от Филипna Слосca 12 августа 2019 года
На прошлой неделе НАСА, Европейское космическое агентство (ЕКА) и персонал подрядчика провели тестовый эксперимент «Прекращение полета на орбиту» (АТО) для космического корабля «Орион» с использованием модуля оценки движения (PQM) на испытательном полигоне «Белые пески» (WSTF) в Нью-Мексико. Команда White Sands провела PQM на протяжении двенадцатиминутной последовательности включений двигателя, чтобы продемонстрировать способность двигательной системы «Орион» отработать в случае аварийного прекращения полета.
В гипотетическом случае с ATO «Ориону» пришлось бы отделяться от ракеты-носителя Space Launch System (SLS) в середине вывода, при движении с большой скоростью, чтобы немедленно вернуться на Землю. В какой-то момент во время подъема самым безопасным вариантом будет отделение от SLS и завершение вывода на околоземную орбиту, чтобы дать больше времени для оценки ситуации. Тест 5 августа должен был помочь убедиться, что двигательные установки «Орион» готовы справиться с такой ситуацией, если она когда-либо возникнет в полете.
PQM является версией «линейного корабля» двигательной подсистемы Европейского Сервисного Модуля (ESM), построенной генеральным подрядчиком ESM Airbus Defense and Space. Тестовое изделие было доставлено Airbus в White Sands в 2017 году. Испытание ATO было тридцать первым испытанием из тридцати восьми в серии двухфазных испытаний, чтобы сертифицировать двигательную установку Service Module для ее первого полета «Орион» на «Артемис 1».
Тест «Abort To Orbit»
Созданный Airbus DS для ESA, ESM имеет три типа двигателей: двадцать четыре двигателя системы управления (RCS) для управления ориентацией, восемь вспомогательных (Aux) двигателей для поступательных маневров и главный двигатель Orion (OME) для больших поступательных движений. OME - это отремонтированный двигатель системы орбитального маневрирования космического корабля (OMS), который использовался парами на корабле «Шаттл».
PQM был доставлен в район 300 на «Белых Песках» в начале 2017 года, за исключением OME, который был установлен на месте после прибытия. Впоследствии тестовое изделие было перенесено на испытательный стенд 301, который также использовался во время программ Apollo и Shuttle. Подобно космическому кораблю, используемых в этих более ранних программах, ESM и PQM применяет гиперголическое топливо; смешанные оксиды азота (MON-3) являются окислителем, а монометилгидразин (MMH) является топливом.
Подпись к фото: испытательный стенд 301 на испытательном стенде White Sands в Нью-Мексико за несколько часов до запуска контрольного кейса ATO 5 августа. Испытательный образец находится внутри здания слева, в окружении наземного вспомогательного оборудования и средств контроля. Высокое строение включает в себя «огненную зону», с системой вентиляции, удаляющей газы вниз и влево с точки зрения наблюдателя.
PQM - это тестовая процедура для двигательной подсистемы ESM; у него нет оборудования, которое проверяет другие функциональные возможности ESM, такие как выработка электроэнергии, хранение расходных материалов или терморегуляция. Это также больше конструкция линкора, чем летательных аппаратов, с использованием более прочных, но более тяжелых материалов для его конструкции и топливных баков.
Целью теста является проверка двигателей и двигателей с системами распределения топлива и наддува. Другое отличие от полетных модулей состоит в том, что PQM имеет только двенадцать подруливающих устройств RCS, исключая одну из «гирлянд» RCS с двенадцатью подруливающими устройствами, и все двигатели закреплены на испытательном изделии; на сервисном модуле OME можно управлять, а подруливающие устройства RCS обеспечивают управление креном, тангажом и рысканием.
Первоначальная серия испытаний на продувку была проведена два года назад до прибытия узлов контроля давления (PCA), которые позволили активно контролировать давление в топливном баке с помощью газообразного гелия. PCA как для первого ESM, Flight Model-1 (FM-1), так и для PQM были поставлены во второй половине 2018 года, а в октябре 2018 года началась серия двухфазных испытаний, где было проведено несколько испытаний OME для очистки FM- 1 для отправки в Космический центр им. Кеннеди во Флориде.
Испытания были разделены на этапы, причем на этапе 1 использовались ненасыщенные компоненты топлива, а на этапе 2 использовалось топливо, насыщенный газообразным гелием. «Мы планируем в общей сложности тридцать восемь запусков, и мы выполнили тридцать, у нас осталось еще восемь», - сказал руководитель программы НАСА «Орион» Марк Кирасич на конференции «Белые пески», которая была тридцать первой в общем зачете.
Подпись к фото: PQM запускает свой основной двигатель во время длинного теста ATO 5 августа. Выхлоп от запускаемого двигателя OMS можно увидеть в нижней части диффузора, выходящего из его выходного сопла. Все восемь двигателей Aux также работали с OMS, как в случае с ATO.
Испытание 5 августа было частью этапа 2, где гиперголический пропеллент был насыщен гелием. «Существует возможность [использования] по истечении достаточного времени на площадке, поэтому насыщение происходит, когда аппарат садится на площадку, и газы поглощаются медленно с течением времени, поэтому это зависит от окна запуска и того, насколько быстро с момента загрузки перед запуском, будь вы насыщены или нет», - сказал Брайан Андерсон, руководитель тестирования программы NASA PQM в Уайт-Сэндс, перед тестом.
«Мы подготовлены к ATO, поэтому у нас достаточно топлива, чтобы запустить этот профиль ATO, и затем COPV загружаются с одной стороны туда, где они будут близки к емкости для того, что вы бы назвали предпусковым, с другой стороны немного ниже для условий, в которых мы находимся, и тогда мы будем потреблять почти все количество топлива, которое находится сегодня на PQM для орбиты Abort To Orbit ».
Испытание тестового образца двигательной установки ESM имитировало профиль ATO. Когда полеты с экипажем начинаются с «Артемис 2», «Орион» будет иметь возможность прервать полет в день запуска с момента старта до запуска на орбиту. Для своих первых запусков на SLS, пусковые установки Solid Rocket Boosters и Core Stage доставляют «Орион», и полностью загруженную верхнюю ступень на околоземную орбиту через восемь с половиной минут после старта.
Система аварийного спасения при запуске космического корабля (LAS)сбрасывается через три с половиной минуты после старта, который все еще находится на ранней стадии подъема. «поведение системы зависит от того, где у вас возникла проблема, если вам придется прерывать работу на орбите, поэтому сценарий будет такой, если у SLS возникнет проблема на каком-то этапе, и вы уже сбросили башню прерывания запуска, возможно, самое безопасное место для астронавтов — выйти на орбиту, в отличие от баллистического возвращения, так что это выведет их на орбиту », - объяснил Джим Уорроу перед испытанием.
Он является руководителем проекта PQM в Бюро европейской интеграции (EIO) в Исследовательском центре Гленна НАСА. «Миссия будет закончена до конечного возвращения на землю. Что бы это сделать, необходимо вывести их на безопасную орбиту, позволить им оценить ситуацию и вернуться домой».
Подпись к фотографии. График прерывания в режиме 4 с начала капитального пересмотра программы «Орион» после ее отмены и компромиссного перерождения в начале десятилетия. В случае недостаточной производительности SLS можно использовать возможности временного криогенного движения (ICPS) для помогите закрыть дело ATO, аналогичное возможности прерывания аварийного выведения на орбиту, которую Apollo имел на запусках Saturn V.
В SLS «Орион» имеет три режима прерывания полета: режим 1 использует LAS, пока он установлен, режим 2 - баллистический, «нецелевой выброс прерывания», а режим 4 - ATO. Изначально Orion был разработан для запуска на ракете-носителе «Созвездие», которая также имела режим 3 «целевой посадки приземления»; в SLS возможности режима 2 и режима 4 перекрываются, а режим 3 не требуется.
Самый длинный «прожиг» в истории двигателя OMS
СМИ были приглашены наблюдать за испытанием из блокпоста, расположенного примерно в ста метрах от испытательного стенда. Каждый, кто находится в этом районе, укрывается в блокпосте перед испытанием из-за токсического топлива и гелиевых резервуаров высокого давления.
WSTF находится далеко от ближайшего большого населения в Лас-Крусес, но местный ветер контролируется для персонала, работающего за пределами в непосредственной близости, и персоналу одной из станций наземной станции спутниковой системы слежения и ретрансляции данных (TDRSS) было предложено укрыться в место во время теста, потому что они были по ветру.
Емкости с гелием представляют собой сосуды под давлением с композитным покрытием (COPV), которые находятся под давлением приблизительно до 5000 фунтов на квадратный дюйм (psi) до начала испытания. Одним из заключительных этапов перед запуском программы испытаний было то, что пара членов команды по тестированию покинула убежище в блокпосте и закрепила наземные гелиевые системы для каждого компонента: топлива и окислителя, после того, как резервуары были под давлением для испытания один за раз.
Программа испытания был инициализирована в середине дня, и после пятисекундной подготовки начался более чем двенадцатиминутный цикл с запуском самих двигателей RCS, а затем двигателей Aux. «У нас есть примерно тридцать второй период времени, когда мы собираемся подключить двигатели RCS к сети, мы дадим им нагреться, и они пройдут через процесс продувки газом», - сказал Уорроу перед испытанием.
«Мы отключим их, включим двигатели Aux, и они будут работать примерно двадцать секунд или около того, а затем мы выключим их примерно на полсекунды», - пояснил он. «В течение этого полсекундного периода все будет выключено, и затем двигатель OMS, все восемь двигателей Aux и два двигателя RCS будут запущены одновременно, это примерно через пятьдесят секунд».
Испытание 5 августа стало самым длительным в истории однократным прожигом двигателя OMS. «Двигатель OMS будет работать чуть более одиннадцати минут и тридцати секунд, двигатели Aux будут работать в течение того же периода времени, а двигатели RCS будут работать с перерывами», - сказал Уорроу.
«Как только это будет завершено, произойдет небольшое срабатывание RCS сразу после того, как двигатели Aux и OMS будут выключены, и испытание будет завершено где-то через 13 минут, а затем будет примерно десять минут, когда мы будем продувать азотом двигатель OMS. Таким образом, программа будет закончена в течение примерно двенадцати минут, но чистка продолжится еще в течение примерно десяти минут».
Испытание проходило до полной продолжительности, при этом система работала в рамках рабочих параметров. После этого команда проводит подробный анализ производительности системы и продолжает работу над сертификацией двигательной установки и ее элементов, чтобы впервые полететь на «Артемис 1».
Подпись к фото: вспомогательное оборудование на испытательном стенде 301 для гиперголического ракетного топлива, используемого PQM. MMH - топливо, монометилгидразин, а N2O4 - окислитель, тетроксид азота, также называемый смешанными оксидами азота (MON-3).
Тест ATO - это один из стрессовых тестов в наземной квалификационной серии, не только для проверки двигателей и распределения топлива, но и для проверки системы вытеснения топлива. «Одной из основных задач является система контроля наддува, она должна правильно выполнять свою работу, чтобы эти двигатели работали правильно», - сказал Уорроу.
Для поддержания работы двигателей требуется повышенное давление в верхней части резервуаров с топливом, и резервуары не могут быть полностью заполнены, чтобы оставить небольшое пространство для приложения необходимого давления.
«У нас нет насосов, которые закачивают топливо в двигатели, мы делаем это через гелий в баке, который создает давление для вытеснения топлива в двигатели», - сказал Уорроу. «Таким образом, вам нужно немного топлива в топливных баках, чтобы дать вам это давление, и поэтому мы заполняем их, мы заполняем эти баки, как если бы вы выполняли полетную миссию, только потому, что есть небольшое количество незаполненного объема.»
«Как только двигатели начнут работать, система управления давлением будет подавать гелий, но если бы у вас был нулевой незаполненный объем, иными словами, если бы резервуары были заполнены на сто процентов, вы бы не смогли фактически оказать какое-либо давление, не было бы ничего, чтобы оказать давление».
Витроу добавил, что еще одна причина не полного заполнения баков - это тепловое расширение. «Если бы вы сделали это с топливными баками здесь и полностью их заправили, у нас тоже было бы расширение», - сказал он. «Мы не хотим, чтобы топлива вытекли».
Во время испытания СПС непрерывно подавали гелий в топливные баки, поскольку они опорожнялись, чтобы поддерживать необходимое давление в незаполненном пространстве для продолжения работы двигателей OMS и Aux на протяжении всего испытания.
«Белые Пески» готовят OME для будущих миссий «Ориона»
После того, как в конце программы были выведены из эксплуатации космические корабли «Спейс шаттл», все оборудование для маневрирования в космосе было доставлено в «Белые Пески» для вывода из эксплуатации. Каждый орбитальный аппарат имел съемную переднюю капсулу RCS в носу и две капсулы OMS с каждой стороны хвоста.
«Они взяли хранились на 300-й площадке, фактически в 301, где вы, ребята, собираетесь на тестирование», - сказал Ник Бунтейн, руководитель проекта по тестированию компонентов. «Там есть служебное здание, которое предназначено, чтобы могли промывать капсулы водой, чтобы обеззараживать их, а затем мы поднялись и помогли им вытащить двигатель OMS и двигатели из них».
В конце программы WSTF был сертифицирован в качестве средства обслуживания двигателей системы маневрирования Shuttle, и в настоящее время он переоборудует двигатели OMS в главные двигатели Orion для всех будущих полетов, начиная с «Артемис-1» , испытательного полёта, который станет первой миссией «Орион» с работающим сервисным модулем.
Подпись к фотографии: Техники в чистой комнате WSTF окружают двигатель OMS S / N 108. Сопло намного больше, чем остальная часть двигателя, и обычно устанавливается отдельно.
«Все двигатели OMS оказались здесь в нашем таможенном хранилище, все запасные части, которые были в Космическом Центре Кеннеди, были отправлены нам, и они хранятся здесь и сейчас», - сказал Бунтейн. Завод в «Белых Песках» восстанавливал двигатели OMS для «Ориона».
«Во время «Шаттла» мы обрабатывали двигатели OMS и узлы на двигателе OMS, серийных клапанах, пневматическом пакете и различных других компонентах», - пояснил Бунтейн. «Когда он был перенастроен для «Ориона», было несколько изменений конструкции».
«Мы добавили обогреватель к двигателю, после разборки двигателей мы проводим гораздо большую неразрушающую оценку (NDE), чем во время «Шаттла», и есть еще несколько тестов, которые мы добавили во время приемочных испытаний».
«Сердцем двигателя является последовательный клапан, в основном это клапан, который контролирует поток компонентов топлива в инжектор, который запускает двигатель», - добавил он. «Это последовательный резервный клапан с четырьмя шаровыми кранами и реечным приводом для открытия шаровых кранов».
Бунтейн объяснил, что у двигателя есть свой пневматическое оборудование. «Все, что касается давления срабатывания и давления продувки, в которых нуждается двигатель, полностью автономно, оно не поступает откуда-либо еще из сервисного модуля», - сказал он. «Этот резервуар высокого давления перед полетом находится под давлением около двадцати пяти, двадцати шести сотен фунтов на квадратный дюйм (фунтов на квадратный дюйм), и это все давление, которое требуется двигателю для всей миссии».
Одной из основных целей испытаний PQM является подготовка двигателя для использования на «Орион». «Наш операционный пакет для OMS больше, чем Shuttle, используемый для OMS», - объяснил Уитроу в предыдущем интервью.
«Мы знаем, что прошли некоторые квалификационные тесты, чтобы привыкнуть к Shuttle, и мы знаем, что это такое. Мы собираемся работать в рамках этого первоначального квалификационного опыта, которому Aerojet подверг двигатель, но сейчас они выходят за пределы того, что использовал Shuttle, поэтому у нас есть несколько дельта-тестов, которые мы хотим провести в репрезентативной двигательной системе для ESM».
Подпись к фотографии: S / N 108 двигателя OMS предварительно подготовлен в районе стенда 301 для установки на PQM (не изображен) в феврале 2017 года. White Sands восстанавливает бывшие двигатели маневрирования в космосе, которые были перенесены в космос. быть главным двигателем Orion. S / N 108 был установлен на PQM, а S / N 111 был установлен на сервисном модуле Artemis 1, который в настоящее время готовится к полету во Флориде.
Во время экскурсии по Компонентному Испытательному Комплексу перед тестированием Бунтейн рассказал о прошлой работе по поддержке завершения разработки «Орион» и текущей работе по подготовке двигателей для предстоящих миссий «Орион».
«Пока мы обработали PQM-движок, тот, который вы увидите сегодня, это серийный номер (S/N) 108», - отметил он. «Двигатель EM-1 (Exploration Mission-1), выпущенный на KSC, это первый двигатель, который мы сделали для полета на Орион».
«Это также первый двигатель, который мы когда-либо обрабатывали для Shuttle, когда мы получили сертификат, был серийный номер двигателя 111, который также будет двигателем EM-1». EM-1 теперь также известен как «Артемис 1», S/N 111 Двигатель был отправлен на сборку, интеграцию и испытания Airbus для ESM в Бремене, Германия, за вычетом сопла. Аэробус установил двигатель на ESM FM-1 весной прошлого года.
S/N 117 в настоящее время находится в «чистой комнате» и назначен на «Артемис 2».
«Это двигатель EM-2 (Exploration Mission-2), он будет двигателем для первой миссии, в которой есть астронавты», - сказал Бунтейн.
«Сейчас мы на самом деле разбираем этот двигатель, потому что в ОАО (Космический центр имени Джонсона) произошли некоторые пост-вибрационные аномалии, поэтому они отправили его нам, чтобы провести некоторый анализ его отказов». Двигатель необходимо обслуживать, поэтому он будет заменен другим блоком, в то время как устранение неполадок будет продолжаться с подозрительным блоком.
«Мы также находимся в процессе создания того, что они называют запасным двигателем EM-1, который, я думаю, станет двигателем EM-3 (Exploration Mission-3 или Artemis 3), если им не нужен запасной ЭМ-1. А потом после этого четыре, пять и шесть. Поэтому у нас достаточно двигателей для этого».
Бунтейн отметил, что, хотя эти три двигателя находятся в процессе производства (S/N 117, 113 и 110), их полетные и транспортные назначения могут изменяться с настоящего момента до момента, когда они потребуются. Он также отметил, что у них есть оборудование для примерно десяти двигателей, которые можно использовать для поддержки будущих полетов.
«Одним из них стал двигатель PQM, который, очевидно, не будет летать, один из них стал массовым симулятором в ЗАО, который они использовали перед испытанием вибрации (вибрации), который мы в основном собрали с него много летных частей и отправили это там, и тогда у нас есть пара деталей двигателей. [НАСА Гленн] должно было провести оценку, чтобы попытаться определить, какие двигатели мы хотели использовать в первую очередь, во-вторых и так далее, а затем мы также в основном определили два двигателя, которые, как мы решили, не будут работать, и те, наши запасные части двигателей».
Серия испытаний PQM близится к завершению
Теперь, когда тестовая проверка ATO завершена, команда тестов готовится к еще одному длинному тестовому сценарию. В тестовом примере Trans-Earth Injection (TEI) двигатели Aux будут гореть в течение часа, чтобы проверить их способность доставить «Орион» и команду на Луну обратно домой на Землю в случае, когда главный двигатель Ориона не исправен.
OME обеспечивает тягу в 6000 фунтов, каждый двигатель Aux обеспечивает тягу в 110 фунтов, а 50-фунтовые двигатели RCS - от Automated Transfer Vehicle ESA. Витроу сказал, что они планируют провести тест TEI в начале сентября или, возможно, в конце августа.
«В этом случае, поскольку мы собираемся использовать такое большое количество топлива для этого теста [ATO], мы должны получить больше топлива, готового к загрузке в PQM, и это займет около двух-трех недели », - сказал он. «Это зависит от того, что мы должны сделать с топливом, чтобы подготовить его».
Подпись к фото: PQM на испытательном стенде в WSTF. Внизу изображения видны сопла восьми двигателей Aux; в следующем тесте они будут непрерывно работать в течение часа, чтобы имитировать длительный прожиг, который им придется сделать, если основной двигатель Orion не может быть использован. С этой точки зрения видны два из четырех топливных баков, а за ними видны части черного сферического гелиевого резервуара COPV высокого давления.
«В этом случае нам нужно загружать от пяти до восьмисот галлонов топлива для каждого компонента, и подготовка этого топлива будет своего рода длинным тестом. Это не проблема, мы можем быстро сделать здесь, на этом объекте».
Тестирование заняло больше времени, чем ожидалось, но в целом прошло хорошо. «С Шагом 1 все прошло очень хорошо», - сказал Уотроу.
«У нас есть еще один тест, который нужно провести. Мы хотим провести еще один тест заправки, вы должны заправить систему подачи топлива в первый раз, и у нас была возможность сделать это, когда мы проводили первоначальные испытания на продувку в августе 17 года».
Витроу сказал, что они собираются очистить линии RCS до повторения этого теста сейчас с активным контролем давления. «Мы хотим провести этот тест снова в сентябре, и мы будем использовать ненасыщенные пропелленты для этого», - сказал он.
После этих тестов обсуждается вопрос об использовании PQM в будущем. «Существует обсуждение некоторых текущих испытаний для миссий EM-3», - сказал Уотроу. «Возможно, в этом нет необходимости, мы можем сделать это с помощью компьютеров, но мы еще не уверены, что это можно сделать. Мы все еще в дискуссиях».
Первая фото: НАСА / Рад Синяк.
Оригинал:
https://www.nasaspaceflight.com/2019/08/propulsion-test-demonstrates-orion-abort-white-sands/2/