Stele verzi – pe umerii atomului: EMPIRE GD

EMPIRE – General Dynamics

Acesta este studiul produs de catre General Dynamics in timpul programului de cercetare EMPIRE. Dupa cum am mentionat anterior, GD primise sarcina de a studia misiuni exclusiv orbitale, fara traiectorii de survol si asistente multiple.

Studiul GD este, comparativ cu partenerii sai de la Lockheed si Aeronutronic, mult mai exhaustiv. De fapt, este mai mare decat ambele la un loc, si asta datorita sprijinului si entuziasmului echipei de la GD, in special a directorului de departament Krafft Ehricke, unul dintre colaboratorii apropiati ai lui W. Von Braum si un mare proponent al zborurilor cu echipaj uman.

Fereastra de lansare pe care se bazeaza raportul este intervalul 1973-1975. Echipajul era de 8 oameni, iar durata de sedere pe orbita era intre 30 si 50 de zile (considerata a fi suficienta pentru a permite o explorare limitata a zonei initiale din jurul punctului de amartizare). Durata totala a misiunii era de 400-450 zile incluzand perioada de captura orbitala in jurul lui Marte.
 

Configuratii

In fapt, trebuie sa mentionam ca raportul ultra-detaliat explora nu una, ci patru configuratii diferite de nava, ele insele fiind cernute dintr-o multime mai larga de 30 de design-uri initiale. Aceasta analiza preliminara a dus la concluzia ca masa totala la plecare se situa in intervalul 1200-1400 tone, cu o sarcina utila in timpul misiunii de 45 de tone (aici includem practic echipamentele autonome care urmau sa amartizeze).

Cele patru configuratii erau, in fapt, menite a realiza aceeasi misiune, diferenta dintre misiuni fiind tipul de motor NTR disponibil (motoare KIWI/RIFT vs motoare avansate preconizate/NERVA) si vehiculul de lansare (Saturn C-5 vs Nova). Pe scurt:

C-22: lunga de 106 metri, si asamblata pe orbita folosind componente lansate cu rachete super-grele Nova. Nava ar fi necesitat doua lansari de cate 450 tone (practic un vehicul de lansare absolut gigantic). Putea folosi atat motoare RIFT cat si motoarele preconizate NERVA.
Date tehnice:

• Lungime: 106 m
• Diametru: 21 m
• Tractiune: 1780000 N
• Masa totala: 900 tone

C-23: lunga de 95 de metri, asamblata folosind componente lansate cu Nova. Diametrul era de 23 de metri, si folosea motoare nucleo-termice avansate. Daca era lansata folosind Saturn V, ar fi necesitat opt lansari de cate 120 de tone.

• Lungime: 95 m
• Diametru: 23 m
• Tractiune: 1780000 N
• Masa totala: 960 tone

C-26: lunga de 162 metri, asamblata folosind exclusiv componente lansate cu Saturn V. Prezentata in raport in doua variante. Diametrul era de 10 metri, si folosea motoare RIFT sau NERVA. Masa variabila in functie de misiune.

• Lungime: 162 m
• Diametru: 10 m
• Tractiune: 1820000 N (NERVA) / 550000 N (KIWI/RIFT)

C-28: ultima configuratie. La fel ca si C-26, era gandita cu doua posibilitati de design. Lansatorul era, din nou, Saturn V, si masa era, iarasi, variabila in functie de profilul misiunii. Motoarele erau NERVA avansate.

• Lungime: 174 m
• Diametru: 10 m
• Tractiune: 1820000 N

Componenta propulsiva a navelor, in functie de varianta folosita. Abrevierea C (C-22, C-23, etc) vine de la “Class” (Clasa). Ambele variante de C-28 sunt prezente. Absente sunt variantele clasei C- 26

 

Profilul misiunii

Comparativ cu misiunile propuse in aceiasi ani, conceptul General Dynamics avea cateva particularitati:

• omisiunea ar fi constat din DOUA vehicule cu mase relativ echivalente. Teoretic, ambele vehicule ar fi apartinut aceleiasi clase (ambele C-28, C-22, etc), dar, studiul mentioneaza ca este posbila folosirea unor arhitecturi diferite pentru vehicule.
• explorarea martiana s-ar fi realizat de pe orbita, folosind vehicule teleghidate robotice amartizate controlate de echipajul de pe nava.

Asadar, ideea de a imparti masa unei misiuni intre doua sau mai multe vehicule nu este ceva caracteristic planurilor din ani 90, ci a reprezentat un concept mult mai vechi (si chiar a fost unul dintre conceptele propuse initial pentru programul Apollo). Diferenta majora este ca, acolo unde arhitecturile DRM si Mars Direct trimiteau cele doua vehicule sacadat, in doua ferestre consecutive, General Dynamics propunea trimiterea lor ca si convoi, in aceeasi fereastra orbitala. Pe rand, avem:
Nava cu echipaj (Crew Mission Vehicle), cu rol de:

• transport echipaj
• navigatie
• procesarea si stocarea datelor
• comunicatii
• control pentru vehicule auxiliare
• tranportarea Vehiculului de Reintrare Terestra (Earth Entry Vehicle – EEM)

Nava cargo, care avea misiunea de a:

• transporta vehiculele auxiliare
• transporta componente de rezerva
• transporta combustibil suplimentar
• asistenta navigationala
• transport auxiliar de rezerva pentru echipaj
• transporta un EEM suplimentar

Nava de echipaj cuprindea, printre altele, si un vehicul de dimensiuni mici folosit pentru transportul de la o nava la alta (vehiculele fiind relativ imobile unul fata de celalalt pe parcursul zborului in convoi; aceeasi traiectorie, aceeasi fereastra, acelasi delta-V).

Sistemele de mentinere a vietii au fost principalul punct focal al studiului, nu numai pentru ca trebuiau sa indeplineasca sarcina dificila de a tine 8 oameni in viata timp de 450 de zile, ci si fiindca configuratia folosita avea un impact asupra vehiculului. Astfel, trebuia asigurat un anumit nivel de gravitatie artificiala (centrifugala). Spre deosebire de conceptele LM si Aeronutronic, GD a decis ca este mai oportuna folosirea designului de tip “tumbling pidgeon ” (in traducere aproximativa, “porumbel in rostogolire”). Adica, in locul folosirii unei centrifuge pe brate extensibile care sa fie atasata de fuselajul navei, habitatul va fi fix si intreaga nava se va rostogoli.

Suna ciudata, dar e un concept foarte des intalnit in misiuni de lunga durata, pentru ca nu necesita piese in miscare sau componente de conectare care se pot defecta in timpul misiunii (cu rezultate nefericite pentru oasele echipajului). De asemenea, daca este bine implementat, o nava de tip “porumbel” poate fi mai usoara decat una cu centrifuga.

In cazul de fata, GD a argumentat ca utilizarea unor motoare nucleare implica folosirea inevitabila a unui scut de radiatie. Si ca pentru a proteja echipajul de radiatia neutronica emisa in timpul functionarii (si a cele gamma emise dupa ardere) era preferabil ca habitatul sa fie situat cat mai departe de motor. De asemenea, conul de umbra al scutului de radiatie putea fi cu atat mai subtire cu cat habitatul era mai departe, permitand folosirea unui scut de diametru mai mic, si deci, mai usor.

Rezulta, asadar, o nava lunguiata, cu motoarele la un capat, habitatul la celalalt capat si rezervoarele de masa de reactie intre cele doua capete. Ori, o astfel de nava se preteaza la generare de gravitatie centrifugala prin tumbe.

Imagine schematica ilustrand functionarea scutului de radiatie. Desi nu este din studiul GD, nava era similara ca si forma.

 

Componentele navei – Modulul de comanda

Are un diametru de 10 metri si doua punti etajate. Puntea superioara cuprinde Statia de Comanda, cu trei statii de lucru pentru echipaj. Puntea inferioara cuprinde spatiul de dormit.
Modulul are protectie suplimentara, actiunand astfel ca si adapost pentru furtuni solare. In podeaua puntii inferioare este si chepegul de andocare pentru EEM, iar plafonul puntii superioare este unde se realizeaza conexiunea cu restul habitatului.

Ecranarea suplimentara era prevazuta initial sa fie formata dintr-un strat de apa, dar studiul a relevat ca era imposibila transportarea unei cantitati atat de mari (cand vorbim de protectie, ne referim la reducerea dozei de radiatie pana la 0.01 Gray/zi).

Pentru a rezolva aceasta problema, apa era suplimentata cu polietilena borificata sau hidrazina monometilica (MMH). Intr-un final,MMH era solutia recomandata pentru ca era mai usor de ejectat in cazul unei urgenta si pentru ca putea fi folosita si pe post de combustibil suplimentar (cu difluorura de oxigen pe post de oxidant; OF2). Ba chiar, are si un impuls specific foarte bun (405 secunde, corespunzand unei viteze de evacuare de 4000 m/secunda) si e hipergolic, eliminand problemele de aprindere ale motoarelor. Astfel, putea fi folosita pentru vehiculele auxiliare, si, suplimentar, putea actiona ca masa de reactie.

Pentru ca, la o nava spatiala, conteaza fiecare gram.

Marea hiba era ca OF2 este o substanta ingrozitor de coroziva. Atat de coroziva incat poate oxida si xenonul! Realizarea unui rezervor care sa o poata inmagazina in siguranta nu e o sarcina usoara.

Diagrama modulului de comanda

 

Componentele navei – Modulul habitat

Are masa totala de 39, 700 kg. In figura prezentata, prova navei este inspre directia “jos” a astronautilor, iar pupa sus, inspre motoare. Asta din cauza rotatiei necesare pentru efectul centrifugal. Gravitatia este de 0.25 G (un sfert din gravitatia terestra).

Partea centrala a habitatului contine EEM-ul, Modulul de Comanda si Modulul Intern de Misiune (IMM). Acesta din urma cuprinde sistemul de mentinere a vietii [notat cu A], stocurile de hrana [B] si atelierul de reparatii [C].

De asemenea, in jurul acestei coloane centrale sunt atasate patru module externe de misiune, cu o incarcatura care depinde de specificul misiunii.

Fiindca adiacent motoarelor nucleare era si un reactor SNAP-8 (pe care l-am intalnit si la conceptul Aeronutronic) coloana trebuia sa fie relativ inalta pentru a asigura distanta fata de acesta. In cazul de fata, inaltimea era de 23 metri.

Studiul dezbate (din nou….) doua posibilitati de realizare a habitatului: Integrat si Modular. Arhitectura modulara ar avea o masa mai mare, insa era mult mai flexibila. Spre exemplu, un design integrat nu poate fi adus la zi prin inlocuirea unor module si nu ar permite ejectarea modulelor in caz de urgenta. Asadar, arhitectura aleasa a fost cea modulara.

Modulul de habitat A se observa “taxiurile spatiale” menite a fi folosite pentru reparatii si lucrari exterioare in timpul tranzitului, cat si pentru a asigura legatura intre cele doua nave din convoi. Un aspect interesant este ca diagrama de mai sus inverseaza pozitia dormitorului cu cea a centrului de comanda. Nu stim daca este o diagrama mai timpurie sau o greseala din partea autorilor.

 

Componentele navei – EEM

Foarte similar cu capsula de reintrare Apollo, putea fi folosita ca si centru secundar de comanda. Spre deosebire de acesta, volumul interior era mai mare, pentru a acomoda cei opt astronauti. Propulsia era asigurata de un motor LH/LOX.

Studiul mentioneaza o posibilitate interesanta (si usor tulburatoare): teoretic, dupa terminarea misiunii, sistemul de mentinere a vietii cu bucla ecologica inchisa putea fi ejectat, iar EEM se putea conecta direct la restul navei. Asta ar fi redus mult spatiul locuibil (vorbim de opt oameni care trebuie sa traiasca jumatate de an intr-un spatiu de marimea unei sufragerii.

Banuiala mea este ca autorii o ofereau ca si posibilitate numai in cazul unei urgente. De asemenea, sa nu uitam ca, teoretic, aveau o a doua nava la dispozitie.

Vedere in diagrama a EEM-ului

 

Componentele navei – Sistemul de amartizare

Dupa cum am mentionat, echipajul ramanea pe orbita, iar explorarea se realiza prin tele-robotica. Astfel, sarcina utila a misiunii ar fi constat dintr-un Lander Martian (bazat pe arhitectura sondei Surveyor de la JPL, si cuprinzand un sistem de reintoarcere cu mostre martiene), sonde de impact (bazate pe arhitectura sondelor Ranger) pentru investigarea satelitilor Deimos si Phobos si un orbiter pentru masuratori de mediu.

Una dintre sugestii era de modificare a Landerului prin inlocuirea sistemului de intoarcere a mostrelor cu unul cu echipaj uman. Acesta ar fi putut transporta doi astronauti, care ar fi putut petrece o saptamana pe suprafata planetei Marte.

Dar asta era o idee oarecum nefericita, din cauza lander-ului. Vedeti, in 1962, se estima ca presiunea atmosferica a planetei marte era cam 25% din cea terestra. Ca atare, landerul era preconizat a folosi un tip de parasuta semi-rigida anulara pentru a incetini.

In clipa in care altitudinea se micsora, parasuta se desprindea, iar landerul ateriza propulsiv.

O a doua mare problema esta ca naveta ar fi folosit dimetil-hidrazina nesimetrica (UDMH) si triflourura de clor ca si combustibili. UDMH-ul este denumit si “cancer exploziv”, pentru ca este extrem de volatil, toxic si instabil.

Mai rau e ca si triflourura era incredibil de periculoasa, fiind extrem de coroziva pentru orice fel de fibra, lemn, nisip, azbest si oameni. De asemenea, exista un risc major de explozie in cazul rezervoarelor metalice (care pot forma un strat protector la suprafata, dar nu si in cazul unei decompresii explozive).

Date tehnice:

• Impuls specific: 300 secunde
• Combustibil: UDMH
• Oxidant: Triflourura de clor
• Suprafata parasutei: 836 metri patrati
• Masa combustibil: 1630 kg
• Masa oxidant: 4940 kg
• Masa amartizare: 9980 kg
• Masa decolare: 8840 kg
• Sarcina utila la intoarcere pe orbita: 1360 kg
• Masa abandonata pe Marte: 1540 kg

Vehiculul in timpul amartizarii (sus) si decolarii (jos)

 

Opinia autorului

Studiul de la General Dynamics este cel mai lung dintre cele trei studii EMPIRE, dar asta nu inseamna ca este enorm de detaliat. Mai degraba, as spune ca, spre depsebire de Lockheed si Aeronutronic, echipa lui Krafft Ehricke a profitat de ocazia studiului pentru a se lansa intr-un fel de dezbatere referitoare la configuratia navei.

Desi arhitecturile de misiune propuse foloseau propulsia nucleara, aceasta nu era extrem de detaliata, ci doar folosea solutii off-the-shelf. Similar, desi misiunea ar fi avut ocazia sa propuna o traiectorie anume, raportul lasa vag tipul exact de traiectorie necesara. Mai rau, este ca nu prezinta valori pentru delta-V-ul necesar atingerii obiectivelor misiunii.

E dificil de spus daca echipa a ales sa faca asta pentru simplul motiv ca pana atunci nu se mai cerusera vreodata rapoarte de genul acesta (desi teoreticieni individuali, cum a fost Von Braum, propusesera deja arhitecturi de misiune, acestea erau doar eforturi de popularizare si munca voluntara a unui grup restrans de oameni, nu un proiect formalizat printr-un contract guvernamental cum era EMPIRE). Chiar si asa, efortul GD pare sa fi pierdut din vedere scopul studiului (care era de a prezenta plaja operationala a motoarelor, nu de a prezenta modul in care se ajunge la arhitectura unei nave).

In mod interesant, GD a participat si la un studiu din 1964, denumit UMPIRE. Aici, insa, a preferat sa incredinteze proiectul unei alte echipe, condusa de R.D. Austin. Studiul acela a fost, spre deosebire de EMPIRE, un succes, si s-a lasat cu un concept de nava foarte interesant (dar pe care nu intentionez sa-l prezint prea curand, fiindca arhitectura e destul de generica si similara cu Boeing IMS-ul din articolele viitoare). Daca Ehricke dorea sa sublinieze vreun aspect anume al procesului de studiere a sistemelor spatiale, trebuie sa spun ca, oricare ar fi fost acest aspect (si poate era usor de realizat pentru oamenii timpului) el e total pierdut pentru mine, personal, ca si cititor, 58 de ani mai tarziu.

Daca este, totusi, sa judecam drept, studiul prezenta si niste particularitati interesante. Spre exemplu, ideea de a realiza explorarea la distanta, de pe orbita, prin roboti teleghidati, era inedita la acea vreme, si, dupa cunostiintele mele, nu a mai fost propusa la alte misiuni similare. Pentru noi, suna ciudat sa calatoresti pana in pragul planetei Marte, dar sa nu pasesti pe suprafata. Insa, noi astazi putem realiza vehicule cu multa autonomie pentru explorare. La acea vreme, robotica autonoma era un domeniu extrem de primitiv, si atunici folosirea oamenilor pentru comanda si control are sens. Mai ales ca distanta Pamant-Marte face ca orice incercare de control direct de la NASA sa fie lipsita de sens (latenta datorata luminii fiind intre 8 minute si o ora).

Landerul in sine era extrem de putin detaliat (desi apare destul de proeminent in imaginile folosite de NASA) si, dupa cum am mentionat, nu ar fi functionat. Estimarile initiale pentru presiunea atmosferica a planetei erau mult eronate (25% vs 0.7% in realitate) iar sisteme de franare bazate pe parasute sau dispozitive aerodinamice nu ar fi functionat. Asta explica si raportul maselor extrem de optimist (o atmosfera mai densa iti permite sa economisesti combustibil la franare).

Ideea combustibililor hipergolici e nastrusnica, dar pare a fi, la fel ca si restul landerului, mai degraba un gand de pe urma. Mi-i se pare extrem de indoielnic ca NASA ar fi fost de acord cu inmagazinarea unei cantitati mari de substante ultra-volatile langa habitatul astronautilor, vreme de 15 luni.

Motoarele NTR erau, la fel ca si in cazul Aeronutronic, cu performante optimiste (tractiune enorma pentru greutate prea mica). Meritul GD este, totusi, ca nu s-a bazat exclusiv pe ele, ci a propus si arhitecturi de misiuni bazate pe reactoarele RIFT (adica KIWI). Desi, trebuie spus ca folosirea acestora limita mult capacitatile vehiculelor.

Daca vi se par inspaimantator de mari aceste nave comaprativ cu misiunile moderne, ei bine, e fiindca misiunile moderne folosesc resurse in-situ (adica la fata locului, concept abreviat ISRU) pentru a produce oxigen si a combustibil. Asta le permite sa planifice misiuni martiene cu masa orbitala de numai 200-300 tone. Fara ISRU, navele de explorare seamana mai degraba cu cele din EMPIRE: lungi de zeci de metrii, si grele de 900-1400 tone.

Sus: cele patru configuratii finale de nave; Jos: Ilustrarea sistemului tip convoi

In mod incredibil, istoricul aerospatiala Scott Lowther a reusit sa descopere prin FOA, unele dintre schitele tehnice din proiect

Spuneti ce doriti despre proiect, dar GD nu a precupetit cu angajarea artistilor conceptuali

  

 

Sa ne vedem anul acesta cu multa voiosie!

Marian Dumitriu (Checkmate)

Surse:
1. https://spaceflighthistory.blogspot.com/2015/06/empire-building-ford-aeronutronics-1963.html
2. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/realdesigns.php#id–EMPIRE_(Aeronutronic)
3. https://history.nasa.gov/monograph21.pdf
4. https://archive.org/details/nasa_techdoc_19640000998
5. http://www.astronautix.com/e/empireaeronutronic.html

The post Stele verzi – pe umerii atomului: EMPIRE GD appeared first on Romania Military.

Articol original

Stele verzi – pe umerii atomului: EMPIRE

Prolog – Imperiul lui Von Braun

La al 7-lea Congres International al Astronauticii, tinut la Roma in septembrie 1956, pionierul spatial si aeronautic Gaetano Crocco descrie o traiectorie orbitala inedita: un survol al planetei Marte folosind o manevra de tip asistenta gravitationala oferita de catre Venus. Astfel, ipotetica nava spatiala putea survola planeta rosie, apoi folosi gravitatia planetei Venus, printr-o trecere la distanta mica, pentru a-si schimba traiectoria catre Pamant, si, la un an de la parasirea initiala a orbitei terestre, sa se intoarca pentru ca echipajul sa-si tina rundele de parade si osanale. Practic, nou-definita traiectorie nu folosea combustibil dupa ce parasea orbita Pamantului.

6 ani mai tarziu, suntem in anul de gratie 1962. Cu un an inainte, presedintele John F. Kennedy stabilise obiectivul NASA: aselenizarea. Nou-infiintata agentie spatiala trebuia sa il indeplineasca in mai putin de un deceniu (desi, se spera ca misiunea avea sa aterizeze in 1967, in timpul celui de-al doilea mandat al lui Kennedy la Casa Alba).

Pentru ca efortul programului Apollo era atat de mare (si pentru ca congresmenii cereau tot timpul fonduri pentru statele lor), diferite parti ale sistemelor erau elaborate in diferite laboratoare. Dintre acestea, cel mai important era Marshall Space Flight Center (MSFC), situat in Huntsville, Alabama.

De ce era atat de important? Pentru ca componenta cea mai critica a unui vehicul aerospatial de orice fel sunt motoarele. Iar MSFC era centrul de dezvoltare al motoarelor, la conducerea sa aflandu-se legendarul Wernher von Braun, unul dintre marii proponenti ai misiunilor pilotate catre Luna si Marte, si unul dintre marii populizatori al conceptelor de zbor cosmic in anii premergatori cursei spatiale.

Sub ploaia de fonduri si influxul masiv de talent din intreaga tara, Von Braun si-a creeat o adevarata armata de savanti si ingineri capabili sa creeze, testeze si sa construiasca motoare spatiale. Erau cruciali pentru programul Apollo, in speta pentru lansatoarele de mare greutate (>100 tone pe orbita joasa) care erau necesare programului lunar.

Insa, inginerii de la MSFC avea ambitii chiar mai mari de atat. Ei isi doreau sa continue devoltarea de lansatoare grele si in epoca post-Apollo. Iar von Braun stia, ca, in lipsa unui program de misiuni ulterioare, centrul si-ar pierde repede scopul si talentul tehnic.

Asadar, pe langa seria de lansatoare Jupiter (redenumite apoi Saturn, cel mai faimos model fiind Saturn V, care a purtat misiunile Apollo pe Luna), echipele de la MSFC s-au concentrat pe dezvoltarea unor modele de vehicule spatiale super-grele ulterioare. Ele purtau numele de Nova si Supernova, si urmau sa foloseasca inclusiv motoare nucleare pentru treptele superioare.

Pentru testarea acestor concepte, s-a formulat ideea folosirii unuia dintre aceste modele timpurii de Saturn pentru o serie de lansari, avand incorporat un motor din seria KIWI in treapta superioara. Lansarile nu urmau sa ajunga pe orbita, ci doar sa demonstreze si sa studieze conceptul. Acest mini-program a fost dezvoltat impreuna cu NRDS, si a purtat numele de Reactor In-Flight Test – RIFT. Il vom mentiona in trecere la finalul seriei, insa, conceptul nu a fost foarte temeinic explorat, el fiind considerat de la bun inceput, riscant geopolitic (“lansam un reactor nuclear pe o racheta uriasa, si-l lasam sa cada in mijlocul oceanului….doar ca test” nu e genul de scuza care sa-i linisteasca pe rusi….).

O alta dezvoltare ulterioara a fost un model de racheta Saturn V cu o treapta superioara nucleara. Acest concept purta numele de Saturn C-5N, si era, la fel ca Nova, un succesor al propulsorului post- Apollo.

Dar, pentru a asigura continuitatea imperiului sau stiintific, Von Braun si MSFC trebuiau sa propuna si misiuni spatiale care sa aibe nevoie de asemenea lansatoare super-grele.Mai pe romaneste, rachetele lor dragi erau solutii, si trebuiau sa propuna niste probleme pentru acele solutii.

Astfel, in 1962, Oficiul pentru Proiecte de Viitor din cadrul MSFC a acordat contracte de studiu pentru trei tipuri de misiuni spatiale post-lunare unor companii din mediul privat. General Dynamics a primit sarcina de a studia misiuni orbitale martiene, Lockheed a primit portofoliul pentru survoluri (fara a intra pe orbita) iar Aeroneutronic (divizie a Ford) a primit sarcina de a investiga survoluri duale Venus-Marte. Intregul program de studiu a primit acronimul (usor fortat) de Early Manned Planetary-Interplanetary Roundtrip Expeditions – EMPIRE.

Comparatie intre Saturn I, Saturn V si preconizata Nova – Saturn V, in centru, e inalta de 110 metrii si cantareste 2970 tone

 

EMPIRE – Aeroneutronic

Studiul intreprins de catre compania Aeroneutronic, finalizat in 1962. Misiunea ar fi folosit o singura nava spatiala all-inclusive, cu masa de 170 de tone, lansat pe robita folosind un singur vehicul de tip Nova.

Misiunea era de tip fly-by, adica survolare, asadar vehiculul spatial nu includea si un vehicul de amartizare/decolare sau habitat de suprafata. Usor dezamagitor, dar misiunea folosea sus-numita orbita Crocco, permitandu-i sa realizeze si un survol scurt al planetei Venus (la acea vreme, o bila de culoare bej, cu o compozitie atmosferica necunoscuta, si suprafata ascunsa sub pacla densa de nori).

O regula de aur este ca reintoarcerea pe Pamant necesita la fel de multa energie cinetica precum plecarea de pe orbita terestra (13.5 km/sec), insa, spre deosebire de alte planete, Pamantul are atmsofera, si, cum s-a facut si in cazul misiunilor Apollo, o capsula de reintoarcere poate folosi atmosfera pentru a a frana, fara sa consume masa de reactie. Crocco descoperise ca era posibila o traiectorie care sa aduca nava spatiala in orbita terestra la exact un an dupa plecare (chiar aceeasi zi). Aceasta traiectorie, precum si excluderea echipamentelor si a vehiculelor de suprafata, permitea folosirea unui vehicul minimalist. Denumirea tehnica este Traiectorie Neperturbata Non-Simetrica.

Durata misiunii cu acest tip de traiectorie era de 396 de zile. Insa, s-a dovedit a fi problematica arhitectura initiala, deoarece necesita o viteza totala de 11.95 km/s. Vehiculul necesar pentru o asemenea misiune ar fi cantarit in jur de 1100 tone. Asadar, s-a folosit un tip de traiectorie deriavata din cea Crocco, denumita Traiectorie Neperturbata Simetrica.

In felul acesta se realiza o economie majora, in speta pentru ca noua traiectorie permitea realizarea misiunii cu un delta-V de numai 5.3 km/sec. Cat de majora? Noua configuratie a navei spatiale cantarea numai 17% din cea veche. 170 de tone la pornirea in misiune.

Comparatie intre configuratiile celor doua tipuri de nave

Noua configuratie promitea sa faca vehiculul mult mai usor si, deci, ieftin de lansat, necesitand o singura lansare cu preconizata racheta Nova (sarcina utila de 220 tone vs 120 la Saturn V). Din pacate, ca de obicei in mecanica orbitala, exista un compromis: misiunea ar fi durat 611 zile, adica proximativ 21 de luni.

Urmatoare fereastra orbitala pentru respectiva misiunea era pe 19 Iulie 1970. Odata lansat vehiculul, el ar fi fost despachetat si re-asamblat pe orbita.

Impulsul initial de 5.3 km/sec se realiza intr-o singura ardere folosind un singur motor NTR, cu o durata de aprindere de 48 de minute. Unul dintre punctele interesante ale raportului este ca aceasta durata de ardere este aproape de durata de viata maxima a unui motor asa cum se preconiza in acel moment (1962 – motor KIWI avansat).

Motorul era preconizat ca avand un impuls specific de 800 secunde (deci viteza de evacuare de 7.85 km/sec), si o tractiune de 182 de tone.

Configuratie vehicul – Imagine disponibila prin amabilitatea projectrho

Legenda:

• ROZ BOMBON: motor NTR NERVA
• ROSU : Rezervoare de hidrogen periferice inconjurand un rezervor central. Treapta I
• ORANJ: Rezervoare de hidrogen secundare. Treapta II
• VIOLET: Reactoare SNAP-8 pentru energie electrica (vom discuta despre ele mai incolo, he, he)
• BLEU INCHIS: Antene de comunicatie
• GALBEN: Rezervoare pentru combustibil de corectie a traiectoriei in timpul zborului
• BLEU DESCHIS: Platforma stabila pentru verificarea traiectoriei
• ACVAMARIN: Vehicul de reintrare in atmosfera terestra la intoarcere

 

Profilul misiunii

Prima treapta este alcatuita dintr-un motor NERVA, un rezervor central si 6 rezervoare periferice in jurul celui central. Injectia pe traiectorie consuma 56.2 tone de masa de reactie. Dupa terminarea acestei arderi, rezervoarele periferice sunt aruncate (masa 3.3 tone). Rezervorul central si motorul sunt pastrate, cu rol structural in cazul rezervorului.

Masa navei scade de la 170.1 tone la 119.1 tone, iar durata arderii este de 1000 secunde.

Configuratia navei inainte de prima ardere

A doua treapta este formata din NERVA, rezervorul gol, si 8 rezervoare in jurul modului de habitat. A doua ardere consuma 34.7 tone de masa de reactie.

In urma ei, motorul NERVA si rezervorul central sunt aruncate (11.9 tone). Cele 8 rezervoare golite sunt pastrate ca si protectie suplimentara impotriva meteoritilor si radiatiei.

Masa navei ajunge la 69.1 tone si nu mai necesita un motor (fiind in bratele Sfantului Kepler).

Configuratia navei inante de ce-a de-a doua ardere

Configuratia orbitala este cea in care isi va petrece nava majoritatea timpului dupa plecarea de pe orbita terestra. Cele doua habitacluri sunt detasate de corpul central, la capetele unor brate telescopice. De fiecare dintre ele sunt legate antene de telecopmunicatie de 16 metrii diametru, tintite spre Terra.

Unul dintre reactoarele SNAP-8 isi desface radiatorul de caldura si incepe sa produca curent electric. Bugetul de putere al navei este de 300 kW.

Un aspect interesant este ca ei denumesc SNAP-8 ca fiind un generator electric cu radio-izotopi. Ori, din datele publice, SNAP-8 era un reactor nuclear-electric prototip. Un generator cu radioizotopi nu prea produce mai mult de 1-2 kW. Daca aceasta confuzie era datorita unei nomenclaturi diferite la momentul respectiv, sau daca doreau sa induca in eroare potentialii adversari ….geostrategici…. e cam in aer. Cert este ca, de obicei, astfel de generatoare necesita ori ecranare buna, ori sunt situate la oarecare distanta de habitacluri si senzori (spre, ex, la capetele unor brate, dupa cum vom vedea in viitor).

Zona centrala a corpului navei contine un adapost de furtuna cu rol dublu de centru de comanda. Protectia in fata unor furtuni solare cu protoni se realiza folosind circa 50 de centimetrii de polietilena.

Langa acest centru de comanda era situata si platforma navigationala stabilizata, un compartiment pentru experimente in gravitatie zero, rezervoare suplimentare continand 10.9 tone de combustibil chimic pentru eventuale modificari de traiectorie (dispuse in jurul centrului pentru protectie suplimentara) si vehiculul de reintrare atmosferica atasat de un pachet de retro-propulsie.

Modulele de habitat ofera 126 m^3 de spatiu de locuit, care, la echipajul preconizat de 6 oameni, ar oferi 21 m^3 per persoana (comparativ cu valoarea minima a NASA, de 17 m^3). Din pacate, centrul de comanda cu rol de adapost nu ofera decat 1.4 m^3, dar nu era gandit sa fie ocupat de catre tot echipajul mai multe de cateva ore.

Sus: Nava in configuratie orbitala, cu bratele intinse

Jos: Vedere detaliata a zonei centrale

Etapa de reintrare: nava nu incetineste pentru a intra pe orbita la intoarcere. In schimb, echipajul se muta in vehiculul de reintrare.

Acesta are configuratia unui „lifting body”, configuratie care era considerata futuristica la momentul raportului (si acum este, dar este si scumpa, si netestata la asemenea viteze). folosind grupul de retropropulsoare, vehiculul se separa de restul navei (care, neincetinind, este abandonata in spatiu, devening un deseu orbital pe o orbita heliocentrica) si incepe manevrele de aterizare.

Reintrand in atmosfera cu viteza de 13.5 km/sec, echipajul (la fel ca pe Apollo) este supus unei decceleratii masive de 10 G, pana cand viteza scade suficient cat sa permita deschiderea parasutelor. Teoretic, vehiculul poate ateriza pe un aeroport, sau pe apa, ca o capsula (desi, in acest caz, ne-am putea intreba de ce nu au folosit chiar o capsula…. in fine).

Eroii sunt recuperati, iar NASA cere repejor o crestere de buget.

Sus: Imagina artistica a vehicului de reintrare

Jos: Detalii tehnice pe scurt a vehiculului

Vedere schematica a procedurilor de franare si detasarea de grupul propulsor (vehiculul in sine nu are propria sa propulsie)

 

Detalii tehnice

• An de conceptie: 1962
• Companie: Ford Aeroneutronic (da, acel Ford)
• IMLEO: 170.1 tone
• Echipaj: 6 persoane
• Lungime: 47 m
• Durata misiunii: 21 luni/630 zile
• Data preconizata pentru lansare: Iulie, 1970
• Motor: Nucleo-termic
• Forta propulsiva: 182 tone
• Vehicul de lansare: Nova MM-1B

Observatii personale: dintre vehiculele studiate in cadrul studiului EMPIRE, propunerea Aeroneutronic este cea mai conservatoare. Masa orbitala de 170 de tone este surprinzator de mica, chiar si comparativ cu arhitecturile moderne de lansare (Mars Direct – 2 lansari a 100 tone fiecare).

Parte din aceasta caracteristica este si faptul ca misiunea era un simplu survol, fara aterizare (sau macar inscriere pe orbita martiana). durata de observare stiintifica a planetei este de 40 de zile din 630, ceea ce e… nu foarte grozav. O situatie similara gasim si in timpul survolului venusian, numai ca acolo, durata poate fi extinsa, fiindca distanta in timpul manevrei nu se schimba la fel de mult.

Totusi, aspectul e facut ceva mai acceptabil de faptul ca nava utiliza gravitatie centrifugala. Astfel, chiar si la cei 0.3-0.4 G preconizati, echipajul ar fi suferit pierdei mai reduse de masa osoasa si musculara. Partea neplacuta este impactul psihologic al claustrarii, dar raportul include si o lista de sarcini pentru echipaj pe parcursul zborului pentru a le ocupa atentia (lista care, la prima vedere, pare a fi inspirata de programul de lucru al marinarilor submarini).

Multi veti sugera, pertinent, ca un simplu survol se poate realiza cu o sonda automata. Just, dar in 1962 trecusera numai patru ani de la Sputnik, el insusi o biata baliza radio orbitala. La vremea aia, daca voiai sa faci explorare, iti trebuiau oameni (de altfel, asa se explica necesitatea prezentei puntii stabilizate pentru observatii; calculatorul Apollo, el insusi foarte primitiv, era la 5 ani distanta, si tot iti trebuiau oameni ca sa obtii date navigationale, avand in vedere ca „soft de pilotare” era un termen SF).

De asemenea, ne putem intreba, dupa cum am mentionat, de ce nu au folosit o simpla capsula in locul unui vehicul aerodinamic. Ei bine, partea de aterizare din raport era cea mai putin detaliata, pentru ca importanta ei, in acel moment, era secundara. Aeroneutronic a propus cel mai „hip” sistem de la acea vreme pentru puncte de „Wow”, dar, daca s-ar fi facut, probabil s-ar fi refolosit componente de Apollo.

Faptul ca nava se… dezintegreaza in timp ce zboara e usor suparator. Faptul ca unul dintre componentele aruncate este un NTR incins, extrem de radioactiv, e si mai suparator (chiar daca orbita ar fi heliocentrica, fara sanse de a lovi Pamantul). Data fiind arhitectura zborului, eu unul stau si ma intreb de ce arunca motorul si rezervorul central dupa a doua ardere. La urma urmei, nu e necesar, totul e deja accelerat, si singura explicatie la care m-as putea gandi e ca nu doreau sa iradieze echipajul…. prea mult. 630 de zile cu un reactor fierbinte in spinare ar fi discutabil.

De asemenea, este posibil ca ei sa fi dorit o amplasare optima a SNAP-8 si a radiatorului sau aferent (care, intre noi fie vorba, pare relativ redus ca dimensiuni).

Este evident ca ei nu cunosteau la acel moment caracteristicile unui NTR. Estimarile erau mult prea optimiste (11.9 tone pentru motorul ipotetic, vs 18.9 tone pentru XE-PRIME-ul de la NERVA; tractiunea de 182 tone vs 2.4 tone pentru PRIME). Ca atare, misiunea poate fi categorisita ca fiind „fantezista”.

Dar, e un punct de plecare util pentru genul de misiuni studiate in acest program (care erau tehnic mai plauzibile, dar cu mase orbitale muuult mai mari).

Profil misiune

Grafica de prezentare

Echipaj

Orbita

  

 

Marian Dumitriu (Checkmate)

Surse:
1. https://spaceflighthistory.blogspot.com/2015/06/empire-building-ford-aeronutronics-1963.html
2. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/realdesigns.php#id–EMPIRE_(Aeronutronic)
3. https://history.nasa.gov/monograph21.pdf
4. https://archive.org/details/nasa_techdoc_19640000998
5. http://www.astronautix.com/e/empireaeronutronic.html

The post Stele verzi – pe umerii atomului: EMPIRE appeared first on Romania Military.

Articol original