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