A Holdig eljutni óriási vállalkozás, amelyhez óriási rakéta szükségeltetik. Az SLS (Space Launch System) már most a valaha épült legnagyobb rakéták közé tartozik, és amint elemelkedik az indítóállásról, a valaha épült egyik legnagyobb teljesítményű rakéták közé is bekerülhet.
Az SLS rakéta és az Orion űrhajó 57 különböző hajtóművel és motorral van felszerelve. A felszállástól a visszatérésig ezek a fogják az első Orion űrhajót az Artemis-I küldetés keretében a Holdon túlra eljuttatni, messzebbre, mint ahová eddig bármely ember számára épített űrhajó eljutott. Ebben a cikkben bemutatjuk nektek, hogy melyek azok a hajtóművek, amelyek segítségével később újból eljuthat az ember a Holdig.
Az SLS rakéta kezdeti konfigurációja – az úgynevezett Block-1 – az első három Artemis küldetésen lesz használatos. Körülbelül 101 méter magas, azaz magasabb, mint a Szabadság-szobor. Tömege 2608 tonna, és kb. 40 MN tolóerőt produkál az indítás és emelkedés során. Ebben 4 db RS-25 hajtómű és 2 db szilárd hajtóanyagú gyorsítórakéta (SRB) lesz a segítségére. Körülbelül két perccel a start után a gyorsítórakéták leválnak, és a központi fokozat RS-25 hajtóművei immár önállóan folytatják az Orion űrhajó pályára állítását. Ezután az áramvonalazó kúpok szeparációja is megtörténik, és az ún. leválasztó motor (jettison motor) beindításával a küldetésmegszakító rendszert (miután már nincs rá szükség) is eltávolítják az űrhajóról.
Körülbelül nyolc perccel a start után az RS-25 hajtóművek leállnak, és megtörténik az SLS rakéta és az Orion űrhajó szeparációja. Ekkor az ún. központi kriogenikus gyorsítófokozat (Interim Cryogenic Propulsion Stage – ICPS) veszi át főszerepet. Az RS-25 kisebb testvére, az RL-10 hajtómű kevesebb mint egy percig fog működni annak érdekében, hogy az Oriont Föld körüli pályára állítsa egy hosszabb ideig tartó gyorsítómanőver előtt, amelynek segítségével az űrhajó kiléphet a Föld gravitációjának vonzásából, és pályára álljon a Hold felé. Miután az RL-10 hajtómű befejezte az Orion gyorsító manőverét, az ICPS leválik az űrhajóról. Ezt követően a szervizmodul összesen 33 hajtóműve fogja segíteni az űrhajó meghajtását és pozicionálását a küldetés során, egészen addig, amíg az Orion kapszula ismét belép a Föld légkörébe.
Közvetlenül a visszatérés előtt a szervizmodul leválik az Orionról. Miközben az Orion a visszatérésre és a Csendes-óceánra való landoláshoz készül, a kapszula 12 db RCS fúvókája biztosítja, hogy az űrhajó megfelelően tájolva, hőpajzzsal lefelé lépjen be a Föld légkörébe, és az ereszkedés során is stabil maradjon.
Az Artemis-I repülési profilja.
Most, hogy áttekintettük az Artemis-I küldetés legsarkalatosabb mozzanatait és az ezekhez szükséges meghajtórendszereket (hajtóművek, motorok), lássuk részletesen, mi teszi mozgásképessé az SLS-t és az Orion űrhajót.
Az SLS – indítástól a Hold pályájáig
2 db szilárd hajtóanyagú gyorsítórakéta (Solid Rocket Boosters-SRB)
Gyártó: Northrop Grumman
Elhelyezkedés: az SLS központi fokozatának két oldalán.
Hajtóanyag: szilárd hajtóanyag: akrilnitril polibutadién (PBAN), oxidálószer: ammónium-perklorát.
Működési időtartam: körülbelül 2 perc.
Funkciója: a két szilárd hajtóanyagú gyorsítórakéta együttesen a teljes tolóerő több mint 75%-át adják a felszálláskor. Egyenkénti maximális tolóereje 16 MN, és másodpercenként 6 tonna szilárd hajtóanyagot éget el, mielőtt leválik a központi fokozatról.
Kiegészítő információk: Magasabb, mint a Szabadság-szobor, és több mint 726 tonnát nyom. A gyorsítórakéta mind az öt szegmensében használt szilárd hajtóanyag állaga a radírhoz hasonlítható.
2 db gyorsítórakéták beindításáért felelős motor (Booster Ignition Motor)
Gyártó: Northrop Grumman
Elhelyezkedés: az öt szegmensből álló szilárd hajtóanyagú gyorsítórakéták felső részén.
Hajtóanyag: szilárd hajtóanyag: akrilnitril polibutadién (PBAN), oxidálószer: ammónium-perklorát.
Működési időtartam: kevesebb, mint 1 másodperc.
Funkciója: indításkor ezek gyújtják be a szilárd hajtóanyagot az egyes gyorsítórakéták belsejében.
4 db RS-25 hajtómű
Gyártó: Aerojet Rocketdyne
Elhelyezkedés: az SLS központi fokozatának alján.
Hajtóanyag: folyékony hidrogén és folyékony oxigén.
Működési időtartam: körülbelül 8 perc.
Funkciója: a négy hajtómű együttesen több mint 8,9 MN tolóerőt generál az emelkedés során. A hajtóművek percenként több mint 340 687 liter folyékony hidrogént és folyékony oxigént égetnek el, mielőtt a központi fokozat és az ICPS szétválik.
Kiegészítő információk: Az első Artemis-misszió során használt 4 db RS-25 hajtóművet korábban az űrsikló program során is használták, és 21 sikeres repüléshez járultak hozzá. A hajtóműveket „korszerűsítették”, így nagyobb tolóerőt biztosítanak, hogy megfeleljenek az SLS teljesítménykövetelményeinek. Azonban ez azzal is jár, hogy többször már nem lehet újra felhasználni, így kvázi az újra és újra felhasználható hajtóműveket eldobhatóvá alakították.
1 db RL-10 hajtómű
Gyártó: Aerojet Rocketdyne
Elhelyezkedés: az ICPS (központi kriogenikus gyorsítófokozat) alján.
Hajtóanyag: folyékony hidrogén és folyékony oxigén.
Működési időtartam: kevesebb mint 1 perctől körülbelül 20 percig tartó intervallumban.
Funkciója: Az ICPS egyetlen RL-10 hajtóműve kétszer lép működésbe. Elsőként a központi fokozat leválasztása után stabil, Föld körüli pályára állítja az Orion űrhajót. Második alkalommal 0,11 MN tolóerő generálásával az Orion űrhajó elhagyja a Föld körüli pályát, és megkezdi útját a Hold felé. Az RL-10 az Oriont 12 392 km-en át fogja gyorsítani, mielőtt leválik az űrhajóról.
Kiegészítő információk: Az SLS jövőbeli konfigurációi összesen négy RL-10 hajtóművet használnak majd, melynek neve Exploration Upper Stage (EUS). Az újgenerációs felső fokozat lehetővé teszi a NASA számára, hogy az Oriont felszereléssel vagy ellátmánnyal indítsa útnak, illetve más, nagyméretű teherűrhajókat küldjön például a Lunar Gateway-hez. Az EUS az ICPS-hez képest kb. 40%-kal több hasznos terhet tud a Holdhoz juttatni, 27 tonna helyett 42-46 tonnát, a 4 db RL-10 hajtómű pedig 0,43 MN tolóerőt képes leadni. Részletes összehasonlítást a cikk végén található infografikán olvashattok.
Az SLS felépítése – Kép forrása: NASA, szerkesztette: Séra Gábor.
Az Orion – a Hold körül és vissza a Földre
1 db küldetésmegszakító rendszert leválasztó motor
Gyártó: Aerojet Rocketdyne
Elhelyezkedés: A küldetésmegszakító rendszer tornyán, a megszakító motor és a helyzetszabályozó motor között.
Hajtóanyag: szilárd hajtóanyag: hidroxil-végződésű polibutadién (HTPB), oxidálószer: ammónium-perklorát.
Működési időtartam: körülbelül 1,5 másodperc.
Funkciója: A motor feladata a normál indítási folyamat során az, hogy leválassza a küldetésmegszakító rendszert az Orionról, amikor már nincs rá szükség. Nem normál indítási folyamat során, azaz egy megszakítást követően az Orion űrhajó a küldetésmegszakító rendszer leválasztását követően tudja kinyitni ejtőernyőit, az óceánba való biztonságos visszatéréshez. Abban az esetben, ha az indítás, vagy az emelkedés során vészhelyzet állna elő, körülbelül 0,18 MN tolóerőt biztosít, hogy leválassza a küldetésmegszakító rendszert az űrhajóról.
Kiegészítő információk: A leválasztó motor az egyetlen olyan hajtómű a küldetésmegszakító rendszeren, amely minden egyes misszió során működésbe lép majd.
1 db orbitális manőverező rendszer hajtóműve (Orbital Maneuvering System Engine OMS-E)
Gyártó: Aerojet Rocketdyne
Elhelyezkedés: A szervizmodul alján.
Hajtóanyag: folyékony hajtóanyag: Monometil-hidrazin (MMH), oxidálószer: nitrogén-oxidok (MON, vagy magyarul NOx).
Működési időtartam: kevesebb mint 1 perctől körülbelül 16 percig tartó intervallumban.
Funkciója: ez a fő hajtómű az Európai Szervizmodulon, amely a legfontosabb hajtómű lesz az Orion űrbéli manővereihez a Holdhoz történő utazás során. A hajtómű 26,29 kN tolóerőt biztosít, és lehetséges vele az űrhajó irányítása is. Bizonyos küldetésmegszakítási esetekben az Orion biztonságos visszatéréséhez is használható.
Kiegészítő információk: az első küldetés során használt hajtómű az űrsikló Orbital Maneuvering System (Orbitális Manőverező Rendszer) átalakított hajtóműve, amely már korábban is repült az űrben, 19 alkalommal. Először 1984 októberében az STS-41G küldetésen használták a Challenger űrsiklón, utoljára pedig 2002 októberében az STS-112 misszió során az Atlantis űrsiklón.
8 db R-4D-11 segédhajtómű
Gyártó: Aerojet Rocketdyne
Elhelyezkedés: A szervizmodul alján 4×2 darabból álló egységben.
Hajtóanyag: Monometil-hidrazin (MMH), oxidálószer: nitrogén-oxidok (MON, vagy magyarul NOx).
Működési időtartam: kevesebb mint 1 perctől körülbelül 45 percig tartó intervallumban.
Funkciója: pályakorrekciók végrehajtására, és a főhajtómű tartalékjaként szolgáljanak. Mindegyik körülbelül 0,44 kN tolóerőt biztosít. Az egyes segédhajtóművek be- és kikapcsolásával az irányítást is segítik.
24 db RCS hajtómű (Reaction Control System, vagy gázdinamikai fúvóka)
Gyártó: ArianeGroup
Elhelyezkedés: A szervizmodul oldalán 6×4 darabból álló egységben.
Hajtóanyag: Monometil-hidrazin (MMH), oxidálószer: nitrogén-oxidok (MON, vagy magyarul NOx).
Működési időtartam: milliszekundumtól 1 óráig tartó intervallumban.
Funkciója: rögzített pozícióban vannak, szükség szerint külön-külön is beindíthatók, hogy az űrhajót különböző irányba mozdítsák, vagy bármilyen helyzetbe forgassák. Mindegyik hajtómű körülbelül 0,22 kN tolóerőt biztosít.
12 db MR-104G RCS hajtómű (vagy gázdinamikai fúvóka)
Gyártó: Aerojet Rocketdyne
Elhelyezkedés: Az Orion hátsó héján 6×2 darabból álló egységben.
Hajtóanyag: hidrazin
Működési időtartam: kevesebb mint 1 másodperctől körülbelül 50 másodpercig tartó intervallumban.
Funkciója: ezek irányítják az Orion személyzeti modulját (magyarán magát a kapszulát), miután az leválik a kiszolgálómodulról, hogy felkészüljön a Föld légkörébe való visszatérésre és az óceánba való ereszkedésre. A hajtóművenként 0,71 kN tolóerőre képes rendszer biztosítja, hogy az űrhajó a visszatéréshez megfelelő irányba álljon, hőpajzsa előrefelé (azaz lefelé) nézzen, és az ejtőernyők alatti ereszkedési fázisban is stabil maradjon.
Kiegészítő információk: egykomponensű hajtóművek, amelyek forró gázt és tolóerőt generálnak, amikor az üzemanyag külön oxidálószer nélkül, katalizátoranyagon áthaladva szétbomlik.
Az Orion felépítése – Kép forrása: NASA, szerkesztette: Séra Gábor.
Egyéb hajtóművek
A küldetésmegszakító rendszer két további motort tartalmaz. Ezek az Artemis-I küldetésen nem lesznek aktívak (bár a rakéta részét képezik), tekintve, hogy ez a misszió nem emberes repülés lesz, így gyakorlatilag itt nem lesz rájuk szükség.
1 db megszakító motor
Gyártó: Northrop Grumman
Elhelyezkedés: A küldetésmegszakító rendszer tornyán, a személyzeti modul és a leválasztó motor között.
Hajtóanyag: szilárd hajtóanyag: hidroxil-végződésű polibutadién (HTPB), oxidálószer: ammónium-perklorát.
Működési időtartam: körülbelül 3 másodperc.
Funkciója: Vészhelyzet esetén az indítóálláson vagy az emelkedés során mintegy 1,78 MN tolóerővel elhúzza a személyzeti modult a rakétától.
1 db helyzetszabályozó motor
Gyártó: Northrop Grumman
Elhelyezkedés: A küldetésmegszakító rendszer tornyának tetején.
Hajtóanyag: szilárd hajtóanyag: karboxi-végződésű polibutadién (CTPB), oxidálószer: ammónium-perklorát.
Működési időtartam: körülbelül 30 másodperc.
Funkciója: amikor vészhelyzet esetén a megszakító motor elrántja az űrhajót a rakétától, a helyzetszabályozó motor beindul, és szükség szerint változtatható tolóerőt biztosít az Orion kapszula stabilizálásához, kormányzásához, mielőtt a küldetésmegszakító rendszert leválasztják az ejtőernyők kinyitásának érdekében. A hajtómű akár 31,14 kN tolóerőt is képes kifejteni bármely irányba.
Bár nem része a rakéta, illetve az űrhajó meghajtásáért felelős teljes rendszernek, számos más, speciálisan tervezett motor, hajtómű, rugó és pirotechnikai eszköz játszik szerepet az egyes elemek szétválasztásában a küldetés különböző fázisaiban, például a központi fokozat, a gyorsítórakéták, a burkolatok, a kiszolgálómodul, vagy az ejtőernyőfedél szétválasztásában, amikor már nincs rájuk szükség. A komplex rendszer összes eleme egy pontosan időzített terv szerint fog együttműködni, hogy az első Artemis-küldetés elindulhasson.
Infografikák és képgaléria
Az SLS tervezett fejlesztési modellje – Infografika forrása: NASA, szerkesztette: Szalipszki Benedek
Az EUS az ICPS összehasonlítása – Infografika forrása: NASA, szerkesztette: Séra Gábor
Az SLS központi fokozatának beemelése a két szilárd hajtóanyagú gyorsítórakéta közé. Kép forrása: NASA
Az összeszerelt SLS, amely az Artemis-I keretében fog indulni. Kép forrása: NASA
Az Artemis-I küldetésen használt 4 db RS-25 hajtómű. Kép forrása: NASA
Egy RS-25 hajtómű a Stennis Űrközpontban tesztelés előtt. Kép forrása: NASA
Az Európai Szervizmodul és az Orion űrhajó. Kép forrása: ESA
Az ICPS ráhelyezése az SLS központi fokozatára. Kép forrása: ULA
Az SLS küldetésmegszakító rendszere. Kép forrása: NASA