской платформой для удовлетворения этой потребности. По мере появления потребностей в логистической поддержке инициативы НАСА по исследованию космоса можно использовать существующую коммерческую систему.
- Наконец, зарождающийся интерес к развитию негосударственных коммерческих космических станций должен учитывать вопросы пополнения запасов. Такие соображения, несомненно, будут подвергнуты анализу «производитель/покупка». Существующие системы, которые амортизировали затраты на разработку в рамках многочисленных правительственных и неправительственных программ, должны отдавать предпочтение решению о покупке со стороны коммерческих операторов космических станций. По мере возникновения этих рынков коммерческие компании смогут предоставлять логистические услуги за небольшую часть стоимости систем, разработанных государством. Полученная в результате экономия от масштаба принесет пользу обоим рынкам. К такому выводу пришло исследование Прайса-Уотерхауса, проведенное НАСА в 1991 году. [ 9 ] Исследование пришло к выводу, что стоимость услуг коммерческих модулей SPACEHAB на базе летных активов с расчетной чистой приведенной стоимостью в 160 миллионов долларов обойдется правительству США в более чем 1 миллиард долларов на разработку и эксплуатацию с использованием стандартных затрат плюс заключение контракта. Коммерческие операции и разработки SPACEHAB (такие как интегрированный грузовой авиаперевозчик) с 1991 года представляют собой дополнительную экономию средств по сравнению с государственными системами.
- Коммерческие компании с большей вероятностью будут эффективно инвестировать частный капитал в улучшение услуг, обеспечение постоянной доступности и расширение возможностей обслуживания. Эта тенденция, обычная для неаэрокосмических применений, была продемонстрирована компанией SPACEHAB на рынке коммерческих космических систем посредством постоянного совершенствования модулей и внедрения новых логистических носителей.
- Нехватка грузовых возможностей МКС, новые возможности и опыт, полученный в ходе существующих наземных и полетных операций SPACEHAB, стимулировали развитие службы коммерческой полезной нагрузки (CPS). Будучи коммерчески разработанной системой, SPACEHAB осознает, что для оптимизации ее возможностей и доступности необходимо применять определенные подходы к разработке и эксплуатации системы.
- Первый подход предъявляет к системе умеренные требования. Внедрение фундаментальных возможностей на начальной стадии и предоставление расширенных возможностей на более позднем этапе снижает стоимость запуска и сокращает время разработки.
- Второй – это использование существующих технологий и возможностей там, где это необходимо. Типичной особенностью программ НАСА является постоянное использование новых технологий. Хотя этот проект привлекателен с точки зрения технического прогресса, он является дорогостоящим и часто не приводит к созданию оперативных возможностей. Коммерчески разработанный грузовой модуль будет максимально использовать существующие технологии (где это возможно) и стремиться к техническим достижениям только там, где системные требования или рыночные условия обуславливают необходимость таких достижений. Кроме того, затраты, связанные с разработкой космического корабля, не ограничиваются затратами, связанными с системами корабля. Необходимо также учитывать значительные затраты, связанные с инфраструктурой. Существующие мощности SPACEHAB по логистике и обработке транспортных средств, расположенные рядом с Восточным полигоном и на объектах Морского старта, позволяют избежать значительных затрат на разработку системы.
- Наконец, SPACEHAB добился сокращения затрат и сроков за счет использования коммерческих процессов вместо государственных. В результате шаблон интеграции миссии SPACEHAB для авианосца на базе шаттла составляет 14 месяцев по сравнению с 22 месяцами для аналогичного многоцелевого логистического модуля на базе шаттла (MPLM). [ 10 ]
Возможность перемещения в стойку
[ редактировать ]Бейкер и Эйхштадт также писали в 2005 году: [ 8 ]
- МКС использует стойку полезной нагрузки международного стандарта (ISPR) в качестве основной полезной нагрузки и конструкции для размещения экспериментов во всех модулях, эксплуатируемых США. Для перемещения ISPR на МКС и обратно требуется проход через люк, который имеется только в местах причаливания общего причального механизма (CBM). Диаметр CBM в сочетании с пропорциями ISPR обычно доводит диаметры грузовых транспортных средств до размеров, которые подходят только для 5-метровых обтекателей полезной нагрузки, запускаемых на усовершенствованных одноразовых ракетах-носителях (EELV).
Возвращаемая полезная нагрузка при входе в атмосферу под давлением
[ редактировать ]Бейкер и Эйхштадт также писали в 2005 году: [ 8 ]
- Российский корабль «Прогресс» долгое время служил грузовым кораблем, который, покинув космическую станцию, разрушительно входит в атмосферу, уничтожая весь «груз» на борту. Этот подход работает очень эффективно для удаления нежелательной массы с космической станции. Однако НАСА указало, что возвращение полезной нагрузки с МКС весьма желательно [5]. Таким образом, коммерческая система должна изучить последствия включения возможности возврата полезной нагрузки под давлением либо в первоначальную конструкцию, либо в качестве расширенной функции услуги, которая будет внедрена в будущем. Обеспечение такой возможности требует включения подсистемы тепловой защиты, подсистем наведения на сход с орбиты, подсистем восстановления при посадке, инфраструктуры наземного восстановления и лицензии ФАУ. Восстановление негерметичных грузов представляет собой уникальные проблемы, связанные с незащищенностью негерметичных носителей. Для реализации возвращаемой системы входа в атмосферу полезной нагрузки без давления требуется разработка системы инкапсуляции. Действия по инкапсуляции должны происходить либо автономно перед возвращением в атмосферу, либо как часть операций, связанных с загрузкой негерметичного грузоперевозчика обратным грузом. В любом случае дополнительные затраты, связанные с системами космического корабля или возросшими эксплуатационными требованиями, будут выше, чем простая загрузка и отправление герметичного носителя для разрушительного входа в атмосферу.
Возможность смешанного манифеста
[ редактировать ]Бейкер и Эйхштадт также писали в 2005 году: [ 8 ]
- Обычно отказ от точечных решений обеспечивает гибкость данной системы и возможность предоставления переменных возможностей. Проектирование грузового авиаперевозчика, в котором сочетаются как герметичные, так и негерметичные системы, может привести к увеличению затрат, если все соответствующие грузовые помещения должны использоваться на каждом рейсе. Чтобы избежать ненужных затрат, связанных с проектированием летающей конструкции, обеспечивающей фиксированную относительную грузоподъемность всех типов полезной нагрузки, для СУЗ принят модульный подход. Ожидаемые потребности в грузовых перевозках для МКС после вывода из эксплуатации шаттла указывают на то, что специальные миссии с герметизированным и негерметичным оборудованием могут удовлетворить потребности МКС в увеличении массы. Использование общих базовых функций (т.е. сервисного модуля, стыковочной системы и т. д.) и модульность герметичных и негерметичных несущих элементов космического корабля обеспечивает гибкость, избегая при этом точечных решений.
Передача топлива
[ редактировать ]Бейкер и Эйхштадт также писали в 2005 году: [ 8 ]
- Российский сегмент МКС (РСОС) имеет возможность посредством механизмов стыковки зонда и конуса обеспечивать переброску топлива. Включение возможности передачи топлива порождает международные проблемы, требующие координации множества корпоративных и правительственных организаций. Поскольку требования к топливу МКС адекватно обеспечиваются российскими квадроциклами «Прогресс» и ЕКА, затрат, связанных с внедрением этих функций, можно избежать. Однако модульная природа CPS в сочетании с присущими некоторым подсистемам возможностями позволяет использовать экономичные альтернативы передаче топлива, если этого потребуют потребности МКС.
- Косвенные затраты, учитываемые при разработке архитектуры CPS, включают лицензионные требования, связанные с Международными правилами торговли оружием (ITAR), а также требования Федерального управления гражданской авиации (FAA) к коммерческому запуску и лицензированию въезда. Лицензирование ITAR требует тщательного отбора поставщиков подсистем транспортных средств. Любое использование или производство подсистем космического корабля неамериканскими организациями может осуществляться только после получения соответствующих разрешений Государственного департамента и/или Министерства торговли. Лицензионные требования ФАУ требуют тщательного выбора площадок запуска и посадки. Транспортные средства, разработанные корпорацией, организованной в США, даже если они запущены в эксплуатацию в другой стране, требуют проверки системы транспортного средства, эксплуатации и программы безопасности со стороны FAA, чтобы гарантировать, что риски для людей и имущества находятся в допустимых пределах. [ 11 ]
Даунмасс
[ редактировать ]В то время как значительное внимание космической логистики уделяется увеличению массы или массе полезной нагрузки, доставляемой на орбиту с Земли, операции на космических станциях также предъявляют значительные требования к уменьшению массы. Возвращение груза с низкой околоземной орбиты на Землю известно как транспортировка даунмассы — общей массы логистической полезной нагрузки, которая возвращается из космоса на поверхность Земли для последующего использования или анализа. [ 12 ] Логистика спуска масс — важные аспекты исследовательских и производственных работ, которые происходят на орбитальных космических объектах. В 2020-х годах этот термин стал также использоваться в контексте массового перемещения к другим планетным телам и обратно . Например, «мощность по увеличению и уменьшению массы [ SpaceX Starship HLS лунного посадочного модуля ] намного превысила требования НАСА» [ 13 ]
Для Международной космической станции бывали периоды времени, когда возможности снижения массы были строго ограничены. Например, в течение примерно десяти месяцев с момента вывода из эксплуатации космического корабля "Шаттл" после миссии STS-135 в июле 2011 года (и, как следствие, потери способности космического корабля "Шаттл" возвращать массу полезной нагрузки) все большую озабоченность вызывал возврат груза с малой массой с малой массы . Орбита Земли на Землю для последующего использования или анализа. [ 12 ] За этот период времени из четырех космических кораблей, способных достичь и доставить грузы на Международную космическую станцию, только российский корабль «Союз» смог вернуть на Землю даже очень небольшой грузовой груз. Возможности снижения массы груза «Союза» были ограничены, поскольку вся космическая капсула была заполнена до отказа тремя членами экипажа МКС, которые возвращались при каждом возвращении «Союза». В то время ни один из оставшихся транспортных средств снабжения — Российского космического агентства «Прогресс» , Европейского космического агентства (ESA) ATV , Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) HTV — не смог вернуть какой-либо маломассивный груз для наземного использования или исследования. [ 12 ]
После 2012 года, после успешной стоянки коммерческого корабля SpaceX Dragon во время миссии Dragon C2+ в мае 2012 года и начала эксплуатационных грузовых полетов в октябре 2012 года, [ 14 ] Возможность снижения массы с МКС теперь составляет 3000 кг (6600 фунтов) за полет Dragon, и эта услуга обычно предоставляется грузовой капсулой Dragon. [ 15 ] Возвращаемая капсула, испытанная в 2018 году, под названием HTV Small Re-entry Capsule (HSRC), может быть использована в будущих полетах HTV. [ 16 ] Максимальная масса HSRC составляет 20 кг (44 фунта). [ 17 ]
См. также
[ редактировать ]- Автономная логистика
- CSTS Система космической транспортировки экипажа
- Коммерческий космический полет
Ссылки
[ редактировать ]- Родольфо Монти, изд. (2005). «Бесконечные возможности, глобальные реальности: избранные материалы 55-го Конгресса Международной астронавтической федерации, Ванкувер, Канада, 4–8 октября 2004 г.». Акта Астронавтика . 57 . Пергамон .
- Эванс, Энди (январь – март 2005 г.). «Космическая логистика: главная задача логистического предприятия» . Логистический спектр . Международное общество логистики . Проверено 8 августа 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б АИАА НТЛК. «Определение космической логистики» . АИАА . Проверено 22 ноября 2022 г.
- ^ Вернер фон Браун (1960). Вернер фон Браун обсуждает важность космической логистики . АИАА . Архивировано из оригинала 18 октября 2010 года.
- ^ Дж. В. Буш, Обновленный дух открытий: президентское видение освоения космоса в США, январь 2004 г.
- ^ Перейти обратно: а б Бейкер, Джеймс Д.; Айхштадт, Джеймс (май 2005 г.). «Коммерческое грузовое транспортное обслуживание для МКС». Акта Астронавтика . 57 (2): 257–265. Бибкод : 2005AcAau..57..257B . doi : 10.1016/j.actaastro.2005.04.001 .
- ^ Перейти обратно: а б Конгресс США, Национальный закон об аэронавтике и космосе 1958 года с поправками, Публичный закон 85-568, 1984 год.
- ^ «Управление цепочками поставок и исследование транспортировки материалов выходят на межпланетный уровень: Лунная логистика» . Технология производственного бизнеса . 23 (8): 12. 1 августа 2005 г. Архивировано из оригинала 6 ноября 2012 г.
- ^ «Классы снабжения геологоразведочной логистики» . Межпланетное управление цепочками поставок и логистическая архитектура . Центр космической логистики Массачусетского технологического института. Архивировано из оригинала 5 июля 2008 года . Проверено 8 августа 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Бейкер, Джеймс Д.; Айхштадт, Франк (май 2005 г.). «Коммерческое грузовое транспортное обслуживание для МКС». Акта Астронавтика . 57 (2): 257–265. Бибкод : 2005AcAau..57..257B . doi : 10.1016/j.actaastro.2005.04.001 .
- ^ Прайс Уотерхаус, Анализ альтернатив аренды и покупки НАСА коммерческого модуля расширения Middeck, 1991.
- ^ Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, План реализации программы станции, том. 6: Физическая интеграция грузов, SSP 50200-06, декабрь 1997 г.
- ^ Федеральное управление гражданской авиации – Управление коммерческого космического транспорта, 14 CFR, ноябрь 2000 г. (Глава III).
- ^ Перейти обратно: а б с
Бергин, Крис (20 апреля 2012 г.). «Груз вверх и вниз: Дракон, демонстрирующий важность снижения массы» . Космический полет НАСА . Проверено 23 апреля 2012 г.
«Однако грузовые рейсы в целом жизненно важны для станции, не в последнюю очередь после прекращения огромных возможностей МКС через флот космических шаттлов. Поскольку орбитальные аппараты уже выведены из эксплуатации, множество транспортных средств снабжения стремятся восполнить пробелы Начиная с существующих российских кораблей «Прогресс», заканчивая европейскими вездеходами, японскими HTV и – в очень небольшой степени – российскими кораблями «Союз». Однако это были дополнительные возможности маломассивного корабля «Шаттл». МКС, которая часто занижалась в последние годы их полетов на станцию, и российские, европейские и японские корабли снабжения не могли ее смягчить после вывода флота из строя, за исключением очень небольшой массы, допускаемой «Союзом».
- ^ Бургхардт, Томас (20 апреля 2021 г.). «После того, как НАСА использует звездолет SpaceX для первой посадки Артемиды, агентство надеется на будущие транспортные средства» . Космические новости . Проверено 21 апреля 2021 г.
- ^ «Капсула SpaceX возвращается с благополучной посадкой в Тихом океане» . Би-би-си . 28 октября 2012 года . Проверено 23 декабря 2012 г.
- ^
Блэк, Чарльз (24 декабря 2012 г.). «Когда Dragon сделал коммерческие космические полеты реальностью» . СЕН . Проверено 26 декабря 2012 г.
Способность [Дракона] возвращать товары в настоящее время уникальна, поскольку все другие обычные корабли снабжения — европейский автоматический транспортный корабль (ATV), японский HTV (или «Коунотори») и российский «Прогресс» — все сгорают во время контролируемого входа в атмосферу.
- ^ Хаяси, Кимиё (13 декабря 2018 г.). «Преодоление многочисленных трудностей и битва со временем. Будущее, открываемое маленькими спасательными капсулами» (на японском языке) Проверено 22 января 2019 г. ...
Грузовой корабль «Коунотори» Проект будет завершен. останется только две машины (блоки 8 и 9) и будет передан новому транспортному средству пополнения космической станции HTV-X, запуск которого запланирован на 2021 год. Вполне возможно, что аналогичный эксперимент с небольшой спасательной капсулой будет снова проведен на энергоблоке 9, но автономную спасательную капсулу, скорее всего, будет нести HTV-X. ...
- ^ могут быть быстро доставлены исследователям с возможностью применения на пилотируемых кораблях» . «Разработка уникальной космической капсулы для восстановления в 2018 Проверено 10 апреля г. Японии продолжается; экспериментальные
образцы МКС 20 км. Если образец хранить в холодильнике, он будет весить менее 5 кг. ...