NASA выбирает ракету для полета на Луну

NASA выбирает ракету для полета на Луну

На прошлой неделе НАСА провело «промышленный день» для компаний, надеющихся выиграть правительственные контракты на лунные суда в рамках своей программы Artemis. Во время телеконференции представители индустрии могли задавать вопросы о планах НАСА о том, как наилучшим образом доставить астронавтов с орбиты вокруг Луны, на поверхность и безопасно вернуться.

После того, как вице-президент Майк Пенс установил цель высадки людей на Луну к 2024 году, чиновники НАСА в течение последних шести месяцев работали сверхурочно, чтобы составить планы миссий и архитектуры для соблюдения этого срока. Кульминацией этих усилий стало опубликование на прошлой неделе предложения о разработке системы десантирования человека.

В этом документе есть много полезного, который содержит три десятка приложений и несколько поправок. И чиновники отрасли должны ответить быстро, с крайним сроком 1 ноября, чтобы вернуть предложения. После рассмотрения представленных материалов НАСА заключит два или более контрактов, которые позволят фирмам перейти к окончательному проектированию и разработке лунных кораблей Программы Artemis. Агентство хотело бы, чтобы два различных проекта продвигались к завершению, полагая, что конкуренция приведет к более быстрому и лучшему оборудованию. Но это может быть невозможно из-за неопределенного финансирования со стороны Конгресса.

Программа посадочных площадок задает много вопросов аэрокосмической промышленности США с точки зрения развития технологий и производства в короткие сроки. Тем не менее, один из самых больших и неотложных вопросов, на которые должен ответить каждый потенциальный участник, — запуск. Как они доставят свое оборудование на лунную орбиту?

На этот вопрос нелегко ответить, потому что выбор ракеты-носителя требует баланса политических, технических и стоимостных рисков. Существует также пять возможных вариантов: Falcon Heavy, Vulcan-Centaur, New Glenn, Space Launch System (SLS) и Starship Super Heavy.

Задача под рукой

Председатель сенатского комитета по ассигнованиям, республиканец из Алабамы Ричард Шелби, поручил НАСА использовать ракету SLS агентства для запуска корабля Орион с экипажем на лунную орбиту. Но для лунного судна, элементы которого будут предварительно размещены на лунной орбите до прибытия экипажа, НАСА предоставило подрядчикам возможность выбирать собственную ракету-носитель.

«Мы используем коммерческое проектирование и разработку, комплексное решение для этой демонстрации, и ракеты-носители соответствуют этому», — сказала Лиза Уотсон-Морган во время отраслевого дня. Она руководит программой Human Landing System для НАСА. «Коммерческие поставщики должны закупить коммерческую ракету-носитель», — добавила она, отметив, что эта машина и ее стоимость будут частью предложения каждого подрядчика в НАСА.

Хотя оно заявило о своей открытости альтернативным конструкциям для спускаемого аппарата, НАСА в первую очередь рассматривает трехступенчатый спускаемый аппарат, который включает в себя «транспортное средство» для перемещения спускаемого аппарата с высокой лунной орбиты на более низкую, а затем «спускаемый модуль». нести посадочный аппарат на поверхность. По пути экипаж едет в «модуле подъема», где они живут во время пребывания на поверхности Луны и в котором они стартуют с поверхности Луны обратно к ожидающему транспортному средству.

НАСА оценило значения массы для каждого из этих компонентов, как показано на рисунке выше. Общий диапазон модулей составляет от 9 до 15 метрических тонн, хотя, очевидно, каждый подрядчик может предложить транспортные средства любой массы, которая, по их мнению, будет выполнена. Важным моментом, который следует извлечь из этого, является то, что, как минимум, ракета большой грузоподъемности, вероятно, должна иметь возможность выбросить 10 тонн на лунную орбиту. Грузоподъемность 15 тонн и более может вместить большинство компонентов посадочного модуля.

Еще один ключевой элемент этого времени. В течение промышленного дня Уотсон-Морган сказал, что НАСА номинально движется к демонстрации лунных десантных аппаратов в августе 2024 года. Это означает, что они должны были быть доставлены в окрестности Луны до этого.

Сами ракеты должны быть либо сертифицированы программой запуска служб НАСА, иметь три успешных запуска в одной конфигурации или быть коммерческой версией ракеты SLS. (Позже мы расскажем больше о коммерческой версии ракеты SLS.) Для того, чтобы иметь возможность запускать посадочные элементы, Уотсон-Морган сказал, что предлагаемая ракета должна соответствовать одному из этих критериев за три месяца до «Обзора готовности к полету». «миссии. По сути, это означает, что коммерческая ракета должна была совершить три полета не позднее весны 2024 года.

С этим базовым пониманием технических и временных требований к ракете для запуска части лунной системы НАСА на Луну, давайте перейдем к соперникам.

Сокол Тяжелый

Сегодня существует только одна ракета для лунных нужд НАСА — ракета-носитель Falcon Heavy от SpaceX. Ракета не только сертифицирована программой запуска служб НАСА, но и прошла три успешных миссии. Несмотря на то, что не продемонстрировал миссию на лунной орбите, ракета имеет мощность не менее 15 тонн на окололунную орбиту, за НАСА калькулятор ракеты — носителя .

У Falcon Heavy есть и другие преимущества. Если он не будет летать в полностью расходуемом режиме — как это должно быть для полных 15 тонн — его боковые усилители и, возможно, его центральное ядро ​​могут быть использованы повторно. SpaceX также способен наращивать производство, если требуется больше ракет. И конкурентам будет трудно — если не невозможно — сопоставить цены Falcon Heavy, которые начинаются с 90 миллионов долларов за запуск.

Для всего этого, однако, не ясно, насколько другие подрядчики будут использовать Falcon Heavy. Многие из ожидаемых участников лунных посадочных элементов имеют свои собственные ракетные компании. Например, Lockheed Martin владеет 50% United Launch Alliance и поэтому вряд ли станет партнером SpaceX.

SpaceX также построил успешную модель, основанную на вертикальной интеграции. Не полагаясь на традиционных аэрокосмических подрядчиков, компания смогла сократить расходы и быстро двигаться. В то же время подрядчики, участвующие в торгах на элементы лунного спускаемого аппарата, могут быть менее готовы заключить контракт с SpaceX.

То, что кажется ясным, так это то, что если график 2024 года остается первостепенным, то единственная надежная ракета, которая будет готова к полету к концу 2023 или началу 2024 года, — это «Сокол-Пулемет».

Vulcan-Centaur

Хорошая ставка на то, что ракета Вулкан-Кентавр, созданная Объединенным стартовым альянсом (ULA), сыграет роль в лунной программе. Эта ракета остается на пути к дебюту в 2021 году, по словам компании, и если совладельцы Lockheed и Boeing выиграют контракты на куски лунного корабля, они, вероятно, выберут Вулкан в качестве ускорителя.

В конфигурации с шестью установленными сбоку бустерами и верхней ступенью кентавра с двумя двигателями вместо одного, компания планирует начальную мощность 13 л на орбиту Луны, сообщил Арс пресс-секретарь. По словам Джессики Рай, из ULA появится «путь роста» для поддержки более высоких требований в будущем. Компания планирует иметь эту более мощную конфигурацию Vulcan, сертифицированную для миссий Artemis к 2024 году.

Есть несколько ключевых преимуществ использования ракеты Vulcan. Политически это считается «безопасным». Лунная программа с использованием традиционного авиакосмического подрядчика, такого как ULA, с меньшей вероятностью вызовет гнев кого-то вроде Шелби или других, которые не скрывали своей неприязни к SpaceX или недоверия к его основателю Элону Маску. УЛА также имеет традиции создания безопасных и надежных ракет.

Но есть и потенциальные подводные камни. Хотя ULA в значительной степени полагается на проверенную в полете технологию для своей ракеты Vulcan, включая вторую ступень ракеты-носителя и большую часть своей авионики, на первой ступени ракеты будет использоваться совершенно новый двигатель, созданный Blue Origin. Кроме того, ULA не опубликовала цены на ракету Vulcan, но вполне вероятно, что «тяжелая» версия ракеты с шестью ускорителями будет довольно дорогой, возможно, вдвое дороже расходного Falcon Heavy.

Нью Гленн

Blue Origin, которая имеет свою концепцию для спускаемого модуля лунного корабля, также строит свою собственную тяжелую ракету. Хотя в графике было некоторое проскальзывание, этот мощный ускоритель в настоящее время рассчитан на дебют 2021 года. Дальнейшие задержки, безусловно, возможны, поскольку Blue Origin пытается перейти от ракеты-носителя New Shepard с тягой около 110 000 фунтов к ракете с тягой почти 4 миллиона фунтов. Это большой скачок.

Что касается мощности, руководство пользователя по полезной нагрузке ракеты размещает 13,6 тонны на геостационарной орбите. Компания отказалась предоставить точное число для способности к лунной орбите — понятно, потому что без законченной ракеты, эти числа — только оценки — но способность Нью-Гленна кажется разумной для 10-11 тонн.

В отличие от SpaceX, Blue Origin действовал больше как традиционная аэрокосмическая компания, налаживая партнерские отношения с такими компаниями, как United Launch Alliance. Поэтому более вероятно, что другие аэрокосмические компании будут готовы сотрудничать с Blue Origin для поездки на лунную орбиту. Тем не менее, не ясно, что New Glenn будет иметь достаточную грузоподъемность, чтобы доставлять большие модули на Луну.

С точки зрения стоимости, Blue Origin не опубликовала цену для New Glenn, которая разработана с возможностью многократного использования на первом этапе. Тем не менее, мы ожидаем, что он будет где-то выше, чем Falcon Heavy, но ниже, чем тяжелая версия ракеты Vulcan.

Коммерческая ракета SLS

Одним из вариантов, предлагаемых подрядчикам НАСА, является «коммерческая» версия ракеты космической системы запуска. Полнофункциональная ракета SLS была бы более чем способна для посадочных модулей с расчетной грузоподъемностью 26 тонн на лунную орбиту. Но этот вариант поставляется с некоторыми очень большими оговорками.

Первое предостережение — планирование. Генеральный подрядчик для основной ступени ракеты SLS, Boeing, изо всех сил пытается завершить производство первой базовой ступени к концу этого года, и он будет подвергнут длительной процедуре испытаний в Космическом центре Стеннис в 2020 году. Если эти испытания пройдут достаточно хорошо Ракета будет перенесена в Космический центр Кеннеди во Флориде для запуска где-то в 2021 году. Вероятно, это лучший график для ракеты SLS, которая первоначально должна была стартовать два года назад.

НАСА заказало первые три запуска SLS для программы Artemis — первая миссия, испытательный полет без экипажа; Артемида II как экипаж с миссией вокруг Луны; и Артемида III как полет, который будет нести астронавтов, которые приземлится на Луну. Исходя из прошлых результатов, не совсем ясно, что Boeing выполняет задачу по созданию более трех ракет-носителей SLS с настоящего момента и до начала 2024 года.

Тем не менее, НАСА заявляет, что подрядчики лунных кораблей могут искать ракету SLS, если они могут убедить агентство, что оно не задержит их собственные закупки ракеты-носителя. «Любое предложение, которое включает запуск системы приземления человека на коммерческой ракете SLS, должно было бы продемонстрировать, что этот подход не мешает текущим планам агентства по разработке, производству и эксплуатации SLS, необходимых для ранних испытательных полетов Артемиды», — сказала представитель НАСА Джина Андерсон. Ars.

Подрядчики Lunar Lander также ведут переговоры с SLS. Если компания хочет купить коммерческую ракету SLS, ей необходимо обратиться к Boeing, Northrop Grumman и другим крупным аэрокосмическим подрядчикам, участвующим в создании ракеты, чтобы договориться о своей цене. Затем им нужно заплатить кому-то за интеграцию ракеты и договориться с НАСА об использовании ее объектов в Луизиане, Миссисипи и Флориде для запуска.

Если все это кажется чем-то натянутым, то это потому, что, вероятно, так оно и есть. Тем не менее, представляется возможным, что Boeing может придерживаться такого подхода с конечной целью запуска полностью интегрированной платформы на более совершенной версии ракеты SLS. В любом случае, если НАСА действительно серьезно относится к посадке на Луну в 2024 году, «коммерческая» ракета SLS кажется рискованным и дорогим выбором для подрядчика на лунных судах.

Starship

Есть один последний вариант, который теоретически может быть доступен к 2024 году: космический корабль, разрабатываемый SpaceX. Неясно, рассмотрит ли НАСА на этом этапе заявку на участие в программе Artemis для участия в Starship, и неясно, будет ли SpaceX участвовать в торгах транспортного средства. (Инженеры SpaceX, работавшие над программой Starship, были, тем не менее, на телеконференции «Промышленный день»).

В случае полной реализации Starship предоставит НАСА революционную возможность не только доставлять несколько тонн груза на поверхность Луны, но и в конечном итоге переправлять астронавтов туда и обратно. SpaceX все еще предстоит проделать большую работу по разработке прототипа, раскрытого в конце сентября, до орбитальной версии звездолета, не говоря уже о том, который может приземлиться на Луну. Кроме того, компания должна завершить разработку своей сверхтяжелой ракеты-носителя.

Однако в частном порядке представители НАСА прекрасно осведомлены о потенциальных возможностях звездолета. Если «Звездолет» будет успешным, он избавит от всех других ракет, указанных выше, а также от сложных двух- и трехступенчатых лунных кораблей, которые НАСА стремится развивать. Starship предложит универсальные покупки для развития лунной колонии.

Политика всего этого грязная. Конечно, руководители миссий в НАСА хотели бы иметь такую ​​возможность. По политическим причинам агентство вряд ли сможет напрямую поддержать программу Starship, заключив более чем несколько небольших контрактов. Тем не менее, если Маск сможет найти способ получить финансирование, необходимое для запуска полноценного Starship онлайн в течение следующих пяти лет — и это будет очень важно, — вполне вероятно, что рассмотренное выше обсуждение будет спорным, поскольку будет один Starship. править ими всеми.