Супертяж SLS. Американские астронавты рвутся к Марсу. Часть 2
Похоже, в НАСА решили делать «марсианскую» суперракету всем миром: для этого привлекли сразу три подразделения агентства. Это Центр космических полетов имени Джорджа Маршалла, Космический центр имени Линдона Джонсона и снова Космический центр имени Джона Кеннеди, который обеспечивает всю историю своими стартовыми комплексами.
Макет SLS в исследовательской аэродинамической трубе NASA
Но и это не вся компания разработчиков. За фундаментальные физические проблемы проекта отвечает Исследовательский центр имени Эймса, за характер полезных грузов ответственен Центр космических полетов имени Годдарда, а также Центр имени Гленна, занимающийся новыми материалами и разработкой обтекателей полезного груза. Программы исследований в аэродинамических трубах возложены на центр имени Лэнги, а испытания двигателей RS-25 и J-2X — на Космический центр имени Стенниса. И наконец, сборка центрального блока с главной двигательной установкой происходит на заводе в Мичуде.
Вся программа SLS разделена на три этапа, объединяемые несколькими моментами: жидкими кислородом и водородом в маршевых двигателях, а также многосекционным твердотопливным ускорителем. Первая ступень центрального блока (Core Stage) длиной 64,7 м и диаметром 8,4 м также будет единой для всех модификаций. Итак, первенец SLS Block I обладает эквивалентной массой полезной нагрузки в 70 тонн – необходимую тягу для такой тяжести обеспечивают четыре двигателя RS-25D. Собственно, этот первый вариант SLS предназначен для сертификации центрального блока и выполнения опытно-экспериментальных миссий. Разгонный блок представлен «временной криогенной верхней ступенью» ICPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage), построенной на основе второй ступени носителя Delta IV Heavy. Двигатель у ICPS один – RL-10B-2 с тягой в вакууме 11,21 тс. Даже в этом, самом «слабом» варианте Block I, ракета будет развивать стартовую тягу на 10% больше, чем легендарный Saturn V. Носитель второго типа получил имя SLS Block IA, а эквивалентная грузоподъемность этого гиганта должна быть уже под 105 тонн. Предусматривается два исполнения – грузовой и пилотируемый, которые должны вернуть американцев на сорок с лишним лет назад и наконец оправить человека снова за пределы низкой околоземной орбиты. Планы у NASA на эти аппараты самые скромные: в составе миссии EM-2 где-то в середине 2022 года облететь с экипажем Луну. Чуть раньше (середина 2020 года) планируется отправить астронавтов на окололунную орбиту на корабле Orion. Но это информация датируется летом 2018 года и до этого неоднократно корректировалась – так, по одному из проектов SLS должен был взмыть в небеса уже этой осенью.
SLS Block II – носитель с эквивалентной грузоподъемностью в 130 тонн, оснащен уже пятью двигателями RS-25D на центральном блоке, а также «исследовательской верхней ступенью» EUS (Exploration Upper Stage), которая, в свою очередь, имеет один-два двигателя J-2X тягой по 133,4 тс каждый. "Грузовик" на базе Block II отличается надкалиберным головным обтекателем диаметром сразу 10 метров. Это будут, если у США все сложится, истинные исполины: в финальном варианте ракеты стартовая тяга ракет будет на 1/5 превышать тягу Saturn V. И планы на серию Block II также крайне амбициозны — в 2033 году отправить на орбиту Марса пилотируемую миссию EM-11, которая будет странствовать по космосу не менее 2 лет. Но до этой знаменательной даты американцы планируют раз 7-8 слетать на лунную орбиту. Планирует ли NASA высадку астронавтов на Марс всерьез, никто не знает.
Испытания экспериментального криогенного ЖРД с регулируемой тягой CECE (Common Extensible Cryogenic Engine), который использовался по программе совершенствования RL-10, эксплуатировавшегося с 1962 года на ракетах Atlas, Delta iV, Titan и Saturn I. На верхней ступени SLS планируется использование модернизированных RL-10C-3.
История двигателей серии SLS как основных компонентов ракеты началась в 2015 году на стендах Центра имени Стенниса, когда прошли первые успешные огневые испытания продолжительность 500 секунд. С тех пор у американцев все идет как по маслу – серия полноценных испытаний на полный полетный ресурс вселяет уверенность в работоспособности и надежность двигателей. Первый заместитель главы Директората NASA по разработке пилотируемых исследовательских систем Уильям Хилл сказал по этому поводу:
В ходе работ по двигателю были внесены изменения – носители первого и второго этапа оснастили твердотопливными бустерами (ускорителями), отчего модель получила имя Block IB. Верхняя ступень EUS получила кислородно-водородный двигатель J-2X, от которого в апреле 2016 года пришлось отказаться по причине большой доли новых элементов, которые были ранее не отработаны. Поэтому вернулись к старому доброму RL-10, который выпускался серийно и уже успел «налетать» более пятидесяти лет.
Надежность в пилотируемых проектах всегда ставится во главу угла, и не только в NASA. В официальных документах NASA упоминается: «Наилучшим образом требованиям соответствует связка из четырех двигателей класса RL-10. Установлено, что она оптимальна с точки зрения надёжности». Пятисекционный ускоритель прошел испытания в конце июня 2016 года и стал самым крупным на данный момент твердотопливным двигателем из когда-либо построенных для реальных ракет-носителей. Если его сравнивать с «Шаттлом», то он имеет стартовую массу в 725 тонн против 590 тонн, а тяга увеличена по сравнению с предком с 1250 тс до 1633 тс. А вот SLS Block II должны получить новые супермощные и сверхэкономичные ускорители. Есть три варианта. Это проект Pyrios от Aerojet Rocketdyne (бывшая Pratt&Whitney Rocketdyne), оснащенный двумя ракетными двигателями на кислороде и керосине тягой по 800 тс каждый. Это также не абсолютная инновация – «движки» сработаны на базе F-1, разработанного для первой ступени все того же Saturn V. Pyrios датируется 2012 годом, а спустя 12 месяцев Aerojet вместе с Teledyne Brown вовсю работает над жидкостным бустером с восемью кислородно-керосиновыми AJ-26-500. Тяга каждого может достигать 225 тс, а вот собраны они на базе российского НК-33.
Испытания кислородно-водородного двигателя RS-25 на стенде Центра имени Стенниса, Бэй Сент-Луис, Миссисипи, август 2015 года
И наконец, третий вариант двигателя для SLS представлен компанией Orbital ATK и выполнен в виде мощнейшего четырехсекционного твердотопливного ускорителя Dark Knight с тягой в 2000 тс. Но нельзя сказать, что в этой истории у американских инженеров все было совершенно гладко: очень многие компетенции и технологии были потеряны с закрытием проектов Apollo и Space Shuttle. Приходилось придумывать новые способы работы. Так, была внедрена сварка трением с перемешиванием для сборки топливных баков будущих ракет. Говорят, на заводе в Мичуде стоит самая большая машина для такой уникальной сварки. Также в 2016 году были проблемы с образованием трещин при изготовлении центрального блока, точнее, в баке жидкого кислорода. Но большинство трудностей удалось преодолеть.
Американцы постепенно возвращают своих астронавтов на околоземные орбиты и дальше. Возникает закономерный вопрос: зачем это делать, если роботы отлично справляются? Попытаемся ответить на это чуть позже.
Продолжение следует…
По материалам издания "Взлет".
Макет SLS в исследовательской аэродинамической трубе NASA
Но и это не вся компания разработчиков. За фундаментальные физические проблемы проекта отвечает Исследовательский центр имени Эймса, за характер полезных грузов ответственен Центр космических полетов имени Годдарда, а также Центр имени Гленна, занимающийся новыми материалами и разработкой обтекателей полезного груза. Программы исследований в аэродинамических трубах возложены на центр имени Лэнги, а испытания двигателей RS-25 и J-2X — на Космический центр имени Стенниса. И наконец, сборка центрального блока с главной двигательной установкой происходит на заводе в Мичуде.
Вся программа SLS разделена на три этапа, объединяемые несколькими моментами: жидкими кислородом и водородом в маршевых двигателях, а также многосекционным твердотопливным ускорителем. Первая ступень центрального блока (Core Stage) длиной 64,7 м и диаметром 8,4 м также будет единой для всех модификаций. Итак, первенец SLS Block I обладает эквивалентной массой полезной нагрузки в 70 тонн – необходимую тягу для такой тяжести обеспечивают четыре двигателя RS-25D. Собственно, этот первый вариант SLS предназначен для сертификации центрального блока и выполнения опытно-экспериментальных миссий. Разгонный блок представлен «временной криогенной верхней ступенью» ICPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage), построенной на основе второй ступени носителя Delta IV Heavy. Двигатель у ICPS один – RL-10B-2 с тягой в вакууме 11,21 тс. Даже в этом, самом «слабом» варианте Block I, ракета будет развивать стартовую тягу на 10% больше, чем легендарный Saturn V. Носитель второго типа получил имя SLS Block IA, а эквивалентная грузоподъемность этого гиганта должна быть уже под 105 тонн. Предусматривается два исполнения – грузовой и пилотируемый, которые должны вернуть американцев на сорок с лишним лет назад и наконец оправить человека снова за пределы низкой околоземной орбиты. Планы у NASA на эти аппараты самые скромные: в составе миссии EM-2 где-то в середине 2022 года облететь с экипажем Луну. Чуть раньше (середина 2020 года) планируется отправить астронавтов на окололунную орбиту на корабле Orion. Но это информация датируется летом 2018 года и до этого неоднократно корректировалась – так, по одному из проектов SLS должен был взмыть в небеса уже этой осенью.
SLS Block II – носитель с эквивалентной грузоподъемностью в 130 тонн, оснащен уже пятью двигателями RS-25D на центральном блоке, а также «исследовательской верхней ступенью» EUS (Exploration Upper Stage), которая, в свою очередь, имеет один-два двигателя J-2X тягой по 133,4 тс каждый. "Грузовик" на базе Block II отличается надкалиберным головным обтекателем диаметром сразу 10 метров. Это будут, если у США все сложится, истинные исполины: в финальном варианте ракеты стартовая тяга ракет будет на 1/5 превышать тягу Saturn V. И планы на серию Block II также крайне амбициозны — в 2033 году отправить на орбиту Марса пилотируемую миссию EM-11, которая будет странствовать по космосу не менее 2 лет. Но до этой знаменательной даты американцы планируют раз 7-8 слетать на лунную орбиту. Планирует ли NASA высадку астронавтов на Марс всерьез, никто не знает.
Испытания экспериментального криогенного ЖРД с регулируемой тягой CECE (Common Extensible Cryogenic Engine), который использовался по программе совершенствования RL-10, эксплуатировавшегося с 1962 года на ракетах Atlas, Delta iV, Titan и Saturn I. На верхней ступени SLS планируется использование модернизированных RL-10C-3.
История двигателей серии SLS как основных компонентов ракеты началась в 2015 году на стендах Центра имени Стенниса, когда прошли первые успешные огневые испытания продолжительность 500 секунд. С тех пор у американцев все идет как по маслу – серия полноценных испытаний на полный полетный ресурс вселяет уверенность в работоспособности и надежность двигателей. Первый заместитель главы Директората NASA по разработке пилотируемых исследовательских систем Уильям Хилл сказал по этому поводу:
«Мы утвердили проект SLS, успешно завершили первый раунд испытаний двигателей и ускорителей ракеты, а все основные компоненты системы для первого полета уже запущены в производство. Несмотря на возникавшие сложности, анализ результатов работ говорит об уверенности, что мы на верном пути к первому полету SLS и её использованию для расширения постоянного присутствия людей в дальнем космосе».
В ходе работ по двигателю были внесены изменения – носители первого и второго этапа оснастили твердотопливными бустерами (ускорителями), отчего модель получила имя Block IB. Верхняя ступень EUS получила кислородно-водородный двигатель J-2X, от которого в апреле 2016 года пришлось отказаться по причине большой доли новых элементов, которые были ранее не отработаны. Поэтому вернулись к старому доброму RL-10, который выпускался серийно и уже успел «налетать» более пятидесяти лет.
Надежность в пилотируемых проектах всегда ставится во главу угла, и не только в NASA. В официальных документах NASA упоминается: «Наилучшим образом требованиям соответствует связка из четырех двигателей класса RL-10. Установлено, что она оптимальна с точки зрения надёжности». Пятисекционный ускоритель прошел испытания в конце июня 2016 года и стал самым крупным на данный момент твердотопливным двигателем из когда-либо построенных для реальных ракет-носителей. Если его сравнивать с «Шаттлом», то он имеет стартовую массу в 725 тонн против 590 тонн, а тяга увеличена по сравнению с предком с 1250 тс до 1633 тс. А вот SLS Block II должны получить новые супермощные и сверхэкономичные ускорители. Есть три варианта. Это проект Pyrios от Aerojet Rocketdyne (бывшая Pratt&Whitney Rocketdyne), оснащенный двумя ракетными двигателями на кислороде и керосине тягой по 800 тс каждый. Это также не абсолютная инновация – «движки» сработаны на базе F-1, разработанного для первой ступени все того же Saturn V. Pyrios датируется 2012 годом, а спустя 12 месяцев Aerojet вместе с Teledyne Brown вовсю работает над жидкостным бустером с восемью кислородно-керосиновыми AJ-26-500. Тяга каждого может достигать 225 тс, а вот собраны они на базе российского НК-33.
Испытания кислородно-водородного двигателя RS-25 на стенде Центра имени Стенниса, Бэй Сент-Луис, Миссисипи, август 2015 года
И наконец, третий вариант двигателя для SLS представлен компанией Orbital ATK и выполнен в виде мощнейшего четырехсекционного твердотопливного ускорителя Dark Knight с тягой в 2000 тс. Но нельзя сказать, что в этой истории у американских инженеров все было совершенно гладко: очень многие компетенции и технологии были потеряны с закрытием проектов Apollo и Space Shuttle. Приходилось придумывать новые способы работы. Так, была внедрена сварка трением с перемешиванием для сборки топливных баков будущих ракет. Говорят, на заводе в Мичуде стоит самая большая машина для такой уникальной сварки. Также в 2016 году были проблемы с образованием трещин при изготовлении центрального блока, точнее, в баке жидкого кислорода. Но большинство трудностей удалось преодолеть.
Американцы постепенно возвращают своих астронавтов на околоземные орбиты и дальше. Возникает закономерный вопрос: зачем это делать, если роботы отлично справляются? Попытаемся ответить на это чуть позже.
Продолжение следует…
По материалам издания "Взлет".
- Евгений Федоров
- kiri2ll.livejournal.com, wikipedia.ru, nasa.gov, cezarium.com
- Супертяж SLS. Американские астронавты рвутся к Марсу. Часть 1
Информация