Postępy w budowie pierwszych modułów księżycowej stacji Gateway

Trwa produkcja pierwszych elementów dwóch modułów przyszłej stacji wokółksiężycowej Gateway. Jak w tej chwili wygląda ten projekt i czy są szanse na początek budowy stacji na orbicie wokółksiężycowej już za 3 lata?

W skrócie:

NASA wraz z międzynarodowymi partnerami buduje stację na orbicie wokół Księżyca;

Stacja Gateway ma być miejscem wypadowym do misji załogowych na powierzchnię Księżyca i poligonem doświadczalnym przed lotami na Marsa;

Pierwsze dwa moduły stacji polecą razem w kierunku Księżyca w 2024 roku;

Projekty pierwszych dwóch modułów wchodzą w szczegółową fazę i powstają pierwsze fizyczne struktury

W lutym 2021 r. NASA ogłosiła, że zadanie wysłania pierwszych modułów stacji wokółksiężycowej Gateway zostało powierzone firmie SpaceX. W ramach kontraktu opiewającego na kwotę 332 milionów dolarów w 2024 roku z kosmodromu Cape Canaveral na Florydzie poleci rakieta Falcon Heavy, która skieruje zestaw dwóch połączonych modułów w kierunku Księżyca.

Stacja Gateway ma być punktem wypadowym dla misji na powierzchnię Księżyca w ramach programu Artemis. Gateway będzie wielomodułową stacją, docelowo o rozmiarze około 1/6 Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Będzie znajdować się na orbicie near-rectilinear halo (NRHO). NRHO to semistabilna, eliptyczna orbita wokół punktu libracyjnego L2 układu Ziemia-Księżyc. Nie była ona jeszcze wykorzystywana w misjach kosmicznych, ale jej zaletą jest względnie niewielkie potrzeby wykonywania manewrów utrzymujących i stała widoczność z Ziemią.

Wraz ze zmianą administracji NASA związaną z urzędem nowego Prezydenta USA, agencja nadal będzie kontynuować wysiłki związane z powrotem człowieka na Księżyc w ramach programu Artemis. Chociaż termin lądowania ludzi na powierzchni w 2024 jest już raczej nierealistyczny, to program nabrał już rozpędu i misje powinny być wykonane jeszcze w tym dziesięcioleciu.

Niedawno informowaliśmy o udanym teście Głównego Członu rakiety Space Launch System - ciężkiego systemu nośnego, który ma być wykorzystany do wysyłania załogowego statku Orion w okolice Księżyca. Postępują też prace projektowe i nawet już produkcyjne nad pierwszymi modułami stacji wokółksiężycowej. Choć wg agencji NASA stacja nie jest konieczna do wykonania pierwszej misji załogowej na powierzchnię Księżyca, to obecnie jej budżet jest zabezpieczony i wysłanie pierwszych modułów planowane jest już za 3 lata.

Power and Propulsion Element

Koncepcja modułu PPE wysyłającego zestaw PPE/HALO na orbitę wokółksiężycową. Źródło: Maxar.

Projekt modułu napędowego

Pierwszym modułem stacji Gateway będzie Power and Propulsion Element (PPE), czyli Moduł Zasilania i Napędu. Będzie to statek wyposażony w panele słoneczne dostarczające energię elektryczną o mocy 60 kW. PPE będzie stanowił główny wysokoprzepustowy terminal komunikacyjny i moduł utrzymujący właściwą orientację stacji i pozwalający jej na wykonywanie manewrów na orbicie.

W 2019 roku NASA wybrała firmę Maxar Technologies jako głównego wykonawcę modułu. Przedsiębiorstwo dostanie za tę pracę 375 milionów dolarów. Projektem od strony agencji zarządza Glenn Research Center w stanie Ohio.

Cele modułu PPE:

Zasilanie dla stacji Gateway;
manewry transportowe w obrębie orbit okołoksiężycowych i utrzymywanie orbity;
kontrola orientacji;
komunikacja z Ziemią i powierzchnią Księżyca;
wsparcie eksperymentów użytkowych i demonstracji technologicznych planowanych do wykonania na Gateway przez NASA, międzynarodowych partnerów i podmioty komercyjne.

Moduł ma mieć masę 5,7 t i wymiary prostopadłościanu 5,1 na 2,4 na 2,2 m. Charakterystycznego wyglądu nadadzą mu ogromne skrzydła paneli słonecznych po obu stronach rozpościerające się na ponad 42 m i mające ponad 8 m szerokości.

Moduł będzie można podzielić na dwie zasadnicze sekcje - napędową (Solar-Electric Propulsion module SEP) oraz komunikacyjno-użytkową (Communication/Utilization Bay). Żadna z nich nie będzie hermetyzowana tzn. nie będzie w niej sztucznej atmosfery i przestrzeni dla astronautów.

Jednym z najbardziej charakterystycznych i innowacyjnych elementów modułu będzie system napędowy - niekorzystający dla tak dużych statków z tradycyjnych silników chemicznych, a z elektrycznego napędu jonowego.

Zastosowany zostanie system AEPS (Advanced Electronic Propulsion Element) - zestaw silników jonowych opartych o ksenon i działających na zasadzie efektu Halla. Dwa identyczne silniki będą pobierały po 12,5 kW mocy i generowały między 0,5-0,6 N ciągu z efektywnością dochodzącą do 57%. Za rozwój silników odpowiedzialna jest firma Aerojet Rocketdyne i agencja NASA.

Postępy w budowie modułu napędowego

Power and Propulsion Element przeszedł System Requirements Review, czyli przegląd wymagań projektu już w 2019 roku, po wyborze firmy Maxar do wykonania modułu. Rok później agencja zdecydowała jednak, że moduł PPE i budowany habitat HALO będą połączone już na Ziemi i wysłane razem w jednym starcie rakiety.

To zdecydowanie dodało nowych wymagań do całego projektu. Na początku 2021 roku Maxar Technologies wraz z NASA przeszło kolejne kluczowe przeglądy - Delta System Requirements Review (przegląd dodatkowych wymagań) oraz Tailored Systems Definition Review (przegląd zmienionych definicji systemów). Oba formalne przeglądy przeszły pomyślnie. Następnym krokiem będzie Preliminary Design Review (wstępny przegląd projektu). Zostaną wtedy ocenione szczegółowe proponowane rozwiązania. Ten przegląd planowany jest na 1. połowę 2021 roku. Jeśli zakończy się pomyślnie firma Maxar dostanie zielone światło do stworzenia finalnego projektu i rozpoczęcia produkcji elementów modułu.

Dodatkowo Maxar poinformował ostatnio o dostarczeniu przez firmę Deployable Space Systems rozwojowego egzemplarza struktury szkieletowej paneli słonecznych dla modułu. Rozwijane panele słoneczne typu ROSA będą drugimi największymi panelami jakie kiedykolwiek poleciały w kosmos, zaraz po skrzydłach paneli na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

HALO

Koncepcja artystyczna modułu HALO połączonego z modułem PPE na orbicie wokół Księżyca. Źródło: NASA.

Projekt habitatu

Drugim modułem stacji Gateway będzie moduł mieszkalno-logistyczny HALO (z ang.: Habitation and Logistics Outpost). Będzie to początkowe miejsce przebywania załogi z podstawowymi systemami podtrzymywania życia, miejscem na sen, jedzenie i do przygotowywania się do wypraw na powierzchnię Księżyca. Moduł poleci w kierunku Księżyca połączony razem z modułem PPE.

Kontrakt o wartości 187 mln dolarów na wykonanie modułu HALO przydzielono przez NASA w 2020 r. firmie Northrop Grumman. Od strony agencji za rozwój i budowę modułu odpowiada Johnson Space Center.

Cele modułu HALO:

dowodzenie stacją
przetwarzanie danych systemowych
przechowywanie i dystrybucja energii elektrycznej
kontrola termiczna
komunikacja i możliwości śledzenia obiektów
kontrola środowiska wewnątrz stacji
systemy podtrzymywania życia na potrzeby działania na stacji i dla załogowego statku Orion
miejsce dokowania statków załogowych i zaopatrzeniowych
miejsce dokowania przyszłych nowych modułów
miejsce i infrastruktura umożliwiająca przeprowadzanie eksperymentów naukowych i demonstracji technologicznych
miejsce do przechowywania zaopatrzenia i sprzętu
miejsce do wspólnego spożywania posiłków
miejsce do ćwiczeń
miejsce do snu dla załogi
miejsce do czynności związanych z higieną (bez toalety)

Moduł ma mieć 7,5 m długości i całkowitą masę 9,28 t. W najszerszym miejscu jego średnica będzie wynosić 3,64 m, a na większości długości 3,07 m. Moduł będzie bazował na statku Cygnus firmy Northrop Grumman, wykorzystywanym w przeprowadzaniu bezzałogowych misji towarowych do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Będzie wyposażony w cztery porty do dokowania: po jednym z przodu i z tyłu oraz dwa naprzeciw siebie radialnie, na obwodzie modułu.

Do tylnego portu przytwierdzony będzie jeszcze przed startem moduł PPE. Dwa radialne porty będą początkowo wykorzystywane przez statek zaopatrzeniowy i przyszły lądownik księżycowych misji Artemis. Do przedniego portu mają dokować statki załogowe Orion. Podczas rozbudowy kompleksu, do jego przedniego portu zostanie przytwierdzony międzynarodowy (europejsko-japoński) moduł mieszkalny I-Hab.

Postępy w budowie habitatu

Moduł HALO przeszedł przegląd wymagań systemowych (System Requirements Review) w listopadzie 2019 r. Przez 2020 rok dokonywano rozmaitych modyfikacji w ułożeniu systemów i sprzętu w przestrzeni mieszkalnej i na zewnątrz modułu.

15 lutego 2021 r. firma Thales Alenia Space (jeden z podwykonawców) poinformowała o ukończeniu budowy pierwszych fizycznych struktur modułu - zespawanego pierścienia i pierwszego cylindra w fabryce we włoskim Turynie.

Podsumowanie

Optymizmem napawa fakt, że z powodzeniem udało się przetestować Główny Człon pierwszego egzemplarza rakiety SLS. Pierwsza misja programu Artemis powinna odbyć się na początku 2022 roku, chociaż nadal oficjalnym terminem jest końcówka 2021 r. Według obecnych oficjalnych planów NASA budowa stacji wokółksiężycowej zacznie się w 2024 roku. Czy tak się stanie? Wiele zależy od przeszkód natury technicznej i finansowej.

Jedyną rzeczą, która nie otrzymała wymaganego finansowania jest program komercyjnych załogowych lądowników księżycowych HLS. NASA otrzymała w 2021 roku na ten cel 850 mln dolarów, czyli około 1/4 wymaganej kwoty. To przekreśla w zasadzie szanse na przeprowadzenie pierwszej misji załogowej na powierzchnię Księżyca już w 2024 roku.

Administracja Bidena podtrzymuje jednak program Artemis i choć nie zaktualizowała jeszcze jego harmonogramu, to wygląda na to, że NASA pozostanie przy Księżycu. Pod koniec kwietnia powinniśmy poznać jednego lub dwóch dostawców lądowników Księżycowych. W konkursie NASA brały udział trzy konsorcja, ich projekty są w tej chwili analizowane. W dalszej fazie zwycięskie firmy otrzymają finansowanie uszczegóławiania projektu i przygotowywania misji demonstracyjnych.

Czekamy też na propozycje przedstawioną przez Biały Dom na budżet dla agencji NASA na rok fiskalny 2022. To powinno nam też dużo powiedzieć o nadchodzących priorytetach agencji.

Opracował: Rafał Grabiański

Na podstawie: NASA/RussianSpaceWeb/Maxar/Northrop Grumman

Więcej informacji: