KOSMONAUTIKA

Dragan Lazarević

Lunarna misija „Artemis 1“

Povratak ka Mesecu

    Pre tačno pet decenija, decembra 1972, poslednji od 12 astronauta koji su tokom programa „Apolo“ boravili na mesečevoj površini, komandant broda „Apolo 17“ Judžin Sernan oprostio se od mesečevog pejsaža i uspenjao uz lestve do kabine lunarnog modula, ušao u nju i zatvorio vrata. Nešto kasnije, raketni motor uzletnog odseka lunarnog modula aktivirao je pilot Harison Šmit i poveo modul ka mesečevoj orbiti, gde ih je čekao komanadno-servisni modul sa kojim su se spojili. Prešli su u njega sa oko 110 kg uzoraka mesečevih stena i prašine i vratili se na Zemlju po istoj proceduri kao i prethodne misije. Program „Apolo“ letova na Mesec sa ljudskom posadom je time završen. Svi učesnici u tom programu i brojni naučnici širom sveta tada su smatrali da je let „Apola 17“ samo „kraj jednog početka“ i da će uslediti novi i napredniji programi letova na Mesec i uspostavljanja baze-naseobine na njegovoj površini. Međutim, za tako nešto u SAD tada nije postojala politička volja a ni ekonomsko opravdanje s obzirom na enormno visoku cenu letova na Mesec. Usledile su decenije u kojima su neki novi projekti formiranja baze na Mesecu - npr. „Lunox“ ili „First lunar outpost“, koji su bili daleko od realizacije - samo povremeno podsećali da treba nastaviti putem koji je trasiran programom „Apolo“.

Ekonomski i tehnološki nivo SAD i čitavog sveta se neprekidno podizao a iskustva u kosmičkim projektima kao što su bili Spejs Šatl i orbitalna stanica ISS je naraslo do te mere da se novi let na Mesec mogao pripremiti adaptacijom već isprobanih tehničkih rešenja sa daleko manjim troškovima u odnosu na troškove programa „Apolo“.
Prvu konkretnu odluku da SAD treba da vrate astronaute na Mesec doneo je 2005. bivši predsednik SAD Džordž Buš u nameri da to bude na 50. godišnjicu prve misije „Apola 11“, tj. 2019. Taj projekat je nazvan Constellation (sazvežđe). Razvijan je od 2005. do 2010. a njegova okosnica bila je džinovska raketa „Ares 5“. Naredni predsednik SAD Barak Obama je taj projekat jednostavno otkazao, ali NASA je nastavila da radi na kapsuli kosmičkog broda „Orion“ i na džinovskoj raketi „SLS“ (nešto skromnijoj varijanti planirane rakete „Ares 5“). Cilj je bio da se postavi manja orbitalna stanica u visokoj orbiti oko Meseca.
Konačno je 11. decembra 2017. predsednik SAD Donald Tramp izdao direktivu u kojoj se zahteva da NASA pokrene projekat vraćanja američkih astronauta na površinu Meseca ali u okviru budžeta kojim NASA raspolaže i na osnovu primenjenih tehničkih rešenja. Tako je počelo ostvarivanje programa „Artemis“ (Artemida, grčka boginja - Apolonova sestra bliznakinja) sa ciljem spuštanja 4 astronauta na Mesec što bi se većim delom poklapalo sa planom NASA-e da izgradi mesečevu orbitalnu stanicu DSG. Nova administracija predsednika Bajdena je podržala program „Artemis“ time što je konačno učinjen prvi korak - lansirana je raketa „SLS“ sa kosmičkim brodom „Orion“ u misiji bez posade. „Artemis 1“ je dva puta blisko proleteo iznad površine Meseca da bi se, na kraju, kapsula uspešno vratila u atmosferu Zemlje i spustila na površinu okeana.

Dugo rađanje džinovske rakete

Kosmički letovi na Mesec ostvareni su letelicama „Apolo“ zahvaljujući džinovskoj raketi „Saturn 5“, startne mase oko 3000t, koja je mogla da u Zemljinu orbitu podigne oko 125t i da ka Mesecu uputi 45t, kolika je i bila masa lunarnog i komandno-servisnog modula kosmičkog broda „Apolo“. Iako je od tada prošlo više od pet decenija, na polju raketnog pogona nije se ostvario izrazitiji napredak koji bi let na Mesec omogućio sa raketom manje startne mase.
I sadašnje rakete, u orbitu oko Zemlje, izbacuju samo 2,5-4,5% svoje startne mase. Posle tri decenije korišćenja letelica serije „Spejs šatl“ (startne mase 2040 t, nosivosti u Zemljinu orbitu od oko 104 t), kada je korišćen tečni vodonik kao gorivo, bilo je očekivano da se ta proverena tehnologija dalje razvija i primenjuje.
NASA je 2011. počela rad na razvoju nove džinovske rakete jednokratne primene nazvane „SLS“ (Space Launch System) i za to je platila kompanijama „Boeing“, „ULA“, „Grumman“ i dr. 10 milijardi dolara. Ta raketa predstavlja kompleks koji čine dva bočna bustera na čvrsto gorivo (SRB-Solid Rocket Boosters), centralni stepen sa rezervoarima za tečni vodonik i tečni kiseonik kojima snabdeva snabdeva 4 motora, i gornji stepen, takođe sa pogonom na tečni vodonik i tečni kiseonik. Na vrhu se nalazi kosmička letelica „Orion“ koju čine kapsula sa posadom i pogonski servisni modul a nad kapsulom je raketni sistem za njeno eventualno spasavanje LAS.

U prvoj varijanti SLS Block1 raketa je visoka oko 98m, širine centralnog dela 8,4m, startne mase oko 2600t: u nisku zemljinu orbitu može da podigne oko 70t a ka Mesecu da pošalje oko 27t. Bočni busteri su nastali razvojem bustera koji su korišćeni za lansiranje kosmoplana serije „Spejs šatl“ sklopljenih od 4 segmenata.  Za raketu SLS, bočni busteri se sastoje iz pet segmenata a potisak im je uvećan za 25%. Svaki SRB ima masu od 731,9t od čega je masa goriva 631,45t;dužine je 53,9m i prečnika 3,7m, maksimalan potisak koji može da ostvari je 16 miliona njutna tokom 126 sekundi rada, a specifični impuls Isp-2630 m/s. Po tome su čak lošiji od prvog stepena „Saturna 5“.
Centralni stepen je nastao na osnovu tanka za gorivo koji su  koristili „spejs šatlovi“. Ukupne je visine 64,6m, prečnik je 8,4m a ukupna masa na startu 1091t. Pokreću ga 4 vektorski upravljiva raketna motora RS-25D, koji su bili korišćeni za lansiranje šatlova. Ukupan potisak 4 motora je na startu 7440 kN a u vakuumu 9116kN, specifični impus Isp-4440m/sek. Po isteku rada u trajanju od 476 sek, odbačani centralni stepen ima masu od 112t a potpuno prazan 85,27 t. Konačno uvođenje u zemljinu orbitu obavlja gornji stepen ICPC (Interim Cryogenic Propulsion Stage) sa pogonom na tečni kiseonik i tečni vodonik. Dug je 13,7m, prečnik mu iznosi 5m a spojen je sa centralnim stepenom preko zadnjeg međustepenog adaptera, oblika zarubljenog konusa. Prazan, ima masu od 3765kg, sa međustepenom oko 5t a sa 26,85t goriva i oksidatora 31,2t. Pokreće ga samo jedan RL10B-2 motor, potiska 110kN i brzine isticanja gasova u vakuumu Isp-4532 m/s. Ukupno može da radi 1125 sek, sa mogućnošću višekratnog paljenja.

U narednoj varijanti SLS block 1B 2 njegove postojeće komponente na bazi tehnologije šatla biće poboljšane u pogledu nešto većeg potiska, a u varijanti Block 2 postojeći busteri će biti zamenjeni 4-segmentnim, izrađenim od kompozita startne mase 793t i potiska od 20 mega njutna po busteru. Centralni stepen se neće menjati osim što će dobiti nešto jače motore RS-25E. Gornji stepen IUS će zameniti znatno veći EUS (Exploration Upper Stage) koji će imati dužinu do 18m a širinu kao i centralni blok -8,4m. Pokretaće ga 4 motora RL-10C, ukupnog potiska 440 kN. Ukupna masa gornjeg stepena EUS će biti oko 145t a goriva oko 129t. Naredne varijante SLS Block 1 Block2 će biti veće, visine do 111m, startne mase do 2950t i moći će da podignu u Zemljinu orbitu 105t i 130t (Block2) a ka Mesecu da pošalju 45 i 60t (Block2).

Kosmički brod MPCV Orion

U okviru plana povratka na Mesec, u programu Constellation, NASA je od 2006, u saradnji sa kompanijom Locheed, počela sa razvojem nove kapsule nazvane Orion, po obliku slične komandnom modulu Apola ali nešto uvećane (pa je nazvana i Apolo na steroidima). Od 2011, NASA je platila za razvoj MPCV Orion 6 milijardi dolara kompaniji Locheed. Navodno su projektanti morali da uđu u muzej i rastave kapsulu Apola koju je nekad radila kompanija „McDonnel Douglas“ jer nisu mogli da nađu odgovarajuću tehničku dokumentaciju. Kapsula Orion MPCV (Multi Purpose Crew Vehicle) je oblika zarubljenog konusa sa kalotom na donjem delu, ima širinu 5m a visinu 3m. Masa joj iznosi 10,4t a po spuštanju na vodu 9,3t. Unutrašnji prostor u kome je normalan pritisak ima 20m3 a posadi od 4 astronauta na raspolaganju je prostor od 9m3. Konstrukcija je izrađena od Al-Li legure, obložena je AvCoat toplotnim štitom na bazi silikatnih vlakana u fenolnoj smoli koji se, posle obavljene misije, skida i nanosi novi toplotni štit jer je kapsula predviđena za višekratno korišćenje.
Unutar kapsule je normalna azotno-kiseonička atmosfera sa pritiskom od 1bara (eventualno i manji, 0,55-0,7 bara) a ima i sisteme za preradu otpadnih materija. Instrument tabla je na osnovu one u „boingu 787“, tzv. „glass cockpit“. Raspolaže sa sistemom aktivnog spajanja sa drugim kosmičkim letelicama i manevarskim motorima za upravljanje pri ulasku u atmosferu. Konačno usporava sistemom padobrana i isključivo se spušta na vodenu površinu. Prvi probni let obavljen je 2014, kada je letela samo kapsula lansirana raketom „delta4 heavy“ pri čemu je toplotni štit izdržao sva opterećenja pri povratku u atmosferu i kapsula sa otvorenim padobranima se uspešno spustila na vodu.
Servisni modul ESM (European Service module) je rezultat saradnje NASA-e i ESA-e i izradila ga je kompanija „Airbus“ na osnovu teretne bespilotne kosmičke letelice ATS za snabdevanje orbitalne stanice ISS. Evropski servisni modul oblika valjka ima visinu 4m a prečnik 4,1m. Masa mu iznosi 13,5t, od čega je masa goriva 9t (upotrebljivo je 8,6t). Ima jedan glavni motor „aerojet AJ10“ koji je korišćen kao orbitalni manevarski sistem spejs šatla potiska 26,6kN. Pomoćni sistem čine 8 motora aerojet R-4D-11 potiska po 490N, koji zajedno mogu da zamene glavni motor. Manevarski sistem je zasnovan na 6 blokova sa po 4 motora, svaki potiska po 230N. Svi motori koriste hipergolično (samozapaljivo) gorivo. U modulu se nalaze i rezervoari za vodu, kiseonik i azot za posadu u kapsuli a može da ponese i 380kg dodatnog tereta. Energetski sistem ESMa se sastoji od 4 solarna krila sa po 3 panela koji daju električnu energiju snage 11,2 kW sa kojim napajaju sve sisteme kapsule i ESM-a koji imaju odgovarajuće akumulatore. Deo sistema „Orion“ pri lansiranju je i sistem za spasavanje LAS(Launch Abort System) koji je u vidu kule nad kapsulom i sa aerodinamičkim štitom. Njegov raketni motor može da ostvari potisak od 220 kN i, u slučaju prekida misije, da odvoji kapsulu od rakete i udalji je na bezbedno rastojanje.

 „Artemis 1“ kreće ka Mesecu

U istoriji astronautike nije bilo toliko peripetija i odlaganja  kao u slučaju rakete SLS i misije „Artemis 1“. Raketa je na džinovskom guseničnom transporteru iznesena iz zgrade za montažu VAB (Vehicle Assembling Building,) visoke preko 200m, i postavljena na lansirni poligon 17. marta 2022. da bi, zbog niza tehničkih problema, bila 26.aprila vraćena u VAB. Posle otklanjanja tih problema, 6. juna je ponovo postavljena na lansirni poligon. Pošto su se problemi opet pojavili, vraćena je u VAB 2. jula. Konačno je ponovo postavljena na rampu i trebalo je da startuje 29. avgusta ali je, zbog problema sa curenjem goriva i termoizolacijom, lansiranje otkazano kao i naredno, planirano za 3. septembar. Zbog proceduralnih problema, odloženo je lansiranje krajem septembra a pogoršanjem vremenskih uslove i zbog nailaska uragana Nicole odloženo je za novembar.
Konačno je, 16. novembra 2022. lansirana raketa SLS Block1 sa poligona L39, na kosmodromu svemirskog centra „Kenedi“. Radom motora bustera i 4 centralna motora ubrzavala je i postizala sve veću visinu. Po isteku rada SRBa a posle 2min i 12s od poletanja, na visini od 47,4 km i pri brzini od 1,4 km/s, SRBi su odbačeni od centralnog bloka koji je sopstvenim motorima nastavio da ubrzava i povećava visinu. Na visini od 86,25 km i pri brzini od 2 km/s, odbačen je sistem za spasavanje kapsule LAS. Centralni stepen je završio svoju funkciju posle 8 min i 20s od lansiranja, na visini od 159,4 km i sa brzinom od 7.746 km/s da bi se, 10s kasnije, gornji stepen ICPS sa kapsulom Orion odvojio od njega na visini od 164,36 km i nastavio da se penje i postepeno gubi brzinu. Postignuta je balistička putanja maksimalne udaljenosti od Zemljine površine 1804x30km. Ove vrednosti su samo teoretske jer bi se Orion, na 100 km visine, vratio u atmosferu. Posle 51 min od starta, na visini apogeja od 1800km i pri brzini od 6,5 km/s, ICPS je upalio raketni motor koji je radio 20 s i neznatno povećavao brzinu ali i digao perigej, najbližu udaljenost od Zemlje. Orion je razvio solarne panele, poleteo ka perigeju i, na visini od 832km,posle 1 sata i 37 min od starta, pri brzini od 7,48 km/s, ICPS je ponovo upalio raketni motor koji je radio oko 18 min, povećao visinu na 1208km i postigao brzinu 10,07 km/s, čime je obavljena tzv. TLI(Trans Lunar Injection) i ostvarena putanja ka Mesecu. Udaljenost je rasla a brzina opadala pod dejstvom Zemljine gravitacije; posle 2 časa i 5 min od starta, na 3716km udaljenosti i pri brzini od 8,72 km/s odvojio se Orion od ICPS i nastavio let ka Mesecu.
ICPS je pratio Oriona i, iz prelaznog odseka na njemu, oslobodio 10 malih kosmičkih letalica ,tzv. cubesata, od kojih je polovina otkazala prilikom starta.
Na putanji ka Mesecu, radom manevarskih motora servisnog odseka ESM, usledile su manje korekcije i, 20. novembra Orion je prešao u zonu Mesečeve gravitacije; 21. novembra, proleteo je nad njegovom površinom na udaljenosti od 168,8km. Potom je prešao na visoku retrogradnu orbitu (DRO) oko Meseca.

ICPS je takođe proleteo pored Meseca i ušao u putanju oko Sunca. Potom se udaljavao od Meseca da bi, 24. novembra, postigao najveću udaljenost od 43.730 km od njega. Posmatrano sa Meseca, Orion ja kružio oko njega a, posmatrano sa Zemlje, kružio je oko Meseca pri čemu se približavao i udaljavao od njega. Novembra 24. je bio najudaljeniji od Zemlje,oko 432.210 km.
Radom raketnih manevarskih motora napusto je visoku orbitu, ponovo proleteo nad Mesecom na udaljenosti od 129,6km i prešao na putanju ka Zemlji. Oba prolaska pored Meseca bila su usmeravana manevarskim sistemom a, pri zalaženju letelice iza Meseca, dolazilo je do prekida radio-veze. Usledile su manje korekcije putanje radom manevarskog sistema. Kapsula Orion je konačno, 11. decembra, posle odvajanja od ESM, ušla u Zemljinu atmosferu i, na visini od 60 km, obavila kontrolisani glisirajući ulazak, tzv. „skip reentry“ koji ju je izbacio na preko 90 km visine da bi se potom vratila u atmosferu, završila kočenje i, otvaranjem padobrana, spustila na površinu Tihog okeana kraj obale Kalifornije.
Dvokratni ulazak u atmosferu je smanjio silu deceleracije i zagrevanje kapsule čiji je toplotni štit bio izložen temperaturi od 3700ºC. Time je misija „Artemis 1“ završena. Trajala je 25 dana i 10 časova a oko Meseca je napravljena visoka poluorbita u trajanju od 6 dana. Misija je imala i naučni sadržaj - lutka astronauta u skafanderu za posadu „Oriona“ imala je niz senzora za opterećenja, vibracije i kosmičku radijaciju. Dva fantom-torzoa su imala senzore za kosmičku radijaciju, pri čemu je jedan imao radijacionu zaštitu a drugi nije, što će doprineti razvoju mera zaštite posade na narednom letu, „Artemis 2“. Tehnološki demonstrator Callisto je poslužio za probu audio i video komunikacije sa Zemljom. Let „Artemisa 1“ je predstavljao potpun uspeh: svi sistemi su obavili planirane funkcije a postignuti su i mnogi rekordi. Ovo je prva misija u kojoj je proletanje nad Mesecom obavljeno dva puta.

 Ambiciozni planovi za buduće misije

Naredna misija, „Artemis 2“ planira se za 2024. kada bi posada od 4 astronauta obavila samo jedno preletanje nad Mesečevom površinom. U misiji „Artemis 3“ trebalo bi da „Orion“ obavi susret u visokoj mesečevoj orbiti sa lenderom Starship HLS (Human Landing System) kompanije „Space X“ Ilona Maska. Sasvim je sigurno da se to neće desiti pre 2025, kako je inače najavljeno.
Iznenađujuće je da se NASA opredelila za projekt HLS koji ide sasvim drugim pravcem razvoja u odnosu na planove čitave misije „Artemis“ zasnovane na SLS i planova u vezi lunarnog modula kompanija Locheed i Boeing sa tri funkcionalna dela, uvećana ali analogna lunarnom modulu Apolo. Problemi koje „Space X“ treba da reši da bi ostvario misiju „Starship“ kao lunarnog modula su preko granice naučne fantastike. Prvo treba da lansira u Zemljinu orbitu orbitalni rezervoar-depo za gorivo koji će, pomoću 14 letova Starship tankera, nosivosti po 100 t tečnog metana i kiseonika, da napune rezervoar kako bi Starship HLS u orbiti imao gorivo do mase od oko 1500t i startovao ka Mesecu. Na orbiti oko njega bi se spojio sa kapsulom Orion i dva od četiri astronauta bi prešla u kabinu HLSa. Bili bi obavljeni: spuštanje na Mesečevu površinu i bar dva izlaska astronauta na nju, a potom povratak u njegovu orbitu , spajanje sa Orion kapsulom i prelazak astronauta u nju u kojoj bi se vratili na Zemlju.
Starship HLS ima visinu od 50 m a širinu 9m i pitanje je koliko bi bio stabilan pri kontaktu njegovih usko razmaknutih stajnih nogu sa rastresitom mesečevom prašinom. Obzirom da bi trebalo da ostvari bar pet „delta v“ manevara, sa ukupnom sumom brzine oko 8 km/s u jednostepenom sklopu, nameće se pitanje: kakvu to tehnološku revoluciju treba da napravi „Space X“ pa da realizuje taj projekt i dokaže njegovu ispravnost letom bez posade - pre misije „Artemis 3“? Malo je verovatno da će se to ostvariti u navedenom roku, kao i sve planirane naredne misije koje treba da odvedu astronaute na mesečevu površinu sa ciljem uspostavljanja stalne naseobine na Mesecu.
Sve najavljene misije ka mesečevoj površinu zavise od razvoja lendera Starhip HLS, ali postizanje visoke orbite oko Meseca kosmičkom brodom „Orion“ i spajanje sa mesečevom orbitalnom stanicom Lunar Gateway (što se planira za 2027. u misiji „Artemis 4“) je potpuno ostvarivo zahvaljujući uspešno obavljenoj misiji Artemis 1.

Dragan Lazarević

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"