Ares I — ракета -носитель для экипажа , которая разрабатывалась НАСА в рамках программы Constellation . [2] Имя «Арес» относится к греческому божеству Аресу , которое отождествляется с римским богом Марсом . [3] Первоначально «Арес I» был известен как «Экипажная ракета-носитель» (CLV). [4]
НАСА планировало использовать «Арес I» для запуска « Ориона» , космического корабля , предназначенного для пилотируемых космических полетов НАСА после вывода из эксплуатации космического корабля «Шаттл» в 2011 году. «Арес I» должен был дополнить более крупный беспилотный « Арес V» , который был грузовой ракетой-носителем для «Созвездия». НАСА выбрало проекты Ares из-за их ожидаемой общей безопасности, надежности и экономической эффективности. [5] Однако программа «Созвездие», включая «Арес I», была отменена президентом США Бараком Обамой в октябре 2010 года после принятия им в 2010 году законопроекта о разрешении НАСА. В сентябре 2011 года НАСА подробно описало систему космического запуска как новое средство исследования человеком за пределами орбиты Земли. [6]
В 1995 году компания Lockheed Martin подготовила отчет об исследованиях перспективных транспортных систем (ATSS) для Центра космических полетов имени Маршалла . В одном из разделов отчета ATSS описывается несколько возможных транспортных средств, очень похожих на конструкцию Ares I, со вторыми ступенями жидкостной ракеты, расположенными над первыми ступенями сегментированного твердотопливного ракетного ускорителя (SRB). [7] Рассматриваемые варианты включали как двигатели J-2S, так и главные двигатели космического корабля шаттла (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.
Президент Джордж Буш объявил о концепции исследования космоса в январе 2004 года, а НАСА под руководством Шона О'Кифа запросило планы по созданию корабля для исследования космоса у нескольких претендентов с планом наличия двух конкурирующих команд. Эти планы были отвергнуты новым администратором Майклом Гриффином , и 29 апреля 2005 года НАСА организовало исследование архитектуры исследовательских систем для достижения конкретных целей: [8]
Архитектура запуска на основе «Шаттла» была выбрана НАСА для «Ареса I». Первоначально пилотируемый корабль должен был использовать четырехсегментный твердотопливный ракетный ускоритель (SRB) для первой ступени и упрощенный главный двигатель космического корабля «Шаттл» (SSME) для вторая стадия. В беспилотном варианте предполагалось использовать пятисегментный ускоритель с той же второй ступенью. [9] Вскоре после утверждения первоначального проекта дополнительные испытания показали, что космический корабль «Орион» будет слишком тяжелым для подъема четырехсекционной ракеты-носителя, [10] а в январе 2006 года НАСА объявило, что немного уменьшит размер космического корабля «Орион». , добавить пятый сегмент к первой ступени твердотопливной ракеты и заменить одиночный SSME двигателем J-2X , созданным на базе Apollo . [11] Хотя переход от четырехсегментной первой ступени к пятисегментной версии позволил НАСА построить практически идентичные двигатели, основной причиной перехода на пятисегментный ускоритель был переход на J-2X. [12]
Исследование архитектуры исследовательских систем пришло к выводу, что стоимость и безопасность Ares превосходят стоимость любой из усовершенствованных одноразовых ракет-носителей (EELV). [8] Смета расходов в исследовании была основана на предположении, что потребуются новые стартовые площадки для EELV , рассчитанных на человека . [8] Оборудование для существующих EELV (LC-37 для Delta IV, LC-41 для Atlas V) имеется и может быть модифицировано, но это, возможно, не самое экономически эффективное решение, поскольку LC-37 является подрядчиком. оборудование, находящееся в собственности и эксплуатации (COGO), и модификации для Delta IV H были определены как аналогичные тем, которые необходимы для Ares I. [13] Оценки безопасности запуска ESAS для Ares были основаны на космическом шаттле, несмотря на различия, и включали запускается только после редизайна космического корабля "Челленджер". [14] По оценкам, каждый запуск «Шаттла» засчитывался как два безопасных запуска ракеты-носителя «Арес». Безопасность Атласа V и Дельты IV оценивалась по частоте отказов всех запусков Дельта II , Атлас-Кентавр и Титан с 1992 года, хотя они не являются схожими конструкциями. [ нужна цитата ]
Арес I был компонентом запуска экипажа программы «Созвездие». Первоначально названное «Экипажной ракетой-носителем» или CLV, имя Арес было выбрано в честь греческого божества Ареса . [4] В отличие от космического корабля «Шаттл», где экипаж и груз запускались одновременно на одной и той же ракете, в планах проекта «Созвездие» предусматривалось наличие двух отдельных ракет-носителей, «Арес I» и «Арес V», для экипажа и груза соответственно. Наличие двух отдельных ракет-носителей позволяет создавать более специализированные конструкции ракет-носителей для экипажа и тяжелых грузов. [15]
Ракета Ares I была специально разработана для запуска многоцелевого пилотируемого корабля «Орион» . «Орион» был задуман как капсула экипажа, аналогичная по конструкции капсуле программы «Аполлон» , для перевозки астронавтов на Международную космическую станцию , Луну и, в конечном итоге, на Марс . Арес I мог бы также доставить на орбиту некоторые (ограниченные) ресурсы , включая поставки для Международной космической станции или последующую доставку на запланированную лунную базу . [5]
НАСА выбрало Alliant Techsystems, производителя твердотопливных ракетных ускорителей космического корабля "Шаттл" , в качестве генерального подрядчика первой ступени "Ареса I". [16] [17] 16 июля 2007 года НАСА объявило, что Rocketdyne станет основным субподрядчиком по поставке ракетного двигателя J-2X. [18] 12 декабря 2007 года НАСА выбрало компанию Boeing для поставки и установки авионики для ракеты Ares I. [19 ]
28 августа 2007 года НАСА заключило контракт на производство верхней ступени Ares I с компанией Boeing. Компания Boeing построила ступень S-IC ракеты Saturn V на аэрокосмическом заводе Мишуда в 1960-х годах. Верхняя ступень «Ареса I» должна была быть построена на том же ракетном заводе (Мишо), который использовался для изготовления внешнего бака космического корабля «Шаттл» и первой ступени S-IC «Сатурна V ». [20] [21]
Приблизительно 20–25 миллионов долларов США за двигатель разработанный и произведенный Rocketdyne J-2X стоил бы вдвое меньше, чем более сложный двигатель RS-25 (около 55 миллионов долларов). [22] В отличие от главного двигателя космического корабля «Шаттл», который был разработан для запуска на земле, J-2X с самого начала проектировался для запуска как в воздухе, так и в почти вакууме. Эта возможность запуска с воздуха имела решающее значение, особенно в оригинальном двигателе J-2, который использовался на ступени S-IVB корабля «Сатурн V» , чтобы доставить космический корабль «Аполлон» на Луну. С другой стороны, главный двигатель космического корабля шаттла потребовал бы обширных модификаций, чтобы добавить возможность запуска с воздуха [23] [12]
4 января 2007 года НАСА объявило, что «Арес I» завершил проверку системных требований, первую такую проверку, завершенную для любого проекта космического корабля с экипажем со времен «Спейс Шаттл». [24] Этот обзор стал первой важной вехой в процессе проектирования и был направлен на то, чтобы гарантировать, что система запуска Ares I соответствует всем требованиям, необходимым для программы Constellation. Помимо публикации обзора, НАСА также сообщило о том, что произведена модернизация аппаратной части танка. Вместо отдельных баков LH 2 и LO 2 , разделенных «межбаком», как у внешнего бака космического корабля «Шаттл» , новые баки LH 2 и LOX должны были быть разделены общей переборкой, подобной той, которая использовалась на Saturn V S-II. и стадии S-IVB. Это обеспечило бы значительную экономию массы и исключило бы необходимость проектирования межступенчатого блока второй ступени, которому пришлось бы нести на себе вес космического корабля «Орион». [17]
В январе 2008 года NASA Watch сообщило, что твердотопливная ракета первой ступени « Ареса I» могла создавать сильные вибрации в течение первых нескольких минут подъема. Вибрации могли быть вызваны колебаниями тяги внутри первой ступени. [25] Должностные лица НАСА выявили потенциальную проблему при обзоре проекта системы «Арес I» в конце октября 2007 года, заявив в пресс-релизе, что хотят решить ее к марту 2008 года . [26] НАСА признало, что эта проблема была очень серьезной, рейтинг это четыре из пяти по шкале риска, но агентство было очень уверено в ее решении. [25] Подход к смягчению последствий, разработанный командой инженеров Ares, включал активное и пассивное гашение вибраций, добавление активного поглотителя с настроенной массой и пассивной «структуры соответствия» - по сути, подпружиненного кольца, которое могло бы расстроить блок Ares I. [27] НАСА также отметило, что, поскольку это была бы новая система запуска, такая как системы «Аполлон» или «Спейс шаттл», возникновение подобных проблем на этапе разработки было нормальным явлением. [28] По данным НАСА, анализ данных и телеметрии полета «Ареса IX» показал, что вибрации от колебаний тяги находились в пределах нормы для полета космического корабля «Шаттл». [29]
Исследование, опубликованное в июле 2009 года 45 -м космическим крылом ВВС США, пришло к выводу, что прерывание через 30–60 секунд после запуска будет иметь ≈100% вероятность гибели всего экипажа из-за того, что капсула будет поглощена до тех пор, пока облако не столкнется с землей. осколков твердого топлива температурой 4000 ° F (2200 ° C), которые расплавят нейлоновый материал парашюта капсулы. Исследование НАСА показало, что капсула экипажа преодолела бы более серьезную опасность. [30] [31]
Воспламенитель «Арес I» представлял собой усовершенствованную версию проверенного в полетах воспламенителя, используемого в твердотопливных ракетных ускорителях космического корабля «Шаттл». Он имел диаметр примерно 18 дюймов (46 см) и длину 36 дюймов (91 см), в нем использовались усовершенствованные изоляционные материалы с улучшенными тепловыми свойствами для защиты корпуса воспламенителя от горящего твердого топлива. [32] НАСА успешно завершило испытательный запуск воспламенителя двигателей Ares I 10 марта 2009 года на испытательном полигоне ATK Launch Systems недалеко от Промонтори, штат Юта . В результате испытания воспламенителя возникло пламя длиной 200 футов (61 метр), и предварительные данные показали, что воспламенитель сработал, как и планировалось. [32]
Разработка двигательных элементов Ares I продолжала идти быстрыми темпами. 10 сентября 2009 года первый двигатель разработки Ares I (DM-1) был успешно испытан в полномасштабных полноценных испытательных стрельбах. [33] За этим испытанием последовали еще два опытно-конструкторских испытания двигателя: DM-2 31 августа 2010 г. и DM-3 8 сентября 2011 г. Для DM-2 двигатель охлаждался до внутренней температуры 40 градусов по Фаренгейту ( 4 градуса Цельсия), а у ДМ-3 он нагревался выше 90 градусов по Фаренгейту (32 градуса по Цельсию). Помимо других целей, эти два теста подтвердили эффективность двигателя Ares при экстремальных температурах. [34] [35] НАСА провело успешные 500-секундные испытательные запуски ракетного двигателя J-2X в Космическом центре Джона К. Стенниса в ноябре 2011 года. [36]
Прототип Ares I, Ares IX , успешно завершил испытательный запуск 28 октября 2009 года. [37] [38] [39] Стартовая площадка 39B была повреждена больше, чем при запуске космического корабля «Шаттл». Во время спуска один из трех парашютов первой ступени «Ареса IX» не раскрылся, а другой раскрылся лишь частично, в результате чего ускоритель приводнился сильнее и получил структурные повреждения. [40] Запуск достиг всех основных целей испытаний. [40] [41]
НАСА завершило обзор системных требований Ares I в январе 2007 года. [24] Разработка проекта должна была продолжаться до конца 2009 года, а разработка и квалификационные испытания должны были проводиться одновременно до 2012 года [обновлять]. По состоянию на июль 2009 года должно было начаться производство летных изделий для конец 2009 года для первого запуска в июне 2011 года. [42] С 2006 года первый запуск человека планировался не позднее 2014 года, [43] то есть через четыре года после запланированного вывода из эксплуатации космического корабля «Шаттл».
Задержки в графике разработки «Ареса I» из-за бюджетных ограничений и непредвиденных инженерно-технических трудностей увеличили бы разрыв между окончанием программы «Спейс Шаттл» и первым эксплуатационным полетом «Ареса I». [44] Поскольку программа «Созвездие» никогда не выделялась Согласно первоначально прогнозируемому финансированию, [45] 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. [46] Стоимость проекта Ares IX составила 445 миллионов долларов. [47]
Первые испытательные полеты, первоначально запланированные на 2011 год, независимый анализ, проведенный Комиссией Августина, в конце 2009 года показал, что из-за технических и финансовых проблем «Арес I» вряд ли сможет провести свой первый запуск с экипажем до 2017–2019 годов в рамках текущего бюджета или позже. 2016 год с неограниченным бюджетом. [48] Комиссия Августина также заявила, что расходы на полет Ареса I и Ориона составят почти 1 миллиард долларов за полет. [49] Однако более поздний финансовый анализ, проведенный в марте 2010 года, показал, что эксплуатация одного рейса Ares I стоила бы 1 миллиард долларов или больше, если бы Ares I летал только один раз в год. Если бы система Ares I запускалась несколько раз в год, предельные затраты могли бы снизиться до 138 миллионов долларов на запуск. [1] В марте 2010 года администратор НАСА Чарли Болден заявил Конгрессу, что «Арес I» будет стоить 4–4,5 миллиарда долларов в год и 1,6 миллиарда долларов за полет. [50] По прогнозам, предельные затраты «Ареса I» составляли лишь часть предельных затрат «Шаттла», даже если бы он совершал полеты несколько раз в год. Для сравнения, стоимость запуска трёх космонавтов на пилотируемом российском «Союзе» составляет 153 миллиона долларов. [51] Представитель Роберт Адерхольт заявил в марте 2010 года, что он получил письмо от НАСА, в котором утверждалось, что три раза в год запуск ракеты «Арес I» обойдется в 1,1 миллиарда долларов. [52]
8 февраля 2011 года сообщалось, что Alliant Techsystems и Astrium предложили использовать первую ступень Ares I со второй ступенью от Ariane 5 для формирования новой ракеты под названием Liberty . [53]
1 февраля 2010 года президент Барак Обама объявил о предложении отменить программу «Созвездие», действующую в бюджете США на 2011 финансовый год, [54] но позже объявил об изменениях в этом предложении в своей важной речи по космической политике в Космическом центре Кеннеди 15 апреля: 2010. В октябре 2010 года был подписан закон о разрешении НАСА на 2010 год, который отменил Constellation. [55] Предыдущее законодательство сохраняло силу контрактов Constellation до принятия нового закона о финансировании на 2011 год. [56] [57]
Ares I имел грузоподъемность в классе 25 тонн (28 коротких тонн; 25 длинных тонн) и был сопоставим с такими транспортными средствами, как Delta IV и Atlas V. [5] Исследовательская группа НАСА, которая выбрала то, что впоследствии стало «Аресом I», оценила этот аппарат почти в два раза безопаснее, чем конструкции, созданные на основе Atlas или Delta IV. [58]
Первая ступень должна была представлять собой более мощную и многоразовую твердотопливную ракету , созданную на основе твердотопливного ракетного ускорителя (SRB) космического корабля "Шаттл". По сравнению с Solid Rocket Booster, у которого было четыре сегмента, наиболее заметным отличием было добавление пятого сегмента. Этот пятый сегмент позволил бы «Аресу I» развивать большую тягу. [5] [59] Другие изменения, внесенные в твердотопливный ракетный ускоритель, должны были заключаться в удалении точек крепления внешнего бака космического корабля (ET) и замене носового обтекателя твердотопливного ракетного ускорителя новым передним адаптером, который мог бы взаимодействовать с вторая ступень, работающая на жидком топливе. Адаптер должен был быть оснащен твердотопливными разделительными двигателями для облегчения отключения ступеней при подъеме. [5] Конструкция зерна также была изменена, а также изоляция и футеровка. К моменту наземных испытаний первого этапа Ares I изменились корпус, конструкция зерен, количество сегментов, изоляция, гильза, диаметр горловины, системы тепловой защиты и сопло. [60]
Верхняя ступень, созданная на основе внешнего бака (ET) шаттла и основанная на ступени S-IVB корабля Saturn V, должна была приводиться в движение одним ракетным двигателем J-2X , работающим на жидком водороде (LH 2 ) и жидком кислороде ( ЛОКС). [61] J-2X был создан на основе оригинального двигателя J-2 , использовавшегося во время программы «Аполлон», но с большей тягой (≈294 000 фунтов силы или 1,31 МН) и меньшим количеством деталей, чем исходный двигатель. 16 июля 2007 года НАСА заключило с Rocketdyne эксклюзивный контракт на поставку двигателей J-2X для использования в наземных и летных испытаниях. [62] Rocketdyne была генеральным подрядчиком оригинальных двигателей J-2, используемых в программе «Аполлон».
Хотя его двигатель J-2X был создан на основе устоявшейся конструкции, сама верхняя ступень должна была быть совершенно новой. Первоначально основанная как на внутренней, так и на внешней конструкции ET, первоначальная конструкция предусматривала отдельные баки для топлива и окислителя, соединенные «межбаковой» конструкцией и покрытые напыляемой изоляцией из пенопласта, чтобы свести вентиляцию к минимуму. . Единственным новым оборудованием на исходной второй ступени, созданной на основе ET, должен был быть узел тяги для двигателя J-2X, новые заправочные/сливные/вентиляционные разъединители для топлива и окислителя, а также монтажные интерфейсы для твердотопливной первой ступени и Космический корабль Орион.
Используя концепцию, берущую начало в программе «Аполлон», «межбаковая» конструкция была исключена для уменьшения массы, а на ее месте была установлена общая переборка, аналогичная той, которая использовалась на ступенях S-II и S-IVB корабля «Сатурн-5». должен был использоваться между танками. Экономия от этих изменений была использована для увеличения емкости пороха, которая составила 297 900 фунтов (135 100 кг). [63]
Подзаголовок: Отчет о том, что экипаж будет обречен, является еще одним ударом по проблемной программе НАСА «Созвездие» по возвращению США на Луну, а затем на Марс.