Ares I был ракетой-носителем для экипажа , которая разрабатывалась NASA в рамках программы Constellation . [2] Название «Ares» относится к греческому божеству Аресу , которое отождествляется с римским богом Марсом . [3] Ares I изначально был известен как «ракета-носитель для экипажа» (CLV). [4]
NASA планировало использовать Ares I для запуска Orion , космического корабля, предназначенного для пилотируемых космических миссий NASA после того, как Space Shuttle был выведен из эксплуатации в 2011 году. Ares I должен был дополнить более крупный, беспилотный Ares V , который был грузовым носителем для Constellation. NASA выбрало проекты Ares из-за их ожидаемой общей безопасности, надежности и экономической эффективности. [5] Однако программа Constellation, включая Ares I, была отменена президентом США Бараком Обамой в октябре 2010 года с принятием его законопроекта об авторизации NASA 2010 года. В сентябре 2011 года NASA подробно описало Space Launch System как свой новый корабль для исследования человеком пространства за пределами орбиты Земли. [6]
В 1995 году компания Lockheed Martin подготовила отчет Advanced Transportation System Studies (ATSS) для Центра космических полетов им. Маршалла . В разделе отчета ATSS описывается несколько возможных транспортных средств, во многом похожих на конструкцию Ares I, с жидкостными вторыми ступенями ракеты, расположенными над сегментированными твердотопливными ракетными ускорителями (SRB) первых ступеней. [7] Рассматриваемые варианты включали как двигатели J-2S , так и основные двигатели Space Shuttle (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-младший объявил о Видении для исследования космоса в январе 2004 года, и НАСА под руководством Шона О'Кифа запросило планы для Crew Exploration Vehicle от нескольких претендентов, с планом иметь две конкурирующие команды. Эти планы были отклонены новым администратором Майклом Гриффином , и 29 апреля 2005 года НАСА зарегистрировало Исследование архитектуры систем исследования для достижения конкретных целей: [8]
Для Ares I NASA выбрало архитектуру запуска, производную от Shuttle. Первоначально пилотируемый корабль должен был использовать четырехсегментный твердотопливный ракетный ускоритель (SRB) для первой ступени и упрощенный главный двигатель Space Shuttle (SSME) для второй ступени. Беспилотная версия должна была использовать пятисегментный ускоритель с той же второй ступенью. [9] Вскоре после одобрения первоначального проекта дополнительные испытания показали, что космический корабль Orion будет слишком тяжелым для четырехсегментного ускорителя, [10] и в январе 2006 года NASA объявило, что они немного уменьшат размер космического корабля Orion, добавят пятый сегмент к первой твердотопливной ступени и заменят единственный SSME на двигатель J-2X , производный от Apollo . [11] Хотя переход от четырехсегментной первой ступени к пятисегментной версии позволил бы НАСА построить практически идентичные двигатели, основной причиной перехода на пятисегментный ускоритель стал переход к J-2X. [12]
Исследование архитектуры систем исследования пришло к выводу, что стоимость и безопасность Ares превосходят стоимость и безопасность любого из усовершенствованных одноразовых средств запуска (EELV). [8] Оценки стоимости в исследовании основывались на предположении, что для пилотируемых EELV потребуются новые стартовые площадки . [8] Объекты для текущих EELV (LC-37 для Delta IV, LC-41 для Atlas V) имеются и могут быть модифицированы, но это могло быть не самым экономически эффективным решением, поскольку LC-37 является объектом, принадлежащим и эксплуатируемым подрядчиком (COGO), а модификации для Delta IV H были определены как аналогичные тем, которые требуются для Ares I. [13] Оценки безопасности запуска ESAS для Ares основывались на Space Shuttle, несмотря на различия, и включали только запуски после перепроектирования Space Shuttle после Challenger. [14] Оценка учитывала каждый запуск Shuttle как два безопасных запуска ускорителя Ares. Безопасность ракет Atlas V и Delta IV оценивалась на основе показателей неудач всех запусков ракет Delta II , Atlas-Centaur и Titan с 1992 года, хотя их конструкции не похожи. [ необходима ссылка ]
Ares I был компонентом запуска экипажа программы Constellation. Первоначально названный «Crew Launch Vehicle» или CLV, название Ares было выбрано от греческого божества Ареса . [4] В отличие от Space Shuttle, где и экипаж, и груз запускались одновременно на одной ракете, планы проекта Constellation предусматривали 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 ракет-носителей экипажа и тяжелых грузов. [15]
Ракета Ares I была специально разработана для запуска многоцелевого пилотируемого корабля Orion . Orion был задуман как капсула для экипажа, похожая по конструкции на капсулу программы Apollo , для транспортировки астронавтов на Международную космическую станцию , Луну и, в конечном итоге, на Марс . Ares I также мог доставить некоторые (ограниченные) ресурсы на орбиту , включая припасы для Международной космической станции или последующую доставку на запланированную лунную базу . [5]
NASA выбрало Alliant Techsystems, производителя твердотопливных ракетных ускорителей Space Shuttle , в качестве генерального подрядчика для первой ступени Ares I. [16] [17] 16 июля 2007 года NASA объявило, что Rocketdyne станет главным субподрядчиком для ракетного двигателя J-2X . [18] 12 декабря 2007 года NASA выбрало Boeing для поставки и установки авионики для ракеты Ares I. [19]
28 августа 2007 года NASA заключило контракт на производство верхней ступени Ares I с компанией Boeing. Верхняя ступень Ares I должна была быть построена на заводе Michoud Aerospace Factory , который использовался для внешнего бака космического челнока и первой ступени S-IC ракеты Saturn V. [20] [21]
При стоимости двигателя около 20–25 миллионов долларов США, разработанный и произведенный Rocketdyne J-2X стоил бы менее половины стоимости более сложного двигателя RS-25 (около 55 миллионов долларов США). [22] В отличие от главного двигателя Space Shuttle, который был разработан для запуска на земле, J-2X изначально был разработан для запуска как в воздухе, так и в условиях, близких к вакууму. Эта возможность воздушного запуска была критически важна, особенно в оригинальном двигателе J-2, используемом на ступени S-IVB ракеты Saturn V , для запуска космического корабля Apollo на Луну. С другой стороны, главный двигатель Space Shuttle потребовал бы значительных модификаций для добавления возможности воздушного запуска [23] [12]
4 января 2007 года НАСА объявило, что Ares I завершил обзор системных требований, первый такой обзор, завершенный для любого проекта пилотируемого космического корабля со времен Space Shuttle. [24] Этот обзор стал первой важной вехой в процессе проектирования и был призван гарантировать, что система запуска Ares I соответствует всем требованиям, необходимым для программы Constellation. В дополнение к выпуску обзора НАСА также объявило о перепроектировании оборудования бака. Вместо отдельных баков LH 2 и LO 2 , разделенных «межбаком», как у внешнего бака Space Shuttle , новые баки LH 2 и LOX были бы разделены общей переборкой, подобной той, что использовалась на ступенях Saturn V S-II и S-IVB. Это обеспечило бы значительную экономию массы и устранило бы необходимость проектирования межступенчатого блока второй ступени, который должен был бы нести вес космического корабля Orion вместе с собой. [17]
В январе 2008 года NASA Watch сообщило, что первая ступень твердотопливной ракеты Ares I могла создавать высокие вибрации в течение первых нескольких минут подъема. Вибрации могли быть вызваны колебаниями тяги внутри первой ступени. [25] Представители NASA выявили потенциальную проблему при рассмотрении конструкции системы Ares I в конце октября 2007 года, заявив в пресс-релизе, что они хотели решить ее к марту 2008 года. [26] NASA признало, что эта проблема была очень серьезной, оценив ее на четыре из пяти по шкале риска, но агентство было очень уверено в ее решении. [25] Подход к смягчению, разработанный инженерной группой Ares, включал активное и пассивное гашение вибрации, добавление активного настроенного поглотителя массы и пассивной «структуры податливости» — по сути, подпружиненного кольца, которое могло бы расстроить стек Ares I. [27] NASA также указало, что, поскольку это была бы новая система запуска, как системы Apollo или Space Shuttle, было нормальным возникновение таких проблем на этапе разработки. [28] По данным НАСА, анализ данных и телеметрии полета Ares IX показал, что вибрации от колебаний тяги находятся в пределах нормы для полета космического челнока. [29]
Исследование, опубликованное в июле 2009 года 45-м космическим крылом ВВС США, пришло к выводу, что прерывание полета через 30–60 секунд после запуска имело бы ≈100% вероятность гибели всего экипажа, поскольку капсула была бы охвачена до удара о землю облаком твердотопливных фрагментов температурой 4000 °F (2200 °C), которые расплавили бы нейлоновый материал парашюта капсулы. Исследование НАСА показало, что капсула экипажа пролетела бы мимо более серьезной опасности. [30] [31]
Воспламенитель Ares I был усовершенствованной версией проверенного в полете воспламенителя, используемого в твердотопливных ракетных ускорителях Space Shuttle. Он был приблизительно 18 дюймов (46 см) в диаметре и 36 дюймов (91 см) в длину и использовал усовершенствованные изоляционные материалы, которые имели улучшенные тепловые свойства для защиты корпуса воспламенителя от горящего твердого топлива. [32] NASA успешно завершило испытательный запуск воспламенителя для двигателей Ares I 10 марта 2009 года на испытательных полигонах ATK Launch Systems около Промонтори, штат Юта . Испытание воспламенителя создало пламя длиной 200 футов (61 метр), и предварительные данные показали, что воспламенитель сработал, как и планировалось. [32]
Разработка элементов движителя Ares I продолжала уверенно продвигаться вперед. 10 сентября 2009 года первый двигатель разработки Ares I (DM-1) был успешно испытан в полномасштабном полномасштабном испытательном огне. [33] За этим испытанием последовали еще два испытания двигателя разработки, DM-2 31 августа 2010 года и DM-3 8 сентября 2011 года. Для DM-2 двигатель был охлажден до температуры ядра 40 градусов по Фаренгейту (4 градуса по Цельсию), а для DM-3 он был нагрет до температуры выше 90 градусов по Фаренгейту (32 градуса по Цельсию). Помимо других целей, эти два испытания подтвердили работу двигателя Ares при экстремальных температурах. [34] [35] NASA провело успешный 500-секундный испытательный огневой запуск ракетного двигателя J-2X в Космическом центре имени 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 сильнее, чем при запуске Space Shuttle. Во время спуска один из трех парашютов первой ступени Ares IX не раскрылся, а другой раскрылся лишь частично, в результате чего ускоритель приводнился сильнее и получил структурные повреждения. [40] Запуск выполнил все основные испытательные задачи. [40] [41]
НАСА завершило обзор требований к системе Ares I в январе 2007 года. [24] Проектирование проекта должно было продолжаться до конца 2009 года, а разработка и квалификационные испытания должны были проходить одновременно до 2012 года. По состоянию на июль 2009 года [обновлять]производство летных изделий должно было начаться к концу 2009 года, а первый запуск — в июне 2011 года. [42] С 2006 года первый запуск человека планировался не позднее 2014 года, [43] что на четыре года позже запланированного прекращения эксплуатации Space Shuttle.
Задержки в графике разработки Ares I из-за бюджетных ограничений и непредвиденных инженерных и технических трудностей могли бы увеличить разрыв между окончанием программы Space Shuttle и первым эксплуатационным полетом Ares I. [44] Поскольку программа Constellation так и не получила изначально запланированного финансирования, [45] общая предполагаемая 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]
Первоначально первые испытательные полеты были запланированы на 2011 год, но независимый анализ Комиссии Августина в конце 2009 года показал, что из-за технических и финансовых проблем первый пилотируемый запуск Ares I вряд ли состоится до 2017–2019 годов при текущем бюджете или до конца 2016 года при неограниченном бюджете. [48] Комиссия Августина также заявила, что предполагаемые текущие расходы Ares I и Orion составят почти 1 миллиард долларов за полет. [49] Однако более поздний финансовый анализ в марте 2010 года показал, что стоимость эксплуатации Ares I за полет составила бы 1 миллиард долларов или больше, если бы Ares I запускался только один раз в год. Если бы система Ares I запускалась несколько раз в год, предельные расходы могли бы упасть до 138 миллионов долларов за запуск. [1] В марте 2010 года администратор НАСА Чарли Болден дал показания в Конгрессе, что стоимость Ares I составит 4–4,5 миллиарда долларов в год и 1,6 миллиарда долларов за полет. [50] Предполагалось, что предельная стоимость Ares I составит лишь часть предельной стоимости Shuttle, даже если бы он летал несколько раз в год. Для сравнения, стоимость запуска трех астронавтов на пилотируемом российском корабле «Союз» составляет 153 миллиона долларов. [51] Представитель Роберт Адерхольт заявил в марте 2010 года, что он получил письмо от NASA, в котором утверждалось, что запуск ракеты Ares I три раза в год обойдется в 1,1 миллиарда долларов. [52]
8 февраля 2011 года было сообщено, что Alliant Techsystems и Astrium предложили использовать первую ступень Ares I со второй ступенью, созданной на основе основной ступени Ariane 5, для создания новой ракеты под названием Liberty . [53]
1 февраля 2010 года президент Барак Обама объявил о предложении отменить программу Constellation, вступающем в силу с бюджетом США на 2011 финансовый год, [54] но позже объявил об изменениях в предложении в своей важной речи о космической политике в Космическом центре Кеннеди 15 апреля 2010 года. В октябре 2010 года был подписан законопроект о разрешении NASA на 2010 год, который отменил Constellation. [55] Предыдущее законодательство сохраняло контракты Constellation в силе до принятия нового законопроекта о финансировании на 2011 год. [56] [57]
Ares I имел грузоподъемность в 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 Ares I, оценила транспортное средство как почти в два раза более безопасное, чем конструкция, созданная на основе Atlas или Delta IV. [58]
Первая ступень должна была быть более мощной и многоразовой твердотопливной ракетой , созданной на основе твердотопливного ракетного ускорителя Space Shuttle (SRB). По сравнению с твердотопливным ракетным ускорителем, который имел четыре сегмента, наиболее заметным отличием было добавление пятого сегмента. Этот пятый сегмент позволил бы Ares I производить большую тягу. [5] [59] Другие изменения, внесенные в твердотопливный ракетный ускоритель, включали удаление точек крепления внешнего бака Space Shuttle (ET) и замену носового обтекателя твердотопливного ракетного ускорителя новым передним адаптером, который бы сопрягался со второй ступенью на жидком топливе. Адаптер должен был быть оснащен твердотопливными разделительными двигателями для облегчения разъединения ступеней во время подъема. [5] Конструкция зерна также была изменена, как и изоляция и облицовка. К наземным испытаниям первой ступени Ares I корпус, конструкция зерна, количество сегментов, изоляция, облицовка, диаметр горловины, системы тепловой защиты и сопло были изменены. [60]
Верхняя ступень, созданная на основе внешнего бака (ET) шаттла и основанная на ступени S-IVB ракеты Saturn V, должна была приводиться в движение одним ракетным двигателем J-2X , работающим на жидком водороде (LH 2 ) и жидком кислороде (LOX). [61] J-2X был создан на основе оригинального двигателя J-2, использовавшегося в программе Apollo, но с большей тягой (≈294 000 фунтов силы или 1,31 МН) и меньшим количеством деталей, чем у оригинального двигателя. 16 июля 2007 года NASA заключило с Rocketdyne контракт на поставку двигателей J-2X для наземных и летных испытаний. [62] Rocketdyne была основным подрядчиком по оригинальным двигателям J-2, использовавшимся в программе Apollo.
Хотя его двигатель J-2X был получен из устоявшейся конструкции, сама верхняя ступень была бы совершенно новой. Первоначально предполагалось, что она будет основана как на внутренней, так и на внешней структуре ET, первоначальный проект предусматривал отдельные топливные и окислительные баки, соединенные «межбаковой» структурой и покрытые напыляемой пенной изоляцией, чтобы свести вентиляцию к минимуму. Единственным новым оборудованием на оригинальной второй ступени, полученной из ET, был бы узел тяги для двигателя J-2X, новые разъединители для наполнения/слива/вентилирования для топлива и окислителя, а также монтажные интерфейсы для твердотопливной первой ступени и космического корабля Orion.
Используя концепцию, восходящую к программе Apollo, структура «межбакового» пространства была удалена для уменьшения массы, и вместо нее между баками должна была использоваться общая переборка, аналогичная той, что использовалась на ступенях S-II и S-IVB ракеты Saturn V. Экономия от этих изменений была использована для увеличения емкости топлива, которая составила 297 900 фунтов (135 100 кг). [63]
Подзаголовок: Отчет о том, что экипаж будет обречен, — еще один удар по проблемной программе NASA Constellation по возвращению США на Луну, а затем на Марс