HL-42 (rymdfarkoster)

HL-42
	NASA-schema från Access to Space Study
Operatör	NASA
Ansökningar	Bemannat rymdplan
Specifikationer
Lanseringsmassa	29 ton, inklusive adaptrar
Regimen	Låg jordomloppsbana
Dimensioner
Produktion
Status	Inställt
Lanserade	0
relaterad rymdfarkost
Härrörande från	HL-20 Personal Launch System

HL -42 var en föreslagen uppskalad version av HL-20: s återanvändbara rymdplansdesign , som hade utvecklats från 1983 till 1991 vid NASA:s Langley Research Center men aldrig flugits. Liksom HL-20 ("Horizontal Lander 20"), skulle HL-42 ha skjutits upp i låg jordbana monterad ovanpå en tvåstegs förbrukningsraket. I slutet av uppdraget skulle den ha kommit in igen och glidit till en landningsbana.

HL-42 föreslogs som en möjlig efterföljare till rymdfärjan i NASA Access to Space Study 1994. Till slut valdes ett annat alternativ, en enstegs-till-omlopps- design, för vidareutveckling och arbete med HL-42 övergavs.

Bakgrund: NASAs uppskjutningspolicy

I början av 1980-talet hade det varit NASA:s policy att främja användningen av rymdfärjan för nästan alla uppskjutningar, både civila och militära; bara då, med skytteluppdrag som startar nästan varje vecka, skulle rymdfärjans program vara ekonomiskt vettigt. Men Challenger -katastrofen 1986 tvingade fram en omprövning, och under de följande åren försökte många studier kartlägga en väg framåt utan att nå någon konsensus förutom en växande känsla av att "snabbare, bättre, billigare" skulle vara en bra idé. Det fanns också oenighet om utformningen (och faktiskt syftet) av den föreslagna rymdstationen Freedom .

Tillgång till rymdstudien 1994

Slutligen, när president Clinton tillträdde för första gången i januari 1993, beställde den nye NASA-administratören Daniel Goldin en stor studie som skulle reducera mängden möjligheter till tre väldefinierade alternativ för uppskjutningssystem.

I november 1993, medan den studien fortfarande pågick, nåddes en överenskommelse med Ryssland om att utveckla Freedom- designen till den internationella rymdstationen , så för rymdstationens verksamhet ombads studieförfattarna att designa för det "värsta fallet": anta en 4-personers station som Freedom som skulle ha byggts och underhållits enbart av USA, men placerat den i en Mir- bana med en lutning på 51,6 grader (en betydande förändring, eftersom denna skulle vara svårare att nå från Cape Canaveral och skulle minska skyttelns nyttolast med en tredjedel). Å andra sidan skulle den nya eran av samarbete med Ryssland göra det lättare att köpa och använda de lovande ryska förstastegsmotorerna i RD-170 / RD-180- familjen och den innovativa tredrivna RD-701 .

NASA Office of Space Systems Development publicerade denna Access to Space-studie i januari 1994; det hade ett stort inflytande på rymdpolitiken under resten av decenniet. Studien syftade till att den utvalda nya lanseringshårdvaran skulle introduceras från och med 2005 när de nuvarande skyttlarna närmade sig pensionering, och förbli i användning till 2030. Tre expertteam var och en kartlade en möjlig väg framåt:

Alternativ 1: Fortsätt att vara Shuttle-baserad till 2030, men med uppgraderingar

Alternativ 1 var det mest konservativa, bestående av stegvisa uppgraderingar av den befintliga skyttelflottan och möjlig konstruktion av flera skyttlar med lättare, starkare material. Väldigt förbättrad flygelektronik skulle kunna göra obemannade, autonoma operationer praktiska och till och med önskvärda för vissa uppdrag.

Alternativ 2: Konservativ teknik, förbrukningsbara bärraketer och några nya fordon inklusive HL-42

Alternativ 2, något mer äventyrligt och fokuserat på ekonomi och effektivitet, skulle innebära nya fordon men endast små framsteg vad gäller befintliga material och metoder. Team 2 planerade att endast använda teknik som förväntas vara lätt tillgänglig 1997 och att ha den nya hårdvaran klar för användning 2005.

I den rekommenderade versionen av alternativ 2 skulle alla bärraketer vara förbrukningsbara. Delta II skulle behållas; Atlas II skulle uppgraderas med en rysk RD-180-motor; och den tunga Titan IV och Shuttle skulle ersättas av en ny tung bärraket (med RD-180-motorer och ett J-2S -drivet övre steg) som skulle stödja all rymdstationsoperation med antingen ett engångs-, obemannat Automated Transfer Vehicle (för last) eller det återanvändbara rymdplanet HL-42 (för besättning).

Alternativ 3: Gå direkt till Single-stage-to-orbit (SSTO)

Alternativ 3 var ambitiöst, men Team 3 ansåg att det var dags för en ny generation av stora, helt återanvändbara enstegs-till-omloppsraketer (SSTO). De hade blivit imponerade av lanseringen av McDonnell Douglas DC-X i april 1993 och dess centrala filosofi om drastiskt förenklade "flygbolagsliknande operationer". De avslutade faktiskt sin del av studien med detta kursiverade credo: Summan av kardemumman är denna: funktionsduglighet får inte bara vara ett mål; det måste vara designdrivrutinen.

Team 3 undersökte flera luftandande, horisontella startalternativ som bygger på erfarenheterna från Rockwell X-30 (NASP)-projektet, men drog slutsatsen att framtiden låg med en raketbaserad, vertikal start, horisontell landning SSTO-design . Deras referensdesign använde de föreslagna men ännu obyggda ryska RD-704 tredrivna motorerna, små vingar och en cylindrisk flygkropp med en central nyttolastfack i Shuttle-stil. Detta skulle kunna transportera antingen last eller passagerare, men i båda fallen skulle driften vara helt automatiserad. Teamet beräknade att det första operativa fordonet skulle kunna levereras 2007, med en flotta på fyra redo att ta över alla Delta-, Atlas- och Shuttle-operationer till 2011.

Denna slutliga referensdesign liknade starkt X-2000 Advanced Technology Demonstrator som föreslogs i augusti 1993 av en grupp vid NASA:s Marshall Space Flight Center.

Slutrekommendation: Utveckla teknik för SSTO

Efter analys beslutade studien om alternativ 3: "Anta utvecklingen av en avancerad teknologi, helt återanvändbar enstegs-till-bana raketfordon som ett mål för byrån." "Det har den största potentialen för att minska årliga driftskostnader såväl som livscykelkostnader ... det skulle placera USA i en extremt fördelaktig position med avseende på internationell konkurrens, och skulle hoppa över USA till nästa generations lanseringskapacitet. "

När det gäller kommersiella satellituppskjutningar ansågs det att även alternativ 2 skulle ha svårt att konkurrera med Ariane 4 och Ariane 5 , som identifierats som "det mest effektiva av de utländska systemen". "Alternativ 3, å andra sidan, skulle sänka uppskjutningskostnaderna så dramatiskt att amerikansk industri skulle kunna underprisa alla konkurrenter. USA skulle sannolikt fånga, och återigen dominera, den internationella satellituppskjutningsmarknaden under en avsevärd tid, med användning av dessa unika avancerade tekniska fordon."

Alternativ 3 erkändes som "måttlig till hög teknisk risk", men detta "ansågs vara hanterbart på grund av den 4 till 5-åriga teknikmognadsfasen som skulle utveckla och demonstrera den nödvändiga tekniken till minst en nivå 6-teknikberedskapsnivå ( beprövade i sin verksamhetsmiljö)."

Resultat: Misslyckade förhoppningar för SSTO

När beslutet hade fattats att koncentrera sig på SSTO tappade NASA intresset för HL-42, och faktiskt för hela konceptet att skjuta upp ett bemannat rymdplan ovanpå en förbrukningsbar bärraket. De sista HL-20-studierna baserade på NASA:s Langley Research Center hade gjorts 1991, och de fortsatte inte.

NASA tog nu över DC-X från Pentagon och döpte om den till DC-XA Clipper Graham . Två nya projekt startades också som teknikdemonstratorer: Orbital Sciences X-34 och Lockheed Martin X-33 . När tekniken väl hade bevisats, skulle nästa steg ha varit VentureStar , ett kommersiellt SSTO-rymdplan.

Men "4 till 5 års teknikmognadsfas" gick inte bra. DC-XA avbröts 1996 efter att prototypen skadades svårt i en landningsolycka, och X-34 och X-33 avbröts båda 2001 efter oenighet och tekniska svårigheter. Arbetet med VentureStar upphörde också 2001, vilket i praktiken avslutade strävan mot SSTO.

HL-42 i alternativ 2

Option 2D lanseringssystem i detalj

Team 2 kom fram till sina slutsatser efter en uttömmande undersökning av många möjligheter, som började med 84 fordonsfamiljer, vilket minskade detta till 28, sedan till fyra, varav tre inkluderade rymdplanet HL-42. Deras slutliga detaljerade rekommendation (alternativ 2D i studien) var följande:

Fortsätt att använda Delta II (anses pålitlig och bra valuta för pengarna) för uppdrag med 5 ton till låg jordomloppsbana ( LEO).
För 10 ton till LEO-uppdrag, ersätt Atlas II med en ny bärraket som använder en "lågkostnad, lågrisk" rysk RD-180-motor på första steget, och ett nyutvecklat Centaur -översteg med en enkel RL10 -motor istället för två.

För tyngre Titan IV eller Shuttle-klass nyttolaster, pensionera de dyra Titans; och utveckla en ny tvåstegs förbrukningsbar tung bärraket, med tre ryska RD-180-motorer i det första steget, och en enda J-2S i det andra (som i själva verket skulle vara ett uppgraderat S-IVB- steg). Denna nya bärraket skulle kunna lyfta cirka 38 ton till LEO utan ett övre (tredje) steg.

Den tunga bärraketen kunde då bära:

den nya 23-tons enmotoriga Centaur övre scenen plus en geostationär satellit eller en interplanetär rymdfarkost;
8 ton engångsadapter och escape-system plus den 21 ton fullastade HL-42 till LEO;
den 7 ton tunga ESA-byggda ATV:n plus upp till 30 ton last eller struktur till rymdstationen i LEO.

ATV-partner till HL-42

I det här skedet skulle ATV:n ha varit en kort, squat orbital bogserbåt utan eget lagringsutrymme, liknande servicemodulsektionen i det senare operativa ESA Automated Transfer Vehicle . Denna bogserbåt kunde driva fram:

en trycksatt logistikmodul (PLM) med en stor dockningsport i CBM- storlek;
en Unpressurized Logistics Carrier (ULC) med bränsle- och gastankar;
färdigställa nya moduler och fackverksstrukturer för själva rymdstationen.

Teamen hade blivit tillsagda att anta att för att underhålla en 4-personers frihetsklassstation skulle det behövas 70 ton pågående last varje år. I alternativ 2 skulle det mesta av detta utföras i fem ATV-uppdrag (tre PLM och två ULC). Avfall för bortskaffande skulle laddas i ATV/PLM eller ATV/ULC, som sedan skulle bryta omloppsbana och brinna upp vid återinträde. ATV:n kan också ta bort hela skadade eller föråldrade rymdstationsmoduler eller strukturer vid behov.

Lanseringssystemet som helhet syftade till ekonomi och effektivitet, med gemensamma komponenter (RD-180-motorerna, Centaur-översteget) som användes så långt som möjligt. ATV:n skulle ha tillhandahållits på europeisk bekostnad, i utbyte mot en viss användning av rymdstationen; på detta kostnadseffektiva sätt ESA bevara fotfästet i rymden efter att Columbus-programmet lades ner 1991. Till och med fyrhjulingskåpan lånades från Titan IV.

Sex nya fordon eller "programelement" skulle krävas:

Det är anmärkningsvärt att många av alternativ 2-rekommendationerna faktiskt omsattes i praktiken under senare år, trots att detta alternativ inte valdes. Tre av de föreslagna nya fordonen byggdes och användes i stor utsträckning.

Hur stor ska HL-42 vara? Downmassproblemet

Team 2 funderade mycket på frågan om nedmassa , last som skulle behöva återföras säkert till jorden (främst utrustning och avslutade experiment). Detta gav inga problem för alternativ 1 och 3; skytteln skulle lätt kunna bära ner massa, till exempel i en multi-purpose logistics modul (MPLM) i sin lastfack, och VentureStar skulle ha ett liknande system. I alternativ 2D måste dock all nedmassa bäras i HL-42, som skulle behöva vara större än HL-20 för att ge viss lastkapacitet såväl som besättningssäten. Men hur mycket kapacitet (volym såväl som massa) skulle behövas i praktiken?

Eftersom Frihet hittills bara existerade på papper var det svårt att uppskatta detta, eftersom det inte fanns någon praktisk erfarenhet. De ryska rymdstationerna hade knappt skickat ner någon returmassa, eftersom Progress- lastmodulerna av engångstyp var designade för att brinna upp vid återinträde, och de trånga återinträdesmodulerna för tre personer i Soyuz hade lite utrymme att avvara. Men Freedom och ISS-programmet var mycket mer ambitiösa och planerade att regelbundet återvända stora biologiska och särskilt industriella bearbetningsexperiment.

Många av dessa experiment skulle passas in i ett skrymmande ISS International Standard Payload Rack (ISPR), för stort ens för att passa genom en Progress- eller Soyuz-prob-and-drogue- dockningsport . För att ladda ens en ISPR, skulle HL-42 behöva en dockningsport av samma storlek som de 1300 mm (51-tum) Common Berthing Mechanism- portarna som så småningom skulle koppla samman stationens USA-tillverkade moduler. Och hur många ISPR skulle det behöva rymma på varje flygning?

Till en början fick teamen en baslinjesiffra på 58 ton nedmassa per år (jämfört med de 70 ton uppmassa), och detta skulle ha utgjort ett stort problem för alternativ 2: "Den centrala frågan i förhållande till tillgång till rymden är dock returmassa." Med facit i hand verkar 58 ton onödigt stort, och en omedelbar analys av Langley Research Center (LaRC) visade faktiskt att den kunde reduceras till 30 ton "genom klokt återlämnande av reservdelar, användar- och besättningssystem."

Detta var fortfarande obekvämt stort för alternativ 2, så LaRC gick till jobbet igen och fastställde att genom att prioritera användarexperimenten och kasta bort nästan allt annat som inte längre användes, kunde den årliga nedmassan minskas till 10 ton, eller ungefär 15 % av uppmassan. Detta är siffran som användes för att beräkna den erforderliga storleken på HL-42.

Med tanke på tre besättningsrotationsuppdrag per år skulle var och en behöva bära mellan tre och fyra ton dunlast. Lag 2 beräknade att detta kunde göras genom att skala upp HL-20-designen med en faktor på 1,42, vilket av en slump ger den en längd på 42 fot (och namnet HL-42). Den sammanlagda massan av besättning och last fastställdes till 4,2 ton.

Det grundläggande årliga upplastningsmanifestet skulle då se ut så här: På den nedåtgående resan skulle detta manifest returnera 78 skåp på mittdäck, alla extrafordonsdräkter och cirka 65 procent av användarens tryckställ (ISPR).

Enligt fig. 19 skulle HL-42 bära en eller två ISPR på rutinflygningar uppåt; men diagram över dess interna arrangemang visar stuvning för tre.

Systemet utformades för att vara flexibelt. Om erfarenheten avslöjade ett behov av extra nedmassa vid vissa tillfällen, kunde extra HL-42-flyg planeras eller sekvensen ändras. Eftersom alla tre fordonen använde samma nya tunga bärraket skulle detta orsaka minsta möjliga avbrott i lanseringen.

Team 2 var mycket medvetna om att deras minimala nedmassaförsörjning kan få kritik: "Acceptansen av denna avkastningsnivå (ungefär 15 procent av levererad massa) representerar en fråga som bör tas upp i det slutliga logistikscenariot för Space Station Freedom." Senare erfarenheter från ISS antydde dock att detta inte skulle ha varit ett problem.

HL-42 hade ungefär samma lastkapacitet som den senare obemannade SpaceX Dragon , och i minst fem år efter pensioneringen av skytteln i juli 2011 var Dragon det enda farkosten som kunde bära betydande nedmassa från ISS. De faktiska nedgångssiffrorna för dess första fyra Commercial Resupply Services-uppdrag CRS-1 till CRS-4 var 0,9 ton, 1,4 ton, 1,6 ton och 1,5 ton, under de tre åren från 2012 till 2014. Detta tyder på att HL-42 skulle har verkligen haft tillräcklig kapacitet, särskilt med tre flygningar om året. Det skulle också ha gett ned-lasten en mjukare åktur än Dragon (1,5 g retardation jämfört med 3,5 g för Dragon) och en mycket bekvämare landning på en bana (snarare än Stilla havets stänk av Dragon).

Säkerhetsfördelar med HL-42

Sedan Challenger -katastrofen 1986 hade man insett att skytteln inte var tillräckligt säker. Studien uppskattade sin nuvarande "besättningsöverlevnadsförmåga" till 0,98. Ett av syftena med studien var att öka detta till 0,999.

Men trots att de undersökte många möjliga skytteluppgraderingar som sträcker sig så långt som till 2030, kunde Team 1 inte hitta ett praktiskt sätt att ge besättningen flykt. Det enda effektiva sättet att göra hela systemet avsevärt säkrare skulle ha varit att uppgradera skyttelns flygelektronik och möjliggöra autonom drift, för att undvika att riskera liv på uppdrag som i huvudsak bara var lastleverans: "Att tillhandahålla ytterligare besättningsutrymningsförmåga rekommenderades inte på grund av kostnaden, vikt, och tyngdpunktspåverkan och tekniska risker. Flera sätt att minska kostnaderna ytterligare och öka flygsäkerheten identifierades. Ett är en orbiter utan besättning, som skulle tillåta flyghastigheten att öka utan att påverka människors säkerhet ...". Men även om halva uppdragen hade varit obemannade skulle detta bara ha halverat risken och ökat "överlevnadsförmågan" till 0,99, fortfarande en storleksordning sämre än målet på 0,999.

Den allmänna principen att förbättra säkerheten genom att separera besättning och last (inte riskera liv på lastuppdrag) hade redan studerats av NASA i flera år innan studien, och alternativ 2 utformades på detta sätt från början. HL-42 skulle bara flygas när besättningsrotation var nödvändig. Detta innebar också att hårdvaran endast för last (ATV, PLM, ULC) inte behövde vara människoklassad, vilket gjorde hela systemet billigare.

Eftersom HL-42 var mycket mindre än skytteln kunde HL-42 monteras ovanpå sin bärraket, så på plattan och under den första minuten av flygningen kunde ett enkelt lanseringsutrymningssystem ( LES) "ge en impuls med hög dragkraft för att snabbt distansera HL-42 från en katastrofal booster-händelse" och låt den glida tillbaka till en landningsbana nära startrampen.

För att hantera en "katastrofhändelse" under de närmaste minuterna av flygningen, skulle det finnas ett alternativ att utrusta uppskjutningsadaptern (mellan baksidan av HL-42 och toppen av utskjutningsrampens andra steg) med större solida raketmotorer, för att ge en boost-back och en intakt avbrytning av Return To Launch Site (RTLS).

Om olyckan inträffade utanför RTLS räckvidd, skulle LES skjuta HL-42 fri och kastas över, och HL-42 själv skulle glida tillbaka in i den lägre atmosfären. Om inga lämpliga långa landningsbanor (möjligen även på stora kommersiella flygplatser) fanns inom räckhåll, skulle den sätta ut fallskärmar och stänka ner i havet. Eftersom alla manövreringsmotorer i själva HL-42:an använde giftfritt metanbränsle och flytande syre (snarare än de giftiga hypergoliska bränslena i skytteln) skulle det inte finnas något behov av en "safing"-procedur för landningsbanor efter någon av dessa nödlandningar, och mindre fara vid en krocklandning.

HL-42 skulle ha överlevt omständigheterna som förstörde Shuttles Challenger 1986 och Columbia 2003. 1986 skulle LES ha dragit den bort från boosterexplosionen; och ovanpå sin bärraket skulle det ha varit säkert ur vägen för det fallande skräpet som dödligt skadade den termiska isoleringen på Columbia .

Dessa överväganden ledde till att studien drog slutsatsen att Team 2 hade uppnått säkerhetsmålet med HL-42: "Förbättringen av besättningens säkerhet (sannolikheten för besättningens överlevnad) till minst 0,999 från 0,98 för rymdfärjan uppfylldes eller överträffades av nya fordon i alternativ 2 och 3."

Design

HL-42:an byggde indirekt på tre decenniers erfarenhet av att lyfta kroppsrymdplan , men var främst beroende av sin omedelbara föregångare, HL-20. Team 2 beskrev bakgrunden till sin design på följande sätt: "HL-42-designen härrör direkt från HL-20 fordonskonceptet med lyftkarosser som studeras sedan 1983 vid Langley Research Center. Det är en dimensionell uppskalning på 42 procent av HL- 20, och behåller viktiga design- och funktionsegenskaper hos HL-20-designen. Den tillämpliga HL-20-designdatabasen inkluderar omfattande NASA-forskning, flygsimulering och abort- och mänskliga faktorer, samt resultat från kontrakterade studier med Rockwell, Lockheed och Boeing för att definiera effektiv tillverknings- och driftsdesign."

Struktur och termiskt skydd

Alternativ 2 baserades på teknik tillgänglig för praktisk användning 1997, så HL-42 använde många av samma material som Shuttle; den hade ett strukturellt skelett av aluminiumlegering och ett mycket liknande termiskt skyddssystem .

Den strukturella kärnan i HL-42:an var den cylindriska tryckkabinen i aluminium, med två åtkomstluckor: en stor baktill för dockning med rymdstationen efter att uppskjutningsadaptern hade kastats (och för horisontell lastning före lansering). ), och en mycket mindre lucka på taket av kabinen för åtkomst av besättningen medan den står vertikalt på uppskjutningsrampen (och som en alternativ utgång efter landning, särskilt efter fallskärmshoppning till en nödfallsstänk). Aluminiumramar sträcker sig från vardera sidan av denna starka cylindriska kärna för att stödja resten av strukturen.

Hela den nedre ytan av lyftkroppen skyddades från värmen från återinträde av Toughened Unipiece Fibrous Insulation ( TUFI ), en tuffare, mer slagtålig version av Shuttle's HRSI -plattor; de uppgraderade TUFI-plattorna togs i bruk 1996. Dessa plattor, mattsvarta som de på Shuttle, limmades direkt till en värmebeständig titanhud i flera delar monterad på aluminiumramarna.

Den övre ytan, utsatt för mycket lägre temperaturer, var gjord av bikakepaneler av aluminium som kunde tas bort för att ge tillgång till de trycklösa utrustningsutrymmena mellan ramarna. Den övre huden täcktes med samma isolerande vita tyg ( AFRSI , Nomex Advanced Felt Reusable Surface Insulation) som de övre ytorna på Shuttle.

Fenorna var helt gjorda av titan, med både TUFI-plattor (i hetare områden) och AFRSI-tyg (i kallare områden) direkt bundna till huden.

De hetaste områdena av alla, nosskyddet och fenornas framkanter, var gjorda av förstärkt kol-kol, som de var på Shuttle.

Framdrivning: OMS och RCS med metanbränsle

Framdrivningssystemen i omloppsbanan på HL-42 såg ytligt ut som de i Shuttle, i mindre skala. På baksidan, en på varje sida av åtkomstluckan, fanns två rymdfärjans Orbital Maneuvering System (OMS) motorer, som användes för att justera omloppsbanan, träffa andra rymdfarkoster och slutligen ta sig ur bana. Den fullt bränsledrivna OMS:n kunde ge HL-42 en total hastighetsförändring ( delta - v ) på 290 m/s, liknande siffran på 300 m/s för skytteln.

Reaktionskontrollsystemet (RCS) liknade också i princip det hos Shuttle, ett system av små raketmotorer för att kontrollera attityden hos HL-42:an i stigning, rullning och gir, med samma bränsle som OMS . Detta innebar att i händelse av ett OMS-motorfel kunde det återstående bränslet skickas genom en sammankoppling till de bakåtvända RCS-motorerna för att slutföra en nödbränning från omloppsbanan.

Det fanns dock en stor skillnad mellan Shuttle och HL-42: typen av bränsle. Shuttle använde det giftiga och hypergoliska monometylhydrazinet (MMH) och dikvävetetroxid (N ₂ O ₄ ) för både OMS och RCS. I enlighet med den nya principen för "snabbare, bättre, billigare" flygbolagsliknande operationer beslutade Team 2 att byta till metan (CH ₄ ) och flytande syre för både OMS och RCS. Även om dessa är giftfria och mycket lättare att hantera, var det ett steg in i det okända, eftersom 1994 knappt något arbete ännu hade utförts på metan-lox-motorer . Detta listades därför som den fjärde av de fem avancerade utvecklingsuppgifterna som krävs för alternativ 2.

Aerodynamiska kontrollytor

Liksom HL-20 hade HL-42 sju rörliga kontrollytor: en elevon på varje sidfena, ett helt rörligt mittroder mellan fenorna och fyra kroppsklaffar (två på den nedre ytan bak och två på den övre ytan mellan rodret och fenorna). Jämfört med skytteln förlitade HL-42 sig mycket mer på de två nedre kroppsklaffarna för kontroll av stigning och rullning, särskilt i mitten av återinträde med höga dynamiska tryck och en hög attackvinkel. I detta avseende låg HL-20 och HL-42 halvvägs mellan skytteln och fordon som den senare ESA IXV som hade två underkroppsklaffar och inga andra kontrollytor.

I de tidigaste stadierna av återinträde skulle HL-42, liksom Shuttle, helt förlita sig på RCS för attitydkontroll. I fallet med skytteln, när den omgivande luften blev tätare och dynamiska tryck ökade, skulle skevroder på de yttre bakkanterna av vingarna gripa luftflödet först och ta över rullningskontrollen från RCS. Sedan, lite senare, skulle elevonerna på de inre bakkanterna ta över plankontrollen. (Färdfärjans enda bakre kroppsklaff var mindre viktig för attitydkontroll, fungerade bara som en trimflik och för att skydda huvudmotorns munstycken från värmen från återinträde.)

I fallet med HL-42 var elevonerna på sidfenorna för nära kroppen för att möta ett jämnt luftflöde i detta skede, så de två nedre kroppsklaffarna skulle ta över istället, flytta ihop för att kontrollera stigningen och differentiellt för rullning . Men både för skytteln och för HL-42, skulle gir endast kontrolleras av RCS förrän långt senare i nedstigningen, eftersom den höga anfallsvinkeln fortfarande skulle skydda rodret från luftflödet.

Slutligen, för både Shuttle och HL-42, när flyghastigheten sjönk under Mach 3,5 med tätare luft och en lägre anfallsvinkel, skulle rodret börja möta luftflödet och ta över girkontrollen från RCS. Härifrån och fram till landning skulle HL-42:an bete sig mer som ett vanligt flygplan, styrt huvudsakligen av elevoner och roder, med viss rollkontroll från underkroppens klaffar. Vid lägre hastigheter kan överkroppsklaffarna, som rör sig tillsammans, också hjälpa elevonerna att kontrollera stigningen (vid högre hastigheter skulle de vara utanför luftflödet och ineffektiva). Efter landning skulle överkroppsflikarna förlängas tillsammans med underkroppsflikarna för att fungera som luftbromsar.

Intern kraft: elektromekanisk, inte hydraulisk

Alla sju HL-42 kontrollytor flyttades av elektromekaniska ställdon, inte hydraulik som på skytteln. Hjulen (ett konventionellt trehjulingsunderrede av Shuttle-typ) sänktes också elektromekaniskt, inte hydrauliskt som på Shuttle. Detta var resultatet av en avsiktlig förändring av designpolicyn: Langley Research Center hade beslutat att inte ha några hydrauliska system på HL-20, utan att använda elektromekaniska ställdon istället, och HL-42 följde samma princip.

Shuttle hade designats med tre oberoende hydraulsystem, vart och ett trycksatt av en turbopump som drivs av en APU som drivs av giftigt hydrazin. Dessa system startade endast under uppskjutning, återinträde och landning och var designade för att leverera mycket ström under en kort tid. De kunde också klara av efterfrågade toppar med upp till tre gånger normal effekt, som varar i en eller två sekunder (till exempel när man snabbt flyttar alla kontrollytor samtidigt som hjulen sänks).

Men under de följande decennierna hade vissa rymdfarkostingenjörer kommit att betrakta hydraulisk kraft som onödigt komplex, opålitlig och svår att underhålla. Till och med Team 1 i sin lista över möjliga Shuttle-uppgraderingar hade rekommenderat att byta ut några eller alla hydrauliska system med elektromekaniska. En av anledningarna till dem var att förenkla markbearbetningen genom att ta bort det giftiga hydrazin-APU-bränslet, och detta passade väl in i den nya flygbolagsliknande operationspolicyn.

Men HL-42:s elsystem skulle nu behöva klara av stora och oförutsägbara ökningar av effektbehovet under landning. Den konstruerades därför med två strömkällor. Normal baslinjeeffekt tillfördes av väte- syrebränsleceller som på den kretsande skytteln; men HL-42 hade också uppladdningsbara silver-zink-batterier för att ge reservkraft för korta perioder med mycket hög efterfrågan. (Detta var samma kombination av strömkällor som användes på Apollo CSM .)

Team 2 insåg att en viss vidareutveckling skulle behöva göras på detta elektriska system med två källor, särskilt procedurerna för att koppla in och ut reservkraft. De gjorde därför detta till den andra av de fem avancerade utvecklingsuppgifterna som krävs: "... ställdon och deras elektriska driv- och omkopplingssystem måste mogna, med tonvikt på strömförsörjningssystemen."

Avionics

Elektronisk hårdvara hade avancerat enormt under de två decennierna sedan Shuttle först planerades, och HL-42 designades för att utnyttja dessa framsteg maximalt. Den skulle kunna kolla upp sig själv på startrampen och sedan flyga ett helt uppdrag självständigt, navigera med GPS och kontinuerligt övervaka sin egen hälsa. "Betydande delar av uppdragsoperationerna kommer att utföras genom användning av automatiska system. Lansering, uppstigning, operationer i omloppsbana, inträde och landning är automatiserade och kräver ingen besättningsingripande, vilket minskar kostnaderna genom att eliminera stora krav på faciliteter och besättningsutbildning. ... Markhantering av system ombord kommer att minskas genom automatisering och hälsohantering ombord på fordon. Ban- och navigeringshantering minskas genom att använda Global Positioning Satellite-systemet."

Autonom operation var ett stort avsteg från filosofin om Apollo och skytteln, som hade utformats som pilotfordon. Flygkontroll, vägledning och navigering hade redan automatiserats i andra flygplan, men "hälsohantering ombord på fordon" skulle vara mer av en utmaning; praktiska erfarenheter från rymdfärder hade visat att en stor del av pilotens jobb var att bestämma vilka larm eller kombinationer av larm som säkert eller tillfälligt kunde ignoreras och vilka krävde brådskande åtgärder med tanke på den totala situationen. Dessa beslut skulle nu behöva skrivas in i programvaran. Att testa och felsöka denna programvara skulle vara en utmanande uppgift med tanke på att möjligheterna till faktiska flygtestning skulle vara extremt begränsade (till timmar eller, för lansering och återinträde, till och med minuter per år).

Avionics hårdvara föråldrad skulle medföra andra problem. Även om det kan tyckas logiskt att uppgradera elektroniken vart femte till tionde år, skulle all mjukvara sedan behöva valideras på nytt på den nya snabbare hårdvaran, vilket orsakar driftsförseningar och kostnader som mycket väl kan uppväga fördelarna med bättre hårdvara.

Team 2 var väl medvetna om allt detta och valde flygelektronik och mjukvara som den första av de fem avancerade utvecklingsuppgifterna som krävs: "flygelektroniksystem som kan uppgraderas, programvara som genereras och valideras automatiskt och hälsohanteringen av funktioner under flygning ."

Utveckling: Business-as-usual kontra Skunk Works

I början av 1990-talet började en känsla utvecklas bland vissa ingenjörer att NASA:s kultur hade blivit för byråkratisk, med för mycket pappersarbete och för många mellanchefer, och att bättre resultat kan komma från en slimmad "Skunk Works" -metod . Två av studieteamen delade denna känsla: "Alternativ 2 och 3-teamen rekommenderade en strömlinjeformad förvaltnings- och entreprenadstrategi efter Lockheed "Skunk Works", som har mindre, men dedikerad och samlokaliserad statlig tillsyn, en mer effektiv intern organisation för entreprenörer, snabb prototypframställning och teamkontinuitet från design till flygning."

Andra NASA-team delade också känslan. När DC-X Evaluation Team informerade Dan Goldin om DC-X-projektet den 1 mars 1994, bara veckor efter att studiens sammanfattning publicerades, rekommenderade de samma tillvägagångssätt för vidare DC-X-utveckling. DC-X hade byggts av McDonnell Douglas, så "snabbhantering" var på intet sätt begränsad till Lockheed.

Särskilt Team 2 hoppades på stora kostnadsbesparingar med detta tillvägagångssätt. "Utvecklingen av HL-42 ... skulle kunna använda ett tillvägagångssätt av typen "Skunk Works". Detta tillvägagångssätt har använts framgångsrikt i stora militära program som Hercules, U-2 och SR-71. I en studie genomförd på HL-20 nyttolastsystemet av Langley Research Center och Lockheed, fastställdes det att betydande besparingar kunde uppnås med detta tillvägagångssätt. Baserat på dessa resultat kunde det nya tillvägagångssättet för HL-42 ... ge minskningar så höga som 40 –45 procent av de totala uppskattningarna av rymdfarkostens utveckling och produktionskostnad, jämfört med de traditionella "business-as-usual"-uppskattningarna.

Team 2 karakteriserade utvecklingen av "Skunk Works" som att inkludera: "fasta krav, enskild förvaltningsmyndighet, liten teknisk personal, kunder på plats, entreprenörsinspektioner, begränsad extern åtkomst, snabb finansiering, rapporterar endast viktigt arbete, enkel ritningsfrigivning, snabb prototypframställning, etc. ."

Rutinmässiga operationer

I rutinmässiga operationer skulle HL-42 levereras till en av de tre OPF:erna vid Kennedy Space Center (KSC) för att förberedas och laddas. Den skulle anlända i flygfärdigt skick; alla test- och utcheckningsprocedurer som skulle dubblera de som redan utförts vid tillverkningsanläggningen skulle elimineras.

När den väl hade lastats med sin flyglast skulle den flyttas till VAB för att roteras till vertikalen och paras med det andra steget på toppen av den tunga bärraketen. Efter detta skulle den kontrollera sig själv med sina autonoma system "med minimal personaltid och i ett till två skift". Hela stacken skulle sedan flyttas till en av de två Launch Complex 39- plattorna som med Shuttle. Exakt samma procedur skulle användas för lastuppskjutningar med ATV:n.

För Shuttle markoperationer var förhållandet mellan stödpersonal och de som faktiskt arbetade på fordonet (förhållandet "icke-touch-to-touch") sex-till-en. För HL-42 hoppades Team 2 kunna minska detta till tre till ett, ett förhållande som är mer typiskt för kommersiella flygbolag, och på så sätt halvera inte bara lönerna utan även boendekostnaderna.

KSC skulle hantera alla uppskjutningar och lämna över till ett litet (10–12 konsoler) uppdragskontrollrum vid Johnson Space Center i Houston så snart HL-42 hade separerats från bärraketens andra steg. "Autonoma system som hade riktat boostern till separationspunkten skulle överföra kontrollen till orbitalfordonets autonoma system. Detta system skulle beräkna orbitalinsättningen och styra fordonet till den positionen. Fordonet skulle sedan fortsätta till nästa fördefinierade fas av uppdraget. Denna sekvens skulle fortsätta tills alla uppdragshändelser hade slutförts. Markövervakare kommer att ha förmågan att avsluta vilken fas som helst och återinitiera det autonoma flygsystemet med nya instruktioner."

Eftersom "besättningen" nu bara skulle vara passagerare, kunde utbildningen avsevärt förenklas och helt simuleringsbaserad. "All träning skulle genomföras i den centrala simuleringsanläggningen. Träningsfaciliteter bör spegla flygkontrollfaciliteter för flygövervakning. Träningsfaciliteterna skulle användas för att verifiera analyser före flygning. Det primära träningssättet skulle vara datorbaserat. Ingen rörelsebaserad, fast baserade eller flygplansanläggningar kommer att krävas."

Alla dessa detaljplaner lades dock på hyllan när SSTO-alternativet valdes 1994.

Arv

Situationen 2001–2004: Alternativ 2 antogs delvis

År 2001 hade det blivit uppenbart att SSTO-alternativ 3 skulle vara för svårt i praktiken (åtminstone med tanke på den finansiering som kongressen var villig att tilldela) och X-33, X-34 och VentureStar avbröts det året. Alternativ 1, som kraftigt uppgraderar skyttelsystemet, hade också övergetts. Studien hade övertygande visat att detta inte kunde göras kostnadseffektivt: "... det är uppenbart att de stora kostnadsbesparingarna som siktas på som mål för denna studie bara uppstår i arkitekturer som använder nya fordon." Det hade också visat sig ogenomförbart att höja Shuttle "besättningens överlevnadsförmåga" över nuvarande 0,98 eller 0,99: Alternativ 1 "förbättrades inte avsevärt jämfört med den nuvarande säkerhetsanalysen för besättningen." De befintliga orbiters skulle därför inte uppgraderas avsevärt, och 2004 hade det beslutats att "Med sitt jobb kommer rymdfärjan att fasas ut när monteringen av ISS är klar, planerad till slutet av decenniet."

I praktiken var det alltså bara alternativ 2 som i slutändan följdes upp, dock inte helt. Delta II behölls. Atlas II uppgraderades med en rysk RD-180- motor och flög som Atlas III 2000. Den dyra Titan IV skulle avvecklas 2005 och ersättas av en ny tung bärraket som introducerades 2004, även om denna nya bärraket skulle vara Delta IV Heavy (26 ton till Mir -omloppsbana), inte den mer kraftfulla triple RD-180-versionen (38 ton till Mir -bana) som föreslagits för alternativ 2-systemet. Med dessa uppgraderingar Atlas- och Deltafamiljerna fortsätta att skjuta upp amerikanska rymdfarkoster utan besättning under en tid framöver; och ESA ATV (lanserad på den europeiska Ariane 5 ) skulle vara redo att ta över lastförsörjningen till den internationella rymdstationen tre år innan skytteln gick i pension.

Inget av dessa fordon skulle dock kunna färja besättning till och från ISS.

Bemannade rymdplan har inte omprövats

Även om problemet med att säkerställa att besättningen efter skytteln fick tillgång till ISS nu blev mer akut, gjorde NASA inte om alternativ 2-kombinationen av ett bemannat rymdplan med en förbrukningsbar bärraket. Den föreslagna "livbåten" för rymdstationen X-38, samtidigt som den ser ytligt lik ut som HL-20, skulle ha transporterats som last i skyttelns nyttolastfack och använts en gång eller inte alls ; även detta avbröts 2002. Å andra sidan var den militära Boeing X-37 , medan den var i drift från 2010, mycket mindre (5 ton vid uppskjutningen), obemannad och aldrig avsedd att stödja rymdstationens operationer.

NASA kunde avvisa alla tre alternativen för tillträde till ISS besättningar som presenterades i studien eftersom ett fjärde alternativ nyligen hade blivit tillgängligt: att använda den ryska Soyuz-programmets infrastruktur för all besättningstransport, en möjlighet som inte hade beaktats i Studie.

Det fjärde alternativet: Soyuz–Progress

1993, medan Access to Space-studien skapades, skedde flera utvecklingar i snabb följd som skulle leda till ett kraftigt ökat ryskt samarbete med NASA. Som ett resultat av detta var statusen för det ryska samarbetet fortfarande osäker medan studien skrevs mellan januari 1993 och januari 1994. Referensvillkoren gjorde det möjligt för författarna att använda ryska företag som utrustningsleverantörer (särskilt för motorer); men de skulle planera för ett "värsta fall" och inte förlita sig på Roscosmos, den nyinrättade ryska federala rymdorganisationen , för finansiering eller tjänster. Tillgång till besättningen antogs därför i studien endast tillhandahållas av USA, Europa, Kanada och Japan, det ursprungliga konsortiet för rymdstationen Freedom som det var i januari 1993 när studien beställdes.

Inledningsvis ansågs Soyuz–Progress inte vara tillförlitlig: "Från början uppstod utmaningar med Rysslands deltagande. Många löften gjordes av högt uppsatta ryska regeringstjänstemän .... De flesta hölls inte. ... Rysslands förmåga att tillhandahålla tillräckligt med Sojuz " livbåt ' rymdfarkoster och Progress 'reboost' rymdfarkoster ifrågasattes också. Finansieringen av Rysslands rymdprogram var under allvarlig stress ..."

Men under de närmaste åren växte det amerikanska förtroendet för Soyuz-Progress stadigt. Ryssland lyckades hålla Mir i tjänst och det ambitiösa Shuttle–Mir-programmet (1994–98) blev en framgång. I juli 2000 var de första tre ISS-modulerna (två av dem, Zarya och Zvezda , byggda av Ryssland) i drift, och efter att Mir lämnades omloppsbana den 23 mars 2001 var alla resurser i Soyuz-Progress-systemet tillgängliga för att stödja ISS operationer. Att uteslutande förlita sig på Soyuz–Progress för tillgång till ISS-besättningar verkade inte längre alltför riskabelt.

När X-33 SSTO-programmet avbröts i mars 2001 kände sig NASA inte längre under press att snabbt utveckla ett helt amerikanskt besättningstransportfordon, bara för att säkerställa tillgång till ISS efter skyttelpensioneringen; den ryska sojuzen skulle nu kunna tillhandahålla det, åtminstone på kort sikt. På lång sikt arbetade NASA med ett nytt initiativ fokuserat på återanvändbara fordon.

Space Launch Initiative från 2001

I februari 2001 etablerades formellt Space Launch Initiative (SLI, även känd som 2nd Generation Reusable Launch Vehicle (RLV) program) med målet att drastiskt minska kostnaderna för tillgång till rymden. Detta skulle kräva banbrytande ny teknik och kommersialisering och konkurrens i lanseringsverksamheten. "Idag är överföringen av NASA:s behov av rymdtransport till kommersiella bärraketer fortfarande huvudmålet för NASA:s rymdtransportinsatser."

SLI var mycket mindre strukturerat än Access to Space-studien med sina tre tydligt definierade alternativ. SLI skulle börja med "Hundratals koncept"; sedan "Under programmets första två år kommer en rad riskreducerande aktiviteter och milstolpegranskningar att gradvis begränsa livskraftiga återanvändbara rymdtransportsystem till två eller tre kandidater." Förhoppningarna var höga: "Med ny teknik och operationer ... kommer kostnaden för att leverera en nyttolast att sjunka dramatiskt från dagens pris på $10 000 per pund."

Det var dock klart för alla att återanvändbarhet endast kunde uppnås efter flera tekniska genombrott; och det skulle vara upp till NASA att tillhandahålla dessa genombrott, på regeringens bekostnad. Ingen hade presenterat denna ståndpunkt tydligare än Ivan Bekey, den mycket respekterade före detta NASA-direktören, i hans inflytelserika kongressvittnesmål den 11 april 2000, vilket bidrog till att avgöra X-33:s öde. Denna attityd kan sammanfattas som "Speedkant, eller inte alls". Bekey hävdade kraftfullt att eftersom hela syftet med X-33-programmet var att utveckla och demonstrera ny teknik, så är det lite meningsfullt ur teknisk synvinkel att bygga det utan de banbrytande men svåra kompositvätgastankarna.

HL-20 och HL-42 återupplivning omöjlig under SLI

Dessa forskningsprioriteringar förklarar varför programmen HL-20 och HL-42 aldrig återupplivades av NASA. Om till och med SSTO X-33 (med sin aerospike-motor och innovativa termiska skyddssystem helt i metall) ansågs inte vara tillräckligt avancerad utan en komposittank, hade HL-20 och HL-42 ännu mindre chans att byggas med regeringen pengar:

Med sina förbrukningsbara bärraketer var de mycket långt ifrån att uppnå den önskade tiofaldiga minskningen av uppskjutningskostnaderna;
De hade medvetet utformats för att inte använda någon banbrytande teknik;
Deras jobb utfördes redan av Soyuz.

Under dessa omständigheter fanns det ingen chans att de skulle utvecklas vidare av NASA.

Däremot skulle kommersiella rymdtransportföretag vara helt fria att utveckla HL-20- och HL-42-designerna om de så önskade; NASA välkomnade nu kommersiellt deltagande. Men företag som gör det skulle riskera att möta konkurrens från SLI själv. Om NASA-finansierad forskning verkligen producerade banbrytande teknologi med $1000 per pund uppskjutningskostnader (en tiofaldig minskning) så skulle rymdplan med förbrukningsbara bärraketer aldrig kunna vara konkurrenskraftiga.

SLI upphörde 2004

År 2004 hade det blivit uppenbart att NASA aldrig skulle få tillräckliga medel för den typ av högriskprogram med hög avkastning som förespråkades av Bekey: "välfinansierad utveckling av parallella komponenter", så att om vissa framsteg misslyckades, eftersom de oundvikligen skulle ändå en av dem lyckas och ge enorma belöningar – kanske till och med minska kostnaderna till så lite som $100 per pund. Kongressen var inte bara ovillig att tillhandahålla finansieringen, utan hanteringen av sådana program hade också visat sig vara oväntat utmanande, vilket X-33 och X-34 hade visat.

NASA övergav följaktligen denna utvecklingslinje i mars 2004. "NASA planerar inte att utöva nya transportmöjligheter från jord till omloppsbana, förutom när det är nödvändigt för att stödja unika utforskningsbehov, såsom de som skulle kunna tillgodoses av ett tungt lyftfordon. budgeten avbryter Space Launch Initiative ..."

NASA:s egna nya fordonsprogram skulle nu enbart koncentrera sig på utforskning bortom LEO: Constellation-programmet och i slutändan heavy-lift Space Launch System och Orion (som i första hand skulle utformas för resor bortom LEO, även om det om nödvändigt också skulle kunna användas i en Sojus roll för att stödja ISS).

Efter 2004 återupplivande av rymdplan: Dream Chaser

Nu när det inte fanns några utsikter till ett dramatiskt NASA-finansierat genombrott som skulle sänka uppskjutningskostnaderna med en (eller till och med två) storleksordningar, var vägen öppen för kommersiella satsningar att utveckla de mer konventionella idéerna som NASA hade avfärdat under ett decennium som "inte banbrytande nog”, bland dem HL-20 och HL-42. Nu hade en idé som bara halverade kostnaderna en god chans att bli framgångsrik och till och med lönsam.

2006 licensierade Jim Benson (som hade grundat SpaceDev 1997) HL-20-designen för användning i Dream Chaser- projektet. Till skillnad från HL-42, var Dream Chaser inte skyldig att färja tre eller fyra ton last tillbaka ner till jorden, så kunde återgå till den mindre storleken på HL-20. Denna var lätt nog att placeras ovanpå en Atlas-klass bärraket, och 2007 nåddes en överenskommelse med United Launch Alliance om att använda Atlas V som den första Dream Chaser launcher.

Detta är kombinationen som slutligen, i januari 2016, vann ett sexstartskontrakt med Commercial Resupply Services med NASA.

Se även

Anteckningar

externa länkar

"HL-42" . Astronautix . Arkiverad från originalet den 26 januari 2002.