Исследование архитектуры систем освоения космоса NASA (Исследование ESAS)

Введение

Исследование NASA

Исследование архитектуры систем исследования (ESAS) — официальное название масштабного системного исследования, опубликованного Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) в ноябре 2005 года. Его целью было возвращение астронавтов на Луну, а затем и на Марс – инициатива, известная как «Видение космических исследований» (и неофициально как «Луна, Марс и далее» в некоторых аэрокосмических кругах, хотя детали пилотируемой программы «далее» остаются неясными). Программа «Созвездие» была отменена администрацией Обамы в 2010 году и заменена Системой космического запуска, которая позднее, в 2017 году при администрации Трампа, была переименована в программу «Артемида».

Область применения

Администратор НАСА Майкл Гриффин отдал распоряжение внести ряд изменений в первоначально запланированную стратегию приобретения экипажной исследовательской машины (теперь Orion MPCV), разработанную его предшественником Шоном О’Кифом. Планы Гриффина склонялись к конструкции, разработанной им в рамках исследования для Планетарного общества, а не к предыдущим планам для экипажной исследовательской машины, разработанным параллельно двумя конкурирующими командами. Эти изменения были предложены во внутреннем исследовании под названием «Исследование архитектуры систем исследования», результаты которого были официально представлены на пресс-конференции, состоявшейся в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне, округ Колумбия, 19 сентября 2005 года. В ESAS содержался ряд рекомендаций по ускорению разработки CEV и реализации проекта Constellation, включая стратегии осуществления пилотируемых полетов CEV уже в 2012 году и методы обслуживания Международной космической станции (МКС) без использования космического шаттла, с использованием грузовых версий CEV. Первоначально выпуск ESAS планировался на 25 июля 2005 года, после миссии «Возвращение к полету» корабля Discovery, но его выпуск был отложен до 19 сентября, по сообщениям, из-за негативных отзывов о презентации плана и некоторого сопротивления со стороны Управления по бюджету и управлению. В частности, рассматривались варианты, включающие использование твердотопливного ускорителя, полученного от космического шаттла, который впоследствии стал отмененной ракетой Ares I для запуска CEV, а также тяжелую ракету-носитель, использующую твердотопливные ускорители и внешний бак шаттла для запуска этапа выхода на околоземную орбиту и лунного посадочного модуля, известного как Ares V (эта конструкция была повторно использована для системы космического запуска Space Launch System). Производительность грузовой ракеты-носителя, созданной на базе шаттла (SDLV), должна была составлять от 125 до 130 метрических тонн на низкой околоземной орбите (LEO). SDLV обеспечивала бы значительно большую грузоподъемность на запуск, чем варианты EELV. Экипаж должен был быть запущен в CEV на пятисегментном ускорителе, производном от твердотопливного ускорителя шаттла, и новой верхней ступени, работающей на жидком топливе и основанной на внешнем баке шаттла. Первоначально планировалось использовать один, одноразовый двигатель главного двигателя космического шаттла, но позже было решено перейти на модернизированную и усиленную версию ракетного двигателя J-2 (известного как J-2X), использовавшегося на верхних ступенях S-IVB ракет Saturn IB и Saturn V. Этот ускоритель был бы способен выводить до 25 тонн на низкую околоземную орбиту. В ускорителе должны были использоваться компоненты, уже прошедшие испытания и допущенные к пилотируемым полетам. Грузы должны были запускаться на тяжелой версии космического шаттла, которая представляла собой ракету-носитель «в линию», устанавливающую полезную нагрузку поверх ускорителя. Изначально линейный вариант предусматривал использование пяти одноразовых двигателей SSME на первой ступени, но позже был изменен на пять ракетных двигателей RS-68 (в настоящее время используемых на ракете Delta IV Heavy) с более высокой тягой и меньшей стоимостью, что потребовало незначительного увеличения общего диаметра первой ступени. Два увеличенных пятисегментных твердотопливных ускорителя должны были помочь двигателям RS-68 вывести вторую ступень ракеты, известную как этап выхода на околоземную орбиту (EDS), и полезную нагрузку на LEO. Она могла поднимать около 125 тонн на LEO, и предполагаемая стоимость запуска составляла 540 миллионов долларов. Инфраструктура в Космическом центре Кеннеди, включая здание сборки транспортных средств (VAB) и стартовые площадки шаттлов LC-39A и LC-39B, была сохранена и адаптирована к потребностям будущих сверхтяжелых ракет-носителей. Позже была построена новая площадка LC-39C для поддержки небольших ракет-носителей с возможностью строительства LC-39D или восстановления бывших площадок LC-34 или LC-37A на близлежащей авиабазе на мысе Канаверал, которые использовались Saturn IB для ранних пилотируемых миссий на околоземную орбиту в рамках программы Apollo.

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.

Конфигурация CEV

ESAS рекомендовал стратегии полета пилотируемого CEV к 2014 году и одобрил схему сближения на лунной орбите (Lunar Orbit Rendezvous). Версии CEV для низкой околоземной орбиты (LEO) должны были перевозить экипажи численностью от четырех до шести человек на МКС. Лунная версия CEV рассчитана на экипаж из четырех человек, а марсианская – из шести. Грузы также могли перевозиться на борту беспилотной версии CEV, аналогичной российским грузовым кораблям «Прогресс». Lockheed Martin был выбран NASA в качестве подрядчика для разработки CEV. В конечном итоге этот аппарат стал Orion MPCV, с первым полетом в 2014 году (EFT 1), первым пилотируемым полетом в 2022 году (Artemis 2) и первой посадкой на Луну в 2024 году (Artemis 3). Для поддержки дальних космических миссий была построена только одна версия корабля, а доставку экипажей на МКС осуществляла Коммерческая программа пилотируемых полетов. Спускаемый модуль CEV будет весить около 12 тонн – почти вдвое больше массы командного модуля «Аполлон» – и, как и в «Аполлоне», будет соединен со служебным модулем для обеспечения жизнедеятельности и двигательной установки (Европейский служебный модуль). CEV представлял собой капсулу типа «Аполлон» с теплозащитным экраном типа «Викинг», а не подъемный корпус или крылатый аппарат, как «Шаттл». Он должен был приземляться на сушу, а не на воду, как российский космический корабль «Союз». Это планировалось изменить на приводнение для экономии веса, и CST 100 Starliner стал бы первым американским космическим аппаратом, совершившим посадку на сушу. В качестве возможных площадок для посадки рассматривались авиабаза Эдвардс в Калифорнии, Карсон Флэтс (Карсон Синк) в Неваде и район озера Мозес в штате Вашингтон. Посадка на западном побережье позволила бы проложить большую часть траектории спуска над Тихим океаном, а не над населенными районами. CEV будет использовать абляционный (подобный «Аполлону») теплозащитный экран, который выбрасывался бы после каждого использования, а сам CEV можно было бы использовать повторно около 10 раз. После завершения работы на лунной поверхности экипаж возвращался бы на лунную орбиту на взлетном модуле LSAM. LSAM стыковался бы с CEV. Экипаж возвращался бы в CEV и отбрасывал LSAM, после чего двигатель CEV выводил бы корабль на курс к Земле. Затем, как и в «Аполлоне», служебный модуль отбрасывался, и CEV спускался на посадку с помощью системы из трех парашютов. В конечном итоге планировалось построить лунный форпост, финансируемый NASA, возможно, вблизи южного полюса Луны. Однако это решение еще не было принято и зависело от потенциального международного и коммерческого участия в проекте исследования. Программа «Артемида» надеется создать небольшой международный лунный форпост к 2028 году.

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

Расширение до Марса

Использование масштабируемых CEV и посадочного аппарата с двигателями на метановом топливе означало, что на Луне можно было провести значимые аппаратные испытания для миссий на Марс. Планирование миссий на Марс должно было начаться в деталях примерно в 2020 году и включало использование Lunar ISRU, а также соответствие классу "прямого полёта", что подразумевало прямой перелёт на Марс и обратно без гравитационного манёвра у Венеры, с пребыванием на поверхности Марса около 500–600 дней вместо 20–40 дней. Однако основная критика ESAS была основана на оценках безопасности и стоимости. Авторы использовали частоту неудачных запусков Titan III и IV для оценки частоты неудачных запусков Delta IV Heavy. Titan представлял собой комбинацию первой ступени, разработанной на базе ранней МБР, с большими сегментированными твердотопливными ускорителями и водородной верхней ступенью, разработанной ранее. Это был сложный аппарат с относительно высокой частотой отказов. В отличие от него, Delta IV Heavy был разработан "с чистого листа", остаётся в эксплуатации и использует только жидкое топливо. В качестве оценки частоты отказов Ares I использовалась частота отказов твердотопливных ускорителей Шаттла SRB, однако учитывались только запуски после катастрофы Challenger, и каждый запуск Шаттла рассматривался как два успешных запуска Ares, несмотря на то, что SRB Шаттла не имеют систем наведения или управления креном. В настоящее время Delta IV запускается с комплекса 37 на авиабазе Кейп-Канаверал, и производитель, United Launch Alliance, предлагал осуществлять пилотируемые запуски с этой площадки. Однако при оценке стоимости ESAS исходил из того, что все конкурирующие проекты должны запускаться с пускового комплекса 39, и что здание сборки ракет-носителей, мобильные пусковые платформы и площадки А и Б должны быть модифицированы для их обслуживания. Комплекс LC 39 значительно больше, сложнее, старше и дороже в обслуживании, чем современные объекты на Комплексе 37, и совершенно не подходит для "Дельты", которая собирается горизонтально и транспортируется без топлива. Это предположение не было обосновано в отчёте и существенно завысило предполагаемые эксплуатационные расходы на Delta IV. Наконец, решение 2011 года о проведении беспилотного испытательного полёта Orion на Delta IV напрямую противоречит выводу ESAS о его нецелесообразности.

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.

Обзор комитета по планам полетов человека в космос США

Комитет по обзору планов пилотируемых космических полетов США (также известный как Комитет HSF, Комиссия Августина или Комитет Августина) — это группа, созванная NASA по запросу Управления науки и технологий Белого дома (OSTP), для анализа планов страны в области пилотируемых космических полетов с целью обеспечения «динамичного и устойчивого пути к достижению самых амбициозных целей в космосе». Обзор был объявлен OSTP 7 мая 2009 года. Он охватывал варианты пилотируемых космических полетов после запланированного NASA вывода космических шаттлов из эксплуатации. Сводный отчет был представлен директору OSTP Джону Холдрену, Управлению науки и технологий Белого дома (OSTP) и администратору NASA 8 сентября 2009 года. Ожидаемые затраты на обзор составили 3 миллиона долларов США. Деятельность комитета была запланирована на 180 дней, а отчет был опубликован 22 октября 2009 года. Комитет пришел к выводу, что программа «Созвездие», которой уже 9 лет, настолько отстает от графика, недостаточно финансируется и превышает бюджет, что достижение каких-либо ее целей невозможно. Президент Обама исключил программу из бюджета на 2010 год, фактически отменив ее. Один из компонентов программы, пилотируемый корабль «Орион», был возвращен в планы, но в качестве спасательного средства для дополнения российского «Союза» при возвращении экипажей станции на Землю в случае чрезвычайной ситуации. Предполагаемая «конечная цель» пилотируемых космических полетов, по-видимому, требует двух основных задач: (1) физической устойчивости и (2) экономической устойчивости. Комитет добавляет третью задачу: достижение ключевых национальных целей, таких как международное сотрудничество, развитие новых отраслей, энергетическая независимость, смягчение последствий изменения климата, национальный престиж и т. д. Поэтому идеальное место назначения должно содержать ресурсы, такие как вода для поддержания жизни (а также обеспечение кислородом для дыхания и водородом для соединения с кислородом в качестве ракетного топлива), а также ценные и промышленные металлы и другие ресурсы, которые могут быть полезны для космического строительства и, возможно, в некоторых случаях стоит вернуть на Землю (например, добыча астероидов).

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).