Księżycowy kolos NASA. Czym jest rakieta SLS? [ANALIZA]

Misję Artemis II należy postrzegać jako jeden wielki i kosztowny system, w którym najmniejsze elementy pełnią istotne funkcje. Przykładowo, trudno rozpatrywać rakietę SLS (Space Launch System) bez wzięcia pod uwagę statku kosmicznego Orion, którym czteroosobowa załoga dwukrotnie obleci Księżyc i powróci na Ziemię.

Na potrzeby niniejszej analizy spróbujmy jednak podjąć się tego zadania. W końcu od sprawności rakiety zależy, czy misja w ogóle poderwie się z platformy startowej na Florydzie. Autor przedstawia rakietę SLS wyłącznie w kontekście technicznym, bez uwzględnienia aspektów finansowych. Celem materiału jest omówienie ważnego elementu w ponownej podróży człowieka w stronę Księżyca.

Historia rakiety SLS

W 2003 roku program załogowych lotów kosmicznych w Stanach Zjednoczonych stanął pod znakiem zapytania. Katastrofa misji STS-107 i promu Columbia pokazała, że ten etap dobiega końca, a NASA potrzebuje powiewu świeżego powietrza, czegoś na miarę Apollo. W 2004 r. prezydent George W. Bush ogłosił program Constellation obejmujący nie tylko wspomniany statek kosmiczny Orion (tak, historia tej kapsuły ma już ponad 20 lat), ale i serię rakiet Ares. Orion miał transportować astronautów zarówno do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ang. International Space Station, ISS), jak i poza orbitę Ziemi. Amerykanie znów spojrzeli na Księżyc.

Program Space Shuttle zakończył się w lipcu 2011 r. Atlantis poderwał się do lotu w celu przetransportowania 4-osobowej załogi do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Misja STS-135 zwieńczyła długoletni program amerykańskich wahadłowców kosmicznych. Przed jego końcem nadziei upatrywano w Constellation, ale tak jak w przypadku wielu programów NASA, rosnący budżet i szacowane opóźnienia spowodowały zakończenie programu.

Dla wielu był to wielki zawód – perspektywa milionów dolarów po prostu prysła. Kontrakty na opracowanie statków kosmicznych do misji na ISS przypisano nowym graczom na rynku. Czy to rozwiązywało problem? Częściowo tak, ale co z ambicjami największej agencji kosmicznej na świecie? Czy po sukcesie Apollo Amerykanie mieli raz na zawsze zapomnieć o Księżycu? NASA pozostawiła Oriona przy życiu, ale nie samym statkiem kosmicznym żyje astronauta. Potrzebna jest rakieta, która wyniesie go w przestrzeń kosmiczną. Prace nad SLS trwają od 2011 r.

Główny stopień rakiety SLS

Core stage to kręgosłup tego systemu nośnego, o wysokości blisko 65 metrów i średnicy 8,4 metra. Jest to zintegrowana struktura zbudowana z dziesięciu sekcji cylindrycznych (ang. barrels) wzmocnionych przez siedem pierścieni. Każda sekcja cylindryczna składa się z ośmiu paneli wykonanych ze stopu aluminium 2219, charakteryzującego się wysoką odpornością na pękanie, korozję oraz podwyższone temperatury. Core stage obejmuje zbiorniki na ciekły wodór i ciekły tlen, które są domknięte z obu stron łącznie czterema kopułami. Na samym dole segmentu zostały zamontowane cztery silniki RS-25, które brały udział w misjach wahadłowców i zostały odnowione do nowego zadania.

Jak widać, dolny stopień rakiety SLS jest rdzeniem szeregu podsystemów, które muszą współgrać. Mowa nie tylko o zbiornikach i sekcjach transferu materiału pędnego do silników, ale również o systemach awioniki, które zostały umieszczone na samej górze segmentu, w sekcji określanej jako forward skirt. Dodatkowo core stage obejmuje zbiorniki z helem i azotem, które pomagają utrzymać odpowiednie ciśnienia w zbiornikach paliwa i utleniacza.

Charakterystyczną cechą tego segmentu jest jego pomarańczowy kolor, który wynika z osłony termicznej, czyli nałożonej metodą natryskową pianki izolacyjnej. Aby wzmocnić odporność, NASA dołożyła również inne materiały, np. korek, który podczas lotu ulega zjawisku ablacji. Ciekawostką jest fakt, że świeżo po nałożeniu pianki rakieta ma kolor bardziej przypominający kanarkowy. Pomarańczowy odcień wynika z padających na niego promieni słonecznych, które nadają mu swoistą „opaleniznę”.

Silniki pomocnicze

W początkowej fazie lotu ciąg rakiety zapewniają nie tylko cztery silniki RS-25, ale również dwa silniki pomocnicze na paliwo stałe, które są dołączone do kręgosłupa rakiety. Boostery pracują przez pierwsze dwie minuty misji. Podobnie do głównych jednostek napędowych również wywodzą się z programu wahadłowców kosmicznych. Pojedynczy silnik pomocniczy ma 54,1 metra wysokości, 3,7 metra średnicy, a jego masa całkowita to 726 ton.

Każdy z boosterów składa się łącznie z 5 segmentów, które są składane w halach montażowych. Jest to jedna z głównych różnic dzielących SLS od wersji Space Shuttle, w którym booster składał się z 4 segmentów. Według NASA silniki wyprodukują łącznie 75% całkowitego ciągu przy starcie rakiety SLS.

Ważną różnicą jest również fakt usunięcia zdolności do odzyskania boosterów, która była dostępna w przypadku programu wahadłowców. Starsi kuzyni byli odłączani od zbiornika głównego i wodowali w oceanie po wcześniejszym rozłożeniu spadochronów. Usunięcie systemów odzyskiwania w przypadku SLS przełożyło się na zwiększenie masy o 0,9 tony, co przełoży się na zwiększenie efektywności podczas manewrów w kosmosie. Silniki są widoczne na okładce tekstu, zintegrowane z core stage.

Górny stopień ICPS i wyżej

Interim Cryogenic Propulsion Stage został umieszczony między segmentem głównym a statkiem kosmicznym Orion. Po oddzieleniu od dolnej części wprowadza statek kosmiczny Orion na orbitę wokół Ziemi, a następnie uruchamia silnik ponownie, aby nadać mu prędkość potrzebną do opuszczenia ziemskiej orbity i rozpoczęcia podróży w stronę Księżyca.

ICPS jest napędzany pojedynczym silnikiem RL10, zasilanym przez materiał pędny zawierający ciekły wodór i ciekły tlen. Całość ma niecałe 14 metrów wysokości i 5 metrów szerokości.

Tak jak w przypadku innych elementów rakiety SLS, również ICPS ma swoją historię. Segment wywodzi się z górnego stopnia rakiet Delta IV, określanego jako Delta Cryogenic Second Stage. Modyfikacje wprowadzone na potrzeby programu Artemis uwzględniają m.in. wydłużenie zbiornika na ciekły wodór lub dodanie zbiornika na hydrazynę, która będzie potrzebna silnikom systemu kontroli położenia, aby być w stanie manewrować w kosmosie. ICPS, a szczególnie systemy awioniki i urządzenia elektryczne, są częściowo chronione przez stożkowy adapter wyposażony w specjalne otwory ułatwiające technikom prace przy ICPS w Kennedy Space Center na Florydzie. W środku adaptera znajdują się kamery dostarczające dane kontrolerom misji.

Tuż powyżej ICPS, a przed statkiem kosmicznym Orion, znajduje się adapter OSA (Orion Stage Adapter), który odgrywa kluczową rolę. Zapobiega niespodziewanemu rozłączeniu kapsuły z segmentem ICPS. Pierścień o wysokości 1,5 metra jest również miejscem na dodanie opcjonalnych ładunków typu CubeSat. W bezzałogowej misji Artemis I w 2022 r. NASA oprócz Oriona wystrzeliła jeszcze 10 małych satelitów.

Podsumowanie

Tak prezentuje się rakieta SLS, która najwcześniej w kwietniu wyniesie kapsułę Orion z czteroosobową załogą w podróż wokół Księżyca. Artemis II utoruje drogę do misji Artemis III, która zakłada demonstracyjne dokowanie kapsuły Orion i lądownika (Starship HLS lub Blue Moon) na niskiej orbicie okołoziemskiej. Artemis IV będzie historycznym powrotem człowieka na Srebrny Glob.

Tym razem nie chodzi o kilka lądowań i przeprowadzenie badań naukowych. NASA, we współpracy z agencjami z państw sojuszniczych i przemysłem, chce wybudować stałą infrastrukturę do badań, eksploracji i życia. Księżyc ma być jedynie przystankiem. A później? Kto wie… Może Mars?