NASA зерттеуі: Айға және Марсқа қадамдар тарихы

Кіріспе

NASA зерттеуі

Exploration Systems Architecture Study (ESAS) – Ұлттық аэронавтика және ғарыш басқармасының (NASA) 2005 жылғы қарашада жарияланған, ғарышкерлерді Айға және соңында Марсқа қайтару мақсатын көздеген, кең ауқымды жүйелік зерттеудің ресми атауы. Бұл зерттеу «Ғарыш зерттеуінің көрінісі» деп белгілі (ал кейбір аэроғарыш салаларында «Ай, Марс және одан әрі» деп аталады, бірақ экипаждық «одан әрі» бағдарламаның нақты ерекшеліктері әлі анықталған жоқ). Constellation бағдарламасы 2010 жылы Обама әкімшілігі тарапынан тоқтатылып, Space Launch System жүйесімен алмастырылды, кейіннен 2017 жылы Трамп әкімшілігі кезінде Artemis бағдарламасы деп қайта аталды.

Қолданылу аясы

NASA әкімшісі Майкл Гриффин өзінің алдыңғы шебері Шон О’Кифтің бастапқыда жоспарланған экипаждық зерттеу көлігін (қазіргі Орион MPCV) сатып алу стратегиясына бірқатар өзгерістер енгізуді тапсырды. Гриффиннің жоспарлары екі бәсекелес команданың қатарластырылған жоспарларына қарағанда, Планеталық қоғам үшін жасалған зерттеудің бөлігі ретінде оның өзі әзірлеген дизайнын жақтырды. Бұл өзгерістер «Зерттеу жүйелерінің архитектуралық зерттеуі» (Exploration Systems Architecture Study) деп аталған ішкі зерттеуде ұсынылды, ал оның нәтижелері 2005 жылдың 19 қыркүйегінде Вашингтондағы NASA штаб-пәтерінде өткен баспасөз конференциясында ресми түрде таныстырылды. ESAS CEV-тің дамуын үдету және Constellation жобасын іске асыру бойынша бірқатар ұсыныстарды қамтыды, соның ішінде 2012 жылдың басында CEV-мен экипаждық ұшу стратегиясы және CEV-тің жүк нұсқаларын пайдалана отырып Халықаралық ғарыш станциясына (МКС) қызмет көрсету әдістері. Бастапқыда 2005 жылдың 25 шілдесінде «Дискаверидің ұшуға оралу» миссиясынан кейін жариялануы жоспарланған ESAS-тың жариялануы 19 қыркүйекке дейін кейінге қалдырылды, себебі жоспардың ұсынылымын нашар бағалау және Басқару және Бюджет кеңсесінен келген қарсылықтар болды. Оның ішінде ғарыш айлағының қатты отынды күшөткішінен туындаған, кейіннен тоқтатылған Ares I, CEV-ді ұшыруға арналған, сондай-ақ SRB және айлақтың сыртқы бакінен пайдаланылатын, Жерден шығу сатысын және Айға түсу модулін ұшыруға арналған, Ares V деп аталған күшті көтеру құралы (бұл дизайн Ғарыш ұшыру жүйесі үшін қайта пайдаланылды) бар еді. Жүк көтеру құралының (SDLV) қуаты Төмен Жер орбитасына (LEO) 125-130 тоннаға дейін жүк тасымалдауға жетеді. SDLV бір ұшырылымда EELV нұсқасына қарағанда әлдеқайда көп жүк көтеруге мүмкіндік береді. Экипаж CEV-де Шатлдың қатты отынды күшөткішінің бес сегменттік нұсқасының үстінде және Шатлдың сыртқы бакіне негізделген жаңа сұйық отынды жоғарғы сатысында ұшырылатын болады. Бастапқыда Space Shuttle негізгі қозғалтқышының бір реттік нұсқасымен қуаттандыру жоспарланған, бірақ кейіннен ол J 2 зымыран қозғалтқышының (J 2X деп аталады) жаңартылған және күшейтілген нұсқасына ауыстырылды, ол Saturn IB және Saturn V зымырандарының S IVB жоғарғы сатыларында қолданылған. Бұл күшөткіш Төмен Жер орбитасына 25 тоннаға дейін жүк шығара алады. Күшөткіште адаммен сынақтан өткен компоненттер пайдаланылады. Жүк Space Shuttle-дың ауыр көтеру нұсқасында, яғни күшөткіштің үстіне жүк орналастырылатын «тікелей» күшөткіште ұшырылатын болады. Тікелей нұсқасында бастапқыда ядролық сатыда бес SSME болған, бірақ кейіннен олар Delta IV Heavy зымыранында қолданылатын бес RS 68 зымыран қозғалтқышына ауыстырылды, бұл жоғары итермелеу және төмен шығындарды қамтамасыз етті, соның салдарынан ядроның жалпы диаметрі сәл ұлғайтылды. Екі кеңейтілген бес сегменттік SRB RS 68 қозғалтқыштарына Жерден шығу сатысын (EDS) және LEO-ға жүк шығаруға көмектеседі. Ол LEO-ға 125 тоннаға дейін жүк көтере алады және бір ұшырылымға 540 миллион долларға бағаланған. Кеннеди ғарыш орталығындағы инфрақұрылым, соның ішінде Көлік құрастыру ғимараты (VAB) және LC 39A және 39B шатлдардың ұшыру алаңдары сақталды және болашақ алып зымырандардың қажеттіліктеріне бейімделді. Жаңа LC 39C алаңы кейіннен LC 39D немесе LC 34 немесе LC 37A алаңдарын салу мүмкіндігімен, шағын зымырандарды қолдау үшін жасалды, бұл алаңдар жақын маңдағы Кейп-Канаверал әуе күштері базасында Saturn IB зымыранымен ертедегі Аполлонның Жер орбиталық миссиялары үшін пайдаланылған.

NASA Administrator Michael Griffin ordered a number of changes in the originally planned Crew Exploration Vehicle (now Orion MPCV) acquisition strategy designed by his predecessor Sean O'Keefe. Griffin's plans favored a design he had developed as part of a study for the Planetary Society, rather than the prior plans for a Crew Exploration Vehicle developed in parallel by two competing teams. These changes were proposed in an internal study called the Exploration Systems Architecture Study, whose results were officially presented during a press conference held at NASA Headquarters in Washington, D. C., on September 19, 2005. The ESAS included a number of recommendations for accelerating the development of the CEV and implementing Project Constellation, including strategies for flying crewed CEV flights as early as 2012 and methods for servicing the International Space Station (ISS) without the use of the Space Shuttle, using cargo versions of the CEV. Originally slated for release as early as July 25, 2005, after the "Return to Flight" mission of Discovery, the release of the ESAS was delayed until September 19, reportedly due to poor reviews of the presentation of the plan and some resistance from the Office of Management and Budget. one derived from the space shuttle's solid rocket booster which would become the now cancelled Ares I to launch the CEV, and an in line heavy lift vehicle using SRBs and the shuttle's external tank to launch the Earth Departure Stage and Lunar Surface Access Module which was known as Ares V (this design was reused for the Space Launch System). The performance of the Cargo Shuttle Derived Launch Vehicle (SDLV) would be 125 to 130 metric tons to Low Earth Orbit (LEO). A SDLV would allow a much greater payload per launch than an EELV option. The crew would be launched in the CEV atop a five segment derivative of the Shuttle's Solid Rocket Booster and a new liquid propellant upper stage based on the Shuttle's External Tank. Originally to be powered by a single, throw away version of the Space Shuttle Main Engine, it was later changed to a modernized and uprated version of the J 2 rocket engine (known as the J 2X) used on the S IVB upper stages used on the Saturn IB and Saturn V rockets. This booster would be capable of placing up to 25 tons into low Earth orbit. The booster would use components that have already been man rated. Cargo would be launched on a heavy lift version of the Space Shuttle, which would be an "in line" booster that would mount payloads on top of the booster. The in line option originally featured five throw away versions of the SSMEs on the core stage, but was changed later to five RS 68 rocket engines (currently in use on the Delta IV Heavy rocket), with higher thrust and lower costs, which required a slight increase in the overall diameter of the core. Two enlarged five segment SRBs would help the RS 68 engines propel the rocket's second stage, known as the Earth Departure Stage (EDS), and payload into LEO. It could lift about 125 tons to LEO, and was estimated to cost $540 million per launch. The infrastructure at Kennedy Space Center, including the Vehicle Assembly Building (VAB) and Shuttle launch pads LC 39A and 39B was maintained and adapted to the needs of future giant launch vehicle. The new pad LC 39C was later constructed to support small launch vehicles with the option of constructing LC 39D or resurrecting the former LC 34 or LC 37A pads at the nearby Cape Canaveral Air Force Station used by the Saturn IB for the early Apollo earth orbital missions.

CEV конфигурациясы

ESAS 2014 жылға дейін экипажды CEV ұшу стратегияларын ұсынды және Ай орбитасында кездесу әдісін мақұлдады. CEV-тің ЖЖС (LEO) нұсқалары төрт-алты экипаж мүшесін ХҒС (ISS)-ке жеткізер еді. CEV-тің Айға арналған нұсқасы төрт адамды, ал Марсқа арналған нұсқасы алты адамды тасымалдайтын болар еді. Жүктерді ресейлік "Прогресс" жүк кемелеріне ұқсас, экипажсыз CEV нұсқасында тасымалдауға болады. Lockheed Martin компаниясы НАСА-ның CEV-ге арналған бас мердігері ретінде таңдалды. Бұл аппарат ақырында Orion MPCV болып, 2014 жылы алғашқы ұшуын (EFT 1), 2022 жылы алғашқы экипажды ұшуын (Artemis 2) және 2024 жылы алғашқы Айға қону ұшуын (Artemis 3) жүзеге асырады. Терең ғарыш миссияларын қолдау және ХҒС экипажын алмастыру үшін тек бір нұсқасы жасалды, бұл жұмыстарды Коммерциялық Экипаж бағдарламасы жүзеге асырады. CEV-тің қайта кіру модулінің салмағы шамамен 12 тоннаны құрайды – бұл "Аполлон" командалық модулінің салмағынан екі есе көп. "Аполлон" сияқты, CEV Viking типті жылу қалқанымен жабдықталған капсула болады, ол "Шаттл" сияқты көтергіш немесе қанатты аппарат емес. Ол ресейлік "Союз" ғарыш кемесі сияқты суға емес, құрлыққа қонады. Салмақты азайту мақсатында бұл жерге қонуға өзгертілді, ал CST 100 Starliner құрлыққа қонуға арналған алғашқы американдық ғарыш кемесі болады. Мүмкін болатын қону аймақтарына Калифорния штатындағы Эдвардс әуе күштері базасы, Невада штатындағы Карсон Флэтс (Карсон Синк) және Вашингтон штатындағы Мозес көлінің маңындағы аймақ кіреді. Батыс жағалауға қону, қайта кіру траекториясының көп бөлігін халық тығыз қоныстанған аймақтардың үстінен емес, Тынық мұхиты арқылы өтуге мүмкіндік береді. CEV әр пайдаланудан кейін тасталатын аблативті (Аполлон сияқты) жылу қалқанын пайдаланады, ал CEV-тің өзі шамамен 10 рет қайта пайдаланылуы мүмкін. Ай бетіндегі уақыт өткеннен кейін, экипаж LSAM-нің көтерілу сатысында Ай орбитасына оралады. LSAM CEV-ке қосылады. Экипаж CEV-ке қайтып оралып, LSAM-ді тастап, содан кейін CEV-тің қозғалтқышы экипажды Жерге бағыттайды. Содан кейін, "Аполлон" сияқты, қызмет көрсету модулі тасталып, CEV үш парашют жүйесі арқылы қонуға түседі. Ақырында, НАСА демеушілігімен Айдың оңтүстік полюсіне жақын жерде Ай бекеті салынады. Бірақ бұл шешім әлі қабылданбады және зерттеу жобасына халықаралық және коммерциялық қатысуға байланысты болады. "Артемида" бағдарламасы 2028 жылға қарай шағын халықаралық Ай бекетін құруды жоспарлап отыр.

The ESAS recommended strategies for flying the crewed CEV by 2014, and endorsed a Lunar Orbit Rendezvous approach to the Moon. The LEO versions of the CEV would carry crews four to six to the ISS. The lunar version of the CEV would carry a crew of four and the Mars CEV would carry six. Cargo could also be carried aboard an uncrewed version CEV, similar to the Russian Progress cargo ships. Lockheed Martin was selected as the contractor for the CEV by NASA. This vehicle would ultimately become the Orion MPCV with its first flight in 2014 (EFT 1), its first crewed flight in 2022 (Artemis 2), and first lunar landing flight in 2024 (Artemis 3). Only one version of the vehicle was constructed to support deep space missions with ISS crew transfers being handled by the Commercial Crew Program. The CEV re entry module would weigh about 12 tons—almost twice the mass of the Apollo Command Module—and, like Apollo, would be attached to a service module for life support and propulsion (European Service Module). The CEV would be an Apollo like capsule, with a Viking type heat shield, not a lifting body or winged vehicle like the Shuttle was. It would touch down on land rather than water, similar to the Russian Soyuz spacecraft. This would be changed to splashdown only to save weight, the CST 100 Starliner would be the first US spacecraft to touchdown on land. Possible landing areas that had been identified included Edwards Air Force Base, California, Carson Flats (Carson Sink), Nevada, and the area around Moses Lake, Washington state. Landing on the west coast would allow the majority of the reentry path to be flown over the Pacific Ocean rather than populated areas. The CEV would use an ablative (Apollo like) heat shield that would be discarded after each use, and the CEV itself could be reused about 10 times.<! After the time on the lunar surface had been spent, the crew would return to lunar orbit in the ascent stage of the LSAM. The LSAM would dock with the CEV. The crew would return to the CEV and jettison the LSAM, and then the CEV's engine would put the crew on a course for Earth. Then, much like Apollo, the service module would be jettisoned and the CEV would descend for a landing via a system of three parachutes. Ultimately a NASA sponsored lunar outpost would be built, possibly near the Moon's south pole. But this decision had not yet been taken and would depend on potential international and commercial participation in the exploration project. The Artemis Program hopes to set up a small international lunar outpost by 2028

Марсқа дейін

Қабылданатын CEV-тердің кеңейтілмелігі және метан отынымен жұмыс істейтін қозғалтқыштармен жабдықталған қондырғы, Марс миссиялары үшін мағыналы аппараттық сынақтарды Ай бетінде жүргізуге мүмкіндік берді. Марсқа бағытталған миссиялардың егжей-тегжейлі жоспарлауы 2020 жылдан басталып, Ай ISRU-ын пайдалануды және "қосылу классы" болуын қамтиды, яғни Венерадан жанынан өтіп, Марс бетінде 20-40 күн өткізудің орнына, экипаж тікелей Марсқа және кері жолға барып, Марсты зерттеуге 500-600 күн жұмсайды. Дегенмен, ESAS-қа қатысты негізгі сын қауіпсіздік және құн бағалауларына байланысты болды. Авторлар Delta IV Heavy-дің сәтсіздік деңгейін бағалау үшін Titan III және IV-нің ұшыру сәтсіздіктерін пайдаланды. Titan өз ядролық сатысын ертедегі баллистикалық ракетадан, ірі сегменттелген қатты отын күшейткіштерімен және бұрын әзірленген сутек отынымен жұмыс істейтін жоғарғы сатысымен біріктірді. Бұл күрделі көлік құралы және салыстырмалы түрде жоғары сәтсіздік деңгейіне ие болды. Керісінше, Delta IV Heavy – "жаңадан құрылған" дизайн, әлі де қолданыста, және тек сұйық отынды пайдаланды. Сонымен қатар, Ares I-нің сәтсіздік деңгейін бағалау үшін Шатл SRB-нің сәтсіздік деңгейі қолданылды, бірақ Challenger-дің жоғалуынан кейінгі ұшырулар ғана ескерілді және әрбір Шатл ұшыруы Ares-тің екі сәтті ұшырылуы деп саналды, тіпті Шатл SRB-де бағытталған басқару немесе айналуды басқару жүйелері болмаса да. Delta IV қазіргі уақытта Кеп-Канаверал әуе күштері станциясының 37 кешенінен ұшырылады, ал өндіруші United Launch Alliance адамдарды ұшыруды сол жерден жүзеге асыруды ұсынды. Алайда, құн бағалау кезінде ESAS барлық бәсекелес жобалардың 39-шы ұшыру кешенінен ұшырылуы керек деп болжады, сондай-ақ оларды орналастыру үшін Көлік құралын құрастыру ғимараты, жылжымалы ұшыру платформалары және А және В алаңдарына өзгерістер енгізілуі керек екенін ұсынды. LC 39 нысандары 37 кешеніндегі заманауи нысандарға қарағанда әлдеқайда үлкен, күрделі, ескі және күтіп ұстауға қымбат, сонымен қатар горизонтальды интеграцияланған және отынсыз тасымалданатын Delta үшін толығымен қолайсыз. Бұл болжам есепте негізделмеген және Delta IV-тің күтілетін операциялық құнын айтарлықтай арттырды. Соңында, 2011 жылы Delta IV-те Orion-ның пилотсыз сынағын жүргізу туралы шешім ESAS-тың бұл мүмкін емес деген қорытындысына тікелей қайшы келеді.

The use of scalable CEVs and a lander with methane fueled engines meant that meaningful hardware testing for Mars missions could be done on the Moon. The eventual Mars missions would start to be planned in detail around 2020 and would include the use of Lunar ISRU and also be "conjunction class", meaning that rather than doing a Venus flyby and spending 20–40 days on the Martian surface, the crew would go directly to Mars and back and spend about 500–600 days exploring Mars.<! However, the primary criticism of the ESAS was based on its estimates of safety and cost. The authors used the launch failure rate of the Titan III and IV as an estimate for the failure rate of the Delta IV heavy. The Titan combined a core stage derived from an early ICBM with large segmented solid fuel boosters and a hydrogen fueled upper stage developed earlier. It was a complex vehicle and had a relatively high failure rate. In contrast, the Delta IV Heavy was a "clean sheet" design, still in service, which used only liquid propellant. Conversely, the failure rate of the Shuttle SRB was used to estimate the failure rate of the Ares I, however only launches subsequent to the loss of Challenger were considered, and each shuttle launch was considered to be two successful launches of the Ares even though the Shuttle SRBs do not include systems for guidance or roll control. The Delta IV is currently launched from Cape Canaveral Air Force Station Complex 37, and the manufacturer, United Launch Alliance, had proposed launching human flights from there. However, in the estimation of costs, the ESAS assumed that all competing designs would have to be launched from Launch Complex 39, and that the Vehicle Assembly Building, Mobile launcher Platforms and pads A and B would have to be modified to accommodate them. The LC 39 facilities are much larger, more complex, older, and more expensive to maintain than the modern facilities at Complex 37 and are entirely inappropriate for the Delta, which is integrated horizontally and transported unfueled. This assumption was not justified in the report and greatly increased the estimated operational cost for the Delta IV. Finally, the decision in 2011 to add an uncrewed test of the Orion on a Delta IV clearly contradicts the ESAS conclusion that this was infeasible.

АҚШ-тың ғарышқа ұшу жоспарларын қарау комитеті

Америка Құрама Штаттарының адаммен бірге ғарышқа ұшу жоспарларын қарау комитеті (HSF комитеті, Августин комиссиясы немесе Августин комитеті деп те аталады) – бұл NASA-ның Ғылым және технология саясаты кеңсесінің (OSTP) өтініші бойынша құрылған топ, елдің адаммен бірге ғарышқа ұшу жоспарларын қарап, "ғарыштағы ең батыл мақсаттарға жетудің күшті және тұрақты жолын" қамтамасыз ету мақсатында жұмыс істеді. Бұл сараптама OSTP тарапынан 2009 жылдың 7 мамырында жарияланды. Ол NASA ғарыш кемесін зейнеткерлікке шығаруды жоспарлағаннан кейінгі адаммен бірге ғарышқа ұшу мүмкіндіктерін қамтыды. Сараптаманың қорытынды есебі 2009 жылдың 8 қыркүйегінде OSTP директоры Джон Холдренге, Ақ үйдің Ғылым және технология саясаты кеңсесіне (OSTP) және NASA әкімшісіне ұсынылды. Сараптамаға кеткен шығынның шамамен 3 миллион АҚШ долларын құрауы күтілді. Комитет 180 күн бойы жұмыс істеуге жоспарланған еді, ал есеп 2009 жылдың 22 қазанында жарияланды. Комитет 9 жылдан бері жүзеге асырылып келе жатқан "Констелляция" бағдарламасын кешіктірілген, жеткіліксіз қаржыландырылған және бюджеттен асып кеткен деп бағалады, сондықтан оның ешбір мақсатына қол жеткізу мүмкін емес еді. Президент Обама 2010 жылғы бюджеттен бағдарламаны алып тастап, оны тиімсіз деп тоқтатты. Бағдарламаның бір бөлігі – Орион экипаждық капсуласы жоспарға қайта қосылды, бірақ апат жағдайында станция экипаждарын Жерге қайтару үшін Ресейдің "Союз" кемесіне көмек ретінде құтқару құралы ретінде пайдаланылуы тиіс еді. Адаммен бірге ғарышқа ұшудың ұсынылған "соңғы мақсаты" екі негізгі талапты қамтиды: (1) физикалық тұрақтылық және (2) экономикалық тұрақтылық. Комитет үшінші талапты қосты: маңызды ұлттық мақсаттарға жету. Оларға халықаралық ынтымақтастық, жаңа салаларды дамыту, энергия тәуелсіздігі, климаттың өзгеруін азайту, ұлттық бедел және т.б. кіруі мүмкін. Сондықтан, идеалды бағыт өмірді қамтамасыз ету үшін су сияқты ресурстарға (сонымен қатар тыныс алу үшін оттегі және ракеталық отын үшін оттегімен біріктірілетін сутегі), сондай-ақ ғарыш құрылысына пайдалы және өнеркәсіптік металдар мен басқа да ресурстарға ие болуы керек, және кейбір жағдайларда оларды Жерге қайтарудың мағынасы болуы мүмкін (мысалы, астероидтерді өңдеу).

The Review of United States Human Space Flight Plans Committee (also known as the HSF Committee, Augustine Commission, or Augustine Committee) was a group convened by NASA at the request of the Office of Science and Technology Policy (OSTP), to review the nation's human spaceflight plans to ensure "a vigorous and sustainable path to achieving its boldest aspirations in space." The review was announced by the OSTP on May 7, 2009. It covered human spaceflight options after the time NASA had planned to retire the Space Shuttle. A summary report was provided to the OSTP Director John Holdren, White House Office of Science and Technology Policy (OSTP), and NASA Administrator on September 8, 2009. The estimated cost associated with the review was expected to be US$3 million. The committee was scheduled to be active for 180 days; the report was released on October 22, 2009. The Committee judged the 9 year old Constellation program to be so behind schedule, underfunded and over budget that meeting any of its goals would not be possible. President Obama removed the program from the 2010 budget effectively canceling the program. One component of the program, the Orion crew capsule was added back to plans but as a rescue vehicle to complement the Russian Soyuz in returning Station crews to Earth in the event of an emergency. The proposed "ultimate goal" for human space flight would appear to require two basic objectives: (1) physical sustainability and (2) economic sustainability. The Committee adds a third objective: to meet key national objectives. These might include international cooperation, developing new industries, energy independence, reducing climate change, national prestige, etc. Therefore, the ideal destination should contain resources such as water to sustain life (also providing oxygen for breathing, and hydrogen to combine with oxygen for rocket fuel), and precious and industrial metals and other resources that may be of value for space construction and perhaps in some cases worth returning to Earth (e. g., see asteroid mining).