Арес I - Ares I

Арес I
Арес I launch.jpg
Запуск Ареса 1
Функция Человек-рейтинг орбитальный ракета - носитель
Производитель Alliant Techsystems (этап I),
Boeing (этап II)
Страна происхождения Соединенные Штаты
Стоимость проекта не менее 6 миллиардов долларов США
Размер
Высота 94 метра (308 футов)
Диаметр 5,5 метров (18 футов)
Этапы 2
Вместимость
Полезная нагрузка на НОО
Масса 25400 кг (56000 фунтов)
Связанные ракеты
Семья Далее следует свобода
История запуска
Статус Отменено
Запустить сайты Космический центр Кеннеди , LC-39B
Всего запусков 1 (прототип)
Первый полет Октябрь 2009 г. (прототип)
Первая ступень
Двигатели 1 твердый
Толкать 15000 кН (3400000 фунтов е )
Время горения ~ 150 секунд
Пропеллент Твердый
Вторая стадия
Двигатели 1 J-2X
Толкать 1308 кН (294000 фунтов е )
Время горения ~ 800 секунд
Пропеллент LH 2 / LOX

Арес I был ракетой-носителем экипажа , которая разрабатывалась НАСА в рамках программы Constellation . Имя «Арес» относится к греческому божеству Аресу , которого отождествляют с римским богом Марсом . Первоначально Арес I был известен как «Ракета-носитель экипажа» (CLV).

НАСА планировало использовать «Арес I» для запуска « Ориона» , космического корабля, предназначенного для пилотируемых космических полетов НАСА после того, как космический шаттл был выведен из эксплуатации в 2011 году. Арес I должен был дополнить более крупный, беспилотный « Арес V» , который был грузовой ракетой-носителем для Constellation. НАСА выбрало конструкции Ares из-за их предполагаемой общей безопасности, надежности и рентабельности. Однако программа Constellation, в том числе программа Ares I, была отменена президентом США Бараком Обамой в октябре 2010 года с принятием его законопроекта о разрешении НАСА 2010 года. В сентябре 2011 года НАСА описало систему космических запусков как новое средство для исследования человеком за пределами орбиты Земли.

Разработка

Расширенные исследования транспортных систем

В 1995 г. компания Lockheed Martin подготовила для Центра космических полетов им . Маршалла отчет о продвинутых исследованиях транспортных систем (ATSS) . Раздел отчета ATSS описывает несколько возможных транспортных средств, очень похожих на конструкцию Ares I, со вторыми ступенями жидкостной ракеты, установленными над первыми ступенями сегментированного твердотопливного ускорителя (SRB). Рассматриваемые варианты включали как двигатели J-2S, так и главные двигатели космических кораблей (SSME) для второй ступени. Варианты также предполагали использование усовершенствованного твердотопливного ракетного двигателя (ASRM) в качестве первой ступени, но ASRM был отменен в 1993 году из-за значительного перерасхода средств.

Исследование архитектуры исследовательских систем

Президент Джордж Буш объявил о концепции космических исследований в январе 2004 года, и НАСА под руководством Шона О'Кифа запросило у нескольких претендентов планы создания экипажного исследовательского корабля с планом создания двух конкурирующих команд. Эти планы были отвергнуты новым администратором Майклом Гриффином , и 29 апреля 2005 года НАСА провело исследование архитектуры исследовательских систем для достижения конкретных целей:

  • определить «требования высшего уровня и конфигурации для систем запуска экипажа и груза для поддержки программ исследования Луны и Марса»
  • оценить «требования CEV и планы, позволяющие CEV обеспечивать транспортировку экипажа на МКС»
  • «разработать эталонную концепцию архитектуры исследования Луны для поддержки устойчивых операций по исследованию Луны людьми и роботами»
  • «определить ключевые технологии, необходимые для включения и значительного улучшения этих эталонных исследовательских систем»
Концептуальный образ эволюции дизайна Ares I от pre- ESAS до последних разработок.

Архитектура запуска шаттла была выбрана НАСА для Ares I. Первоначально пилотируемый корабль должен был использовать четырехсекционный твердотопливный ракетный ускоритель (SRB) для первой ступени и упрощенный главный двигатель космического шаттла (SSME) для ракеты-носителя. вторая стадия. В безвинтовой версии предполагалось использовать пятисегментный бустер с такой же второй ступенью. Вскоре после утверждения первоначального проекта дополнительные испытания показали, что космический корабль Орион будет слишком тяжелым для подъема четырехсегментного ускорителя, и в январе 2006 года НАСА объявило, что немного уменьшит размер космического корабля Орион, добавив к нему пятый сегмент. первая ступень твердотопливной ракеты, и заменить одиночный SSME двигателем J-2X, производным от Аполлона . Хотя переход от четырехсегментной первой ступени к пятисегментной версии позволил бы НАСА создавать практически идентичные двигатели, основной причиной перехода на пятисегментный ускоритель был переход на J-2X.

Исследование архитектуры исследовательских систем пришло к выводу, что по стоимости и безопасности Ares превосходит любую из усовершенствованных одноразовых ракет-носителей (EELV). Оценки затрат в исследовании были основаны на предположении, что для EELV, рассчитанных на человека, потребуются новые стартовые площадки . Помещения для текущих EELV (LC-37 для Delta IV, LC-41 для Atlas V) имеются и могут быть изменены, но это, возможно, было не самым рентабельным решением, поскольку LC-37 принадлежит и эксплуатируется подрядчиком. (COGO) и модификации для Delta IV H были определены как аналогичные тем, которые требуются для Ares I. Оценки безопасности запуска ESAS для Ares были основаны на космическом шаттле, несмотря на различия, и включали только запуски после пост- Редизайн космического челнока Challenger. По оценке, каждый запуск "Шаттла" считался двумя безопасными запусками ракеты-носителя "Арес". Безопасность Atlas V и Delta IV оценивалась по количеству отказов всех запусков Delta II , Atlas-Centaur и Titan с 1992 года, хотя их конструкции не похожи.

В мае 2009 года произошла утечка ранее скрытых приложений к исследованию ESAS 2006 года, что выявило ряд очевидных недостатков в исследовании, которое давало исключения безопасности выбранной конструкции Ares I при использовании модели, которая наказывала конструкции, основанные на EELV.

Роль в программе Constellation

Ранний концептуальный образ ракет Ares I (справа) и Ares V (слева)

Арес I был стартовым экипажем программы «Созвездие». Первоначально названный «Ракета-носитель экипажа» или CLV, имя Арес было выбрано от греческого божества Ареса . В отличие от Space Shuttle, где и экипаж, и груз запускались одновременно на одной и той же ракете, в планах Project Constellation предусматривалось наличие двух отдельных ракет-носителей, Ares I и Ares V, для экипажа и груза соответственно. Наличие двух отдельных ракет-носителей позволяет создавать более специализированные конструкции для экипажа и тяжелых грузовых ракет-носителей.

Ракета «Арес I» была специально разработана для запуска многоцелевого экипажа « Орион» . Орион был задуман как капсула экипажа, аналогичная по конструкции капсуле программы Аполлон , для транспортировки астронавтов на Международную космическую станцию , на Луну и, в конечном итоге, на Марс . Арес I мог также доставить на орбиту некоторые (ограниченные) ресурсы , включая поставки для Международной космической станции или последующую доставку на запланированную лунную базу .

Выбор подрядчика

НАСА выбрало Alliant Techsystems, производителя твердотопливных ракетных ускорителей Space Shuttle , в качестве генерального подрядчика на первой стадии проекта Ares I. НАСА объявило, что Rocketdyne будет основным субподрядчиком ракетного двигателя J-2X 16 июля 2007 года. НАСА выбрало Boeing для поставки и установки авионики для ракеты Ares I. 12 декабря 2007 года.

28 августа 2007 года НАСА заключило с компанией Boeing контракт на производство верхней ступени Ares I. Boeing построил ступень S-IC ракеты Saturn V на аэрокосмическом заводе Michoud в 1960-х годах. Разгонный блок «Ареса I» должен был быть построен на том же ракетном заводе, который использовался для внешнего бака космического шаттла и первой ступени S-IC Saturn V.

Двигатели J-2X

Приблизительно 20-25 миллионов долларов США за двигатель, J-2X, разработанный и произведенный Rocketdyne, будет стоить в два раза меньше, чем более сложный двигатель RS-25 (около 55 миллионов долларов). В отличие от главного двигателя космического шаттла, который был разработан для запуска на земле, J-2X изначально проектировался для запуска как в воздухе, так и в условиях почти вакуума. Эта возможность запуска с воздуха была критической, особенно в оригинальном двигателе J-2, который использовался на ступени S-IVB Сатурна V для продвижения космического корабля Аполлон на Луну. С другой стороны, главный двигатель космического челнока потребовал бы значительных модификаций, чтобы добавить возможность запуска с воздуха.

Обзор системных требований

Концептуальное изображение Ares I, запускаемого с пусковой площадки Космического центра Кеннеди 39B.

4 января 2007 года НАСА объявило, что Ares I завершил свою проверку системных требований, первый такой анализ был проведен для любого проекта космического корабля с экипажем после космического шаттла. Этот обзор был первой важной вехой в процессе проектирования и был направлен на то, чтобы система запуска Ares I соответствовала всем требованиям, необходимым для программы Constellation. Помимо публикации обзора, НАСА также объявило о модернизации оборудования танка. Вместо отдельных резервуаров LH 2 и LO 2 , разделенных промежуточным резервуаром, как у внешнего резервуара космического шаттла , новые резервуары LH 2 и LOX были бы разделены общей переборкой, подобной той, что используется на Saturn V S-II. и этапы S-IVB. Это обеспечило бы значительную экономию массы и устранило бы необходимость в проектировании межкаскадного блока второй ступени, который должен был бы нести с собой вес космического корабля Орион.

Анализ и тестирование

В январе 2008 года NASA Watch сообщило, что первая ступень твердотопливной ракеты « Арес I» могла создавать сильные вибрации в течение первых нескольких минут подъема. Колебания могли быть вызваны колебаниями тяги внутри первой ступени. Представители НАСА определили потенциальную проблему при обзоре конструкции системы Ares I в конце октября 2007 года, заявив в пресс-релизе, что хотят решить ее к марту 2008 года. НАСА признало, что эта проблема была очень серьезной, оценив ее на четыре из пяти возможных. шкала рисков, но агентство было очень уверено в ее решении. Подход к смягчению последствий, разработанный командой инженеров Ares, включал активное и пассивное гашение вибрации, добавление активного поглотителя настроенной массы и пассивной «структуры податливости» - по сути, подпружиненного кольца, которое могло бы расстроить стек Ares I. НАСА также отметило, что, поскольку это была бы новая система запуска, такая как системы Apollo или Space Shuttle, возникновение таких проблем на этапе разработки было нормальным. По данным НАСА, анализ данных и телеметрии полета Ares IX показал, что колебания от колебаний тяги были в пределах нормального диапазона для полета космического шаттла.

В исследовании, опубликованном в июле 2009 года 45-м космическим крылом ВВС США, сделан вывод, что прерывание полета через 30–60 секунд после запуска будет иметь ~ 100% шанс убить весь экипаж из-за того, что капсула будет поглощена до тех пор, пока не упадет облако на землю. осколков твердого топлива при 4000 ° F (2200 ° C), которые расплавили бы нейлоновый парашютный материал капсулы. Исследование НАСА показало, что капсула экипажа улетела бы за пределы более серьезной опасности.

Запуск Ares IX со стартовой площадки 39B Космического центра Кеннеди 28 октября 2009 года.

Воспламенитель Ares I был усовершенствованной версией испытанного в полете воспламенителя, используемого на твердотопливных ракетных ускорителях космического корабля "Шаттл". Он был примерно 18 дюймов (46 см) в диаметре и 36 дюймов (91 см) в длину, и в нем использовались усовершенствованные изоляционные материалы с улучшенными тепловыми свойствами для защиты корпуса воспламенителя от горящего твердого топлива. НАСА успешно завершило испытательный пуск воспламенителя для двигателей Ares I 10 марта 2009 года на испытательных объектах ATK Launch Systems недалеко от Промонтори, штат Юта . Испытание воспламенителя привело к возникновению пламени длиной 200 футов (60 метров), и предварительные данные показали, что воспламенитель работает в соответствии с планом.

Разработка элементов силовой установки Ares I продолжала развиваться. 10 сентября 2009 г. первый двигатель разработки Ares I (DM-1) был успешно испытан в полномасштабных испытательных стрельбах. За этим испытанием последовали еще два испытательных двигателя: DM-2 31 августа 2010 г. и DM-3 8 сентября 2011 г. Для DM-2 двигатель был охлажден до внутренней температуры 40 градусов по Фаренгейту (4 градуса Цельсия). , а для DM-3 он был нагрет до температуры выше 90 градусов по Фаренгейту (32 градуса по Цельсию). В дополнение к другим целям, эти два теста подтвердили работу двигателя Ares при экстремальных температурах. НАСА провело успешный 500-секундный испытательный запуск ракетного двигателя J-2X в Космическом центре Джона К. Стенниса в ноябре 2011 года.

Прототип Ares I, Ares IX , успешно завершил испытательный запуск 28 октября 2009 года. Стартовая площадка 39B была повреждена больше, чем при запуске космического корабля "Шаттл". Во время спуска один из трех парашютов первой ступени Ares IX не раскрылся, а другой раскрылся только частично, в результате чего ускоритель приводнился сильнее и получил структурные повреждения. Запуск выполнил все основные задачи испытаний.

Расписание и стоимость

НАСА завершило обзор системных требований Ares I в январе 2007 года. Разработка проекта должна была продолжаться до конца 2009 года, с одновременным проведением разработки и квалификационных испытаний до 2012 года. По состоянию на июль 2009 года производство летных изделий должно было начаться ближе к концу 2009 г. для первого запуска в июне 2011 г. С 2006 г. первый запуск человека планировался не позднее 2014 г., то есть через четыре года после запланированного списания космического корабля "Шаттл".

Задержки в графике разработки Ares I из-за бюджетного давления и непредвиденных инженерно-технических трудностей увеличили бы разрыв между окончанием программы Space Shuttle и первым эксплуатационным полетом Ares I. Поскольку программе Constellation никогда не выделялось первоначально запланированное финансирование. общая сметная стоимость разработки Ares I до 2015 года выросла с 28 миллиардов долларов в 2006 году до более чем 40 миллиардов долларов в 2009 году. Стоимость проекта Ares IX составила 445 миллионов долларов.

Мобильная пусковая установка-1 для Ареса I на территории восточного парка

Изначально запланированные первые испытательные полеты на 2011 год, независимый анализ, проведенный Комиссией Августина в конце 2009 года, показал, что из-за технических и финансовых проблем Ares I вряд ли осуществит свой первый запуск с экипажем до 2017–2019 годов при текущем бюджете или с опозданием. 2016 год с неограниченным бюджетом. Комиссия Августина также заявила, что текущая стоимость полета «Ареса I» и «Ориона» составит почти 1 миллиард долларов. Однако более поздний финансовый анализ в марте 2010 года показал, что полет на Ares I стоил бы 1 миллиард долларов или больше, если бы Ares I летал только один раз в год. Если бы систему Ares I запускали несколько раз в год, предельные затраты могли бы упасть до 138 миллионов долларов за запуск. В марте 2010 года администратор НАСА Чарли Болден засвидетельствовал конгрессу, что Ares I будет стоить 4–4,5 миллиарда долларов в год и 1,6 миллиарда долларов за полет. Предполагалось, что предельные затраты Ares I составят лишь часть предельных затрат Shuttle, даже если он будет летать несколько раз в год. Для сравнения: запуск трех космонавтов на российском «Союзе» с экипажем составляет 153 миллиона долларов. Представитель Роберт Адерхольт заявил в марте 2010 года, что он получил письмо от НАСА, в котором утверждалось, что запуск ракеты Ares I три раза в год будет стоить 1,1 миллиарда долларов.

8 февраля 2011 года стало известно, что Alliant Techsystems и Astrium предложили использовать первую ступень Ares I со второй ступенью от Ariane 5 для создания новой ракеты под названием Liberty .

Аннулирование

1 февраля 2010 года президент Барак Обама объявил о предложении отменить программу Constellation, вступившую в силу с бюджетом США на 2011 финансовый год, но позже объявил об изменениях в этом предложении в своей важной речи по космической политике в Космическом центре Кеннеди 15 апреля 2010 года. В октябре 2010 года законопроект НАСА о разрешении на 2010 год был подписан законом об отмене Constellation. Предыдущее законодательство сохраняло контракты Constellation в силе до принятия нового законопроекта о финансировании на 2011 год.

Дизайн

Сравнение базового размера и формы Сатурн V , Space Shuttle , Ares I и Ares V .

Арес я имел возможность полезной нагрузки в 25-тонной (28-короткого т; 25-тонный дальнего) класс и был сопоставим с транспортными средствами , такими как Delta IV и Atlas V . Исследовательская группа НАСА, которая выбрала то, что впоследствии станет Ares I, оценила этот автомобиль почти в два раза безопаснее, чем дизайн, созданный на основе Atlas или Delta IV. Ракета должна была использовать алюминиево-литиевый сплав, который имеет меньшую плотность, но схожую по прочности с другими алюминиевыми сплавами. Сплав производится компанией Alcoa .

Изображение Ареса I в разобранном виде

Первая ступень

Первой ступенью должна была стать более мощная и многоразовая твердотопливная ракета, созданная на основе твердотопливного ракетного ускорителя (SRB) Space Shuttle . По сравнению с твердотопливным ракетным ускорителем, у которого было четыре сегмента, наиболее заметным отличием было добавление пятого сегмента. Этот пятый сегмент позволил бы Ares I развить большую тягу. Другие изменения, внесенные в твердотопливный ракетный ускоритель, должны были заключаться в удалении точек крепления внешнего бака космического шаттла (ВТ) и замене носовой части твердотопливного ракетного ускорителя на новый передний адаптер, который должен был взаимодействовать со второй ступенью, работающей на жидком топливе. . Адаптер должен был быть оснащен твердотопливными сепарационными двигателями для облегчения отключения ступеней во время всплытия. Был также изменен дизайн зерна, а также изоляция и лайнер. На первом этапе наземных испытаний Ares I были изменены корпус, структура зерна, количество сегментов, изоляция, гильза, диаметр горловины, системы тепловой защиты и сопло.

Верхняя ступень

Верхняя ступень, полученная из внешнего бака (ET) шаттла и основанная на ступени S-IVB Saturn V, должна была приводиться в движение одним ракетным двигателем J-2X, работающим на жидком водороде (LH 2 ) и жидком кислороде ( LOX). J-2X был создан на основе оригинального двигателя J-2, который использовался во время программы Apollo, но с большей тягой (~ 294 000 фунтов силы) и меньшим количеством деталей, чем оригинальный двигатель. 16 июля 2007 года НАСА заключило с Rocketdyne контракт с единственным поставщиком двигателей J-2X, которые будут использоваться для наземных и летных испытаний. Rocketdyne был генеральным подрядчиком оригинальных двигателей J-2, используемых в программе Apollo.

Хотя его двигатель J-2X был заимствован из установленной конструкции, сама верхняя ступень должна была быть полностью новой. Первоначально основанный как на внутренней, так и на внешней структуре ET, первоначальная конструкция предусматривала отдельные топливные баки и баки окислителя, соединенные между собой «межбаковой» структурой и покрытые напыляемой изоляцией из пенопласта для обеспечения вентиляции минимум. Единственным новым оборудованием на исходной второй ступени, полученной из ET, было бы узел тяги для двигателя J-2X, новые разъединители для заливки / слива / выпуска топлива и окислителя, а также монтажные интерфейсы для первой ступени, работающей на твердом топливе, и Космический корабль Орион.

Используя концепцию, восходящую к программе Apollo, «межбаковая» конструкция была сброшена для уменьшения массы, а вместо нее была установлена ​​общая переборка, аналогичная той, что использовалась на ступенях S-II и S-IVB корабля Saturn V. использовались бы между танками. Экономия от этих изменений была использована для увеличения метательного заряда, который составил 297 900 фунтов (135 100 кг). Пенопластовая изоляция была единственной частью ET Shuttle, которая могла быть использована на этой новой верхней ступени, созданной на основе Saturn.

Смотрите также

  • Ares IV , предложенный вариант тяжелого подъемника Ares I и V вместе взятых.
  • ПРЯМАЯ пусковая установка на основе шаттла, предложенная в качестве альтернативы Ares I и Ares V.
  • Liberty (ракета) , предлагаемая ракета средней грузоподъемности, такая как Ares I, SDLV, использующая первую ступень на основе SRB.
  • Omega , предложенная АТК новая ракета на базе первой и второй ступеней SDLV SRB и третьей ступени Aerojet Rocketdyne RL10
  • Список миссий Созвездия
  • Boilerplate (космический полет)

Рекомендации

Внешние ссылки