Введение

Отмененный ракетный ключ NASA к программе Constellation, ракете-носителю Ares I NASA планировало использовать Ares I для запуска Orion, космического корабля, предназначенного для миссий NASA по полетам в космос после того, как космический челнок был выведен на пенсию в 2011 году. Ares I должен был дополнять более крупный, беспилотный Ares V, который был грузовым ракетой-носителем для Constellation. НАСА выбрало конструкции Ares из-за их ожидаемой общей безопасности, надежности и экономической эффективности. Однако программа Constellation, включая Ares I, была отменена президентом США Бараком Обамой в октябре 2010 года с принятием его законопроекта о разрешении NASA на 2010 год. В сентябре 2011 года НАСА представила космическую систему запуска в качестве нового транспортного средства для исследования человеком за пределами орбиты Земли.

Дополнительные исследования транспортных систем

В 1995 году Lockheed Martin выпустил доклад о передовых исследованиях транспортных систем (ATSS) для Центра космических полетов Маршалла. В одном из разделов доклада ATSS описаны несколько возможных аппаратов, похожих на конструкцию Ares I, с жидкими второй ступенями ракеты, расположенными над сегментированными твердыми ракетами (SRB). Среди вариантов, которые были рассмотрены, были двигатели J 2S и основные двигатели космического челнока (SSME) для второй ступени. В первом этапе варианты также предполагали использование продвинутого твердотельного ракетного двигателя (ASRM), но ASRM был отменен в 1993 году из-за значительного превышения затрат.

Роль в программе "Созвездие"

Арес I был стартовым компонентом программы "Созвездие". Изначально названный "Круговой ракетой" или CLV, имя Арес было выбрано в честь греческого божества Ареса. Ракета "Арес-1" была специально разработана для запуска многоцелевого экипажа "Орион". "Орион" был задуман как капсула для экипажа, аналогичная по конструкции капсуле программы "Аполлон", для транспортировки астронавтов на Международную космическую станцию, Луну и, в конечном итоге, на Марс. Ares I также мог доставить на орбиту некоторые (ограниченные) ресурсы, включая поставки для Международной космической станции или последующую доставку на запланированную лунную базу. 16 июля 2007 года НАСА объявило, что Rocketdyne станет основным субподрядчиком для ракетного двигателя J 2X. 12 декабря 2007 года НАСА выбрало Boeing для обеспечения и установки авионики для ракеты Ares I. 28 августа 2007 года НАСА заключило контракт на производство верхней ступени Ares I с Boeing. Верхняя ступень Ares I должна была быть построена на Мичудской аэрокосмической фабрике, которая использовалась для внешнего резервуара космического челнока и первой ступени S IC Saturn V.

Двигатели J-2X

Приблизительно 20-25 миллионов долларов США за двигатель, разработанный и произведенный Rocketdyne J 2X, обошёлся бы менее чем вдвое дороже, чем более сложный двигатель RS 25 (около 55 миллионов долларов). В отличие от главного двигателя космического челнока, который был разработан для запуска на земле, J 2X был разработан с самого начала для запуска как в воздухе, так и в почти вакууме. Эта возможность старта была критически важна, особенно в оригинальном двигателе J 2, используемом на стадии S IVB Saturn V, для продвижения космического корабля Apollo на Луну. Главный двигатель космического челнока, с другой стороны, потребовал бы обширных модификаций для добавления возможности воздушного запуска. Этот обзор был первой важной вехой в процессе проектирования и был предназначен для обеспечения того, чтобы система запуска Ares I соответствовала всем требованиям, необходимым для программы Constellation. В дополнение к выпуску обзора, НАСА также объявило, что был сделан редизайн в оборудовании танка. Вместо отдельных резервуаров LH2 и LO2, разделенных "межрезервуаром", как на внешнем резервуаре шаттла, новые резервуары LH2 и LOX были бы разделены общим перегородом, как на стадиях Saturn V S II и S IVB. Это обеспечило бы значительную экономию массы и устранило необходимость проектирования второго этапа межэтапного блока, который должен был бы нести вес космического аппарата "Орион". Официальные лица НАСА определили потенциальную проблему на обзоре дизайна системы Ares I в конце октября 2007 года, заявив в пресс-релизе, что они хотят решить ее к марту 2008 года. НАСА признало, что эта проблема очень серьезная, оценивая ее в четыре из пяти по шкале риска, но агентство было очень уверенно в ее решении. НАСА также указало, что, поскольку это была бы новая система запуска, как системы Аполлона или космических челноков, было бы нормально, чтобы такие проблемы возникали на стадии разработки. По данным NASA, анализ данных и телеметрии с полета Ares I X показал, что вибрации от колебаний тяги находились в пределах нормального диапазона для полета космического шаттла. Исследование, опубликованное в июле 2009 года 45-м космическим крылом ВВС США, показало, что отмена запуска через 30 60 секунд после запуска имела бы шанс ≈100% убить весь экипаж, из-за того, что капсула была поглощена до столкновения с землей облаком твердых фрагментов топлива, которые растопили бы нейлоновый парашют капсулы. Исследование НАСА показало, что капсула с экипажем смогла бы преодолеть самую серьезную опасность. Зажигатель Ares I был усовершенствованной версией проверенного зажигателя, используемого на твердотельных ракетных ракетах космического шаттла. Он был приблизительно в диаметре и длинном, и использовал усовершенствованные изоляционные материалы, которые улучшили тепловые свойства для защиты корпуса зажигателя от горящего твердого топлива. НАСА успешно завершило испытательный запуск зажигателя для двигателей Ares I 10 марта 2009 года на испытательных установках ATK Launch Systems возле Промонтори, штат Юта. Испытание зажигателя вызвало пламя длиной 200 футов (61 м), и предварительные данные показали, что зажигатель работал по плану. За этим испытанием последовали еще два испытания двигательной способности, DM 2 31 августа 2010 года и DM 3 8 сентября 2011 года. Для DM 2 двигатель охлаждался до температуры в ядре 40 градусов по Фаренгейту (4 градуса по Цельсию), а для DM 3 он нагревался до температуры выше 90 градусов по Фаренгейту (32 градуса по Цельсию). В дополнение к другим целям эти два испытания подтвердили производительность двигателя Ares при экстремальных температурах. НАСА провело успешный 500-секундный испытательный запуск ракетного двигателя J 2X в Космическом центре Джона Стенниса в ноябре 2011 года. Прототип Ares I, Ares I X, успешно завершил испытательный запуск 28 октября 2009 года. Пусковая площадка 39B была повреждена больше, чем при запуске космического шаттла. Во время спуска один из трех парашютов первой ступени Ares I X не открылся, а другой открылся только частично, в результате чего ускоритель стал падать сильнее и получил структурные повреждения. Запуск достиг всех основных целей испытаний.

Расписание и стоимость

НАСА завершило пересмотр требований к системе Ares I в январе 2007 года. С 2006 года первый запуск человека планировался не позднее 2014 года, то есть через четыре года после запланированного выхода в отставку космического шаттла. Задержки в графике разработки Ares I из-за бюджетных проблем и непредвиденных инженерных и технических трудностей увеличили бы промежуток между окончанием программы космического шаттла и первым оперативным полетом Ares I. Поскольку программе Constellation никогда не выделялось финансирование, первоначально прогнозируемое, 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. Стоимость проекта Ares I X составила $ 445 миллионов. Первоначально запланированные для первых испытательных полетов в 2011 году, независимый анализ Комиссии Августина обнаружил в конце 2009 года, что из-за технических и финансовых проблем Ares I, вероятно, не будет иметь своего первого пилотируемого запуска до 2017-2019 года в рамках текущего бюджета или до конца 2016 года с неограниченным бюджетом. Комиссия Августина также заявила, что Ares I и Orion будут иметь оценочную повторяющуюся стоимость почти $1 млрд за рейс. Однако, более поздний финансовый анализ в марте 2010 года показал, что Арес I стоил бы $1 млрд или больше, чтобы работать на один рейс, если бы Арес I летал только один раз в год. Если бы система "Арес-1" была запущена несколько раз в год, предельные затраты могли бы упасть до $138 миллионов за запуск. В марте 2010 года администратор НАСА Чарли Болден свидетельствовал перед конгрессом, что Ares I будет стоить $44,5 млрд в год и $1,6 млрд за полёт. По прогнозам, предельные затраты Ares I составляли лишь часть предельных затрат шаттла, даже если он совершал несколько полетов в год. Для сравнения, стоимость запуска трех астронавтов на экипажном российском "Союзе" составляет 153 миллиона долларов. В марте 2010 года представитель Роберт Адерхольт заявил, что получил письмо от НАСА, в котором утверждалось, что за три полета ракеты Ares I в год потребуется 1,1 миллиарда долларов. 8 февраля 2011 года сообщалось, что Alliant Techsystems и Astrium предложили использовать первую ступень Ares I со второй ступенью Ariane 5 для формирования новой ракеты под названием Liberty.

Отмена

1 февраля 2010 года президент Барак Обама объявил о предложении отменить программу "Созвездие" в соответствии с бюджетом США на 2011 финансовый год, но позже объявил об изменениях в предложении в своей речи о космической политике в Космическом центре Кеннеди 15 апреля 2010 года. В октябре 2010 года был подписан закон о разрешении NASA на 2010 год, который отменил Constellation. Предыдущее законодательство сохранило контракты Constellation в силе до принятия нового законопроекта о финансировании на 2011 год.

Дизайн

Ares I имел грузоподъемность в классе 25 тонн (28 коротких тонн; 25 длинных тонн) и был сопоставим с такими транспортными средствами, как Delta IV и Atlas V.

Первый этап

Первый этап должен был быть более мощной и многоразовой ракетой на твердом топливе, полученной из космического шаттла Solid Rocket Booster (SRB). По сравнению с Solid Rocket Booster, который имел четыре сегмента, наиболее заметным отличием было добавление пятого сегмента. Этот пятый сегмент позволил бы Аресу I производить больше тяги. Другими изменениями, внесенными в твердотельный ракетный ускоритель, должны были стать удаление точек прикрепления внешнего резервуара космического челнока (ET) и замена носового конуса твердотельного ракетного ускорителя новым передовым адаптером, который должен был соединяться со второй ступенью с жидким топливом. Адаптер должен был быть оснащен двигателями разделения с твердым топливом, чтобы облегчить отключение ступеней во время восхождения.

Верхняя ступень

Верхняя ступень, полученная из внешнего резервуара шаттла (ET) и основанная на ступень S IVB Сатурна V, должна была быть приводима в движение одним двигателем ракеты J 2X, питаемым жидким водородом (LH2) и жидким кислородом (LOX). J 2X был получен из оригинального двигателя J 2, использованного во время программы Apollo, но с большей тягой (≈) и меньшим количеством деталей, чем у оригинального двигателя. 16 июля 2007 года НАСА заключило с Rocketdyne контракт на поставку двигателей J 2X для наземных и летных испытаний. Rocketdyne был главным подрядчиком для оригинальных двигателей J 2, используемых в программе Apollo. Хотя его двигатель J 2X был получен из установленной конструкции, сама верхняя ступень была бы полностью новой. Первоначально, чтобы быть основанным на внутренней и внешней структуре ET, оригинальный дизайн требовал отдельных топливных и окислительных баков, соединенных "межбаковой" структурой, и покрытых спреем на пеной изоляции, чтобы держать вентиляцию на минимуме. Единственным новым оборудованием на первоначальной второй ступени, полученной от ET, была бы тяговая установка для двигателя J 2X, новые разъемы наполнения / слива / вентиляции для топлива и окислителя, а также монтажные интерфейсы для твердотельной первой ступени и космического аппарата Orion. Используя концепцию, относящуюся к программе "Аполлон", структура "межтанковой" была убрана для уменьшения массы, и на ее месте между танками был бы использован общий перебор, аналогичный тому, который использовался на обоих этапах S II и S IVB Сатурна V. Экономия от этих изменений была использована для увеличения мощности двигателя, которая была .