Die heroische Ära der Raumfähren geht zu Ende, und die Notwendigkeit, ein neues bewohnbares Raumschiff zu entwickeln, wird immer akuter - eines, das uns in den nächsten Jahrzehnten in völliger Sicherheit zur Mondoberfläche bringen wird und dann nach Hause zurückkehren.
Deja-Vu. Irgendwann um 2020, nach einer dreitägigen Reise, begann das neue bemannte Forschungsfahrzeug Orion, das dem alten Apollo so ähnlich ist, den Mond zu umkreisen. Jetzt ist niemand mehr darauf - Astronauten steigen mit dem Artemis-Lander zur Mondoberfläche ab
Höhe über dem Planeten - 300 km. Ein viersitziges Raumschiff schwebt zwischen dem bogenförmigen blauen Horizont und der sternenübersäten Dunkelheit des Weltraums. Wir schweben langsam in einer niedrigen Erdumlaufbahn. Wir schreiben das Jahr 2020 und wir sind bei einem völlig routinemäßigen Eingriff dabei. Plötzlich bricht eine Flammensäule aus dem Heck unseres Schiffes hervor - ein Manöver beginnt, das die Menschen schon lange nicht mehr gemacht haben - dieser Versuch wurde im Leben der meisten Menschen auf der Erde nicht einmal wiederholt. Ein Sprung nach vorn, und das Schiff senkt sich aus seiner ausgetretenen Umlaufbahn. Weitere fünf Minuten – und mit einer Geschwindigkeit von 40.000 km/h bricht das Schiff die Gravitationsbande, die es mit der Erde verbinden, und stürzt in die Dunkelheit des Weltraums.
Es dauerte 50 Jahre, bis die Piloten des letzten Jahrhunderts von romantischen Schals und Dosenbrillen zu den ersten Stiefelabdrücken im Staub des Meeres der Ruhe gelangten. Wir werden ein weiteres halbes Jahrhundert brauchen, um zum Mond zurückzukehren. Das Schiff, das wieder Menschen dorthin bringen wird, ist die Grundlage eines ehrgeizigen Projekts, dessen Zweck viel umfassender und bedeutsamer ist als nur symbolische Flaggen, die unsere Vorgänger auf dem Mond hinterlassen haben. Das Constellation-Programm, das von der NASA zur weiteren Erforschung des Weltraums gestartet wurde, sollte zur Schaffung eines langfristigen Außenpostens auf der Mondoberfläche führen - der Basis für eine Expedition zum Mars.
Im Jahr 1992, mit der ersten Taufe der Endeavour, der fünften und letzten Raumfähre, begann die NASA, über eine neue Generation bewohnbarer Raumfahrzeuge nachzudenken. 1996 beauftragte die Agentur Lockheed Martin mit der Entwicklung des einstufigen Orbitalraumschiffs X-33. Fünf Jahre später zwangen technische Schwierigkeiten zur Aufgabe dieses Projekts. Dann ging die NASA zu einem weniger ehrgeizigen Plan über, der Orbital Space Plane (OSP). In der Zwischenzeit veranlasste die zweite Space-Shuttle-Katastrophe, der Untergang der Columbia im Jahr 2003, die Agentur, ihr strategisches Programm vollständig zu überdenken. So wurde ein neues Konzept geboren – das „Manned Research Vehicle“(CEV).
Im September 2005, nachdem die NASA das gesamte Paket der ersten Vorschläge durchgesehen hatte, gab sie die Hauptliste der Designparameter bekannt. Die Öffentlichkeit, die die Entwicklung der Ereignisse aufmerksam verfolgte, war enttäuscht. Lockheed Martins Vorschlag für ein elegantes, hochmodernes Raumflugzeug wurde fallen gelassen. Es wurde beschlossen, ein neues Raumfahrzeug zu bauen, das nur gut erprobte Technologien verwendet. Die kurze und dicke Kapsel, die an eine Dose Eintopf erinnert, die die NASA der Öffentlichkeit zur Schau stellte, sah auf den ersten Blick aus wie eine Kopie des Apollo-Raumschiffs aus den fernen 1960er Jahren. Sogar der Booster wurde um Elemente des aktuellen Shuttles und Saturn-Booster aus der Zeit der ersten Mondflüge herum gebaut.
Gestützt auf bereits vorhandene technische Lösungen wollten die Entwickler den Zeitraum zwischen der Außerdienststellung des letzten Shuttles im Jahr 2010 und der Organisation der nächsten bemannten Expedition verkürzen. Diese Entscheidung löste eine hitzige Diskussion in der Luft- und Raumfahrtgemeinschaft aus. "Es sieht so aus, als hätte die NASA entschieden, dass sie es einfach wiederholen müssen, wenn das Apollo-Projekt reibungslos lief", sagt Charles Lurio, ein in Boston ansässiger Weltraumberater. Bert Rutan, Chefdesigner von SpaceShipOne, verglich das neue CEV mit einem versteinerten Fossil. „Um zum Mars und zu den Saturnmonden zu gelangen, muss man auf einen technischen Durchbruch setzen. Wenn wir dem von der NASA vorgeschlagenen Weg folgen, werden wir nichts Neues lernen.“
Auf der anderen Seite verteidigt Scott Horowitz, stellvertretender Administrator der Manned Systems Division der NASA, die Position der Agentur. „Wir müssen versuchen, innerhalb der bestehenden Beschränkungen zumindest etwas Vernünftiges zu tun – sowohl in Bezug auf die Bedingungen als auch auf das Geld und auf die Zeit.“
Das Ergebnis wird, wie NASA-Direktor Michael Griffin es ausdrückt, "derselbe Apollo sein, aber mit Steroiden aufgepeppt". Der Orion (neuer CEV) wird die gleiche konische Form wie der Apollo haben. Sein Durchmesser wird zwar eineinhalb Mal größer (ca. 5 m) und der bewohnbare Innenraum mehr als verdoppelt (10 m3). Somit kann er sechs Astronauten zur Orbitalstation oder vier direkt zum Mond bringen.
Aber Orion wird mehrere neue Tricks demonstrieren - wie automatisches Andocken ohne menschliches Eingreifen oder die Fähigkeit, sechs Monate lang autonom in der Mondumlaufbahn zu bleiben. Die gesamte Bordelektronik wird viele Male dupliziert (basierend auf der Avionik der Boeing 787) und wird trotz zweier gleichzeitiger Ausfälle in der Lage sein, das Gerät zur Erde zu bringen. Es ist geplant, dass alle elektronischen Geräte nach dem Konzept der "offenen Architektur" gebaut werden, was bedeutet, dass alle ihre Segmente leicht zu aktualisieren und zu modifizieren sind.
Diese oder andere Details zum neuen CEV-Konzept sickern seit einem Jahr durch die Medien, obwohl die eigentliche Designarbeit gerade erst beginnt. „Wir versuchen, alle möglichen Konsequenzen der Entscheidungen, die wir gerade treffen, in unseren Gedanken festzuh alten“, sagt Bill Jones, leitender Projektingenieur für das Orion-Projekt bei Lockheed Martin. „Ich bleibe nachts wach und versuche, alle Aspekte des Problems miteinander zu verknüpfen.“
Lassen Sie uns versuchen, die schwerwiegendsten Probleme, mit denen die Entwickler des Orion-Projekts konfrontiert sind, von innen zu betrachten.
Notfall-Rettungs-System
Die Astronauten, die mit den Space Shuttles flogen, hatten im Katastrophenfall fast keine Chance, ihr Schiff zu verlassen. Im Moment des Starts haben sie buchstäblich „ihr Leben aufs Spiel gesetzt“. Orion wird über der Trägerrakete installiert, das heißt, in diesem Fall wird es zumindest nicht von Trümmern überwältigt. Eine Rückkehr zum „vertikalen sequentiellen Layout“wird auch die Implementierung eines Notfallrettungssystems (LAS) ermöglichen, wenn im Störungsfall die gesamte Besatzungskapsel abgefeuert und in eine sichere Entfernung katapultiert wird. Laut der Agentur wird allein dieses System Orion zehnmal sicherer machen als das Space Shuttle.
Das LAS-System, das sich wie ein Handschuh über die Crew-Kapsel spannt, konzentriert sich darauf, in zwei der kritischsten Momente zu helfen – beim Start von der Startrampe und am „maximalen Q“-Punkt, also bei der Moment des größten Luftwiderstands, der etwa eine Minute nach dem Start bei Mach 2 und in einer Höhe von etwa 20 km auftritt.
Das Rettungssystem basiert auf einem Notmotor. Im Falle einer Problemsituation sch altet sich dieser Festbrennstoff-Jet-Traktor mit vier Düsen, die sich in der Nase selbst befinden und nach unten und zu den Seiten gerichtet sind, automatisch ein. Es wird nur zwei Sekunden lang in Betrieb sein, aber einen Schub von 225 Tonnen entwickeln – mehr als der Atlas-Booster, der einst John Glenn in die Umlaufbahn brachte. Für den Fall, dass gleich beim Start ein Unfall passiert, reißt dieser kurze Ruck mit einer Beschleunigung von 15 g den Orion von der Spitze der gesamten Struktur, holt ihn aus der feurigen Hölle (wenn der Träger explodiert) und beschleunigt auf eine Geschwindigkeit von 1000 km / h und wirft es bis zu einer Höhe von 2 km. In der Zwischenzeit werden acht Triebwerke, unterstützt von zwei kleinen aerodynamischen Rudern, Orion östlich von Cape Canaveral und in den offenen Ozean treiben, 1,5 Kilometer von der Küste entfernt. In 1200 m Höhe öffnen sich Fallschirme und mit ihrer Unterstützung lässt sich das Gerät neben den bereit stehenden Rettungsbooten sanft ins Wasser plumpsen.
Der Rettungsvorgang am Punkt "Maximum Q" ist etwas riskanter. Hier kommt ein gew altiger aerodynamischer Widerstand ins Spiel und die Druckwelle drückt die Mannschaftskapsel noch stärker gegen das dahinter befindliche Technikfach. Dennoch sind die NASA-Ingenieure zuversichtlich, dass die Kraft des Rettungssystems ausreicht, um die Kapsel sicher zurückzuziehen. Dann wird Orion sich selbst nivellieren, auf das Niveau dichterer Schichten der Atmosphäre fallen und in einer Höhe von 7,5 km werden sich seine Fallschirme öffnen.
Die Masse des gesamten Rettungssystems erreicht 6,3 Tonnen, was etwa 2/3 des Gewichts des Kopfmoduls entspricht. Das ist wahnsinnig teuer - vor allem, wenn es sich um ein System handelt, das höchstwahrscheinlich nie verwendet, sondern einfach abgeschossen wird, nachdem es in den Orbit gebracht wurde. Aber der Verlust der Challenger macht die NASA bereit, diesen Preis für die Sicherheit zu zahlen.
Hitzeschild
Die Tragödie des Columbia-Shuttles hat allen gezeigt, dass das Wärmeschutzsystem (TPS) eines Raumfahrzeugs eine Frage von Leben und Tod ist. Beim Wiedereintritt in die Atmosphäre ist das Raumfahrzeug starken Wärmeströmen ausgesetzt. Bei der Rückkehr von einer Expedition zum Mond wird Orion mit einer Geschwindigkeit von fast 40.000 km / h in die Atmosphäre stürzen, was 40% schneller ist als das Shuttle. In diesem Fall erhöht sich der Wärmefluss um das Fünffache und die Temperatur erreicht 23000 ° C.
Der Wärmeschutz des Apollo-Raumfahrzeugs wurde aus mit Kieselsäure gefülltem Epoxid hergestellt. Für die Rückversicherung wurde die Wärmeschutzschicht viermal dicker als erforderlich gemacht und wog 675 kg - 11 % des Gesamttrockengewichts des Schiffes.
Der aussichtsreichste Kandidat für die Rolle des Wärmeschutzes ist ablatives Material auf Basis von mit Kohlenstofffasern gefülltem Phenolharz (PICA). Dieses Material hat sich bereits bei hohen Geschwindigkeiten bewährt. Im vergangenen Jahr konnte ein Hitzeschutz aus PICA die Raumsonde Stardust schützen, die mit einer Geschwindigkeit von 46.000 km/h vom Kometen Wild-2 zurückkehrte. Das ist heute die höchste Geschwindigkeit, mit der je ein Gerät aus dem All zur Erde zurückgekehrt ist. Der Wärmeschutz des Orion-Schiffes wird 33-mal größer in der Fläche sein, er muss aus separaten Segmenten zusammengesetzt werden, was sicherlich seine eigenen, noch unbekannten Schwierigkeiten hinzufügt.
Anders als die Keramikfliesen, die in Raumfähren verwendet werden, sind PICA und andere Wärmedämmmaterialien, die derzeit getestet werden, ablativ. Solche Substanzen bieten nicht nur eine direkte Wärmeisolierung, sondern tragen auch zur Wärmeabfuhr durch Erhitzen und anschließendes Mitreißen aufgrund von Schmelzen, Verdampfen, Zersetzen und chemischer Erosion der heißen Oberflächenschicht bei, wobei sie einen erheblichen Teil ihrer eigenen Masse verlieren.
Wenn das Orion-Kopfmodul wiederholt verwendet werden soll, muss sein Hitzeschild vor jedem Flug komplett ausgetauscht werden. Dies stellt auch Ingenieure vor besondere Herausforderungen. Aber auch hier eröffnen sich neue Möglichkeiten – für weniger kritische Operationen – zum Beispiel für die Rückkehr aus erdnahen Umlaufbahnen – kann ein dünnerer und leichterer Bildschirm verbaut werden. Was das Landesystem sein wird, ist noch nicht entschieden, aber als letzter Ausweg können im Endstadium die Reste des Hitzeschildes abgeworfen werden - allerdings ist das an sich auch kein so einfaches Unterfangen.
Ins Wasser spritzen oder auf Land schlagen
Apollo wurde, wie vor Gemini und Merkur, direkt ins Wasser gesetzt. Die Landung im Wasser erfordert den Einsatz einer großen Flotte von Rettungsschiffen, außerdem ist die korrosive Wirkung von salzigem Meerwasser auf den Apparat nicht ermutigend. Infolgedessen tendiert die NASA jetzt zur Bodenlandungsoption. In den letzten vierzig Jahren sind russische Raumfahrzeuge wie die Sojus-Abstiegskapsel hundertmal erfolgreich auf festem Boden gelandet, aber dies ist völliges Neuland für die NASA.
Die Rückkehr von einer Mondexpedition mit einer Landung auf amerikanischem Boden stellt die Entwickler vor ein komisches Problem. Am energieeffizientesten ist aus ballistischen Gründen der Korridor zwischen dem 18. und 28. Breitengrad. Um zu einem von einem halben Dutzend Landeplätzen im Westen der Vereinigten Staaten zu gelangen, muss der Orion auf besondere Weise manövrieren, die Flugrichtung ändern und dann eine ganze Weile „springen“und sich von der oberen Schicht abstoßen der Erdatmosphäre, wie ein flacher Kieselstein, wenn sie "Pfannkuchen" auf die Oberfläche eines ruhigen Teiches geschleudert werden.
Der Schwerpunkt des Schiffes wird leicht von seiner Symmetrieachse weg verschoben, damit es beim Rücklauf einer leichten Neigung gegenüber der Anströmung standh alten kann. Aufgrund dieses "Anstellwinkels" sollte ein geringer Auftrieb vorhanden sein. Durch die Steuerung der Rolle kann das Team die Richtung dieses Auftriebs steuern und somit die Abstiegs- oder Aufstiegsgeschwindigkeit steuern. Nachdem Orion mehrere tausend Kilometer am oberen Rand der Atmosphäre entlang geritten ist, wird er schließlich die Vereinigten Staaten erreichen.
„Diese Rennen sind ein riskantes Geschäft“, sagt Jones von Lockheed. „Konservative, die am Apollo-Programm festh alten, haben daran starke Zweifel.“Allerdings war dieses Manöver bereits einige Male in den 1960er Jahren bei der Rückkehr sowjetischer unbemannter Mondsonden versucht worden. Jetzt haben Wissenschaftler eine viel genauere Vorstellung von all den Kräften, die auf das Raumschiff einwirken.
Erschreckend ist auch die mögliche Notwendigkeit, bei starkem Wind oder auf unebenem Gelände zu landen. In der Geschichte des sowjetischen Raumfahrtprogramms kam es mehrmals zu Fehlschlägen bei der Landung auf dem Boden - manchmal führten sie zu Verletzungen von Astronauten. Zum Vergleich: Eine problematische Situation bei der Landung auf dem Wasser trat nur einmal auf - in der Abstiegskapsel des zweiten Mercury-Apparats zündete die Luke vorzeitig, und der Astronaut Gus Grissom schaffte es kaum, aus dem sinkenden Apparat herauszukommen.
Die meisten Ingenieure sind sich all dieser Schwierigkeiten bewusst und glauben immer noch, dass die Landung an Land das Risiko wert ist, also wird dieses Szenario als Hauptszenario gewählt. Barry Meredith, Orion-Programmmanager am NASA-Forschungszentrum. Langley fügt hinzu: „Wir unternehmen jedoch nichts, was die Entwicklung der Wasserlandeoption beeinträchtigen könnte. Am Ende kommen wir vielleicht darauf zurück.“
Lebenszyklus
Wasser ist weich, Erde ist hart. Hier liegt die Wurzel des Problems, mit dem die NASA konfrontiert ist - schließlich muss ein an einem Fallschirm aufgehängtes Gerät mit einer Geschwindigkeit von 30 km / h auf den Boden knallen. Nachdem die NASA die Idee aufgegeben hat, unter dem Schiffsbauch ein energieabsorbierendes „Sandwich“von 40 Zentimetern zu bilden (dafür war nicht genügend Platz im Raumschiff vorhanden), erwägt die NASA nun zwei Alternativen.
Erste - Bremsraketen (wie bei der Sojus) plus eine dünne energieabsorbierende Schicht (deren Design noch nicht entschieden ist). Obwohl das System der Retrorockets im russischen Raumfahrtprogramm wiederholt in der Praxis getestet wurde, hat innerhalb der Mauern der NASA auch die Idee, solche Raketen auf Orion zu installieren, für Diskussionen gesorgt. Eine Partei besteht darauf, dass die Raketen, wie in der russischen Version, entlang des Umfangs des Bodens platziert werden sollten. Andere glauben, dass der Platz für die Raketen oben ist, wo die Fallschirmleinen befestigt sind. Solange die Ersten gewinnen.
" Bremsraketen sind eine sehr massesparende Lösung", sagt James Corliss, Leiter der Landesystementwicklung beim Projekt Orion. Vier bis sechs Festtreibstoff-Bremsraketen (mit einer Gesamtmasse von nur 90 kg) zünden kurz vor der Bodenberührung und geben innerhalb einer halben Sekunde einen Schub von 16 Tonnen ab, wodurch Orion buchstäblich einfrieren sollte über dem Boden selbst, und eine dünne stoßdämpfende Schicht löscht bereits die letzten Reste kinetischer Energie.
Das zweite, weniger verbreitete Design von Landesystemen beinh altet die Installation riesiger Airbags, die mit komprimiertem Stickstoff in einer Höhe von etwa 300 m über dem Boden aufgeblasen werden. Ein solches System wurde 2004 erfolgreich eingesetzt, um einen Rover der NASA weich auf der Marsoberfläche zu landen. Bei einer solchen Landung prallt das von allen Seiten durch Airbags geschützte Gerät mehrmals wie ein Basketball auf und friert dann an der Oberfläche ein.
Das ist gut für Sonden, aber nicht für ein bemanntes Raumschiff. Die Airbags von Orion müssen Ventile haben, die das Gas beim Aufprall teilweise freisetzen. Dann springt Orion nicht, sondern setzt sich sanft auf etwas, das einer leicht aufgeblasenen Luftmatratze ähnelt. Corliss schlägt vor, dass sechs bis acht zylindrische oder konische Zylinder mit einer Höhe von etwa 120 cm, die in Reihen unter dem Boden des Geräts verstärkt sind, ausreichen werden.
Die NASA wird seit langem von allerlei Märchen über die grandiosen Vorteile wiederverwendbarer Raumfahrzeuge heimgesucht. Anfangs sollte jedes Space Shuttle hundert Flüge machen, irgendwann plante die NASA 60 Expeditionen pro Jahr zu organisieren. Das hat natürlich nicht geklappt. In einem Kalenderjahr gab es nicht mehr als neun Starts. Dadurch konnten die wirtschaftlichen Vorteile dieses Konzepts nicht realisiert werden. Wenn die Shuttles endgültig auslaufen, wird der Gesamtbetrag der dafür ausgegebenen Gelder 115 Milliarden US-Dollar erreichen. Das bedeutet, dass jeder Shuttle-Flug durchschnittlich fast 1 Milliarde US-Dollar kostet. Orion-Programm“, sagt John Meredith, Co-Leiter des Orion-Programms bei der Orion-Forschungszentrum. Langley.
In Sachen Wiederverwendbarkeit wirkt Orion deutlich bescheidener als sein Vorgänger. Das Servicemodul, der Wärmeschutz des bewohnbaren Moduls und das Notfallrettungssystem müssen nach jedem Flug ausgetauscht werden. Es ist möglich, dass das Landesystem teilweise einer wiederverwendbaren Verwendung standhält - es hängt davon ab, wie sein Design weitergeht. Die Abstiegskapsel des Raumfahrzeugs sollte jedoch nach der Wartung für die nächsten Flüge geeignet sein. Laut Jim Jeffrey, Chefanalyst und Stratege für das Orion-Programm, führt dies zu Einsparungen von 20-30 % im Vergleich zu einem vollständig wegwerfbaren Design, wenn die Abstiegskapsel auch nur 5-10 Mal verwendet werden kann.
Die vollständige kritische Überprüfung des Orion-Projekts ist für Juli 2009 geplant – von diesem Moment an gelten alle technischen Lösungen als genehmigt und können nicht mehr geändert werden. Und jetzt, und bis zum kritischen Moment, brodelt ein komplexer und reichh altiger Prozess kollektiver Kreativität – endlose Meetings, mitternächtliche Brainstorming-Sitzungen, unaufhörliches Hämmern auf Computertastaturen und hitzige Diskussionen in Raucherzimmern und in der Nähe von Getränkeautomaten. „Es ist ein wunderschöner Anblick“, sagt Meredith, „mit so vielen klaren Köpfen, die gleichzeitig arbeiten.“
