ARTEMIS 1: Στόχος η Σελήνη!

Η σημερινή, επικείμενη εκτόξευση του SLS (Space Launch System)  είναι η δικαίωση μιας δεκαετίας προσπαθειών για επιστροφή της NASA στον φυσικό δορυφόρο της Γης.

«Αντιγράφοντας» από την «Πτήση» 23 (Απρίλιος 2022) και το μακροσκελές άρθρο των Άκη Ξένου, Aerospace Engineer και Φαίδωνα Γ. Καραϊωσηφίδη, Αεροναυπηγού  όταν ο γιγάντιος πυραυλικός φορέας έκανε την πρώτη του εμφάνιση (roll-out) ν α αναφέρουμε ότι απαρχή της δέσμης των πολλαπλών σχετικών προγραμμάτων, που περιλαμβάνει τόσο τον πύραυλο SLS όσο και το διαστημόπλοιο Orion, πηγαίνει πίσω στην προεδρία Ομπάμα και το πλαίσιο που ενέκρινε τότε το αμερικανικό κογκρέσο, το γνωστό ως «NASA Authorization Act 2010».

Να θυμίσουμε ότι εκείνη η «διαστημική ατζέντα» ήταν μια προσπάθεια διάσωσης των αμερικανικών φιλοδοξιών που είχαν κατακρημνιστεί μετά την ακύρωση του προγράμματος «Constellation», το οποίο είχε ανακοινωθεί θριαμβευτικά το 2005 από την προεδρία Μπους του νεότερου ως συνέχεια της επανδρωμένης διαστημικής εξερεύνησης μετά τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό και την (ήδη) προγραμματισμένη απόσυρση των διαστημικών λεωφορείων.

Συνεθλίβη όμως σύντομα από οικονομική κρίση που αντιμετώπιζαν οι ΗΠΑ λόγω και των πολεμικών επιχειρήσεων στο Αφγανιστάν και το Ιράκ, ψυχορράγησε για μεγάλο χρονικό διάστημα και τελικά το 2009 η διαβόητη έκθεση της επιτροπής «Augustine» το καταδίκασε σαν οικονομικά ανέφικτο, εκτός και αν υπήρχε πλήρης αναθεώρηση με μεγάλες περικοπές στη χρηματοδότηση, τους στόχους και το χρονοδιάγραμμα εξέλιξής του.

Τελικά η κυβέρνηση Ομπάμα, λαμβάνοντας υπόψη τις εισηγήσεις, ακύρωσε το πρόγραμμα, αντικαθιστώντας το από ένα δικό της, που υπαγορευόταν από το παραπάνω περιοριστικό πλαίσιο. Οι καθυστερήσεις όμως και η παλινδρόμηση που υπήρξε, είχε ως αποτέλεσμα μετά την απόσυρση των Space Shuttle (τελευταία πτήση στις 8 Ιουλίου 2011) να δημιουργηθεί ένα μεγάλο κενό στη δυνατότητα των ΗΠΑ να πραγματοποιούν επανδρωμένες διαστημικές αποστολές, αν και πολλοί σημειώνουν ότι αυτή τη δυσάρεστη εξέλιξη δεν θα την είχε προλάβει ούτε το αρχικό πρόγραμμα «Constellation», ακόμη και αν είχε τελικά εφαρμοστεί.

Η NASA αναγκάστηκε να στηριχθεί σε ρωσική συνδρομή για την παρουσία της στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό-ISS, ενώ προσπάθησε να καλύψει το κενό, τουλάχιστον στις αποστολές LEO (Low Earth Orbit), μέσω της ιδιωτικής πρωτοβουλίας, επιλέγοντας τις προτάσεις της Boeing με το σύστημα CST-100 και της SpaceX με το Dragon για την παροχή σχετικών υπηρεσιών. Θα χρειάζονταν όμως πολλά χρόνια έως ότου η προοπτική υλοποιηθεί, αφού η τελευταία -έπειτα από πολλές καθυστερήσεις- πραγματοποίησε την πρώτη επανδρωμένη αποστολή μόλις στις 30 Μαΐου 2020 (Demo-2), ενώ η Boeing προσπαθεί ακόμη να κάνει το ίδιο με το δικό της διαστημόπλοιο και να λύσει τα πολλά προβλήματα που έχουν εμφανιστεί. [Η επόμενη καθοριστική δοκιμή του CST-100 προβλέπεται «κάποια στιγμή μέσα στο δεύτερο εξάμηνο του 2022», καθυστερημένη τουλάχιστον δύο χρόνια, ακόμη και από το αναθεωρημένο χρονοδιάγραμμα).

Το πλαίσιο του 2010, που εξουσιοδότησε το κογκρέσο, προέβλεπε ρητά την άμεση εξέλιξη ενός διαστημικού φορέα (Space Launch System) ικανής αξιοπιστίας για τη μεταφορά ανθρώπων (crew-rated) ως διάδοχου συστήματος στα διαστημικά λεωφορεία και την ανάπτυξη ενός διαστημοπλοίου (crew exploration vehicle) για επανδρωμένη διαστημική εξερεύνηση. Το συνδυασμένο σύστημα θα μπορούσε να υποστηρίξει μετά το 2016 αποστολές πέραν αυτών σε LEO, στον ενδιάμεσο χώρο έως την τροχιά της Σελήνης, επιτρέποντας στις ΗΠΑ -όπως χαρακτηριστικά αναφερόταν- «να συμμετέχει σε παγκόσμιες προσπάθειες πρόσβασης και ανάπτυξης αυτής της -αυξανόμενης στρατηγικής σημασίας ζώνης- και αργότερα και πέρα από αυτήν».

 Super Heavy–Lift

O SLS είναι ένας υπέρβαρος πυραυλικός φορέας-SHLLV (Super Heavy-Lift Launch Vehicle) ή όπως καθορίζεται η συγκεκριμένη κατηγορία, ανυψωτικής ικανότητας 50 τόνων φορτίου ή τοποθέτησης 100 τόνων σε LEO, ένα σκαλοπάτι πάνω από τις δυνατότητες των HLLV (Heavy-Lift Launch Vehicle).

Θα πρέπει να υπογραμμιστεί ότι σε έναν τομέα, όπως αυτός της εξερεύνησης του Διαστήματος (έστω και εγγύς του πλανήτη σε χαμηλή περίγεια τροχιά), στον οποίο τα διάφορα συστήματα πρέπει να επιδείξουν στην πράξη τις ικανότητές τους, υπάρχουν μόνο δύο φορείς μέχρι σήμερα που έχουν επιτύχει να ικανοποιήσουν προδιαγραφές SHLLV. Πρόκειται για τον αμερικανικό Saturn V την περίοδο 1967-1973 και τον σοβιετικό Energia την περίοδο 1987-1988, αμφότεροι πλέον εκτός ενεργείας και μακρινή ανάμνηση στη Διαστημική Ιστορία.

Ο Falcon Heavy (FH) της SpaceX με ύψος 70 μέτρα και μάζα 1.420 τόνων έχει θέσει υποψηφιότητα για το κλαμπ SHLLV, αφού θεωρητικά έχει ικανότητα τοποθέτησης 63,8 τόνων σε LEO, αν και απομένει να την επιδείξει και πρακτικά. Κάτι τέτοιο δεν αναμένεται όμως να γίνει πριν από το 2024, το νωρίτερο, με τις αποστολές δόμησης του διαστημικού σταθμού Lunar Gateway της NASA, το εφαλτήριο για την επιστροφή αστροναυτών στην επιφάνεια της Σελήνης (Π&Δ 397, «NASA Artemis, πρόγραμμα επιστροφής στη Σελήνη με την “αδελφή” του Apollo»). Το ίδιο βέβαια θα πρέπει να κάνει και ο SLS, που θα το επιχειρήσει όμως νωρίτερα, ίσως στις αρχές του καλοκαιριού του 2020, ενώ στον ορίζοντα βρίσκονται άλλοι δυο δυνητικοί SHLLV, ο Starship της SpaceX και ο κινεζικός Long March 9.

Ένας μεγάλος πύραυλος

Ο SLS είναι ο απευθείας αντικαταστάτης των πυραυλικών φορέων Ares I και Ares V του προγράμματος «Constellation», αν και η σχεδίασή του έχει εγκαταλείψει την κλιμακωτή προσέγγιση των προγόνων του με τα δύο μοντέλα διαφορετικών ικανοτήτων που υπήρχαν, αναλόγως της αποστολής την οποία επρόκειτο να υλοποιήσει. Ο νέος πύραυλος θα γίνει φορέας του διαστημοπλοίου CEV (Crew Exploration Vehicle) Orion της Lockheed Martin, που είναι το μόνο στοιχείο που έχει επιζήσει του αρχικού προγράμματος «Constellation», αλλά σημαντικά τροποποιημένο. Θα είναι επίσης και το όχημα μεταφοράς των συγκροτημάτων που θα ολοκληρώσουν τον Lunar Gateway, αν και η αρχή της δόμησης του σταθμού θα γίνει με τη βοήθεια του FH της SpaceX, ώστε να ικανοποιηθεί το ασφυκτικό χρονοδιάγραμμα επιστροφής αστροναυτών στη Σελήνη.

Σχεδιαστικά ο πύραυλος SLS αντλεί από τη φιλοσοφία των Space Shuttle, δηλαδή ο πρώτος του όροφος αποτελείται από έναν κεντρικό «πυρήνα» με κινητήρες υγρών καυσίμων που περιβάλλουν επιταχυντές, όπως βέβαια και αρκετοί HLLV, αν και η διαφορά βρίσκεται στο μέγεθος και την ισχύ των booster στερεών καυσίμων που ενσωματώνει.

Ο «πυρήνας» του πρώτου ορόφου, που είναι κοινός σε όλες τις εκδόσεις του SLS (οι οποίες διαφοροποιούνται στους επιταχυντές στον δεύτερο όροφο και φυσικά το φορτίο), έχει ύψος 65 m, διάμετρο 8,4 m και προσφέρει περίπου το 25% της ώσης κατά την εκτόξευση, με το υπόλοιπο να το παρέχουν οι booster. Το MPS (Main Propulsion System) αποτελείται από τέσσερις κινητήρες υγρών κρυογενικών καυσίμων RS-25, που τροφοδοτούνται από δεξαμενές LOx και LH2. Να σημειώσουμε ότι οι κινητήρες αυτοί της Aerojet Rocketdyne αποτελούσαν το κύριο προωστικό σύστημα SSME (Space Shuttle Main Engine) των διαστημικών λεωφορείων, με τρεις από αυτούς τοποθετημένους στην ουρά τους, αντλώντας τα καύσιμά τους από τη γιγάντια εξωτερική δεξαμενή των orbiter. Δεκαέξι χρησιμοποιημένοι κινητήρες της έκδοσης RS-25D, που έχουν αποθηκευτεί από την περίοδο που τα Space Shuttle ήταν ακόμη ενεργά, έχουν ανακατασκευαστεί και εκσυγχρονιστεί από την εταιρεία. Έχουν πλέον αυξημένη απόδοση ώσης 2.188 kN/492.000 lbf ο καθένας και επιπλέον μόνωση λόγω της διαφορετικής εγκατάστασης στον SLS και τη μεγαλύτερη εγγύτητα που έχουν μεταξύ τους. Μετά την εξάντληση αυτού του αποθέματος θα χρησιμοποιηθούν καινούριοι RS-25E, οι οποίοι έχουν χαμηλότερο κόστος κατασκευής και αποδίδουν ακόμη περισσότερη ώση στα 2.321 kN/522.000 lbf.

Η ανακύκληση όμως συγκροτημάτων των διαστημικών λεωφορείων στους SLS υφίσταται και στους επιταχυντές, αφού οι booster των SLS Block 1 και 1B προέρχονται από κομμάτια των αντίστοιχων υποδομών των Space Shuttle, με τη διαφορά ότι οι τελευταίοι είχαν τέσσερα τμήματα έναντι των πέντε στην καινούρια υλοποίησή τους. Να θυμίσουμε ότι οι επιταχυντές των orbiter μετά την απόρριψη και την προσθαλάσσωσή τους στον Ατλαντικό ανακτώντο και ανακατασκευάζονταν. Οι επιταχυντές των αρχικών SLS θα προέλθουν από αυτές τις μονάδες, αν και για μία και μοναδική φορά, αφού η εφαρμογή τους στον νέο πυραυλικό φορέα δεν προβλέπει ανάκτηση, και έτσι θα καταστρέφονται σε κάθε εκτόξευση. Όπως στους κινητήρες έτσι κι εδώ, μετά την εξάντληση του αποθέματος θα ακολουθήσουν νεοκατασκευασμένοι booster μέσω του προγράμματος BOLE (Booster Obsolescence and Life Extension), που θα σηματοδοτήσουν την πρεμιέρα των SLS Block 2. Όπως και οι ανακατασκευασμένοι επιταχυντές, θα προσφέρουν 25% υψηλότερο επίπεδο απόδοσης απ’ ό,τι την εποχή των Shuttle. Θα κατασκευάζονται από τη Northrop Grumman Space Systems και ανάμεσα σε άλλες προβλέψεις ενσωματώνουν περιβλήματα από σύνθετα υλικά αντί των μεταλλικών της αρχικής σχεδίασης, τεχνολογία που προέρχεται από την έρευνα της εταιρείας για τον πυραυλικό φορέα OmegA. Εκείνο το πρόγραμμα «έτρεξε» την περίοδο 2016-2020 και προοριζόταν να προσδώσει στο υφυπουργείο Αεροπορίας των ΗΠΑ εναλλακτική δυνατότητα εκτόξευσης απόρρητων στρατιωτικών φορτίων. Αν και χρηματοδοτήθηκε με σημαντικά ποσά, τελικά δεν επιλέχθηκε και ακυρώθηκε.

Ο ανώτερος δεύτερος όροφος του SLS διαφέρει ανάλογα με το μοντέλο και την αποστολή του προγράμματος Artemis. Στις τρεις πρώτες από αυτές (βλέπε σχετικό πλαίσιο) αυτός θα είναι ο ICPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage), που έχει διάμετρο μικρότερη από αυτή του πρώτου ορόφου (και απαιτεί έτσι προσαρμογέα). Έχει έναν (μοναδικό) κινητήρα RL-10, επίσης της Aerojet Rocketdyne, με το συνολικό συγκρότημα να προέρχεται (επιμηκυμένο) από το αντίστοιχο των πυραυλικών φορέων Delta IV (που είναι πιστοποιημένο για επανδρωμένες αποστολές). Στη δοκιμαστική μη επανδρωμένη αποστολή Artemis 1, ο SLS Block 1 θα φέρει ICPS με κινητήρα RL-10Β-2, στη διάρκεια της οποίας θα ολοκληρωθεί η πιστοποίηση «crew-rated» και για αυτή τη διαμόρφωση. Οι δυο επόμενες επανδρωμένες αποστολές SLS Block 1 Artemis 2 και 3 θα χρησιμοποιούν ICPS με κινητήρα RL-10C-2 και θα έχουν μεταφορική ικανότητα σε LΕO (περιλαμβανομένου του δευτέρου ορόφου) 95 τόνων. Στην εφαρμογή τους για πρόσβαση στη Σελήνη θα μπορούν να μεταφέρουν άνω των 27 τόνων σε τροχιά έπειτα από ελιγμό «διείσδυσης για διασεληνιακή προβολή» TLI (Trans-Lunar Injection).

Στην αποστολή Artemis 4 θα εμφανιστεί για πρώτη φορά ο δεύτερος όροφος EUS (Exploration Upper Stage) με την ίδια διάμετρο των 8,4 m του πρώτου ορόφου και τέσσερις κινητήρες RL10C-3, ο οποίος θα έχει τη δυνατότητα επανεκκίνησης μετά την είσοδο σε ενδιάμεση προσωρινή τροχιά, προκειμένου να προωθήσει τα φορτία στον τελικό προορισμό τους. Η διαμόρφωση αυτή, γνωστή ως SLS Block 1B, θα χρησιμοποιηθεί στις πέντε επόμενες αποστολές Artemis (4^η έως 8^η) και αρχικά θα διαθέτει κινητήρες πρώτου ορόφου RS-25D, αλλά αργότερα θα φιλοξενήσει RS-25E αυξάνοντας την ανυψωτική ικανότητα για LEO σε 105 τόνους και σε 42 τόνους για τροχιά μετά από TLI.

Οι αποστολές Artemis 9 και στη συνέχεια θα χρησιμοποιούν τη διαμόρφωση SLS Block 2 με κύριους κινητήρες RS-25E, νέους επιταχυντές BOLE και ανώτερο όροφο EUS. Ο φορέας Block 2 θα έχει ανυψωτική ικανότητα 130 τόνων σε LEO και 46 τόνων σε TLI.