Artemis I: техническое устройство и основные задачи миссии

2022-й год подарил любителям космонавтики зрелище, которое в последний раз можно было увидеть полвека тому назад. Речь об установленной на стартовой площадке сверхтяжелой ракете SLS, которая в рамках миссии Artemis I отправит космический корабль Orion к Луне. Поскольку подготовка к запуску завершена, самое время подробнее рассказать об этой миссии и ее основных задачах.

SLS является крупнейшей ракетой NASA со времен программы Apollo. Высота ее базовой модификации (версия Block 1) составляет 98 метров. Носитель состоит из двух твердотопливных боковых ускорителей и двух ступеней. Боковые ускорители SLS построены компанией Northrop Grumman и являются модифицированной версией блоков, некогда устанавливавшихся на шаттлах. Они отличаются от них наличием дополнительного сегмента.

Первая (центральная) ступень SLS создана компанией Boeing. Она оснащена четырьмя модифицированными двигателями RS-25 работающими на топливной паре жидкий водород + жидкий кислород. Ранее эти силовые агрегаты тоже использовались на шаттлах. Второй (верхней) ступенью SLS служит криогенный блок DCSS (Delta Cryogenic Second Stage), до этого применявшийся на ракетах семейства Delta.

В общей сложности, в конфигурации Block 1 ракета может вывести 95 тонн груза на низкую околоземную орбиту (НОО) и до 27 тонн груза на траекторию полета к Луне. Начиная с четвертого полета, SLS подвергнется модернизации до версии Block 1B. Вместе криогенного блока DCSS на нее начнет устанавливаться создаваемая компанией Boeing верхняя ступень EUS (Exploration Upper Stage). Она позволит увеличить грузоподъемность ракеты до 105 тонн на НОО и до 42 тонн при полете к Луне. В последующем NASA надеется внести еще несколько изменений в конструкцию второй ступени SLS и боковых ускорителей, которые позволят довести ее грузоподъемность до 130 тонн на НОО и до 46 тонн при полете к Луне.

Разработка космического корабля Orion началась еще в нулевые в рамках программы  Constellation (впоследствии она была закрыта). Он состоит из построенного компанией Lockheed Martin жилого модуля и служебного отсека, за создание которого отвечает концерн Airbus Defence and Space.

Масса жилого модуля Orion составляет 10.4 тонны. Он рассчитан на экипаж из четырех астронавтов. В 2014 году NASA провела орбитальное испытание жилого модуля корабля, в ходе которого он совершил два витка вокруг нашей планеты, а затем вошел в земную атмосферу на скорости 8,9 км/с (это меньше, чем скорость при возвращении с Луны, но больше, чем скорость при обычных рейсах на околоземную орбиту). Теплозащита корабля успешно справилась с этим испытанием.

Служебный модуль Orion создан на базе беспилотного корабля ATV, осуществлявшего снабжение МКС. Он несет весь необходимый запас воздуха и воды для экипажа, а также аккумуляторные батареи и четыре фотогальванические панели, предназначенные для генерирования электроэнергии. Его длина составляет 4 метра, диаметр — 4.1 метра (19 метров с учетом раскрываемых солнечных батарей), масса в заправленном состоянии — около 15 тонн, из которых порядка 9 тонн составляет топливо для бортовых двигателей.

Основой силовой установки служебного модуля является двигатель AJ10-190, ранее использовавшийся в системе орбитального маневрирования шаттлов. Он может обеспечить Δv до 1800 м/c. Также на нем будут установлены 8 вспомогательных двигателей Aerojet R-4D-11 и 24 малых двигателя системы ориентации.

Orion оснащен системой аварийного спасения в виде установленной в его носовой части твердотопливной ракеты. В случае аварии она должна «выдернуть» корабль и увести его в сторону от гибнущего носителя. В 2019 году NASA успешно испытала систему. Стоит отметить, что во время миссии Artemis I САС Orion не будет активирована.

Главная задача миссии Artemis I заключается в комплексном тестировании всех систем SLS и Orion. Успех испытания откроет дорогу к пилотируемым полетам, в ходе которых четыре астронавта облетят Луну (миссия Artemis II), а затем совершат посадку на южный полюс спутника (миссия Artemis III).
План полета Artemis I выглядит следующим образом. После выхода на околоземную орбиту, Orion выполнит маневр, который переведет его на траекторию полета к Луне.

Космический корабль пролетит на расстоянии 100 км от лунной поверхности, после чего активирует основной двигатель. Комбинация из лунной гравитации и нескольких последующих маневров позволит ему выйти на дальнюю ретроградную орбиту (ДРО) вокруг Луны.

ДРО пролегает на значительном расстоянии от лунной поверхности — в апогее корабль будет удаляться от спутницы нашей планеты на 70 тысяч км, при этом двигаясь в направлении, противоположном направлению движения Луны вокруг Земли. Специалисты миссии выбрали эту орбиту из-за ее стабильности. Находящиеся на ней космические аппараты «балансируются» гравитационными притяжениями Земли и Луны, что позволяет снизить расход топлива.

Orion проведет на ДРО несколько недель. В течение этого времени инженеры NASA будут следить за поведением аппарата и тестировать его системы. Для возвращения на Землю Orion осуществит два включения двигателя. Первое уведет его с ДРО и направит на траекторию, в ходе которой он вновь пройдет на расстоянии 100 км от лунной поверхности. Затем корабль совершит финальный маневр, который направит его к Земле.

Последним испытанием станет вход в земную атмосферу. Поскольку Orion будет двигаться со скоростью 11,2 км/с, его теплозащитный экран разогреется до температуры, достигающей примерно 2800°C. Если все пройдет хорошо, капсула корабля приводнится в Тихий океан.

В ходе полета на борту Orion будет находиться комплект датчиков, тщательно фиксирующих уровень нагрузок и излучения, которым бы подверглись астронавты в ходе полета. Роль экипажа исполнит облаченный в скафандр манекен Moonikin Campos, а также туловища Helga и Zohar. Они будут оснащены сенсорами, которые измерят уровень облучения и перегрузок. Внутри корабля также разместят контейнер с растениями и водорослями. Он является частью эксперимента по изучения воздействия радиации на живые организмы в межпланетном пространстве.

Orion также будет нести целый ряд символических грузов. Среди них флаги США и европейских стран, набор из четырех фигурок Lego, статуэтку богини Артемиды, куклы пса Снупи и барашка Шона (они используются в качестве индикаторов невесомости), а также микрочипы и флэшки с именами сотрудников проекта и людей, принявших участие в акции Fly your name around the Moon.

Помимо Orion, SLS также выведет в космос попутную нагрузку в виде десяти микроспутников, созданных на базе платформы кубсат. Речь о следующих аппаратах:

• Lunar IceCube. Этот аппарат займется поиском залежей воды и других летучих соединений на Луне.
• LunaH-Map. Целью этой миссии является создание карт, демонстрирующих наличие следов водорода в вечно затененных кратерах на южном полюсе Луны.
• LunIR. Спутник, которые займется получением детальных инфракрасных изображений лунной поверхности.
• OMOTENASHI. Японский посадочный аппарат, предназначенный для измерения уровня радиации. В случае успеха, он станет самым маленьким в истории космическим аппаратом, который сумел сесть на Луну.
• CuSP. Спутник для определения характеристик заряженных частиц и магнитных полей.
• Аппарат, предназначенный для проведения биологического эксперимента по изучению воздействия радиации на живых существ.
• EQUULEUS. Японский спутник для изучения радиационной обстановки в окрестностях точки Лагранжа L2 системы Солнце – Земля.
• NEA Scout. Экспериментальный солнечный парусник, который должен будет совершить пролет околоземного астероида.
• ArgoMoon. Итальянский аппарат, который сделает фотографии отработанного криогенного блока DCSS.
• Team Miles. Аппарат-демонстратор, предназначенный для испытания экспериментальной плазменной силовой установки.

На данный момент, запуск миссии Artemis I запланирован на 29 августа 2022 года. Резервные стартовые окна будут открыты 2 и 5 сентября. Если ракету не удастся запустить в указанные дни, следующие стартовые окна для полета к Луне будут открыты в период с 20 сентября по 4 октября и с 17 октября по 31 октября.План полета предполагает, что Orion проведет в космосе 42 дней. Если запуск SLS состоится 29 августа, корабль вернется на Землю 10 октября.