Dolny stopień rakiety SLS, która ma wynieść ludzi ponownie w kierunku Księżyca jest już na półmetku testów. Coraz więcej elementów rakiety przybywa do miejsca startu pierwszej misji programu Artemis. Czy jednak uda się ten start przeprowadzić jeszcze w 2021 roku?
Stany Zjednoczone odzyskały po prawie 10 latach możliwość wynoszenia załóg na orbitę. Dzięki rakiecie Falcon 9 i statkowi Crew Dragon, astronauci Doug Hurley i Bob Behnken wykonali demonstracyjną misję do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
NASA powierzyła zadanie wynoszenia załóg na niską orbitę w ramach prywatno-publicznego partnerstwa, by sama mogła skupić się na dalekiej załogowej eksploracji kosmosu. Do tego celu ma służyć superciężka rakieta nośna SLS i statek załogowy Orion. Za ich pomocą ma zostać realizowany program Artemis, którego jednym z pierwszych głównych celów jest załogowe lądowanie pary astronautów na Księżycu już w 2024 roku.
Aby misja lądowania na Księżycu już za nieco ponad 4 lata mogła się powieść, z powodzeniem muszą być wykonane wcześniej dwa loty: Artemis 1, który będzie bezzałogowym testem rakiety SLS i statku Orion oraz Artemis 2, który będzie załogową próbą generalną z pierwszym od czasów Apollo załogowym lotem wokół Księżyca.
W artykule przyglądamy się jak wyglądają postępy w przygotowaniach do misji Artemis 1 i jak obecnie przedstawiają się szanse na realizację lotu w 2021 roku.
W skrócie:
- Większość komponentów rakiety SLS czeka na integrację w Kennedy Space Center
- Najważniejsza brakująca część to Główny Człon rakiety, który jest na półmetku testów w Stennis Space Center
- Pierwsza bezzałogowa misja programu - Artemis 1 - ma zostać przeprowadzona w końcówce 2021 r.
Co już jest gotowe do misji Artemis 1?
Program Artemis oparty jest na wykorzystaniu nowej rakiety nośnej Space Launch System (SLS). Rakieta ta w początkowej wersji ma móc wynieść w kierunku Księżyca do 26 t ładunku, a w kolejnej wersji (Block 1B) ponad 34 t.
Rakieta SLS bazuje na dziedzictwie wahadłowców kosmicznych, w dolnym stopniu wykorzystuje nawet silniki pozostawione po tym programie. Największym elementem rakiety jest Główny Człon (ang. Core Stage), mający długość 65 m i wyposażony w cztery silniki RS-25. Do boków tego stopnia przymocowane są dwie pomocnicze rakiety na paliwo stałe Solid Rocket Boosters - powiększone wersje rakiet, które również pomagały w wynoszeniu na orbitę wahadłowce.
Górny stopień SLS to dla pierwszych misji Artemis Interim Cryogenic Propulsion Stage (ICPS) - przerobiony górny stopień rakiety Delta IV. W przyszłości górnym stopniem rakiety będzie Exploration Upper Stage.
Obecnie, chociaż nie znamy konkretnej daty, bezzałogowa misja Artemis 1 planowana jest na koniec 2021 r. To czy się wtedy odbędzie zależy w największym stopniu od postępów w testach stopnia Core Stage w Stennis. Pozostałe elementy rakiety są już bowiem na ukończeniu, albo czekają już w magazynach na kosmodromie.
Drugi stopień rakiety SLS - Interim Cryogenic Propulsion Stage przebywa już w Cape Canaveral od paru lat. Egzemplarz statku Orion, który poleci w pierwszej misji jest już też w praktyce ukończony. W czerwcu do Cape Canaveral dostarczono też 10 segmentów do dwóch rakiet bocznych SRB. Ich proces integracji już się rozpoczął.
Na początku sierpnia do kosmodromu przypłynęła struktura LSVA, która łączyć będzie główny stopień rakiety Core Stage z drugim stopniem ICPS.
Transport struktury LSVA do budynku integracji pionowej VAB w Kennedy Space Center. Zdjęcie: NASA.
Testy Green Run Głównego Członu w Stennis Space Center
Od stycznia 2020 r. trwają generalne testy działania Głównego Członu (Core Stage) rakiety SLS, która ma realizować misje programu Artemis i już w 2024 r. umożliwić ponowne lądowanie człowieka na Księżycu.
Stopień został zamontowany na stanowisku do testów w Stennis Space Center w Missisipi. Generalne testy znane pod nazwą Green Run składają się na osiem etapów. W kolejnych fazach testów sprawdzane są poszczególne podsystemy, aż w końcu, prawdopodobnie w październiku wszystkie cztery silniki RS-25 stopnia zostaną odpalone na 8 minut, by zasymulować ich działanie podczas pierwszego lotu - bezzałogowej misji Artemis 1.
W pierwszej fazie po montażu stopnia na stanowisku testowym przeprowadzono analizę modalną. Całą strukturę stopnia zawieszono na dźwigu i wprawiono w drgania. Celem analizy było zebranie danych na temat częstości drgań własnych całego stopnia, współczynników tłumienia i innych dynamicznych własności. Dane te posłużą odpowiedniemu zaprogramowaniu awioniki rakiety, by podczas lotu w prawidłowy sposób odbywało się zarządzanie naprężeniami struktury.
W dalszej kolejności przystąpiono do połączenia infrastruktury stanowiska testowego ze stopniem i stworzenia miejsc pracy dla inżynierów podczas kolejnych etapów testowych.
Pandemia koronawirusa wymusiła zrobienie przerwy. Praktycznie przez dwa miesiące na stopniu nie były wykonywane żadne testy. Dopiero w czerwcu zakończono pomyślnie testy uruchomienia elektroniki pokładowej członu. W lipcu pomyślnie sprawdzono działanie systemów zatrzymujących człon na wypadek awarii.
W połowie lipca rozpoczęły się testy podsystemów Głównego Systemu Napędowego (Main Propulsion System). W testach tych zostało sprawdzone wszystko w napędzie rakiety, co da się sprawdzić bez konieczności tankowania i odpalania silników. W szczególności sprawdzona została szczelność przewodów paliwowych stopnia i połączeń paliwowych między infrastrukturą testową a rakietą.
Teraz inżynierowie przejdą do weryfikacji hydrauliki silników RS-25, działania mechanizmu wektorowania ciągu (ang. Thrust Vector Control), działania zaworów w poszczególnych sekcjach silników.
Rozpiska postępów testów Green Run Członu Głównego. Zdjęcie: NASA.
Po testach stopnia i silników przyjdzie czas na 6. etap, czyli symulację odliczania. Będzie to ostatnia próba przed najbardziej krytyczną fazą testów: pierwszym ładowaniem paliwa kriogenicznego (ciekłego wodoru i ciekłego tlenu) do stopnia we wrześniu, a potem testowym odpaleniem silników, które obecnie planowane jest na październik.
W połowie lipca John Shannon, wiceprezydent Boeinga i manager programu SLS, stwierdził na konferencji American Astronautical Society’s Glenn Memorial Symposium, że do tej pory testy Green Run nie wykazały żadnych problemów.
Po teście odpalenia silników stopień przejdzie weryfikację, doraźny remont na miejscu, po czym zostanie przygotowany do transportu na kosmodromu w Cape Canaveral na Florydzie. Tam nastąpi integracja członu z pozostałymi elementami systemu nośnego.
Segmenty rakiet bocznych gotowe do integracji
W czerwcu na Florydę przetransportowano segmenty rakiet bocznych SRB na paliwo stałe, które będą odpowiadały za 75% ciągu w początkowej razie lotu rakiety SLS. Białe rakiety SRB są znane z misji wahadłowców. Te wykorzystane w rakiecie SLS są nieco zmodyfikowane i zamiast z czterech, składają się z pięciu segmentów paliwowych.
Segmenty bocznych rakiet SRB transportowane pociągiem do budynku RPSF w Kennedy Space Center. Zdjęcie: NASA/Kevin O'Connell.
W pierwszej fazie ich składania, która już się rozpoczęła, pierwsza dolna sekcja paliwowa zostanie przymocowana do dolnej struktury. Następnie do tak połączonych elementów zostanie przymocowana do dyszy silnikowej. Tak złożona dolna część rakiety powędruje później do platformy mobilnej ML-1, gdzie odbywać się będzie integracja całej rakiety SLS.
W zależności od tego jak szły będą w Stennis testy głównego członu, inżynierowie zaczną montaż pozostałych segmentów paliwowych rakiet bocznych na platformie mobilnej. Po zakończonym montażu rakiet bocznych na platformę w 2021 r. trafi główny człon rakiety SLS, który zostanie przymocowany do bocznych rakiet. W dalszej kolejności na jego szczycie zostanie umieszczony górny stopień ICPS, a na samym końcu statek Orion.
Statek Orion - stan przygotowań do misji Artemis 1
W pierwszym kwartale 2020 r. statek Orion, który zostanie wykorzystany w bezzałogowej misji Artemis 1 przechodził testy środowiskowe w Plum Brook. Tam sprawdzono działanie całego systemu w symulowanych warunkach próżni kosmicznej, oraz sprawdzono czy elektronika statku nie będzie interferować z zewnętrznymi sygnałami.
Statek Orion w pełnej konfiguracji startowej, przygotowywany do testów akustycznych. Źródło: NASA/Lockheed Martin.
Pod koniec marca egzemplarz wrócił do Kennedy Space Center, gdzie przeszedł najpierw weryfikacje po transporcie. Teraz inżynierowie wykańczają statek, dodając ostatnie elementy sprzętu i wykonując aktualizację oprogramowania komputerów pokładowych.
Po tej pracy pozostanie zamknięcie statku w osłonach aerodynamicznych, montaż na strukturze, która łączy statek z górnym stopniem rakiety. Tak przygotowany statek Orion zostanie oddany do obsługi przez zespół naziemny NASA.
W ramach przygotowań do łączenia statku z rakietą, zamontowany zostanie do statku m.in. system ucieczkowy LAS.
Statek Orion jest budowany przez firmę Lockheed Martin. Jego rozwój trwa od 2006 roku i licząc łączne finansowanie programu do 2030 roku projekt pochłonął już ponad 17 mld dolarów od amerykańskich podatników. Dopiero drugi lot Oriona w ramach misji Artemis II będzie załogowy i przetestuje sprzęt podtrzymywania życia. Ta misja planowana jest obecnie na 2023 r. W trzeciej misji w 2024 r. w statku Orion astronauci polecą na orbitę wokół Księżyca, gdzie przesiądą się do komercyjnego lądownika, by wykonać pierwsze od ponad 60 lat lądowanie załogowe na Srebrnym Globie.
Koniec testów strukturalnych zbiorników rakiety SLS
24 czerwca br. wykonano ostatni test strukturalny testowych zbiorników rakiety SLS. W wieńczącym ponad 3 lata pracy teście zbiornik na ciekły tlen poddano siłom zewnętrznym, by sprawdzić, w którym momencie ulegnie zniszczeniu. Spawy zbiornika puściły przy spodziewanych przez inżynierów naciskach.
Testowy zbiornik ciekłego tlenu rakiety SLS podczas ostatniego testu. Źródło: NASA/David Olive.
Od maja 2017 roku wykonano prawie 200 testów strukturalnych wszystkich dużych elementów systemu SLS. Sprawdzano wytrzymałość zbiorników stopnia ICPS, adaptera na statek Orion, adaptera łączącego główny człon Core Stage ze stopniem ICPS i wreszcie największe struktury: sekcję silnikową, zbiorniki na ciekły tlen i ciekły wodór oraz strukturę międzyzbiornikową ogromnego stopnia Core Stage.
Testy miały na celu sprawdzenie projektu rakiety i zebranie danych na temat tego jak poszczególne struktury są odporne na warunki lotu kosmicznego. To oznacza, że ostatnimi wielkoskalowymi testami systemu SLS są testy członu Core Stage w Stennis, które trwają od początku tego roku.
Podsumowanie
Najważniejszym elementem całego systemu, od którego zależy terminowość startu pierwszej misji programu Artemis jest Główny Człon rakiety SLS. Jego testy potrwają praktycznie do końca 2020 r. Jeżeli wszystko odbędzie się bez większych problemów to w przyszłym roku będziemy oglądać integrację rakiety ze statkiem Orion i pierwszy start nowej rakiety nośnej NASA.
Na podstawie: NASA/NSF/ParabolicArc/SpaceNews
Opracował: Rafał Grabiański
Więcej informacji:
Na zdjęciu: Główny Człon rakiety SLS podczas testów Green Run na stanowisku w Stennis Space Center. Źródło: NASA.
