Ares I - Ares I

Ten artykuł dotyczy pojazdu startowego Ares I. W przypadku innych zastosowań zobacz Ares (ujednoznacznienie) .
Ares I
Ares uruchamiam.jpg
Premiera Aresa 1
Funkcjonować Orbitalny pojazd startowy oceniany przez człowieka
Producent Alliant Techsystems (Etap I)
Boeing (Etap II)
Kraj pochodzenia Stany Zjednoczone
Koszt projektu co najmniej 6 mld USD US
Rozmiar
Wysokość 94 metry (308 stóp)
Średnica 5,5 metra (18 stóp)
Gradacja 2
Pojemność
Ładunek do LEO
Masa 25 400 kg (56 000 funtów)
Powiązane rakiety
Rodzina Obserwowani przez Wolność
Historia uruchamiania
Status Anulowany
Uruchom witryny Centrum Kosmiczne im. Kennedy'ego , LC-39B
Razem uruchomień 1 (prototyp)
Pierwszy lot Październik 2009 (Prototyp)
Pierwszy etap
Silniki 1 stałe
Pchnięcie 15 000 kN (3 400 000 funtów· f )
Czas palenia ~150 sekund
Gaz pędny Solidny
Drugi etap
Silniki 1 J-2X
Pchnięcie 1,308 kN (294 000 funtów· f )
Czas palenia ~800 sekund
Gaz pędny LH 2 / LOX

Ares I był pojazdem startowym załogi opracowanym przez NASA w ramach programu Constellation . Nazwa „Ares” odnosi się do greckiego bóstwa Aresa , utożsamianego z rzymskim bogiem Marsem . Ares I był pierwotnie znany jako „Crew Launch Vehicle” (CLV).

NASA planowała użyć Aresa I do wystrzelenia Oriona , statku kosmicznego przeznaczonego do lotów kosmicznych NASA po wycofaniu promu kosmicznego w 2011 roku. Ares I miał uzupełnić większy, bezzałogowy Ares V , który był nośnym pojazdem startowym dla Constellation. NASA wybrała projekty Ares ze względu na ich przewidywane ogólne bezpieczeństwo, niezawodność i opłacalność. Jednak program Constellation, w tym Ares I, został odwołany przez prezydenta USA Baracka Obamę w październiku 2010 r. wraz z uchwaleniem jego ustawy autoryzacyjnej NASA z 2010 r. We wrześniu 2011 r. NASA wyszczególniła system startów kosmicznych jako nowy pojazd do eksploracji przez ludzi poza orbitą Ziemi.

Rozwój

Zaawansowane badania systemów transportowych

W 1995 r. Lockheed Martin opracował raport z Advanced Transportation System Studies (ATSS) dla Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla . Część raportu ATSS opisuje kilka możliwych pojazdów, podobnych do projektu Ares I, z drugimi stopniami rakiety na ciecz ułożonymi nad pierwszymi stopniami segmentowego wzmacniacza rakiet na paliwo stałe (SRB). Rozważane warianty obejmowały zarówno silniki J-2S , jak i główne silniki promu kosmicznego (SSME) dla drugiego etapu. Warianty zakładały również użycie zaawansowanego silnika rakietowego na paliwo stałe (ASRM) jako pierwszego etapu, ale ASRM został anulowany w 1993 r. z powodu znacznego przekroczenia kosztów.

Studium architektury systemów eksploracji

Prezydent George W. Bush ogłosił wizję eksploracji kosmosu w styczniu 2004 roku, a NASA pod przewodnictwem Seana O'Keefe zebrała plany dotyczące pojazdu do eksploracji załogowej od wielu oferentów, z planem posiadania dwóch rywalizujących zespołów. Plany te zostały odrzucone przez nadchodzącego administratora Michaela Griffina , a 29 kwietnia 2005 r. NASA wyczarterowała badanie architektury systemów eksploracji, aby osiągnąć określone cele:

  • określić „wymagania najwyższego poziomu i konfiguracje dla systemów startowych dla załogi i ładunku w celu wsparcia programów eksploracji Księżyca i Marsa”
  • ocenić „wymagania i plany CEV umożliwiające CEV zapewnienie transportu załogi do ISS”
  • „opracować referencyjną koncepcję architektury eksploracji Księżyca, aby wspierać trwałe operacje eksploracji Księżyca przez ludzi i roboty”
  • „zidentyfikuj kluczowe technologie wymagane do umożliwienia i znacznego ulepszenia tych referencyjnych systemów eksploracji”
Obraz koncepcyjny ewolucji projektu Ares I od wersji sprzed ESAS do najnowszych osiągnięć.

NASA wybrała architekturę startu opartą na wahadłowcu dla Aresa I. Pierwotnie załogowy pojazd używał czterosegmentowego wzmacniacza rakiety na paliwo stałe (SRB) na pierwszym etapie, a uproszczonego głównego silnika wahadłowca kosmicznego (SSME) dla drugi etap. Wersja bezzałogowa miała używać pięciosegmentowego wzmacniacza z tym samym drugim stopniem. Wkrótce po zatwierdzeniu wstępnego projektu dodatkowe testy wykazały, że statek kosmiczny Orion byłby zbyt ciężki, aby czterosegmentowy wzmacniacz mógł go podnieść, a w styczniu 2006 r. NASA ogłosiła, że ​​nieznacznie zmniejszy rozmiar statku kosmicznego Orion, dodając piąty segment do pierwszy stopień rakiety na paliwo stałe i zastąp pojedynczy SSME silnikiem J-2X pochodzącym z Apollo . Podczas gdy przejście z czterosegmentowego pierwszego stopnia na wersję pięciosegmentową umożliwiłoby NASA skonstruowanie praktycznie identycznych silników, głównym powodem zmiany na pięciosegmentowy wzmacniacz był przejście na J-2X.

Badanie Architektury Systemów Eksploracji wykazało, że koszt i bezpieczeństwo Aresa przewyższają koszty Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV). Szacunki kosztów w badaniu opierały się na założeniu, że nowe wyrzutnie będą potrzebne dla EELV przeznaczonych dla ludzi . Urządzenia dla obecnych EELV (LC-37 dla Delta IV, LC-41 dla Atlas V) są na miejscu i mogą być modyfikowane, ale może to nie być najbardziej opłacalne rozwiązanie, ponieważ LC-37 jest własnością i jest obsługiwany przez wykonawcę (COGO) i modyfikacje dla Delta IV H zostały określone jako podobne do tych wymaganych dla Ares I. Szacunki bezpieczeństwa ESAS dotyczące startu Aresa oparto na wahadłowcu kosmicznym, pomimo różnic i uwzględniono tylko starty po Przeprojektowanie promu kosmicznego Challenger. Szacunki liczyły każdy start wahadłowca jako dwa bezpieczne starty rakiety Ares. Bezpieczeństwo Atlasów V i Delta IV oszacowano na podstawie wskaźników awaryjności wszystkich startów Delta II , Atlas-Centaur i Titan od 1992 roku, chociaż nie są to podobne konstrukcje.

W maju 2009 r. wyciekły wcześniej wstrzymane załączniki do badania ESAS z 2006 r., ujawniając szereg oczywistych wad w badaniu, które dawały zwolnienia ze względów bezpieczeństwa wybranemu projektowi Ares I przy użyciu modelu, który karał projekty oparte na EELV.

Rola w programie Constellation

Wczesny obraz koncepcyjny rakiet Ares I (po prawej) i Ares V (po lewej)

Ares I był komponentem startowym załogi programu Constellation. Pierwotnie nazwany „Crew Launch Vehicle” lub CLV, nazwa Ares została wybrana od greckiego bóstwa Ares . W przeciwieństwie do promu kosmicznego, w którym zarówno załoga, jak i ładunek zostały wystrzelone jednocześnie na tej samej rakiecie, plany Projektu Constellation przewidywały posiadanie dwóch oddzielnych pojazdów nośnych, Ares I i Ares V, odpowiednio dla załogi i ładunku. Posiadanie dwóch oddzielnych pojazdów nośnych pozwala na bardziej wyspecjalizowane projekty dla załogi i rakiet do ciężkich ładunków.

Rakieta Ares I została specjalnie zaprojektowana do wystrzelenia Wielozadaniowego Pojazdu Załogowego Oriona . Orion był pomyślany jako kapsuła załogi, podobna w konstrukcji do kapsuły programu Apollo , do transportu astronautów na Międzynarodową Stację Kosmiczną , na Księżyc , a ostatecznie na Marsa . Ares I mógł również dostarczyć pewne (ograniczone) zasoby na orbitę , w tym dostawy dla Międzynarodowej Stacji Kosmicznej lub późniejszą dostawę do planowanej bazy księżycowej .

Wybór wykonawcy

NASA wybrała Alliant Techsystems, konstruktora promów kosmicznych Solid Rocket Boosters , jako głównego wykonawcę pierwszego etapu Ares I. NASA ogłosiła, że Rocketdyne będzie głównym podwykonawcą silnika rakietowego J-2X w dniu 16 lipca 2007 roku. NASA wybrała Boeinga do dostarczenia i zainstalowania awioniki dla rakiety Ares I 12 grudnia 2007 roku.

28 sierpnia 2007 NASA przyznała Boeingowi kontrakt na produkcję Ares I Upper Stage. Boeing zbudował etap S-IC rakiety Saturn V w Michoud Aerospace Factory w latach 60. XX wieku. Górny stopień Aresa I miał być zbudowany w tej samej fabryce rakiet, w której wykonano zewnętrzny zbiornik promu kosmicznego i pierwszy stopień S-IC Saturna V.

Silniki J-2X

Główny artykuł: J-2X

Przy około 20-25 milionach dolarów za silnik, zaprojektowany i wyprodukowany przez Rocketdyne J-2X kosztowałby mniej niż połowę mniej niż bardziej złożony silnik RS-25 (około 55 milionów dolarów). W przeciwieństwie do głównego silnika wahadłowca kosmicznego, który został zaprojektowany do startu na ziemi, J-2X był projektowany od początku z myślą o uruchomieniu zarówno w powietrzu, jak i w próżni. Ta zdolność do startu z powietrza była krytyczna, szczególnie w oryginalnym silniku J-2 używanym na etapie S-IVB Saturna V , aby wystrzelić statek kosmiczny Apollo na Księżyc. Z drugiej strony, główny silnik promu kosmicznego wymagałby rozległych modyfikacji, aby dodać zdolność do startu z powietrza

Przegląd wymagań systemowych

Obraz koncepcyjny Aresa I startującego z wyrzutni 39B Centrum Kosmicznego Kennedy'ego .

4 stycznia 2007 r. NASA ogłosiła, że ​​Ares I zakończył przegląd wymagań systemowych, pierwszy taki przegląd dla każdego projektu załogowego statku kosmicznego od czasu promu kosmicznego. Przegląd ten był pierwszym ważnym kamieniem milowym w procesie projektowania i miał na celu upewnienie się, że system startowy Ares I spełnia wszystkie wymagania niezbędne dla programu Constellation. Oprócz opublikowania recenzji, NASA ogłosiła również, że dokonano przeprojektowania osprzętu czołgu. Zamiast oddzielnych zbiorników LH 2 i LO 2 , oddzielonych „zbiornikiem międzyzbiornikowym”, takim jak w zewnętrznym zbiorniku wahadłowca kosmicznego , nowe zbiorniki LH 2 i LOX byłyby oddzielone wspólną przegrodą, taką jak ta zastosowana w Saturn V S-II i etapy S-IVB. Zapewniłoby to znaczną oszczędność masy i wyeliminowało potrzebę projektowania jednostki międzystopniowej drugiego stopnia, która musiałaby unosić ze sobą ciężar statku kosmicznego Orion.

Analiza i testowanie

W styczniu 2008 roku NASA Watch ujawniła, że pierwszy etap rakiet na paliwo stałe o Ares I mógł stworzyć wysokie wibracje podczas pierwszych kilku minutach wynurzania. Drgania byłyby spowodowane oscylacjami ciągu wewnątrz pierwszego stopnia. Urzędnicy NASA zidentyfikowali potencjalny problem podczas przeglądu projektu systemu Ares I pod koniec października 2007 r., stwierdzając w komunikacie prasowym, że chce go rozwiązać do marca 2008 r. NASA przyznała, że ​​problem ten był bardzo poważny, oceniając go jako cztery na pięć. skalę ryzyka, ale agencja była bardzo pewna, że ​​ją rozwiązała. Podejście łagodzące opracowane przez zespół inżynierów Ares obejmowało aktywne i pasywne tłumienie drgań, dodanie aktywnego absorbera o dostrojonej masie i pasywnej „struktury podatności” – zasadniczo sprężynowego pierścienia, który rozstroiłby stos Ares I. NASA zwróciła również uwagę, że skoro byłby to nowy system startowy, taki jak systemy Apollo czy Space Shuttle, to normalne, że takie problemy pojawiły się na etapie rozwoju. Według NASA analiza danych i telemetrii z lotu Ares IX wykazała, że ​​wibracje z oscylacji ciągu mieściły się w normalnym zakresie dla lotu promu kosmicznego.

Badanie opublikowane w lipcu 2009 r. przez 45. Skrzydło Kosmiczne Sił Powietrznych USA wykazało, że przerwanie lotu 30–60 sekund po wystrzeleniu miałoby ~ 100% szans na zabicie całej załogi, ponieważ kapsuła została pochłonięta do czasu uderzenia w ziemię przez chmurę 4 000 °F (2200 °C) stałych fragmentów paliwa, które stopiłyby nylonowy materiał spadochronu. Badania NASA wykazały, że kapsuła załogi wyleciałaby poza poważniejsze niebezpieczeństwo.

Ares IX startuje z wyrzutni 39B w Kennedy Space Center 28 października 2009 r.

Zapalnik Ares I był zaawansowaną wersją sprawdzonego w locie zapłonnika stosowanego w rakietach rakietowych promu kosmicznego. Miał około 46 cm średnicy i 36 cali (91 cm) długości i wykorzystywał ulepszone materiały izolacyjne, które miały ulepszone właściwości termiczne, aby chronić obudowę zapalnika przed palącym się paliwem stałym. NASA pomyślnie zakończyła próbne odpalenie zapalnika do silników Ares I 10 marca 2009 r. w obiektach testowych ATK Launch Systems w pobliżu Promontory w stanie Utah . Test z zapłonnikiem wygenerował płomień o długości 200 stóp (60 metrów), a wstępne dane wykazały, że zapłonnik działał zgodnie z planem.

Rozwój elementów napędowych Ares I nadal robił duże postępy. 10 września 2009 r. pierwszy silnik rozwojowy Ares I (DM-1) został pomyślnie przetestowany podczas pełnowymiarowych próbnych strzelań. Po tym teście odbyły się dwa kolejne testy rozwojowe silnika: DM-2 31 sierpnia 2010 r. i DM-3 8 września 2011 r. W przypadku DM-2 silnik został schłodzony do temperatury rdzenia 40 stopni Fahrenheita (4 stopnie Celsjusza). , a dla DM-3 był podgrzewany do temperatury powyżej 90 stopni Fahrenheita (32 stopnie Celsjusza). Oprócz innych celów, te dwa testy potwierdziły osiągi silnika Ares w ekstremalnych temperaturach. NASA przeprowadziła udany 500-sekundowy test silnika rakietowego J-2X w Centrum Kosmicznym im. Johna C. Stennisa w listopadzie 2011 roku.

Prototyp Ares I, Ares IX , pomyślnie przeszedł testowy start 28 października 2009 roku. Platforma startowa 39B została uszkodzona bardziej niż podczas startu promu kosmicznego. Podczas schodzenia jeden z trzech spadochronów pierwszego stopnia Aresa IX nie otworzył się, a inny otworzył się tylko częściowo, powodując mocniejsze rozpryskiwanie się dopalacza i uszkodzenia strukturalne. Uruchomienie osiągnęło wszystkie główne cele testów.

Harmonogram i koszt

NASA zakończyła przegląd wymagań systemowych Ares I w styczniu 2007 r. Projekt miał być kontynuowany do końca 2009 r., a rozwój i testy kwalifikacyjne przebiegały równolegle do 2012 r. Od lipca 2009 r. produkcja artykułów lotniczych miała rozpocząć się pod koniec 2009 do pierwszego startu w czerwcu 2011. Od 2006 roku pierwszy start człowieka planowano nie później niż w 2014 roku, czyli cztery lata po planowanym wycofaniu promu kosmicznego.

Opóźnienia w harmonogramie rozwoju Ares I spowodowane presją budżetową oraz nieprzewidzianymi trudnościami inżynieryjnymi i technicznymi zwiększyły lukę między zakończeniem programu promu kosmicznego a pierwszym lotem operacyjnym Aresa I. Ponieważ program Constellation nigdy nie został przyznany pierwotnie przewidywane fundusze , całkowity szacowany koszt opracowania Ares I do 2015 roku wzrósł z 28 miliardów dolarów w 2006 roku do ponad 40 miliardów dolarów w 2009 roku. Koszt projektu Ares IX wyniósł 445 milionów dolarów.

Mobile Launcher-1 dla Aresa I na stronie East Park

Pierwotnie zaplanowane na pierwsze loty testowe w 2011 r., niezależna analiza Komisji Augustyna wykazała pod koniec 2009 r., że ze względu na problemy techniczne i finansowe Ares I prawdopodobnie nie miałby pierwszego startu z załogą do 2017-2019 w ramach obecnego budżetu lub późno. 2016 z nieograniczonym budżetem. Komisja Augustyna stwierdziła również, że Ares I i Orion miałyby szacunkowy stały koszt prawie 1 miliarda dolarów za lot. Jednak późniejsza analiza finansowa w marcu 2010 r. wykazała, że ​​operowanie Aresem kosztowałoby 1 miliard dolarów lub więcej na jeden lot, gdyby Aresem latał tylko raz w roku. Gdyby system Ares I latał kilka razy w roku, koszty krańcowe mogłyby spaść do zaledwie 138 milionów dolarów na start. W marcu 2010 roku administrator NASA Charlie Bolden zeznał na kongresie, że Ares I kosztowałby 4-4,5 miliarda dolarów rocznie i 1,6 miliarda dolarów za lot. Przewidywano, że koszt krańcowy Aresa I stanowił ułamek kosztów krańcowych promu, nawet gdyby latał kilka razy w roku. Dla porównania, koszt wystrzelenia trzech astronautów na załogowym rosyjskim Sojuzie to 153 miliony dolarów. Reprezentant Robert Aderholt oświadczył w marcu 2010 roku, że otrzymał list z NASA, w którym stwierdzono, że trzy razy w roku latanie rakietą Ares I kosztowałoby 1,1 miliarda dolarów.

8 lutego 2011 poinformowano, że Alliant Techsystems i Astrium zaproponowały użycie pierwszego stopnia Aresa I z drugim stopniem z Ariane 5 do stworzenia nowej rakiety o nazwie Liberty .

Anulowanie

W dniu 1 lutego 2010 r. prezydent Barack Obama ogłosił propozycję anulowania programu Constellation obowiązującego w budżecie na rok budżetowy USA na rok 2011, ale później ogłosił zmiany w tej propozycji w przemówieniu dotyczącym polityki kosmicznej w Kennedy Space Center 15 kwietnia 2010 r. W październiku 2010 r. podpisano ustawę autoryzacyjną NASA na 2010 r., która unieważniła Constellation. Poprzednie przepisy utrzymały w mocy umowy Constellation do czasu uchwalenia nowej ustawy o finansowaniu na 2011 rok.

Projekt

Porównanie podstawowych rozmiarów i kształtu Saturna V , promu kosmicznego , Aresa I i Aresa V .

Ares I miał ładowność w klasie 25-tonowej (28-krótkiej; 25-długiej-tonowej) i był porównywalny z pojazdami takimi jak Delta IV i Atlas V . Grupa badawcza NASA, która wybrała pojazd, który miał stać się Aresem, oceniła ten pojazd jako prawie dwukrotnie bezpieczniejszy niż projekt wywodzący się z Atlasu lub Delta IV. Rakieta miała być wykonana ze stopu aluminiowo-litowego o mniejszej gęstości, ale podobnej wytrzymałości w porównaniu do innych stopów aluminium. Stop jest produkowany przez firmę Alcoa .

Rozstrzelony widok Ares I

Pierwszy etap

Pierwszym etapem miała być potężniejsza i wielokrotnego użytku rakieta na paliwo stałe, wywodząca się z promu kosmicznego Solid Rocket Booster (SRB). W porównaniu z Solid Rocket Booster, który miał cztery segmenty, najbardziej zauważalną różnicą było dodanie piątego segmentu. Ten piąty segment umożliwiłby Aresowi I wytworzenie większej siły ciągu. Inne zmiany wprowadzone w Solid Rocket Booster miały polegać na usunięciu punktów mocowania zewnętrznego zbiornika promu kosmicznego (ET) i zastąpieniu przedniego stożka Solid Rocket Booster nowym przednim adapterem, który łączyłby się z drugim stopniem napędzanym paliwem płynnym . Adapter miał być wyposażony w silniki separacyjne na paliwo stałe, aby ułatwić odłączanie stopni podczas wynurzania. Zmieniono również strukturę słojów, a także izolację i wyściółkę. W pierwszym etapie testu naziemnego Ares I zmieniła się obudowa, struktura ziarna, liczba segmentów, izolacja, wykładzina, średnica gardzieli, systemy ochrony termicznej i dysza.

Wyższy poziom

Górny stopień, wywodzący się z zewnętrznego zbiornika wahadłowca (ET) i oparty na stopniu S-IVB Saturn V, miał być napędzany pojedynczym silnikiem rakietowym J-2X napędzanym ciekłym wodorem (LH 2 ) i ciekłym tlenem ( WĘDZONY ŁOSOŚ). J-2X wywodzi się z oryginalnego silnika J-2 używanego podczas programu Apollo, ale z większą siłą ciągu (~ 294 000 lbf) i mniejszą liczbą części niż oryginalny silnik. 16 lipca 2007 r. NASA przyznała firmie Rocketdyne kontrakt na dostawę silników J-2X do testów naziemnych i w locie. Rocketdyne był głównym wykonawcą oryginalnych silników J-2 używanych w programie Apollo.

Chociaż jego silnik J-2X wywodził się z ugruntowanej konstrukcji, sam wyższy stopień byłby zupełnie nowy. Pierwotnie oparty na wewnętrznej i zewnętrznej strukturze ET, pierwotny projekt wymagał oddzielnych zbiorników paliwa i utleniacza, połączonych ze sobą konstrukcją „międzyzbiornikową” i pokrytych natryskową izolacją piankową, aby zapewnić wentylację do minimum. Jedynym nowym sprzętem w oryginalnym drugim stopniu wywodzącym się z ET byłby zespół ciągu dla silnika J-2X, nowe odłączniki napełniania/spustu/odpowietrzania paliwa i utleniacza oraz interfejsy montażowe dla pierwszego stopnia na paliwo stałe i Statek kosmiczny Oriona.

Stosując koncepcję nawiązującą do programu Apollo, zrzucono konstrukcję „międzyzbiornikową”, aby zmniejszyć masę, a na jej miejscu utworzono wspólną przegrodę, podobną do tej stosowanej na obu stopniach S-II i S-IVB Saturna V, zostałby użyty między czołgami. Oszczędności wynikające z tych zmian zostały wykorzystane do zwiększenia pojemności paliwa, która wyniosła 297 900 funtów (135 100 kg). Izolacja z pianki natryskowej była jedyną częścią ET wahadłowca, która zostałaby zastosowana na tym nowym górnym stopniu, który został wyprowadzony z Saturna.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne