3 Fragen: Wunsch von Artemis I. nach einer Rückkehr zum Mond | MIT-Nachrichten

Diese Woche wird die NASA versuchen, die zu starten Mission Artemis I. Artemis I ist ein unbemannter Testflug, der die Rakete des Space Launch System (SLS) starten und das Orion-Raumschiff um den Mond und zurück schicken wird, um das System und die Hardware vor zukünftigen Flügen mit Astronauten ausgiebig zu testen.

Als erste von mehreren Missionen wird Artemis I den Weg für nachfolgende Missionen ebnen, deren ultimatives Ziel es ist, die erste langfristige menschliche Roboterpräsenz auf und um den Mond zu etablieren, um die internationale und kommerzielle Zusammenarbeit zu verbessern. Bisher sind insgesamt sieben Astronauten mit Verbindungen zum MIT – darunter Raja Chari SM ’01, Woody Hoburg ’08, Jasmine Moghbeli ’05 und Kate Rubins im Jahr 2020 und Marcos Berríos ’06, Christina Birch PhD ’15 und Christopher Williams PhD ’12 2021 – wurden in das Artemis-Programm berufen. Durch die von Artemis gewonnenen Partnerschaften und Erkenntnisse wird die NASA in die Zukunft der bemannten Weltraumforschung blicken – den Mars.

Hier diskutieren Olivier de Weck und Thomas „Joey“ Murphy die neuen Funktionen des Artemis-Startsystems, den Prozess der Planung (und manchmal Umplanung) eines so großen Missionsstarts und die Gesamtauswirkung des Artemis-Programms auf die Weltraumforschung . De Weck ist Professor für Astronautik und Apollo Program Engineering Systems am Department of Aeronautics and Astronautics am MIT (AeroAstro) und Chefredakteur der Zeitschrift für Raumfahrzeuge und RaketenMurphy ist Doktorand und Raketenwerfer und arbeitet mit Kerri Cahoy zusammen, Professorin für Luft- und Raumfahrt bei AeroAstro und Mitherausgeberin der Zeitschrift für Raumfahrzeuge und Raketen im STAR-Labor am MIT.

Q: Was sind die Hauptunterschiede zwischen Artemis I und früheren Generationen von Trägerraketen, mit denen wir zum Mond geflogen sind, und was sind einige der neuen Funktionen und Fähigkeiten, auf die sich die Weltraumgemeinschaft für diese Mission freut?

Murphy: Es gab bisher nur zwei Trägerraketen, die Menschen zum Mond bringen konnten. Die beiden vorherigen waren die Saturn V und die N1, der sowjetische Versuch, den Mond zu erreichen. Die N1 versuchte viermal (unbemannt) zu starten, was alle in einer Katastrophe endete. Artemis I wird mit dem Space Launch System (SLS) fliegen, das sich seit etwa einem Jahrzehnt in der Entwicklung befindet. Einer der Hauptunterschiede bei der neuen Annäherung an den Mond besteht darin, dass die Saturn V vollständig autonome Missionen flog. Sie setzten ein Kommandomodul (die Hauptraumkapsel), ein Servicemodul (Treibstofftank, Motor und andere Ausrüstung) und ein Mondmodul (die Landefähre) auf eine einzige Rakete. Dieses Trio reiste zum Mond, landete und endete mit einem Wiedereintritt auf die Erde. Das Artemis-Programm ist anders. Artemis verlässt sich auf das Lunar Gateway, das im Grunde eine kleine Raumstation ist, die den Mond umkreist. Bevor die Astronauten die Erde verlassen, wird Gateway dort oben warten, wobei das Landermodul (ein modifiziertes SpaceX-Raumschiff) an der Station angedockt ist. Das bedeutet, dass alles, was auf SLS gestartet werden muss, die Orion-Kapsel mit der Besatzung darin ist. Da sie den Lander nicht mitnehmen müssen, kann nützlichere Ausrüstung mitgenommen werden. Orion unterstützt eine vierköpfige Besatzung, verglichen mit der maximalen Besatzungsgröße von Apollo von drei. Die Mission Artemis I ist in erster Linie ein Test der SLS-Rakete und der Orion-Kapsel, um sicherzustellen, dass sie erfolgreich zum Mond und zurück reisen können. Artemis II, geplant für 2024, wird Astronauten hinzufügen, die den Mond umfliegen, aber nicht dort landen werden, bevor sie zurückkehren, gefolgt von der Artemis III-Mission.

Von Weck: Der richtige Vergleich für die SLS ist die inzwischen ausgemusterte Saturn-V-Rakete, die im Rahmen des Apollo-Programms entwickelt und zwischen 1967 und 1973 aktiv war. Hier einige Vergleiche in Zahlen: Höhe 363 Fuß (Saturn V) gegenüber 322 Fuß (SLS-Block 1, geht dann auf 365 Fuß); Nutzlast im erdnahen Orbit, 310.000 Pfund (Saturn V) im Vergleich zu 209.000 Pfund (SLS Block 1, steigt dann auf 290.000 Pfund); und dann ist da noch die Tatsache, dass die erste Stufe von Saturn V RP-1 (Kerosin) und flüssigen Sauerstoff (LOX) verwendete, im Gegensatz zu kryogenem Wasserstoff (LH2) und LOX für die SLS. In Bezug auf die ultimative Leistungsfähigkeit sind der SLS Block 2 und der Saturn V sehr vergleichbar. Der Unterschied besteht darin, dass Saturn V ein Clean-Sheet-Design war und SLS viel Space-Shuttle-Hardware wiederverwendet, einschließlich der Solid-Thruster-Segmente (fünf gegenüber vier), der RS-25-Haupttriebwerke sowie des externen Kraftstofftankdesigns. Rückblickend schätzten wir, dass die vom Kongress vorgeschriebene Wiederverwendung von Shuttle-Hardware den Systementwicklungsaufwand gegenüber einem Clean-Sheet-Design um 43 % erhöhte. Daher hätte ich persönlich lieber ein neues Raketendesign gesehen, als eine obligatorische Wiederverwendung der Technologie der 1970er Jahre.

Q: Welche Faktoren werden bei der Entscheidung berücksichtigt, ob ein Startversuch verschoben werden soll?

Von Weck: Es gibt im Wesentlichen zwei Hauptstartverzögerungsfaktoren: (1) technische Probleme mit der Rakete, von denen Wasserstofflecks, insbesondere an der Füllpunktschnittstelle zwischen der ersten Stufe und dem Startturm, der wichtigere sind. Wasserstoff ist sehr flüchtig und schwer einzudämmen. Bereits jetzt kommt es beim Shuttle-Programm häufig zu Verzögerungen aufgrund von Problemen mit Wasserstofflecks. Und (2) wetterbedingte Verzögerungen. Jüngstes Beispiel ist der Hurrikan Ian in Florida, bei dem die Rakete in die Vertikale gerollt werden musste [Vehicle] Versammlungsgebäude. All dies erinnert uns daran, dass es keine „Routine“ gibt, große Raketen sicher zu starten. Es ist eine großartige kollektive Leistung, und jede Rakete hat ihre eigene Persönlichkeit und Eigenheiten.

Murphy: Wenn die NASA Grund zu der Annahme sieht, dass die Mission nicht ganz wie geplant verlaufen wird, wird sie einen Startversuch abbrechen. Jeder Startfehler ist ein extrem kostspieliger Rückschlag – plus die Arbeit, die erforderlich ist, um den Fehler zu beheben und sicherzustellen, dass er bei einem zukünftigen Flug nie wieder passiert. SLS wird wahrscheinlich nicht mehr als 10 Mal fliegen, also wollen wir wirklich das Beste aus jedem Flug herausholen. Bei dieser Rakete, mehr noch als bei jeder anderen Rakete, gibt es wirklich keinen Raum für Fehler. Bei Artemis I hängen die Probleme, die wir gesehen haben, hauptsächlich mit Wasserstofflecks zusammen. Die Rakete wird mit flüssigem Wasserstoff betrieben, der effizientesten Chemikalie, die als Raketentreibstoff verwendet werden kann. Das Problem ist, dass Wasserstoff ein extrem kleines Molekül ist, was bedeutet, dass es sehr schwierig ist, es einzudämmen. Wenn Sie Wasserstoff in einen Stahlbehälter geben, kann er sich buchstäblich zwischen die Atome des Metalls quetschen. Selbst die kleinsten Nadellöcher lassen Wasserstoff austreten. Dies sind die Hauptprobleme, auf die SLS bei den letzten Startversuchen gestoßen ist, und warum die Rakete Anfang September nicht gestartet ist. Die NASA nahm Anpassungen an der Rakete vor, um das Wasserstoffleck zu stoppen, und die Lecks scheinen jetzt behoben zu sein. Eines der Probleme, mit denen sie derzeit konfrontiert sind, ist das Flight Termination System (FTS) – dies ist ein Sprengstoffsystem, das an der Rakete angebracht ist, sodass sich die Rakete selbst zerstört, wenn die Mission im Flug fehlschlägt, um jede Gefahr zu vermeiden Menschen am Boden. Weil dieses System so kritisch und sensibel ist, ist es nur für wenige Wochen zertifiziert. Wenn SLS weiterhin auf dem Launchpad sitzt, kann es beim FTS zu einer „Zeitüberschreitung“ kommen, was bedeutet, dass es ersetzt werden muss. Leider befinden wir uns in einem System, in dem Startverzögerungen zu weiteren Startverzögerungen führen können.

Q: Was können wir von dieser Mission erwarten und warum ist dies ein aufregender Schritt für die bemannte Erforschung/den Weltraumtransport?

Von Weck: Diese Mission ist im Wesentlichen eine Generalprobe für die erste bemannte Mondmission mit Artemis II. In Artemis I beherbergt die Orion-Kapsel keine menschlichen Astronauten, sondern instrumentierte Dummys, um sicherzustellen, dass das Lebenserhaltungssystem wie vorgesehen funktioniert. Dies ist eine etwa 35-tägige „Schleuder“-Mission, bei der die Orion-Kapsel die Schwerkraft der Erde verlässt, auf einer stark elliptischen Flugbahn um den Mond schwingt, dann zur Erde zurückkehrt und kontrolliert in den Pazifischen Ozean stürzt. Zu beachten ist, dass diese Mission deutlich länger ist als eine Apollo-Mission, bei der die Astronauten für die Rückreise zum Mond etwa 10 bis 12 Tage brauchten.

Murphy: Das Wichtigste, was wir über dieses System lernen werden, ist, ob SLS geeignet ist, Astronauten zu starten. Astronauten für die Mission Artemis II wurden noch nicht ausgewählt, aber wenn sie es sind, können sie sicher sein, dass das Design der Rakete, die sie steuern, von der Mission Artemis I validiert wurde.Außerdem trägt Artemis I 10 CubeSats an Bord als sekundäre Nutzlast , die alle verschiedene Aspekte der Umgebung des Mondes untersuchen werden. Diese Mission legt den Grundstein für unsere Rückkehr zum Mond und beweist, dass die letzten 10 Jahre der SLS-Raketenentwicklung alle zu einem Fahrzeug geführt haben, das für die Hauptsendezeit bereit ist.