Mokslo ir technologijų pasaulis

NASA ir korporacija Lockheed Martin kuria kosminio transporto sistemą, kuri 2020 m. gabens žmones į Mėnulį ir atgal. Erdvėlaivis Orion – vienas iš pagrindinių programos Constellation komponentų. Pagal ją tobulinamos ir įsibėgėjimo pakopos bei įvairūs palaikymo moduliai. Constellation-Orion programa kai kuriais bruožais primena XX a. 7 dešimtmečio Apollo Mėnulio programą. Vis dėlto ji leis ne tik pasiekti Mėnulį, bet bus pritaikoma ir kitoms pilotuojamoms bei nepilotuojamoms misijoms.

Virš išlinkusio Žemės horizonto juodo dangaus fone staiga išnyra šviesus Mėnulio diskas. Kol erdvėlaivis Orion pasiekė orbitą, esančią apie 300 km aukštyje virš didingų mūsų gimtosios planetos platybių, keturi juo skrendantys astronautai jau keletą kartų galėjo grožėtis šiuo įspūdingu reginiu. Tačiau dabar gerai apskaičiuotu raketos variklių stumtelėjimu pilotas pasirengęs pagreitinti savo laivą tolumoje matomo tikslo link. „Skrydžio į orbitą aplink Mėnulį startas po 10 sekundžių... – pasigirsta komanda ausinėse. – Penki, keturi, trys, du, vienas, ...uždegimas...“ Karštos baltos liepsnos išsiveržia iš raketos tūtos, ir visas erdvėlaivis – aibė funkcinių modulių – ima drebėti. Prasideda kelionė artimiausio mūsų dangaus kaimyno, kuriame tebeglūdi daugybė paslapčių, link. Žmonės ten paskutinį kartą lankėsi daugiau kaip prieš pusę amžiaus. Jau 2020 metai, ir amerikiečiai sugrįžta į Mėnulį. Tačiau dabartinis jų tikslas kitoks. Jie turi ne tik nukeliauti ir sugrįžti, bet ir įrengti stovyklą naujai kosmoso tyrinėtojų kartai.

Erdvėlaivis Orion yra pagrindinis NASA programos Constellation komponentas. Tai ambicingas ir daugiamilijardinio biudžeto reikalaujantis NASA siekis sukurti kosminio transporto sistemą, kuri galėtų ne tik nuskraidinti žmones į Mėnulį ir atgal, bet ir aprūpinti atsargomis Tarptautinę kosminę stotį (angl. International Space Station, ISS), taip pat kada nors nuskraidinti žmones į Marso planetą.

Norėdami padėti geriau suprasti, ką apima programa Constellation, pradėkime nuo pakilimo aikštelės, kurioje jau laukia erdvėlaivio Orion įgula. Nuo čia seksime, kaip vyksta įsivaizduojama Mėnulio misija ir kokias technologijas planuojama naudoti įvairiais skrydžio etapais.

Aukštyn, aukštyn ir tolyn

110 m. iškilusi virš druskingų pelkių, plytinčių šalia Floridos Kenedžio kosmoso centro, stovi kilti parengta dviejų pakopų krovininė raketa Ares V. Šis nepilotuojamas erdvėlaivis, kurį varo penkių galingų raketinių variklių grupė, yra beveik tokio paties aukščio bei apimties kaip ir Apollo šlovę atnešusi raketa Saturn V. Ares V centrinio variklio bakas sukurtas remiantis erdvėlaivio Shuttle išorinio kuro bako konstrukcija. Jis tiekia skysto deguonies ir vandenilio kurą varikliams RS-68. Tai modifikuotos variklių, kurie varo Delta IV raketas, naudojamas kariniams ir civiliniams palydovams iškelti į kosmosą, versijos. Prie centrinio Ares V cilindro prijungti du kietojo kuro greitintuvai, tapatūs naudojamiems erdvėlaivyje Shuttle. Jie suteikia papildomą postūmį, kuris reikalingas, kad paleidimo sistema iškeltų vabalą primenantį Mėnulio modulį ir EDS pakopą (angl. Earth Departure Stage). EDS modulis turi skystu deguonimi ir vandeniliu varomą J-2X variklį (NASA Apollo eros Saturn V J-2 variklio papildytą variantą, kurį sukūrė įmonė Pratt&Whitney Rocketdyne). Jo varomas erdvėlaivis Orion nugalės Žemės gravitaciją ir nukeliaus į Mėnulį.

Staiga iš raketos galo pliūpteli liepsna. Banguojantys dūmų kalnai tuoj pat apgaubia greitintuvą, keltuvą ir pakilimo aikštelę. Po akimirksnio kosmodrome pasklinda galingas riaumojimas, ir išgąsdinti paukščiai sprunka visomis kryptimis. Milžiniška raketa ima lėtai kilti virš besiplečiančio balkšvai pilko išmetamų dujų stulpo. Pamažu greitėdamas kosminis laivas danguje palieka dūmų pėdsaką ir pranyksta aukštybėse. Po keleto minučių Žemę supančio kosmoso tyloje Ares V atkabina pagalbinius greitintuvus, šie nukrenta į vandenyną. Vėliau jie bus surasti ir iškelti. Numestas pirmagalio apsauginis gaubtas atidengia Mėnulio modulį. Skriedamas aplink Žemę maždaug 300 km aukštyje, automatinis erdvėlaivis laukia tolesnio kelionės į Mėnulį etapo – susitikimo su Orionu.

Naujojo pilotuojamo NASA erdvėlaivio komponentų „žvaigždynas“

Kosminio transporto sistema Constellation (liet. Žvaigždynas), naudodama universalias ar tik šiek tiek modifikuotas dalis, galės vykdyti įvairius uždavinius, pavyzdžiui, kosminėje stotyje papildyti senkančias atsargas arba pasiekti Mėnulį. Siekiant sumažinti riziką ir projekto kainą, daugelis komponentų remiasi jau sukurtomis technologijomis.

Ta pačią dieną 98 m aukštyje virš Kenedžio kosmoso centro pakilimo aikštelės kelionės į Mėnulį pradžios laukia ir astronautai. Po kūgio formos Oriono įgulos kapsule yra būgną primenantis aptarnavimo sistemų modulis, kuriame įrengtas erdvėlaivio orbitinis varomasis reaktyvinis variklis ir pagrindinės gyvybės palaikymo sistemos dalys. Aptakus uždangalas juos abu apsaugo nuo stiprių aerodinaminių jėgų ir nuo atšiaurių aplinkos sąlygų kilimo metu. Įgulos kapsulė ir aptarnavimo modulis „sėdi“ ant NASA dvipakopės Ares I raketos viršaus. Kai kurie šią raketą (gerokai laibesnę už krovininę Ares V) vadina „lazda“ (angl. stick). Ji pagaminta modifikuoto daugkartinio kosminio erdvėlaivio Shuttle kietojo kuro greitintuvo, kurį sukūrė bendrovė Alliant Techsystems, pagrindu. Ant šios raketos užkelta antroji pakopa, varoma vieno J-2X variklio. Erdvėlaivio adapteris veikia kaip struktūrinė ir elektrinė jungtis tarp erdvėlaivio Orion ir raketos Ares I.

Pačioje konstrukcijos viršūnėje yra avarinis bokštas, kuris, jei ištiktų pavojus, nuskraidintų įgulą tolyn nuo pavojingos zonos. 1986 m. įvykusi Challenger avarija parodė, kad, jei Space Shuttle tipo daugkartinio naudojimo erdvėlaivyje pakilimo metu ar skrydžio pradžioje įvyksta rimtas gedimas, įgula turi nedaug galimybių išgyventi. Erdvėlaivyje Orion įrengta LAS sistema (angl. launch abort system, LAS) gali keletui sekundžių įjungti savo variklį, kurio trauka maždaug 15 kartų didesnė už jos pačios ir atkabintos įgulos kapsulės svorį. Jei įvyksta gedimas ir misija stabdoma, avarinis bokštas turi skubiai išgabenti astronautus iš pavojingos zonos. Sistema veikia ir raketai esant ant žemės, ir pakilimo metu. Jei rimtas pavojus ištinka dar būnant ant žemės, atsiskyrusi sistema pasieks 1200 m aukštį, kurio pakanka, kad išsiskleistų parašiutai ir saugiai nuleistų įgulą maždaug už kilometro nuo pakilimo aikštelės. Misijų planuotojai vertina, kad laivo Orion LAS ir moderni valdymo sistema, jei tik prireiks, išgelbės įgulą 999 atvejais iš 1000.

Kaupiantis priešstartiniam jauduliui visos negeros mintys greitai sklaidosi. Artėjant pakilimo momentui, įgulos vadas ir pilotas atidžiai stebi skrydžio prietaisus plokščiuose Oriono „stiklinio“ prietaisų skydo ekranuose. Erdvėlaivyje įrengta ypač patikima avionikos sistema, kurią naudoja ir moderniausi lėktuvai, pavyzdžiui, neseniai pristatytas Boeing 787 Dreamliner. Kabina su visiškai kompiuterizuotu elektrodistanciniu (angl. fly by wire) valdymu, energiją taupančiais elektriniais prietaisais ir tik keletu mechaninių jungiklių būtų visai nepažįstama Apollo eros astronautui.

Visa konstrukcija sklinda virpesių bangos ir griausmingas dundesys. Ares I ima kilti į dangų. Kas sekundę įgydama vis didesnį greitį ir įspausdama astronautus į krėslus, raketa greitai tolsta.

Paleidimo sistemų rikiuotė

Nuo XX a. 7 dešimtmečio pabaigos NASA sukūrė tris sistemas, pajėgias nuskraidinti žmones į orbitą

Nuo skrydžio pradžios praėjus beveik dviem su puse minutės raketinis kietojo kuro greitintuvas varo Ares I aukštyn Mach 6 greičiu. Maždaug 61 tūkst. m aukštyje atsiskiria pirmoji pakopa ir su parašiutais nusileidžia ant žemės. Ją bus galima naudoti dar kartą. Tuo metu įsijungia antrosios pakopos J-2X variklis, ir iškelia Oriono įgulos modulį, aptarnavimo sistemų modulį ir LAS už viršutinės atmosferos ribos. Aptakūs aerodinaminiai dangčiai daugiau nebenaudingi, tad jie numetami – sumažėjus svoriui pavyks sparčiau kilti. Tuo metu laivas jau yra pasiekęs reikiamą greitį ir avarijos tikimybė sumažėja, todėl LAS bei jos apsauginis uždangalas taip pat atsiskiria ir nukrenta. Įgulos kapsulei ir aptarnavimo moduliui pasiekus maždaug 100 km aukštį, išsijungia antrosios pakopos variklis.

Susitikimas orbitoje aplink Žemę

Tada įjungiamas aptarnavimo sistemų modulio variklis; jis iškelia erdvėlaivį Orion į orbitą ir pradeda manevrus, kurie padeda susitikti su EDS pakopa ir Mėnulio moduliu. Pagrindinis Oriono variklis yra sukurtas pagal skrydžiuose išbandytą erdvėlaivio Shuttle orbitinį manevrinį variklį, padidinus jo galingumą ir efektyvumą. Aptarnavimo sistemų modulyje yra energijos gamybos ir kaupimo sistemos, perteklinę šilumą į kosmosą išspinduliuojantys radiatoriai, visi būtini skysčiai ir mokslinių prietaisų skyrius. Siekiant kiek įmanoma padidinti įgulai skirtą erdvę, aptarnavimo modulyje patalpinta dalis avionikos sistemų ir gyvybės palaikymo subsistemos. Modulis sukonstruotas iš lengvos medžiagos. Tai – iš sudėtinių medžiagų bei polimerų pagamintas ir aliuminiu sustiprintas „korys“. Nesudėtingas gamybos procesas turėtų palaikyti žemą šios vienkartinės dalies kainą.

Vienas iš labiau pastebimų skirtumų tarp Oriono ir Apollo – prie aptarnavimo modulio pritvirtintas skėčio formos saulės baterijų masyvas, kuris prireikus išskleidžiamas orbitoje. Kadangi erdvėlaivis Apollo buvo sukurtas Mėnulio misijoms, kurios skaičiuojamos dienomis, jis gabeno vandenilio kuro elementus. Jie galėjo gaminti elektrą tik santykiškai trumpą laiką. Orionas turi gaminti elektrą mažiausiai šešis mėnesius.

Palaipsniui erdvėlaivis Orion pasiveja Mėnulio modulį ir EDS pakopą, kuriuos Ares V kiek anksčiau iškėlė į artimą Žemei orbitą. Kai abu erdvėlaiviai pagaliau susitinka, įgula atlieka (arba prižiūri) baigiamuosius manevrus ir atidžiai seka automatinę „minkšto pagavimo“ sistemą. Erdvėlaiviai susigretina ir sklandžiai susijungia. Grįžtamojo ryšio ir elektromechaniniai komponentai pajunta krūvius, automatiškai pagauna jungiamuosius laivų žiedus ir aktyviai slopina bet kokias kontaktines jėgas. Laivas su įgula jau pasiruošę kelionei į Mėnulį.

Misijos pavyzdys: žingsnis po žingsnio

NASA programai Constellation priklauso paleidimo raketos, kosminiai erdvėlaiviai ir papildomi aptarnavimo moduliai, kurie iki 2020 m. skraidins žmones į Mėnulį. Planuojama, kad astronautai užtruks Mėnulio paviršiuje nuo 4 dienų iki daugiau nei 6 mėnesių.

Įgulos modulis – tai vienintelis erdvėlaivio Orion elementas, kuris atliks visą kelionę. Jis gali būti naudojamas iki 10 skrydžių. Pagrindinę kapsulės konstrukcijos dalį sudaro lengvas aliuminio ir ličio liejinys su titano sustiprinimais. Įgulos kapsulės išorė padengta šilumai nelaidžiu sluoksniu, kuris grįžtant į atmosferą ne tik apsaugo gyvenamąją erdvę nuo deginančio karščio, bet ir turi tvirtą, smūgiams atsparų sluoksnį, saugantį nuo mikrometeoritų ir kitų šiukšlių.

Grįžimas į gimtąją planetą

Tikėtina, kad artėdami prie žydrosios planetos Oriono astronautai turės pasiruošti kitaip sugrįžti į atmosferą, negu Apollo įgulos. Kaip ir dar senesni erdvėlaiviai Gemini ir Mercury, pranėręs atmosferą, Apollo pūkštelėjo į vandenyną. Kadangi norint nusileisti ant vandens reikia brangių gelbėjimo laivų flotilių, o daugelį kartų naudojamą erdvėlaivį veikia jūros druskų sukelta korozija, NASA planuotojai gali nuspręsti, kad Orionas, kaip ir rusų kosminis laivas Sojuz, turės nusileisti ant kieto paviršiaus. Didesni Oriono matmenys, svoris ir keliamoji galia, žinoma, inžinieriams iškelia sunkesnių užduočių. „Nusileidimo ant žemės“ režimas taip pat svarbus mažinant aptarnavimo kainas. Jei agentūra nuspręs leistis į vandenyną, Orionas turės labai panašias sistemas, kaip ir Apollo.

Deja, nusileidimas Amerikos žemyne yra esminė problema. Beveik pusę Mėnulio mėnesio dėl Žemės ir Mėnulio tarpusavio išsidėstymo nusileisti bus galima tik Pietų pusrutulyje – toli nuo planuojamų vietovių vakarinėje žemyninėje JAV dalyje. Nors keisdami pakilimo iš orbitos aplink Mėnulį laiką galime keisti vietos, kurioje bus grįžtama į Žemės atmosferą, ilgumą, tačiau platumą lemia Mėnulio deklinacija Žemės atžvilgiu (kampinis atstumas nuo pusiaujo) išvykimo iš ten metu. Todėl, norėdamas nepalankiais Mėnulio mėnesio momentais pasiekti nusileidimo vietas vakarinėje JAV dalyje arba netoli žemyninės JAV dalies plytinčius vandenis, erdvėlaivis Orion, pasinaudodamas aerodinamine keliamąja jėga, atsirandančia jam leidžiantis į viršutinius Žemės atmosferos sluoksnius, pakeis savo nusileidimo trajektoriją ir pasieks Šiaurės pusrutulį. Tokia trajektorija primena vandens paviršiumi paleisto akmenuko šokčiojimą, angliškai ji vadinama skip-reentry.

Inžineriniai iššūkiai

Užtrukę keturias dienas kelionėje iš Mėnulio, Oriono astronautai kruopščiai koreguoja skrydžio trajektoriją pirmam skip-reentry tipo nusileidimui. To anksčiau nedarė jokia įgula. Erdvėlaivio iliuminatoriuose didėjantis mėlynų ir baltų spalvų mūsų gimtosios planetos veidas vis labiau žadina astronautų nekantrumą. Tačiau netrukus jie turi imtis darbo – reikia pakeisti laivo padėtį erdvėje taip, kad būtų galima atkabinti aptarnavimo modulį. Tai būtinas veiksmas, nes atidengiamas apsauginis skydas, esantis įgulos modulio apačioje. Vėliau, naudodamiesi papildoma navigacijos sistema ir skrydžio kompiuteriais, astronautai patikrina, ar kosminio laivo padėtis yra tinkama grįžti į atmosferą ir ar jis skrieja teisinga, lėkšta trajektorija. Tuomet įgula pasirengia staigiam stabdymui, kurio jėgą jie pajus Orionui pasiekus atmosferą.

Skip-reentry procesas prasideda lėtai. Pirmiausia įgula pajunta silpnas perkrovas, kurias sukelia išretėjusio aukštuminio oro pasipriešinimas. Jėga, įgulos narius įspaudžianti į laivo sėdynes, lėtai stiprėja, o pro langus praskrieja švytinčios atitrūkusios karščio skydo dalelės. Netrukus erdvėlaivis ima slysti per viršutinius atmosferos sluoksnius ir trumpam atšoka į didesnį aukštį. Po šuoliuko kapsulė neria gilyn į atmosferą ir nusklendžia nusileidimo vietos link.

Tragiška daugkartinio erdvėlaivio Columbia netektis 2003 m. parodė, kad leidžiantis apsaugos nuo karščio sistema yra gyvybiškai svarbi. Patekus į atmosferą apatinėje erdvėlaivio dalyje išsiskiria milžiniškas karštis (pora tūkstančių Celsijaus laipsnių), kurį sukuria viršgarsiniu greičiu paviršiumi judančio oro trintis. Kadangi iš Mėnulio misijos (kur buvo pasiektas apie 11 km/s greitis) į atmosferą grįžtantis Orionas judės 41 proc. greičiau nei Space Shuttle tipo erdvėlaivis, besileidžiantis iš artimos Žemei orbitos, karštis bus keletą kartų didesnis. Tai, kad Oriono įgulos modulis yra didesnis nei Apollo, situaciją dar labiau apsunkins.

Oriono pagrindinis karščio skydas greičiausiai bus gaminamas iš medžiagos, vadinamos PICA (angl. phenolic impregnated carbon ablator). Tai matrica, sudaryta iš anglies pluošto ir fenolio dervos. Esant aukštai temperatūrai išorinis PICA sluoksnis nudega ir pasišalina, sugėręs didžiausią karštį. Medžiagos paviršius nuo karščio pirolizuojasi, palikdamas karščiui atsparų apdegusios medžiagos sluoksnį. Mažas PICA šiluminis laidumas taip pat neleidžia šilumai patekti į įgulos modulį. Ši medžiaga buvo naudojama 2006 m.; ji saugojo erdvėlaivį Stardust (kuris atgabeno Wild 2 kometos medžiagos pavyzdžių), grįžtantį į Žemę 13 tūkst. m/s greičiu. Tai buvo greičiausias visų laikų valdomas nusileidimas. 40 kartų didesnio ploto Oriono karščio skydas turės būti pagamintas iš segmentų, todėl jo konstrukcija bus dar sudėtingesnė.

ELEKTROS LANKAS: kambario dydžio litavimo lempa iki kelių tūkstančių laipsnių įkaitintą orą pučia į bandomąją karščio skydo dalį NASA Eimso (Ames) tyrimų centre.

Nusileidimas ant Žemės

Galiausiai išsiskleidžia trys dideli parašiutai, labai panašūs į naudotuosius Apollo, ir sumažina laivo nusileidimo greitį. Milžiniškų raudonos ir baltos spalvų kupolų vaizdas astronautams reiškia, kad jų nepaprasta kelionė jau beveik baigta.

Netrukus Orionas sudreba, nes atkabinamas didelis jo karščio skydas. Pakabintas po dideliais parašiutais įgulos modulis dabar leidžiasi maždaug 8 m/s greičiu.

Jei leidžiamasi ant kieto paviršiaus, po įgulos moduliu prisipučia oro pagalvių sistema, kuri sušvelnins artėjantį smūgį į žemę. Stipriai trinktelėdamas laivas pagaliau nusileidžia ant sausos dykumos žemės Amerikos vakaruose. Orionas grįžo namo.

Apie autorius

Čarlis Dingelas (Charles Dingell), Viljamas Džonsas (William A. Johns) ir Džulija Kramer Vait (Julie Kramer White) vadovauja projektavimo ir technologijų diegimo darbams NASA bei Lockheed Martin Orion projekte. Dingelas yra NASA paskirtas projekto techninis direktorius. Per agentūroje praleistą ketvirtį amžiaus jis vadovavo daugkartinio kosminio erdvėlaivio palaikymo programai, X-38 įgulos grąžinimo laivo ir orbitinio kosminio lėktuvo programoms. Džonsas atstovauja Lockheed Martin (pagrindiniam projekto rangovui) ir yra tyrimų erdvėlaivio Orion vyriausiasis inžinierius bei techninis direktorius. Karjerą jis pradėjo XX a. 9 dešimtmetyje įmonėje Martin Marietta. Jam teko dirbti su įvairiomis raketos Centaur viršutinės pakopos versijomis ir vadovauti raketos Atlas V kūrimui. Kramer Vait yra NASA projekto Orion vyriausioji inžinierė. Ji turi daugiau nei 20 metų techninio vadovavimo daugkartinio kosminio erdvėlaivio, tarptautinės kosminės stoties ir X-38 programoms patirtį.

Jei norite pasidomėti plačiau

• Lockheed Martin Orion erdvėlaivio interneto svetainė:
  http://www.lockheedmartin.com/products/Orion/
• NASA Constellation programos svetainė:
  http://www.nasa.gov/mission_pages/constellation/main/index.html
• NASA Vision for Space Exploration svetainė:
  http://www.nasa.gov/mission_pages/exploration/main/index.html

Straipsnio tekstinė ir vaizdinė medžiaga priklauso "Scientific American lietuviškas leidimas" žurnalui ir be redakcijos sutikimo draudžiama kopijuoti ar kitaip atgaminti straipsnyje panaudotą informaciją.