Trwają ostatnie przygotowania do pierwszego startu superciężkiej rakiety NASA - Space Launch System. W misji Artemis 1 statek Orion bez załogi na pokładzie poleci za jej sprawą na kilka tygodni na orbitę wokół Księżyca. Jak wyglądają postępy prac, co wydarzy się w najbliższych tygodniach i czy wiadomo już kiedy misja wystartuje?
W skrócie:
- W połowie lutego po raz pierwszy na stanowisko startowe zostanie wyprowadzona rakieta SLS.
- SLS (Space Launch System) to superciężka rakieta NASA, która wyniesie w przyszłości astronautów w kierunku Księżyca.
- Debiut rakiety SLS nastąpi najprawdopodobniej w marcu lub kwietniu 2022 r. Rakieta wyniesie statek Orion bez załogi na pokładzie w misję wokół Księżyca.
Pod koniec października 2021 r. zakończono proces składania pierwszego egzemplarza rakiety Space Launch System (SLS). Wówczas w naszej ostatniej relacji z postępów prac napisaliśmy, że najwcześniejszy możliwy termin lotu tej rakiety to 12 lutego 2022 r. Dziś, po kilku miesiącach testów i nieoczekiwanej usterce w jednym z silników rakiety wiemy, że start misji Artemis 1 opóźni się co najmniej do marca, a najpewniej nawet do kwietnia. Co działo się z rakietą SLS? Jak przebiegały jej ostatnie przed lotem testy? Wreszcie co musi się jeszcze wydarzyć, żeby pierwsza misja załogowego programu księżycowego NASA wystartowała? Zapraszamy do lektury!
Misja Artemis 1
Artemis 1 - pierwsza misja księżycowa programu Artemis. Będzie polegała na wykonaniu trwającego prawie 3 tygodnie lotu wokółksiężycowego statku Orion, bez załogi na jego pokładzie. Lot Artemis 1 będzie testem rozwijanych przez ostatnie kilkanaście lat systemów: superciężkiej rakiety SLS, statku przeznaczonego do dalekiej eksploracji Orion i stworzonej do celów tych misji infrastruktury naziemnej.
Rakieta SLS
Space Launch System (SLS) – superciężka rakieta NASA, która będzie wykorzystana do załogowych misji księżycowych programu Artemis. SLS składa się z Głównego Członu (Core Stage), do którego dołączone są dwie boczne rakiety pomocnicze na paliwo stałe (Solid Rocket Boosters - SRB). Razem napędzają one całą rakietę, pozwalają jej opuścić atmosferę i rozpędzić się do dużych prędkości. Po kilku minutach lotu boczne rakiety są odłączane i SLS kontynuuje rozpędzanie na wciąż działających silnikach Głównego Członu. Potem Główny Człon zostaje odrzucony, a rozpędzanie do prędkości orbitalnej kontynuuje górny stopień, którym w przypadku pierwszej wersji rakiety SLS jest Interim Cryogenic Propulsion Stage (ICPS). Rakieta SLS w wersji 1 ma mieć udźwig 95 t na niską orbitę okołoziemską i 26 t na lot doksiężycowy.
Główny Człon jest napędzany przez cztery silniki RS-25D zasilane ciekłym wodorem i ciekłym tlenem. Silniki RS-25D to zmodyfikowane silniki używane wcześniej w amerykańskich wahadłowcach kosmicznych. Sam Główny Człon wyglądem przypomina zewnętrzny zbiornik ET systemu wahadłowców, który dostarczał paliwo jego silnikom podczas początkowym locie na orbitę.
Rakieta SLS przeszła przegląd
Rakieta SLS po integracji ze statkiem Orion. Zdjęcie wykonano w budynku pionowej integracji VAB 20 października 2021 r. Źródło: NASA/Frank Michaux.
24 września 2021 r. zakończono przegląd DCR (Design Certification Review) programu rakiety Space Launch System. Tym samym potwierdzono, że zaprojektowany system nośny spełnia wymagania stawiane w pierwszej misji Artemis 1 i wszystkie wyprodukowane elementy systemu do tego lotu i zaplanowana operacja misji umożliwią jej właściwy przebieg.
Po oficjalnym procesie przeglądowym pozostawiono kilka elementów do skończenia już w fazie przygotowywań do pierwszej misji. Pozostała wymiana linii ulatniającego się wodoru z silnika rakietowego Głównego Członu z powrotem do zbiornika. Podczas testów Green Run okazało się, że ciśnienie w tej linii podczas próbnego odpalenia przekraczało planowany poziom. Drugim elementem oficjalnie dodanym do poprawy po przeglądzie było przeprojekowanie baterii zasilającej system zdalnej detonacji rakiety w przypadku zejścia z jej planowanej trajektorii. Bateria stosowana przy Głównym Członie okazała się mieć parę problemów, które wymagały zmian w jej konstrukcji.
Parę tygodni po przeglądzie DCR rozpoczęto przygotowania do już ostatniego dużego przeglądu: FRR (Flight Readiness Review). Jest to oficjalny przegląd zintegrowanego systemu nośnego z systemami naziemnymi i potwierdzenie ich gotowości do przeprowadzenia misji. Wlicza się w to zarówno przegląd wszystkich elementów sprzętowych wchodzących w skład systemu, jak również gotowości zespołów do przeprowadzenia lotu. Pierwsze fazy tego przeglądu przechodzą indywidualnie przez wszystkie podsystemy i elementy wchodzącego w skład misji, a całość kończy się agencyjnym ogólnym przeglądem, potwierdzającym gotowość kilka dni przed planowanym startem.
Końcówka integracyjnych testów rakiety
Ostatnie miesiące 2021 roku zostały poświęcone realizacji ostatnich testów integracyjnych zestawu rakiety SLS i statku Orion. W ramach kampanii ITCO (Integrated Testing and Checkout) sprawdzana jest współpraca całego zintegrowanego zestawu rakietowego oraz jego zachowania z systemami naziemnymi.
Testy integracyjne dodawanych kolejno elementów rakiety, a także testy współpracy z mobilną wieżą startową i testy wibracyjne były przeprowadzane wcześniej, ale dopiero po 20 października 2021 r., kiedy na szczycie rakiety umieszczono statek Orion inżynierowie mogli rozpocząć ostatnią fazę testów w budynku pionowej integracji VAB.
Początek ostatniej fazy ITCO dotyczył dopiero co dodanego statku Orion. Kilka dni po jego połączeniu z rakietą przystąpiono do podłączenia okablowania między wieżyczką i statkiem. Następnie po raz pierwszy w tak zintegrowanym zestawie uruchomiono statek Orion i aktywowano do testów jego poszczególne podsystemy.
Statek Orion na szczycie rakiety SLS podczas przygotowań do misji Artemis 1. Zdjęcie wykonano 10 stycznia 2022 r. Źródło: NASA/Corey Houston.
Na początku listopada kończono ponowne łączenie rakiety SLS z interfejsami w mobilnej wieży startowej ML-1. Trzeba było sprawdzić i ewentualnie wyremontować poszczególne elementy łączeń wieży z rakietą. Równolegle inżynierowie kończyli prace związane z modyfikacjami systemu napędowego Głównego Członu (wymiana linii ulatnianego wodoru) i naprawą izolacji termicznej uszkodzonej podczas testu Green Run.
Drugim dużym krokiem ITCO było sprawdzenie działania połączenia między Głównym Członem i rakietami bocznymi SRB a systemami naziemnymi. W dalszej kolejności podobne testy wykonano, sprawdzając połączenie między górnym stopniem ICPS, a Głównym Członem oraz górnym stopniem i systemami naziemnymi.
W końcu przetestowano całościowo połączenie zintegrowanego zestawu SLS-Orion z wieżą startową. Zespół szykował się do bardzo ważnego testu zintegrowanej komunikacji rakiety i statku Orion - największego takiego testu systemów telekomunikacyjnych przeprowadzonego do tej pory. Test ten opóźnił jednak problem jaki wystąpił w jednym z silników Głównego Członu w listopadzie…
Problemy z kontrolerem silnika, kolejne opóźnienia
Zbliżenie na dysze silników RS-25 zamontowanych w Głównym Członie rakiety SLS. Zdjęcie wykonano 10 stycznia 2022 r. Źródło: NASA/Corey Houston.
Podczas jednego z testowych uruchomień zasilania w Głównym Członie jeden z dwóch komputerów kontrolera silnika RS-25 nr 4 (egzemplarz o numerze seryjnym E2060) przestał się uruchamiać. Główny Człon wyposażony jest w 4 silniki RS-25 - wykorzystywane wcześniej w lotach wahadłowców kosmicznych. Silniki te przeszły proces odnawiania i ulepszenia. Jednym z ulepszonych elementów są właśnie kontrolery. Każdy silnik posiada niezależny kontroler, który komunikuje się z głównym komputerem rakiety SLS i odpowiada za sterowanie zachowaniem silnika.
Silniki RS-25
RS-25 - silniki rakietowe napędzające Główny Człon (pierwszy stopień) rakiety Space Launch System. Silniki RS-25 były głównymi silnikami wahadłowców kosmicznych. Każdy wahadłowiec posiadał ich trzy egzemplarze. Są zasilane mieszanką ciekłego wodoru i ciekłego tlenu. Każdy z nich osiąga na poziomie morza ciąg 1,86 MN i impuls właściwy 366 s.
Po raz pierwszy silniki RS-25 zostały wykorzystane w debiutanckim locie wahadłowca kosmicznego w 1981 roku. Za ich pomocą wykonano 135 misji - ostatnią w 2011 r. Silniki zostały zaadaptowane do potrzeb rakiety SLS. W Głównym Członie rakiety jest ich 4.
W pierwszych misjach programu Artemis wykorzystane będą silniki, które zostały w magazynach po programie wahadłowców i które były już wypróbowane w lotach kosmicznych. Doznały one drobnych modyfikacji, wymieniono na przykład kontrolery, które obsługują ich sterowanie. Niestety o ile wahadłowce były konstrukcją wielokrotnego użytku i silniki te były również wykorzystywane wielokrotnie, to w tym przypadku każda misja Artemis bezpowrotnie utraci 4 silniki (Główny Człon nie jest bowiem odzyskiwany).
NASA posiada w magazynach jedynie 16 zdatnych silników RS-25, dlatego też na potrzeby kolejnych misji Artemis potrzebna będzie produkcja nowych egzemplarzy. Nowe silniki RS-25 mają korzystać z bardziej efektywnych technik produkcji i mają mieć zwiększone osiągi.
Każdy z kontrolerów jest wyposażony w dwa niezależne komputery cyfrowe (DCU) sterujące głównym kanałem A i redundantnym kanałem B. Właśnie DCU kanału B w silniku nr 4 przestał działać. Feralny kontroler do tej pory sprawował się podczas wszystkich testów dobrze - zarówno podczas indywidualnych sprawdzeń zanim wszedł w skład Głównego Członu, jak również podczas kampanii Green Run i późniejszych testach integracyjnych na Florydzie, jeszcze podczas testów 12 listopada wszystkie cztery kontrolery zachowywały się poprawnie.
NASA poinformowała w połowie grudnia, że po inspekcjach i próbie znalezienia przyczyny problemu postanowiono, że najlepszym rozwiązaniem będzie wymiana uszkodzonego kontrolera na inny egzemplarz. Dalsze testy zepsutego elementu będą prowadzone równolegle, aby poznać przyczynę usterki.
Opóźnienia związane z zepsutym kontrolerem spowodowały, że niemożliwe będzie już przygotowanie rakiety do startu w oknie startowym w drugiej połowie lutego. Obecnie najwcześniejsza możliwa data lotu misji Artemis 1 to 12 marca 2022 r.
Podczas, gdy trwały prace mające na celu wymianę wadliwego kontrolera, kontynuowano inne zintegrowane testy. W pierwszej połowie grudnia udało się przeprowadzić wspólną symulację odliczania z zespołem obsługującym start, zespołem kontroli lotu rakiety SLS i zespołami realizującymi przebieg misji Artemis 1. Symulacja ta była czysto komputerowa i nie angażowała rzeczywistych systemów rakiety i infrastruktury startowej.
Członkowie sekcji Ciekłego Tlenu w Centrum Kontroli Lotu w Kennedy Space Center podczas próbnego odliczania przeprowadzonego 13 grudnia 2021 r. Źródło: NASA/Frank Michaux.
Wielki test komunikacji i próbne odliczanie
15 grudnia 2021 r. NASA rozpoczęła wielki test komunikacji, który wchodzi w skład zintegrowanych testów ITCO. Test ten ma na celu sprawdzenie czy działają wszystkie lokalne połączenia między infrastrukturą naziemną, kontrolą misji, kontrolą lotu rakietowego, a rakietą SLS i statkiem Orion. Sprawdzane jest także połączenie ze stacjami naziemnymi, które będą śledzić lot rakietowy oraz komunikacja między rakietą i statkiem Orion, a segmentem satelitarnym: siecią TDRS i satelitami GPS.
20 grudnia przeprowadzono próbne odliczanie. Polegało to na sprawdzeniu ostatnich dwóch godzin przed startem - tego czy poprawnie działa oprogramowanie i sprzęt komputerowy odpowiedzialny za zarządzanie wykonywanymi czynnościami przed startem i przekazywaniem informacji do załogi kontroli lotu i kontroli misji o stanie rakiety i statku Orion. W dniu startu naziemny system zarządzający odliczaniem (Ground Launch Sequencer) przekazuje kontrolę nad rakietą do automatycznego systemu odliczania w komputerze pokładowym SLS dopiero 30 sekund przed planowanym startem. Do tego czasu za cały proces odpowiada infrastruktura naziemna.
Ostatnie testy
Na przełomie 2021 i 2022 roku udało się wymienić wadliwy kontroler jednego z silników RS-25 znajdujących się w Głównym Członie. To dało zielone światło do przeprowadzenia funkcjonalnych testów systemu napędowego, przerwanych w listopadzie ubiegłego roku.
Testy funkcjonalne polegały na sprawdzeniu komunikacji komputera pokładowego z innymi systemami Głównego Członu. Sprawdzono systemy hydrauiliczne i pneumatyczne w systemie napędowym, w tym system wektorowania ciągu (TVC). Uruchomiono też testowo jednostki APU, które dostarczają odpowiednie ciśnienie do systemów odpowiadających za sterowanie i kontrolę wartości ciągu silników.
Po udanych testach funkcjonalnych inżynierowie mogli wreszcie wprowadzić Główny Człon w stan przygotowań przed tankowaniem oraz zamknąć sekcję dostępu do silników w rakiecie. Jeżeli wszystko pójdzie dalej zgodnie z planem, to nikt do środka sekcji silnikowej nie powinien już zaglądać przed startem rakiety. Zamknięcie sekcji silnikowej zaprowadziło do kolejnego kroku w przygotowaniach - instalacji osłon termicznych na silniki. Osłony te chronią sekcję silnikową podczas lotu przed działaniem środowiska zewnętrznego.
Zakończone testy funkcjonalne Głównego Członu pozwoliły zakończyć też w styczniu testy funkcjonalne górnego stopnia ICPS. Testy te zostały rozpoczęte już w grudniu, ale przerwał je wielki test komunikacyjny, który NASA chciała ukończyć jeszcze przed Świętami, bowiem test ten angażował bardzo dużo zewnętrznej infrastruktury (anteny komunikacyjne, które obsługują inne misje, satelity TDRS, które wspierają misje NASA itd.), które wymagały rezerwacji z wyprzedzeniem.
Rakieta SLS w budynku VAB. Zdjęcie z 13 grudnia 2021 r. Źródło: NASA/Cory Houston.
24 stycznia powtórzono test ostatecznego odliczania z uruchomioną rakietą SLS i statkiem Orion. Taki test wykonano już wcześniej w grudniu, jednak musiał on zostać powtórzony, gdyż skończył się przedwcześnie. W jednej z ostatnich faz (jak podaje dokładnie NSF za specjalistą NASA - zabrakło 4 sekund) odliczania systemy zachowały się nieco inaczej niż wynikałoby to z wcześniejszych symulacji komputerowych. Trzeba więc było nanieść poprawki w niektórych procedurach i wykonać wszystko jeszcze raz.
Ostatnim dużym zadaniem przed wyprowadzeniem rakiety jest częściowy test zdalnego systemu awaryjnej detonacji rakiety FTS (Flight Termination System). Część z elementów tego systemu ma zostać zamontowana jeszcze przed próbnym wyprowadzeniem rakiety. Prace montażu FTS zostaną zakończone jednak dopiero, gdy rakieta wróci do budynku integracji przed startem.
Przygotowania do próbnego wyprowadzenia rakiety na wyrzutnię
Gdy inżynierowie zakończą częściowy montaż systemu FTS, będzie można rozpocząć ostatnie przygotowania do wyprowadzenia rakiety. Prace nad FTS powinny zostać zakończone na początku lutego. W drugiej połowie lutego planowane jest wyprowadzenie rakiety na mobilnej wieży startowej ML-1 do planowanego miejsca startu - wyrzutni SLC-39B.
Podczas pobytu na wyrzutni odbędzie się ostatnie próbne tankowanie rakiety SLS przed startem tzw. Wet Dress Rehearsal (WDR). Będzie to próba generalna przed rzeczywistą misją. Próbne tankowanie będzie wchodziło w skład testowego odliczania, które zakończy się zaledwie 10 sekund przed symulowanym startem, a więc tuż przed momentem, gdy uruchomione zostałyby silniki w Głównym Członie.
Po WDR rakieta powróci po raz ostatni do budynku pionowej integracji, gdzie przejdzie ostatnie weryfikacje, instalację systemu zdalnej detonacji FTS oraz przygotowania do rzeczywistego startu.
Kiedy zostanie przeprowadzona misja Artemis 1?
Grafika prezentująca stan przygotowań rakiety SLS i statku Orion do lotu w misji Artemis 1. Źródło: NASA.
Nie ma jeszcze oficjalnej daty startu misji Artemis 1. Wąski przedział czasowy, w którym rakieta powinna wystartować zostanie poznany dopiero po udanym próbnym tankowaniu. Wtedy inżynierowie zainstalują system zdalnej detonacji FTS, który będzie miał przydatność do użycia trwającą 20 dni.
Dokładna data startu zależy od kilku czynników. Profil misji Artemis 1 zakłada lot wokółksiężycowy. Statek Orion ma znaleźć się na orbicie wokół naszego naturalnego satelity. Możliwości rakiety SLS w wersji Block 1 determinują kiedy Ziemia i Księżyc znajdują się względem siebie w położeniu umożliwiającym taki lot - to położenie wyznacza tzw. okna startowe - okresy czasu kiedy możliwy jest lot.
Takie okna startowe dla misji Artemis 1 występują między 12-27 marca oraz 8-23 kwietnia. Bardziej prawdopodobny przy obecnym stanie przygotowań wydaje się termin kwietniowy. Również w obrębie tego okna startowego występują dni, w których niemożliwy jest lot z powodu innych ograniczeń - na przykład nieodpowiednie ustawienie Ziemia-Księżyc względem Słońca, które powodowałoby, że statek Orion byłby podczas lotu zbyt długo odcięty przez cień Ziemi od promieni słonecznych czy konieczność lotu w takim czasie, że powrót i wodowanie nastąpiłoby w godzinach dziennych (dla ułatwienia akcji odzyskania statku Orion).
Podsumowując należy spodziewać się ogłoszenia terminu kwietniowego jeśli przygotowania i próbne tankowanie pójdzie zgodnie z planem. Ostateczną datę startu powinniśmy poznać za kilka tygodni.
Na podstawie: NASA/NSF
Więcej informacji:
Opracował: Rafał Grabiański
Na zdjęciu tytułowym: Widok na dół rakiety SLS w budynku VAB. Zdjęcie wykonano 10 stycznia 2022 r. Źródło: NASA/Corey Houston.
