NASA замінила двигун Artemis II під час перевірок перед запуском
Вступ
Нещодавно техніки NASA в Космічному центрі Кеннеді (KSC) демонтували двигун RS-25 E2063 з основної ступені системи запуску Artemis II після виявлення гідравлічного витоку в актуаторі основного клапана окислювача. Замість нього встановили E2061 — двигун, який майже вдвічі старший, що підкреслює як гнучкість наземних операцій, так і обмежену кількість залишків обладнання епохи космічного шаттла.
Виявлення гідравлічного витоку та деталі актуатора клапана
Під час планової перевірки перед польотом минулого місяця датчики тиску на лінії подачі рідкого кисню (LOX) двигуна зафіксували аномалії в контрольному контурі актуатора. Основний клапан окислювача, гідравлічний сервомеханізм, що регулює подачу LOX при кріогенних температурах (~20 К), виявив мікровитік на ущільненні високого тиску. Якщо не вжити заходів, навіть незначні витоки можуть призвести до кавітації на вході турбонасоса і викликати небажані стрибки тиску (до 3,100 psi в камері згоряння), що загрожує працездатності двигуна або його вимкненню.
- Тиск актуатора: 5,000 psi гідравлічної рідини
- Діаметр отвору клапана: 1.7 дюйма
- Точність вимірювання: ±0.2 бар
Операції з вертикальної заміни в будівлі складання транспортних засобів
Вражаюче, але інженери виконали заміну, коли основна ступінь висотою 212 футів стояла у вертикальному положенні на мобільній пусковій платформі всередині VAB High Bay 3. Використовуючи вертикальний установник двигунів NASA розміром 30×30 футів — спеціалізовану наземну опору, розроблену під час розробки SLS — вони відключили 50,000 механічних і електричних з’єднань менш ніж за 48 годин. Уся операція включала:
- Вимкнення гідравліки та очищення трубопроводів LOX
- Відкручування дев’яти титанових кріплень двигуна діаметром 75 мм
- Опускання несправного агрегату на кріо-сумісну підставку
- Встановлення E2061 та повторне підвищення тиску в подачі
Технічні характеристики двигуна та історія обслуговування
RS-25 залишається одним з найпотужніших двигунів на гідроксилах, коли-небудь створених:
- Тяга (в вакуумі): 512,000 лбс
- Специфічний імпульс: 452 с (вакуум), 366 с (на рівні моря)
- Потік LOX: 1,030 lb/s
- Потік LH₂: 1,830 lb/s
- Максимальний тиск в камері: 3,090 psi
Двигун E2063 був виготовлений у 2015 році в Центрі космічних технологій Стенніс, використовуючи залишки турбонасосів шатлів, і жодного разу не літав. Його заміна, E2061, була виготовлена у 2008 році, двічі літала на STS-133 і STS-134, і з тих пір була відремонтована та повторно сертифікована в рамках програми перетворення шатлів у SLS.
Моніторинг стану двигуна та заходи щодо зменшення витоків
Щоб зменшити кількість непередбачених демонтажів, NASA розширює свій комплекс моніторингу стану в реальному часі. На Artemis II дані з високоточних волоконно-оптичних температурних сенсорів, ультразвукових акустичних детекторів та резервних датчиків тиску надходять до бортового аналітичного пакета. Як зазначає головний інженер RS-25 доктор Марія Гонсалес: “Ці системи дозволяють нам виявляти ерозію ущільнень до підміліметрових допусків, що дає нам впевненість у метриках повторного використання двигунів та запасах безпеки.” У майбутніх оновленнях можуть бути використані моделі машинного навчання для прогнозування втоми ущільнень на основі історичних даних польотів та випробувань.
Порівняльний аналіз: RS-25 проти двигунів нового покоління на метанолі
Хоча RS-25 відзначається високими показниками ефективності, нові учасники, такі як BE-3U від Blue Origin та Raptor від SpaceX, заявляють про вищі показники тяги до ваги та нижчі витрати на один політ завдяки використанню метанового пального. Коротке порівняння:
- RS-25: 1,150 сек Isp (вакуум), зріла конструкція, $100 млн за одиницю
- BE-3U: 460 сек Isp, спрощений цикл, багаторазовий, ~$30 млн за двигун
- Raptor: 380 сек Isp, повний потік стадійного згоряння, на метані, <$10 млн за двигун
Хоча RS-25 є застарілим обладнанням, яке виводиться з експлуатації після кожного польоту SLS, комерційні метанові двигуни обіцяють швидкі заміни та нижчі фіксовані витрати — фактори, що сприяють дебатам у Конгресі щодо сталого інфраструктурного розвитку для глибококосмічних місій.
Сталий розвиток програми та бюджетні наслідки
Інспектор Генерального управління NASA у 2023 році оцінив, що нові двигуни RS-25 коштуватимуть $100 мільйонів кожен і сприятимуть ціні запуску SLS близько $2.5 мільярдів. Навіть з продовженням фінансування для Artemis IV, подальші польоти залежать від виділення коштів Конгресом. Агентство розглядає можливість створення більш потужної Верхньої стадії досліджень (EUS), кошторис якої становить $5.7 мільярдів, але стикається з тиском переходу на менш дорогі комерційні засоби для місій на Марс.
“Кожна непередбачена заміна двигуна підкреслює необхідність у економічно ефективних альтернативах,” говорить аналітик аерокосмічної галузі Карен Метьюз з Центру космічної політики. “Балансування продуктивності з фінансовою відповідальністю визначатиме шлях Америки за межі орбіти Місяця.”
Перспективи
З E2061, що тепер працює на позиції двигуна 4, Artemis II залишається на шляху до запуску на початку 2026 року, залежно від погодних умов і готовності космічного апарату Orion. Тим часом, випробування нового блоку II RS-25 (E2163) на Стеннісі досягли повної тривалості горіння, підтверджуючи оновлення до силової головки та ущільнень перед резервною місією Artemis V.
У той час як NASA вдосконалює свій двигунний парк і досліджує комерційні партнерства, успіх програми Artemis залежатиме від інтеграції спадкового обладнання з новітніми системами пропульсії для забезпечення сталого та доступного людського дослідження глибокого космосу.