Концепция SLS — не первая попытка американцев возобновить полеты астронавтов на собственной платформе после Space Shuttle. 14 января 2004 года была анонсирована программа Constellation («Созвездие»). Это была идея Джорджа Буша-младшего, которая должна была привести американцев во второй раз на Луну в период с 2015 по 2020 гг. Как видим, осуществить задумку у NASA не получилось. В основе Constellation были заложены две ракеты – одна тяжелого класса Ares I и одна сверхтяжелого Ares V, а также шла разработка лунного модуля LSAM (Lunar Surface Access Module). 


LSAM (Lunar Surface Access Module) — лунный модуль для Ares V. Компьютерная модель

Ares I – это модифицированный твердотопливный ускоритель, позаимствованный у старичка Space Shuttle, к которому крепилась кислородно-водородная ступень. Сверху все венчал космический корабль CEV, оборудованный системой аварийного спасения. Фактически основное предназначение Ares I заключалось в доставке грузов и астронавтов на околоземную орбиту, преимущественно на МКС. Гораздо более амбициозен был «грузовик» Ares V, состоящий из центрального криогенного блока с подвешенными по бокам модифицированными «шаттловскими» ускорителями. К верхней части пристыковывалась космическая головная часть с разгонной ступенью и лунным модулем LSAM. Естественно, такая серьезная машина была нацелена как минимум на естественный спутник Земли, а в перспективе и на доставку американцев к Марсу. NASA пришлось делать из Ares V истинного монстра – твердотопливные ускорители стали самими мощными в мире, а пятерку криогенных маршевых двигателей SSME или RS-25 со стартовой тягой 181 тс сначала заменили на пять, а позже сразу на шесть RS-68 тягой по 295 тс.


Перспективное семейство Ares. В космос отправилась лишь одна ракета...

Наращивали и «толщину» центральной части ракеты – с первоначальных 8,4 м до 10,3 м. В финале американские инженеры немного заигрались с увеличением тяговых возможностей «супертяжа», и стандартный гусеничный транспортер космодрома оказался не в состоянии принимать на себя такую махину. Впрочем, одну задачу NASA всё-таки решила: Ares V смог брать с собой в космос 180 тонн полезной нагрузки. Непросто шли дела и у меньшего «брата» Ares I, который инженеры удлинили до 96 метров, не позаботившись о жесткости конструкции. В итоге нижняя ступень с работающим ускорителем генерировала колебания, которые могли бы стать фатальными для ракеты и экипажа. Кроме того, компьютерное моделирование 2009 года показало, что ветер силой всего 5-11 м/с будет кренить ракету Ares I на башню обслуживания космодрома, а это грозит если не катастрофой, то серьезными повреждениями стартового стола от сместившегося факела двигателя первой ступени. Подобные фундаментальные просчеты, конечно, можно было исправить, но цена превышала все разумные пределы. К тому же потери времени на доработку вообще ставили крест на лунно-марсианской миссии США. Очень точно заметил один из сотрудников, занятых в проекте: «Если NASA будет проталкивать программу достаточно упорно, ракета полетит, но при этом придется пойти на такое количество компромиссов, что она будет настолько дорогой и будет создана с таким опозданием, что лучше бы она не полетела вообще…» Барак Обама в мае 2009 года создал комиссию во главе с космическим бизнесменом Норманом Огастином, в задачи которой входила оценка проекта Constellation и выработка дальнейших действий. Спецы выяснили, что бюджет вырос с 27 до 44 млрд долларов, которых не хватит для удержания проекта в рамках графика, а суммарные траты на космические инициативы Джорджа Буша-младшего до 2025 года переваливали бы за 230 млрд! Норман Огастин, выступая перед членами Палаты представителей, отчитывался по итогам проверки: «Нынешняя программа в существующем виде не может быть выполнена из-за несоответствия выделенного финансирования выбранным способам реализации стоящих задачи». Он уточнил, что для запуска астронавтов за пределы околоземной орбиты США должны выделять на этот проект не менее 3 млрд долларов ежегодно. Огастин предложил также переориентировать всю миссию на высадку на астероиды, пролетающие около Земли в начале 2020-х годов, либо на Фобос с Деймосом. NASA, чувствуя, что под проектом Constellation буквально горит земля, 28 октября 2009 года запускает первую экспериментальную ракету Ares I-X с габаритно-весовым макетом корабля CEV. 


Ares I-X через несколько секунд после старта

Первый запуск оказался и единственным – доводы комиссии Огастина оказали большее влияние на власти, нежели почти бутафорский запуск ракеты, и в феврале 2010 года «Созвездие» закрыли. Оказалось, что даже практичные и расчетливые американцы умеют неэффективно расходовать бюджетные ресурсы. По итогам неудачного опыта с Constellation у конгрессменов в июле 2010 года родилась идея выделить деньги на два аналогичных проекта: «Космической пусковой системы» SLS (Space Launch System) и «Многоцелевого пилотируемого корабля» «Орион» MPCV (Multi-Purpose Crew Vehicle). 


Норман Огастин — человек, поставивший крест на проекте Constellation.

Чего же ждали от проекта американцы? Прежде всего SLS должен «открыть совершенно новые возможности для науки и освоения человеком космоса далее околоземной орбиты, включая полеты астронавтов-исследователей в различные районы Солнечной системы для поиска ресурсов, создания новых технологий и получения ответа на вопрос о нашем месте во Вселенной». Такая амбициозная миссия дополнялась не менее значимой разработкой «безопасного, доступного, рассчитанного на дальнюю перспективу средства для выхода за существующие ныне пределы и открытия путем для исследований отдаленных уникальных областей космического пространства». SLS будет запускать в дальний космос многоцелевой «Орион» и еще массу научного оборудования. Самым интересным было то, что финансы на SLS были выделены фактически только по инициативе Сената и вопреки воле президента Обамы. 15 апреля 2011 года он «через силу» подписал закон об установлении потолка финансирования проекта до 11,5 млрд для носителя и до 5,5 млрд для корабля. 


Многоцелевой пилотируемый корабль «Орион» MPCV (Multi-Purpose Crew Vehicle). Компьютерная модель

Сенаторы выступили в несвойственной для себя роли инженеров и самостоятельно определили будущий облик американского «супертяжа». Предполагается, что это будет ракета с двумя пятисекционными твердотопливными ускорителями на основе, опять же, бустеров Space Shuttle, и с гигантской центральной криогенной частью с двигателями RS-25. Верхняя ступень также предполагается криогенной. Полезная масса выводимого в космос груза ограничивалась 130 тоннами, что было несколько скромнее параметров Ares V. Конгрессмены фактически решили заново строить свой Constellation в надежде, что в этот раз будет дешевле. Еженедельник Economist в этой связи писал: «Особенность этого проекта заключается в том, что ракета-носитель впервые создавалась под эгидой политиков, а не ученых и инженеров». 


Перспективная ракета-носитель SLS в модификации Block 1 — детище Сената США. Компьютерная модель

Злые языки в Соединенных Штатах в связи с ситуацией со вмешательством законотворцев в сугубо технические вопросы космического проектирования, метко переименовали SLS в Senate Launch System («Сенатская пусковая система»). И действительно, многие решения были продиктованы исключительно политикой. В частности, программа сохраняла тысячи рабочих мест в компании Pratt&Whitney Rocketdyne, производившей двигатели DS-25, а также на заводе в Мичуде (Новый Орлеан), занятом на изготовлении топливных баков. Ангары в Мичуде вообще после закрытия программы «шаттлов» простаивали, изредка работая на нужды Голливуда – в их гигантских помещениях снимали эпизоды «Игры Эндера» и другой фантастики. В итоге NASA ничего не оставалось, как исполнить закон, достав с полки изрядно запылившийся проект Ares V и просто переклеить обложку на SLS. Конгрессмены вместе с космическим агентством уверили всех, что «проект станет самой мощной ракетой-носителем в истории человечества, при этом её конструкция будет легко адаптироваться под различные требования, касающиеся как пилотируемых полетов, так и вывода в космос различных полезных грузов».

По материалам издания "Взлет"

Похоже, в НАСА решили делать «марсианскую» суперракету всем миром: для этого привлекли сразу три подразделения агентства. Это Центр космических полетов имени Джорджа Маршалла, Космический центр имени Линдона Джонсона и снова Космический центр имени Джона Кеннеди, который обеспечивает всю историю своими стартовыми комплексами.


Макет SLS в исследовательской аэродинамической трубе NASA


Но и это не вся компания разработчиков. За фундаментальные физические проблемы проекта отвечает Исследовательский центр имени Эймса, за характер полезных грузов ответственен Центр космических полетов имени Годдарда, а также Центр имени Гленна, занимающийся новыми материалами и разработкой обтекателей полезного груза. Программы исследований в аэродинамических трубах возложены на центр имени Лэнги, а испытания двигателей RS-25 и J-2X — на Космический центр имени Стенниса. И наконец, сборка центрального блока с главной двигательной установкой происходит на заводе в Мичуде.



Вся программа SLS разделена на три этапа, объединяемые несколькими моментами: жидкими кислородом и водородом в маршевых двигателях, а также многосекционным твердотопливным ускорителем. Первая ступень центрального блока (Core Stage) длиной 64,7 м и диаметром 8,4 м также будет единой для всех модификаций. Итак, первенец SLS Block I обладает эквивалентной массой полезной нагрузки в 70 тонн – необходимую тягу для такой тяжести обеспечивают четыре двигателя RS-25D. Собственно, этот первый вариант SLS предназначен для сертификации центрального блока и выполнения опытно-экспериментальных миссий. Разгонный блок представлен «временной криогенной верхней ступенью» ICPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage), построенной на основе второй ступени носителя Delta IV Heavy. Двигатель у ICPS один – RL-10B-2 с тягой в вакууме 11,21 тс. Даже в этом, самом «слабом» варианте Block I, ракета будет развивать стартовую тягу на 10% больше, чем легендарный Saturn V. Носитель второго типа получил имя SLS Block IA, а эквивалентная грузоподъемность этого гиганта должна быть уже под 105 тонн. Предусматривается два исполнения – грузовой и пилотируемый, которые должны вернуть американцев на сорок с лишним лет назад и наконец оправить человека снова за пределы низкой околоземной орбиты. Планы у NASA на эти аппараты самые скромные: в составе миссии EM-2 где-то в середине 2022 года облететь с экипажем Луну. Чуть раньше (середина 2020 года) планируется отправить астронавтов на окололунную орбиту на корабле Orion. Но это информация датируется летом 2018 года и до этого неоднократно корректировалась – так, по одному из проектов SLS должен был взмыть в небеса уже этой осенью.


SLS Block II – носитель с эквивалентной грузоподъемностью в 130 тонн, оснащен уже пятью двигателями RS-25D на центральном блоке, а также «исследовательской верхней ступенью» EUS (Exploration Upper Stage), которая, в свою очередь, имеет один-два двигателя J-2X тягой по 133,4 тс каждый. "Грузовик" на базе Block II отличается надкалиберным головным обтекателем диаметром сразу 10 метров. Это будут, если у США все сложится, истинные исполины: в финальном варианте ракеты стартовая тяга ракет будет на 1/5 превышать тягу Saturn V. И планы на серию Block II также крайне амбициозны — в 2033 году отправить на орбиту Марса пилотируемую миссию EM-11, которая будет странствовать по космосу не менее 2 лет. Но до этой знаменательной даты американцы планируют раз 7-8 слетать на лунную орбиту. Планирует ли NASA высадку астронавтов на Марс всерьез, никто не знает.


Испытания экспериментального криогенного ЖРД с регулируемой тягой CECE (Common Extensible Cryogenic Engine), который использовался по программе совершенствования RL-10, эксплуатировавшегося с 1962 года на ракетах Atlas, Delta iV, Titan и Saturn I. На верхней ступени SLS планируется использование модернизированных RL-10C-3.

История двигателей серии SLS как основных компонентов ракеты началась в 2015 году на стендах Центра имени Стенниса, когда прошли первые успешные огневые испытания продолжительность 500 секунд. С тех пор у американцев все идет как по маслу – серия полноценных испытаний на полный полетный ресурс вселяет уверенность в работоспособности и надежность двигателей. Первый заместитель главы Директората NASA по разработке пилотируемых исследовательских систем Уильям Хилл сказал по этому поводу:



В ходе работ по двигателю были внесены изменения – носители первого и второго этапа оснастили твердотопливными бустерами (ускорителями), отчего модель получила имя Block IB. Верхняя ступень EUS получила кислородно-водородный двигатель J-2X, от которого в апреле 2016 года пришлось отказаться по причине большой доли новых элементов, которые были ранее не отработаны. Поэтому вернулись к старому доброму RL-10, который выпускался серийно и уже успел «налетать» более пятидесяти лет.



Надежность в пилотируемых проектах всегда ставится во главу угла, и не только в NASA. В официальных документах NASA упоминается: «Наилучшим образом требованиям соответствует связка из четырех двигателей класса RL-10. Установлено, что она оптимальна с точки зрения надёжности». Пятисекционный ускоритель прошел испытания в конце июня 2016 года и стал самым крупным на данный момент твердотопливным двигателем из когда-либо построенных для реальных ракет-носителей. Если его сравнивать с «Шаттлом», то он имеет стартовую массу в 725 тонн против 590 тонн, а тяга увеличена по сравнению с предком с 1250 тс до 1633 тс. А вот SLS Block II должны получить новые супермощные и сверхэкономичные ускорители. Есть три варианта. Это проект Pyrios от Aerojet Rocketdyne (бывшая Pratt&Whitney Rocketdyne), оснащенный двумя ракетными двигателями на кислороде и керосине тягой по 800 тс каждый. Это также не абсолютная инновация – «движки» сработаны на базе F-1, разработанного для первой ступени все того же Saturn V. Pyrios датируется 2012 годом, а спустя 12 месяцев Aerojet вместе с Teledyne Brown вовсю работает над жидкостным бустером с восемью кислородно-керосиновыми AJ-26-500. Тяга каждого может достигать 225 тс, а вот собраны они на базе российского НК-33. 




Испытания кислородно-водородного двигателя RS-25 на стенде Центра имени Стенниса, Бэй Сент-Луис, Миссисипи, август 2015 года

И наконец, третий вариант двигателя для SLS представлен компанией Orbital ATK и выполнен в виде мощнейшего четырехсекционного твердотопливного ускорителя Dark Knight с тягой в 2000 тс. Но нельзя сказать, что в этой истории у американских инженеров все было совершенно гладко: очень многие компетенции и технологии были потеряны с закрытием проектов Apollo и Space Shuttle. Приходилось придумывать новые способы работы. Так, была внедрена сварка трением с перемешиванием для сборки топливных баков будущих ракет. Говорят, на заводе в Мичуде стоит самая большая машина для такой уникальной сварки. Также в 2016 году были проблемы с образованием трещин при изготовлении центрального блока, точнее, в баке жидкого кислорода. Но большинство трудностей удалось преодолеть.

Американцы постепенно возвращают своих астронавтов на околоземные орбиты и дальше. Возникает закономерный вопрос: зачем это делать, если роботы отлично справляются? Попытаемся ответить на это чуть позже.

Продолжение следует…

По материалам издания "Взлет".

Автор:Евгений ФедоровИспользованы фотографии:kiri2ll.livejournal.com, wikipedia.ru, nasa.gov, cezarium.com