Ares IX был прототипом первой ступени и демонстратором концепции проекта Ares I , системы запуска для пилотируемых космических полетов, разработанной Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Ares IX был успешно запущен 28 октября 2009 года. [1] [2] Стоимость проекта составила 445 миллионов долларов. [3] Это был последний запуск LC-39B до «Артемиды-1» 13 лет спустя.
Транспортное средство Ares IX, использованное в испытательном полете, по форме, массе и размеру было похоже на запланированную конфигурацию более поздних транспортных средств Ares I, но имело во многом другое внутреннее оборудование, состоящее только из одной силовой ступени. Транспортные средства «Арес I» предназначались для запуска экипажей исследовательских аппаратов «Орион» . Наряду с системой запуска «Арес V» и лунным посадочным модулем «Альтаир », «Арес I» и «Орион» были частью программы НАСА «Созвездие» , которая разрабатывала космический корабль для пилотируемых космических полетов США после выхода из эксплуатации космических кораблей «Шаттл» .
«Арес IX» был единственным испытательным полетом такой ракеты-носителя, как «Арес I». Цели испытательного полета включали: [4]
У полета также было несколько второстепенных целей, в том числе: [5]
Профиль полета Ares IX очень близко соответствовал условиям полета, которые ожидал от Ares I при скорости 4,5 Маха, высоте около 130 000 футов (40 000 м) и максимальном динамическом давлении («Max Q») примерно 800 фунтов в секунду. квадратный фут (38 кПа). [6] : 3
Профиль полета Ares IX напоминал беспилотные полеты Saturn I в 1960-х годах, в ходе которых проверялась концепция двигательной установки Saturn. [6] : 2
Проведя аппарат через отделение первой ступени, испытательный полет также подтвердил характеристики и динамику твердотопливного ракетного ускорителя Ares I в схеме «одной ручки», которая отличается от существовавшего тогда «двойного ускорителя» твердотопливного ракетного ускорителя. конфигурация рядом с внешним баком на космическом корабле. [7]
Ракета Ares IX состояла из функциональной четырехсегментной твердотопливной ракеты-носителя (SRB), имитатора массы пятого сегмента, имитатора верхней ступени (USS), который был аналогичен по форме и тяжелее настоящего разгонного блока, а также моделируемый модуль экипажа (CM) «Орион» и систему прерывания запуска (LAS). Поскольку фактическое оборудование верхней ступени не могло быть изготовлено к летным испытаниям, имитатор массы верхней ступени позволил ракете-носителю пролететь примерно по той же траектории на первом этапе полета. Имитаторы массы USS и CM/LAS, запущенные с корабля Ares IX, не были восстановлены и упали в Атлантический океан. Первая ступень, включая имитатор массы пятого сегмента, была восстановлена для извлечения самописцев полетных данных и многоразового оборудования. [8]
Четырехсегментный твердотопливный двигатель и кормовая юбка «Ареса IX» были взяты непосредственно из инвентаря космического корабля «Шаттл». Двигатель был изготовлен компанией ATK Launch Services из Промонтори, штат Юта . [9] [10] Новые передние конструкции были изготовлены компанией Major Tool & Machine из Индианаполиса, штат Индиана . Элементом первой ступени управлял Центр космических полетов Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама . [9] Модификации твердотопливного ракетного ускорителя включают в себя:
Для летных испытаний Ares IX усеченная часть и передняя часть юбки были изготовлены из алюминия. Передняя юбка и имитатор пятого сегмента были изготовлены из стали. [11]
Имитатор разгонного блока (USS) был изготовлен сотрудниками НАСА в Исследовательском центре Гленна в Кливленде. [9] Из-за транспортных ограничений (высота мостов на автомагистралях и реках) симулятор был построен из одиннадцати стальных сегментов высотой 9,5 футов (2,9 м) и шириной 18 футов (5,5 м). Военный корабль США смоделировал форму, массу и характеристики центра тяжести «Ареса I» от межступенчатого пространства до верхней части служебного модуля исследовательского корабля Orion Crew. Центры масс резервуаров с жидким водородом и жидким кислородом были смоделированы с помощью стальных балластных плит. [6] : 7
Военный корабль США включал в себя множество датчиков температуры, вибрации, тепловых и акустических датчиков для сбора первичных данных, необходимых для достижения целей миссии. Здесь также размещался отказоустойчивый инерциальный навигационный блок (FTINU), который контролировал полет корабля и основные функции авионики. Для устойчивости FTINU устанавливался на нижней стороне нижних балластных плит. Доступ наземного персонала к ФТИНУ осуществлялся через люк экипажа сбоку межступенчатого сегмента, в котором также размещалась система управления креном. Каждый сегмент USS включал в себя лестницу и кольцеобразную платформу, обеспечивающую доступ к датчикам и кабелям для разрабатываемой летной аппаратуры. Лестницы и платформы были необходимы, потому что стартовый комплекс 39B недостаточно высок, чтобы обеспечить доступ экипажа к верхним частям «Ареса IX». [12]
Система активного контроля крена (RoCS) была необходима, поскольку летно-испытательная машина имела тенденцию крениться вокруг своей оси движения вперед. Система RoCS для Ares IX состояла из двух модулей, содержащих двигатели, первоначально использовавшиеся на ныне снятых с вооружения ракетах Peacekeeper . RoCS выполняла две основные функции: [6] : 8
В модулях RoCS, размещенных на противоположных сторонах внешней обшивки имитатора верхней ступени, в качестве порохов использовались гиперголический монометилгидразин (ММГ) и тетраоксид азота (NTO), и каждый включал два сопла, которые стреляли по касательной к обшивке и под прямым углом к ней. ось крена, чтобы обеспечить контроль крутящего момента крена. Топливо было загружено в модули на объекте технического обслуживания гипергола (HMF) Космического центра Кеннеди и доставлено на землю для установки на военный корабль США в здании сборки транспортных средств (VAB) перед отправкой на стартовый комплекс 39B.
Модули RoCS были спроектированы и изготовлены компанией Teledyne Brown Engineering в Хантсвилле, штат Алабама, для использования в межступенчатом сегменте военного корабля США. [9] [13] Двигатели прошли огневые испытания на испытательном полигоне Уайт-Сэндс в 2007 и 2008 годах, чтобы убедиться, что они могут выполнять импульсный рабочий цикл, необходимый для Ares IX. [9]
В верхней части летно-испытательной машины Ares IX находился комбинированный модуль экипажа «Орион» и имитатор системы прерывания запуска, напоминающий по структурным и аэродинамическим характеристикам Ares I. Полномасштабный модуль экипажа (CM) имеет высоту примерно 16 футов (4,9 м). диаметр и высоту 7 футов (2,1 м), а длина системы прерывания запуска (LAS) составляет 46 футов (14 м).
Симулятор CM/LAS был создан с высокой точностью, чтобы гарантировать, что его аппаратные компоненты точно отражают форму и физические свойства моделей, используемых в компьютерном анализе и испытаниях в аэродинамической трубе . Такая точность позволяет НАСА с высокой степенью достоверности сравнивать летные характеристики CM/LAS с предполетными прогнозами. Симулятор CM/LAS также помогает проверять инструменты и методы анализа, необходимые для дальнейшей разработки Ares I.
Данные о полете Ares IX собирались с помощью датчиков по всему аппарату, в том числе примерно 150 датчиков в симуляторе CM/LAS, которые регистрировали тепловые, аэродинамические, акустические, вибрационные и другие данные. Данные передавались на землю посредством телеметрии, а также сохранялись в модуле авионики первой ступени (FSAM), расположенном в пустом пятом сегменте.
Аэродинамические данные, собранные с датчиков CM/LAS, способствуют измерению ускорения транспортного средства и угла атаки . [6] : 9 То, как кончик ракеты прорезает атмосферу, важно, потому что это определяет поток воздуха по всему аппарату.
CM/LAS приводнился в океане вместе с имитатором разгонного блока (USS) после этапа разгона миссии.
Этот симулятор был спроектирован и создан правительственно-промышленной группой в Исследовательском центре Лэнгли в Вирджинии. Он был доставлен в Космический центр Кеннеди на транспортном средстве C-5 и был последней деталью оборудования, установленной на ракете в здании сборки транспортных средств. [9] [14]
Для управления полетом «Арес IX» использовал авионику от одноразовой ракеты-носителя Atlas V Evolved (EELV). Это оборудование включало отказоустойчивый блок инерциальной навигации (FTINU) и резервные гироскопические блоки (RRGU), а также жгуты кабелей. Первая ступень управлялась в основном оборудованием, унаследованным от существующих систем космического корабля "Шаттл". Новый блок электроники, контроллер вектора тяги подъема (ATVC), выступал в качестве инструмента перевода для передачи команд от бортового компьютера на базе Атласа к системе управления вектором тяги твердотопливного ракетного ускорителя . ATVC был единственным новым блоком авионики в этом полете. Все остальные компоненты были существующими или стандартными . Ares IX также использовал 720 тепловых, ускоренных, акустических и вибрационных датчиков в рамках своей разработки летной аппаратуры (DFI) для сбора данных, необходимых для миссии. Часть этих данных передавалась в режиме реального времени посредством телеметрии, а остальные хранились в электронных блоках, расположенных в модуле авионики первой ступени (FSAM), расположенном внутри полого пятого сегмента первой ступени.
Наземная часть авионики миссии включала наземный блок управления , командования и связи (GC3), который был установлен на мобильной пусковой платформе-1 (MLP-1) для запуска на стартовом комплексе 39B в Космическом центре Кеннеди. Блок GC3 позволил системе управления полетом взаимодействовать с компьютерами на земле. Летно-испытательный аппарат летал автономно и управлялся FTINU, расположенным на нижней стороне нижних балластных плит имитатора разгонного блока (USS).
Авионика была разработана компанией Lockheed-Martin из Денвера, штат Колорадо , субподрядчиком компании Jacobs Engineering из Хантсвилля, штат Алабама , и управляется Центром космических полетов Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама. [9]
Внутри имитатора пятого сегмента первой ступени были закреплены три пакета размером с обувную коробку, в которых находились:
Наземные операции включают в себя такие действия, как штабелирование, интеграцию, выкатывание и взлет транспортных средств, а наземные системы включают в себя интерфейсы транспортных средств и молниезащиту. Для Ares IX было разработано несколько новых процедур и аппаратных средств, в том числе:
Наземные операции и наземные системы осуществлялись персоналом Объединенного космического альянса и НАСА в Космическом центре Кеннеди.
Управление системного проектирования и интеграции Ares IX (SE&I), управляемое Исследовательским центром НАСА в Лэнгли, отвечало за интеграцию частей транспортного средства в полную ракету и обеспечение их совместной работы как системы для достижения целей летных испытаний. SE&I отвечала за обеспечение совместной работы всех компонентов для достижения основных и второстепенных целей миссии. Детальное управление системными интерфейсами, требованиями уровня миссии, планами валидации и управлением летными приборами было ключевым вкладом SE&I. SE&I предоставила структурный, термический и аэродинамический анализ всей системы, что позволило спроектировать и изготовить компоненты. SE&I также управляла массой транспортного средства и разработала траекторию, а также алгоритмы наведения, навигации и управления, используемые для полета транспортного средства.
Для решения этих задач были использованы испытания в аэродинамической трубе и вычислительная гидродинамика (CFD) для исследования сил, действующих на аппарат на различных этапах полета, включая взлет, подъем, отделение ступеней и спуск. Как только базовая конструкция была понята, компания SE&I провела структурный анализ системы, чтобы гарантировать правильное поведение ракеты после ее интеграции.
Разработка, управление и контроль расписания осуществлялись аналитиками расписания ATK, постоянно находящимися в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли и работающими в рамках контрактного соглашения TEAMS между ATK и НАСА в Лэнгли. [ нужна цитата ]
Запуск «Ареса IX» был запланирован на 27 октября 2009 года, в 48-ю годовщину первого запуска «Сатурна-1» . Попытка запуска была отложена из-за погоды и других проблем, возникших в последнюю минуту. [16] Наземная команда столкнулась с трудностями при снятии защитной крышки с важного пятипортового сенсорного блока, установленного в носовой части самолета . [17] Частное судно случайно забрело в ограниченную зону безопасности, и его пришлось прогнать. Запуск через высокие перистые облака дня мог вызвать трибоэлектрификацию , что потенциально помешало бы связи в целях безопасности и затруднило бы способность RSO подать команду на самоуничтожение. Директор запуска Эд Манго неоднократно откладывал возобновление обратного отсчета с запланированной точки удержания в Т-00:04:00. [18] [19] В конечном итоге, ограничения 4-часового окна запуска в сочетании с высокими облаками и другими проблемами, возникшими в последнюю минуту, привели к тому, что миссия была отменена на весь день в 15:20 по всемирному координированному времени 27 октября 2009 года. Запуск был перенесено на четырехчасовое открытие окна в 12:00 UTC 28 октября 2009 г. [18] [20]
Ares IX был запущен 28 октября 2009 года в 11:30 по восточному времени (15:30 UTC) из Космического центра Кеннеди LC-39B , успешно завершив краткий испытательный полет. Первая ступень корабля загорелась на Т-0 секундах, и «Арес IX» стартовал со стартового комплекса 39B . [21] Первая ступень отделилась от имитатора верхней ступени и спрыгнула на парашюте в Атлантический океан примерно в 150 милях (240 км) ниже стартовой площадки. Максимальная высота ракеты не была известна сразу, но ожидалось, что она составит 28 миль (45 км).
Запуск достиг всех основных целей испытаний, [22] и было извлечено много уроков при подготовке и запуске нового корабля из Космического центра Кеннеди . [23]
Перед полетом ученые НАСА, а также критики и скептики «Ареса» высказывали некоторую обеспокоенность тем, что колебания тяги окажутся слишком сильными, чтобы астронавты-люди могли безопасно управлять ракетой «Арес». NASA Watch показало, что твердотопливный ракетный ускоритель первой ступени «Ареса I» мог создавать сильные вибрации в течение первых нескольких минут подъёма. Вибрации вызваны внезапными импульсами ускорения из-за колебаний тяги внутри первой ступени. НАСА признало, что эта потенциальная проблема вполне реальна, присвоив ей четыре балла из пяти по шкале риска. НАСА было очень уверено, что сможет решить проблему, ссылаясь на долгую историю успешного решения проблем. [24] Представители НАСА знали об этой проблеме с осени 2007 года, заявив в пресс-релизе, что хотели решить ее к марту 2008 года. [24] [25] По данным НАСА, анализ данных и телеметрии с «Ареса IX» полет показал, что вибрации от колебаний тяги находились в пределах нормы для полета космического корабля "Шаттл". [26]
Примерно через два часа после запуска «Ареса IX» спасательные команды, входящие на площадку LC-39B, сообщили о небольшом облаке остаточного тетроксида азота , вытекшем из устаревшей линии окислителя шаттла на высоте 95 футов (29 м) Стационарной служебной конструкции , где произошла утечка. подключается к ротационной структуре обслуживания . 29 октября 2009 г. в 8:40 утра была обнаружена утечка гидразина на высоте 95 футов (29 м), между комнатой смены полезной нагрузки и стационарной служебной конструкцией. Обе утечки были локализованы без травмирования персонала. [27]
Из-за маневра уклонения от площадки, выполненного «Аресом IX» вскоре после старта, стационарная служебная конструкция на LC-39B получила значительно больше прямых выхлопов ракеты, чем это происходит во время обычного запуска космического корабля «Шаттл ». Полученный ущерб был назван «существенным»: оба лифта вышли из строя, все линии связи между площадкой и системой управления запуском были разрушены, а все наружные мегафоны расплавились. Части стационарной служебной конструкции, обращенные к транспортному средству, по-видимому, подверглись сильным тепловым повреждениям и ожогам, как и шарнирные колонны, поддерживающие вращающуюся служебную конструкцию. [28] Этот ущерб был ожидаем, поскольку НАСА намеревалось удалить ФСС и запустить будущие полеты Ареса с «чистой площадки».
Во время полета пиротехнический заряд на рефрижераторе, который скрепляет парашют, был взорван раньше, еще внутри парашюта, что привело к перегрузке парашюта и отказу при раскрытии. Дополнительная нагрузка на второй парашют привела к его перегрузке и частичному выходу из строя. Два оставшихся парашюта привели ракету-носитель к жесткой посадке, но, к счастью, она получила минимальные повреждения. [29] Конструкция стропа парашюта также была изменена, чтобы предотвратить повторение инцидентов. [29]
По данным НАСА, частичные отказы парашютов были обычным явлением в твердотопливных ракетных ускорителях космического корабля "Шаттл" , на базе которых произошел "Арес IX". На космических челноках SRB, в том числе на STS-128 , произошло одиннадцать частичных отказов парашютов . [26]
Первая ступень была обнаружена плавающей в вертикальном положении, что типично для отработанных твердотопливных ракетных ускорителей космического корабля "Шаттл" . Однако дайверы-восстановители отметили коробление нижней части. [30] [31] В отчетах также отмечается явный перелом корпуса переднего сегмента ускорителя и сломанный кронштейн, удерживающий привод, часть системы управления направлением сопла SRM. [31] В записке НАСА говорится, что инженеры полагают, что нижний сегмент прогнулся, когда первая ступень приземлилась на гораздо более высокой скорости, чем предполагалось, в результате того, что один из трех основных парашютов не раскрылся, а также из-за отказа второго основного парашюта. оставаться развернутым. [28] На данный момент неясно, что стало причиной очевидного перелома корпуса и сломанного кронштейна, и НАСА не прокомментировало это повреждение.
Имитатор верхней ступени (USS) без двигателя, который не предназначался для извлечения, упал дальше в Атлантический океан. [32] Военный корабль США начал кувыркаться в плоском вращении против часовой стрелки почти сразу после постановки. После первоначальных опасений, что движение могло быть вызвано столкновением военного корабля США с первой ступенью, [33] дальнейший анализ показал, что фактического повторного контакта не произошло и что падение было одним из возможных вариантов поведения, предсказанных предполетным моделированием. [34]
USS не точно соответствовал характеристикам реальной верхней ступени Ares I и не предназначался для проверки независимых характеристик верхней ступени. Тот факт, что верхняя ступень не была приведена в действие и отделилась на меньшей высоте, чем настоящая верхняя ступень на последнем «Аресе I», способствовал вращению. [26]
Эта статья включает общедоступные материалы с веб-сайтов или документов Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства .
