Ares I

Ares I, TakımYıldız Programı’nda kabin ekibini taşımak için NASA tarafından tasarlanmaya başlandı. Ares, eski Yunan mitolojisinde olan tanrı aynı zamanda eski Roma İmparatorluğu tanrısı olan Mars anlamına da gelmektedir. Ares I, ilk başlarda kabin ekibi taşıma aracı olarak biliniyordu.
NASA, Ares I’i 2010 yılında rafa kaldırılan uzay mekikleri yerine Orion uzay aracını fırlatmak için kullanma amacıyla planlandı. Ares I, TakımYıldız programı için tasarlanan kendisinden büyük olan Ares V insansız kargo fırlatma aracını bütünleyen bir fırlatma aracıydı. NASA’nın Ares V tasarımlarını seçme amacı öngörülen bütünsel koruma sağlaması, güvenilir olması ve düşük maliyetli olmasından dolayı tercih etti. Fakat Ares I’i de kapsayan TakımYıldız programı, Ekim 2010’da NASA’nın vermiş olduğu yasa tasarısıyla iptal edildi. Eylül 2011’de NASA uzay fırlatma sistemini yeni Dünya yörünge insan keşif aracı olarak detaylandırdı.

Gelişmiş Taşıma Sistem çalışmaları

1995 yılında Lockheed Martin, Marshall uzay uçuş merkezi için gelişmiş bir taşıma sistemi çalışması üretti. Bu gelişmiş taşıma sistemi çalışmasının bir bölümünde Ares I’e çok benzer sıvı roket ikinci bölümü alt bölümde yer alan katı roket iticileri birinci bölümüyle birbirine desteklendirilen birkaç araç tasarımına yer verdi. Bütün tasarımların ikinci kısmında J-2S ve uzay mekiği ana motorları kullanılmasına karar verildi. Ayrıca tasarımların birinci bölümlerinde kullanılması planlanan gelişmiş katı roket motoru 1993 yılında bütçeyi fazlasıyla aşmasından dolayı iptal edilmişti.

TakımYıldız programındaki görevi

Ares I, TakımYıldız programının kabin ekibi fırlatma aracıydı. Gerçekte ismi kabin ekibi fırlatma aracıydı ve Ares ismini Yunan mitoloji tanrılarından olan Ares ten almaktaydı. Uzay mekiğinden farklı olarak tek bir roketter kargo ve kabin ekibi aynı anda fırlatılıyordu.   Takımyıldız Programının planında iki farklı tasarım vardı.   Bunlardan biri kabin ekibi için Ares I ve kargo için Ares V’ti.   İki farklı fırlatma aracı tasarımına sahip olmak bu tasarımların daha fazla kabin ekibi ve kargo taşımada kullanılmasına olanak sağlıyordu.   Ares I roketi özel olarak çok amaçlı görevli Orion kabin ekibi uzay aracını fırlatmak için tasarlanmıştı.   Orion,    Apollo programında kullanılan kabin ekibi kapsülü olarak icat edilmişti.   Böylece astronotları uluslararası uzay istasyonuna,    Ay’a ve en sonunda da Mars taşımak için kullanılacaktı.   Aynı zamanda Ares I Dünya yörüngesine sınırlı sayıda kaynak da taşıyabilirdi.   Bu kaynaklar uluslararası uzay istasyonunun ihtiyacı olan kaynaklar ya da Ay’da yapılması öngörülen üssün yapımında kullanılacak malzemelerdir.

Müteahhit seçimi

NASA, Ares I’in birinci bölümü için ilk müteahhit olarak uzay mekiği katı roket iticilerinin yapımcısı Alliant Techsystems ile anlaştı. Ayrıca NASA 16 Temmuz 2007'de, Rocketdyne ile J-2X roket motorunun ikinci müteahhidi olarak duyurdu. NASA 12 Aralık 2007'de, Boeng’in Ares I roketi için aviyonik(roket sistemi) sağlama ve yükleme yapması için seçti.
28 Ağustos 2007’de NASA,   Ares I’in üst kısmının üretimi için Boeing ile anlaşma imzaladı.   Boeing Saturn V roketi için  S-IC bölümünü 1960 yılında  Michoud montaj tesislerinde yapmıştı.   Ares I’in üst kısmı NASA’nın Michoud montaj tesislerinde inşa edilmişti.   İnşaat alanı uzay mekiğinin harici tankı ve Saturn V roketinin S-IC ilk kısmı için kullanılmıştı.

J-2X motorları

Her motor yaklaşık olarak 20-25 milyon dolardı. Rocketdyne tasarımı ve üretilen J-2X daha karmaşık olan uzay mekiği ana motorlarından (55 milyon dolar) yarı yarı ya daha ucuza mal edilecekti. Yerde çalışmaya başlayan uzay mekiği ana motorlarından farklı olarak J-2X havanın ortasında ve vakumlu ortama yakın bölgede çalışmaya başlatılmak için tasarlandı. Bu havada çalışma prensibi çok riskliydi.   Özellikle de Saturn V’in S-IVB bölümünde Apollo uzay aracını Ay’a götürmek için kullanılan orijinal  J-2 motorlarında.   Diğer yandan uzay mekiği ana motorlarının kalkıştan sonra çalışabilmesi ve vakumlu ortama yakın bölgede tekrar çalışılabilmesi  için aşırı miktarda değişiklik yapılması gerekiyordu. Ares I Dünya yörüngesinde uçacaktı ve Orion uzay aracının yeterli yakıt kaynağı bulunduramaması da en büyük etkenlerdendir.   Bu tasarımlar nedeniyle değiştirilmiş uzay mekiği ana motorları ana motor testlerinde olduğu gibi önceden ateşlenmeliydi.   Daha önceki NASA’nın yörünge araçlarından olan STS-26’nın 1988 Dünya’ya geri dönüşünde ilk uzay mekiği ana motorlarında da kullanıldığı gibi yenilerinde de kullanılmalıydı.

Sistem gereksinimleri denetimi

4 Ocak 2007'de NASA, Ares I'in sistem gereksinim denetiminin tamamlandığını duyurdu. İlk denetleme herhangi bir insanlı uzay aracı (uzay mekiği) tasarımına yapıldı. Bu ilk denetleme tasarım sürecinin ilk dönüm noktalarından biri olmuştur. Ayrıca Ares I fırlatma sisteminin her yönüyle TakımYıldız programı'nın bütün gereksinimlerini karşılamasını garanti altına almak istenmişti.   NASA, Ares I ile ilgili yaptığı açıklamanın yanı sıra tank sisteminin tasarımının yenilendiğine de duyurdu. Ayrı ayrı sıvı hidrojen ve sıvı oksijen tankları yerine uzay mekiği harici tanklarında olduğu gibi iç tank sistemiyle Ares I'de de bir tankı iki ayrı depolama birimi olarak kullanılacaktı. Yeni sıvı oksijen ve sıvı hidrojen tankları yaygın bir gemi bölmesiyle birbirinden ayrılmalıydı. Tıpkı Saturn V S-II ve S-IVB’de olduğu gibi. Bu sayede önemli ölçüde aşırı kütle kullanımından korunulacak ve Orion uzay aracının taşınması için yeni bir ikinci iç kısma gerek duyulmayacaktı.

Analiz ve testler

Ocak 2008'de NASA'nın blog sitesi olan NASA Watch'tan yayınlanan videoda Ares I'in ilk aşama katı roketleri kalkıştan birkaç dakika sonra yüksek titreşimler oluşturmaya başladı. Bu titreşimler ilk bölümdeki itme salınımlarıyla ortaya çıkmış olmalıydı. NASA görevlileri Ekim 2007 yılının sonlarına doğru Ares I’deki ana potansiyel problemin sistem denetiminde olduğunun farkına vardılar.   Basında verilen bilgiye göre NASA bu problemi Mart 2008’e kadar çözmeyi arzuladıklarını dile getirdiler.   NASA bu problemin çok büyük olduğunu vurguladı.  Beş üzerinden puan verilecek olsa dört verebileceklerini dile getirdiler.   Fakat NASA bu problemi düzelteceklerinden kendileri emindiler.   Bu problemi hafifletmek için NASA’lı mühendisler bir yaklaşım geliştirerek aktif ve pasif titreşim sönümleme içeren bir aktif ayarlanabilir kütle emicisi ve pasif bir uyumlu yapı eklediler.   Özellikle halka yüklü bir yay sistemi ile Ares I’in ritimsel ayarı bozulacaktı.   NASA bu sistemin Apollo ve uzay mekiği sistemlerindeki gibi yeni bir fırlatma sistemi olduğunu vurguladı.   Ayrıca NASA’ya göre bu tür problemlerin geliştirme aşamasında açığa çıkması çok doğal bir durum.   NASA’ya göre Ares I-X uçuşundan elde ettikleri bilgi ve telemetrik verilere göre uçuş sırasında itme salınımından dolayı açığa çıkan bu titreşim uzay mekiği uçuşları için doğaldır.
2009 yılında Birleşik Devletler 45.  Uzay Kanadı tarafından yayınlanan bir çalışmaya göre kalkıştan yaklaşık 30-60 saniye sonra görev boşa çıkacak ve daha sonra kabin ekibinin %100 ihtimalle öleceğini belittiler.  Bunun nedeni ise yakıt tankındaki yakıtların yanmasıyla ısının 2200 °C’ye (4,  000 °F ) ulaşmasıyla kapsülün naylon paraşüt malzemesi bu yüksek ısıdan dolayı yanacaktı. NASA’nın bu çalışması gösterdi ki kabin kapsülünü çok daha büyük tehlikeler bekliyordu.
Ares I ateşleme mekanizması gelişmiş bir versiyon olup,    uzay mekiklerinin katı roket iticilerinde test edilmişti. Bu ateşleme mekanizmasının ebatları yaklaşık olarak 46 santimetre (18 inç) genişlikte ve 91 santimetre (36 inç) uzunluğundaydı.  Ayrıca yapımında daha sonradan geliştirilen malzemeler sayesinde yalıtım önleyici özellik kazandırılmıştı.  Bu sayede aracın termal özellikleri geliştirilmiş olacaktı. Böylece ateşleyici kısmı yanıcı katı gazlardan koruyacaktı. NASA, Ares I motorunun ateşleme mekanizmasını Promontory, Utah yakınlarında bulunan ATK Fırlatma Sistemleri test merkezinde 10 Mart 2009’da başarıyla gerçekleştirdi.   Ateşleme mekanizması kalkış esnasında yaklaşık olarak 60 metre (200 ayak) uzunluğunda alev oluşturdu.   Öceki veriler ateşleme mekanizmasının planlandığı gibi çalıştığını ortaya koydu.
Ares I’in ateşleyici yakıtları geliştirmeleri daha güçlü süreçlere yol açtı.   10 Eylül 2009’da ilk Ares I geliştirilmiş motoru  (DM-1) tam ölçekte ve tam ateşleme boyunca başarıyla test edildi.   Bu testten sonra iki geliştirilmiş motor testi daha denendi.   31 Ağustos 2010’da DM-2 ve 8 Eylül 2011’de DM-3 motorları test edildi.   DM-2 motorunun sıcaklığı çekirdek sıcaklığına yani 4 °C’ye (40 Fahrenayt) ve DM-3 motoru ise 32 °C’lik (90 Fahrenayt) sıcaklığa çıkartılmıştı.   Yapılan diğer testlerin yanı sıra bu iki Ares motorunun yüksek sıcaklıktaki performansı onaylanmıştı.   NASA,   Kasım 2011’de başarılı bir 500 saniyelik J-2X roket motorunun test ateşlemesini John C.   Stennis uzay merkezinde gerçekleştirdiler.   Ares I prototipi olan Ares I-X,   28 Ekim 2009’da başarılı bir fırlatma testini tamamladı.   Fırlatma rampası 39-B,   uzay mekiğinin kalkışından kaynaklanabileceğinden daha çok hasar almıştı.   İniş sırasında Ares I-X’in üç paraşütten biri açılmadı ve ikincisi ise kısmen açıldı.  Paraşütlerin verimli çalışmaması iticilerin prototipi denize çok güçlü bir şekilde çakılmasını ve ağır yapısal hasarlara uğramasına sebep oldu.

Program ve Maliyet

NASA,  Ares I’in sistem gereksinimlerini incelemeyi Ocak 2007’de tamamladı. Proje tasarımı 2009 yılının sonuna kadar devam etmişti.  Gelişim ve eleme test aşamaları eş zamanlı olarak 2012 yılına kadar yapıldı.  Temmuz 2009’da ise uçuşla ilgili makaleler 2009’un sonuna kadar devam etti.  Haziran 2011’de ise ilk uçuş gerçekleşti.  2006’dan beri insanlı uçuş yapılması için planlanıyordu ta ki 2014’te gerçekleştirilene kadar.  Uzay mekiklerinin rafa kaldırılmasından dört yıl sonra gerçekleştirilmiş oldu.
Ares I’in gelişimi,  program akışının ertelenmesine neden oluyordu.  Bunun nedenleri ise bütçesel sorunlar ve bugüne dek görülmemiş mühendislik ve teknik problemler nedeniyle uzay mekiği programı ve planlanan ilk uçuş arasındaki sürenin iyice açılmasına sebep oldu.  Takımyıldız programı için belirlenen mali bütçe hiçbir zaman planlandığı gibi olmadı.  Ares I’in  tahmin edilen toplam maliyeti 2006 yılında yaklaşık olarak 26 milyar dolardı fakat bu rakam 2009 yılında 40 milyarı aşmış ve 2015 yılına gelindiğinde çok uçuk rakamlara ulaştı.  Ares I-X projesinin maliyeti yaklaşık olarak 443 milyon dolar tutmuştu.
Normal planlara göre ilk test uçuşu 2011 yılında gerçekleşecekti.  Augustine Komisyonu’nun 2009 yılında  tarafsız olarak yayınladığı bildirisine göre Ares I insanlı uçuşunun ilk fırlatmasının gerçekleşmesi bu bütçeyle 2017-2019 yılına kadar gerçekleşemeyeceği ya da serbest bir bütçeyle 2016’nın sonuna kadar yetişmesi imkansızdı.  Ayrıca Augustine Komitesi,  Ares I ve Orion’un her uçuş için yaklaşık olarak 1 miyar dolara mal olacağını vurguladı.  Fakat Mart 2010’da yapılan finansal analizlere göre sadece Ares I’in yılda bir kere uçuşu için gerekecek maliyeti 1. 6 milyar dolardan fazlaydı.  Eğer Ares I yılda birçok kez uçuş yaparsa yıllık marjinal maliyeti yaklaşık olarak  her uçuş için 138 milyon dolar düşecekti.  Aralık 2011’de NASA yöneticisi Charlie Bolden kanıtlarına göre Ares I’in her uçuş için 1. 6 milyar dolar,  yıllık maliyeti ise 4-4. 5 milyar dolar civarı tutacağını belirtti.  Ares I’in marjinal maliyeti, yılda birden çok kez uçuş yapsa bile mekiğin marjinal maliyetinin bir kısmını oluştururdu.  Ares I’i Rusya’nın Soyuz insanlı uzay aracıyla karşılaştıracak olursak üç kişilik ekiple Soyuz’u fırlatmak yaklaşık olarak 153 milyon dolara mal oluyordu.
8 Şubat 2011’de yayımlanan rapora göre Alliant TeknolojiSistemleri ve Astrium şirketlerinin önerisine göre Ares I’in birinci bölümünü Ariane 5’in ikinci bölümüyle kullanıp yeni bir roket (Liberty) yapılacaktı.

İptal

1 Şubat 2010’da Birleşik Devletler Başkanı Barack Obama,  Takımyıldız programının ABD 2011 mali yılı bütçesi gereğince iptal edildiğini duyurdu fakat 25 Nisan 2010’da Kennedy Uzay Merkezi’nde büyük uzay politika konuşmasında bazı değişikler yapıldığını duyurdu.  Ekim 2010’da,  NASA yönetimi,  2010 mali yasa tasarısı için iptal edilmiş olan Takımyıldız programı sözleşmesini imzaladılar.  Fakat önceki kanunlar TakımYıldız’ın 2011 yeni mali bütçesine kadar etkinliğini sürdürmesini sağladı.

Dizayn

Ares I’in maksimum yük kapasitesi 25 metrik tondu ve Delte IV ve Atlas V ile bu konuda karşılaştırılabilirdi.  NASA çalışma grubu Ares I’i Atlas ve Delta IV türevli araçlardan iki kat daha fazla güvenli olduğunu belirtti.  Roketin yapımında alüminyum-lityum alaşımı kullanıldı.  Böylece diğer alüminyum alaşımlarına göre daha hafif ve daha güçlü hale getirildi.  Bu alaşım Alcoa tarafından üretildi.

İlk bölüm

İlk bölüm,  uzay mekiği katı roket iticilerinden türetilmiş olup hem daha güçlü hem de çok kullanışlıydı.  Dört bölmeli katı roket iticisiyle karşılaştırıldığında en belirgin fark beşinci bölmenin eklenmiş olmasıydı.  Beşinci bölüm Ares I’e çok daha fazla itiş gücü sağlayacaktı.  Katı roket iticilerinden yapılan diğer değişiklikler ise uzay mekiği harici yakıt tankının bağlantı yerlerinden kaldırılmasıydı ve katı roket iticisinin roket burnunun ikinci bölme sıvı yakıt bölümüyle bağlantılı olan  yeni bir ileri adaptörle değiştirilmesiydi.  Bu adaptör sıvı yakıt bölme motor bölmesiyle donatılmalıydı ki roketin yükselişi sırasında bölmelerin ayrılması kolaylaşsın.  Ayrıca tasarımın ana damarı bununla beraber  yalıtım ile kaplama maddeside değişmişti. Ares I’in ilk bölüm yer testi ile roketin kalıbı,  ana tasarım,  segmentlerin sayısı,  yalıtım,  yalıtım malzemesi,  roketin genişliği, termal koruma sistemleri ve başlık bölümü değiştirildi.

Üst bölüm

Üst bölüm,  uzay mekiği harici yakıt tankının türetilmesiyle oluşturuldu ve Saturn V’in S-IVB bölümünden örnek alınarak yapılmıştır.  S-IVB bölümü sıvı oksijen ve sıvı hidrojen yakıtlarıyla ateşlenen tekli J-2X roket motoruyla oluşuyordu.  J-2X roket motoru,  Apollo programında kullanılan J-2 roket motorunand türetilmiştir.  Fakat bu yeni roket daha fazla itiş gücüne sahipti.  Yaklaşık olarak 294. 000 lbf gücünde ( 66. 000Newton ) bir kuvvet uyguluyordu ve bir önceki modelden daha az parçaya sahip olması ağırlığınında azalmasını sağlıyordu.  16 Temmuz 2007’de NASA,  J-2X motorlarının yerde kullanılması ve uçuş testleri için Rocketdyne şirketi ile  özel-kaynak anlaşması imzaladı.  Rocketdyne şirketi,  NASA’nın Apollo programında kullandığı J-2 serisi motorlarınında müteahhitiydi.  J-2X bir önceki motor roketlerinden türetilmesine rağmen,  üst kısmı tamamıyla yeni bir üretim yapısıydı.  Orijinale göre harici yakıt tankının iç ve dış kısımları örnek alınarak yapıldı.  Orijinal dizayna böyle denme sebebi yakıt ayrıştırıcı ve oksidize tanklarını içtank yapısıyla birleştirmesiydi.  Havalandırmayı en aza indirmek için her bölümü köpük yalıtımıyla spreylenmişti.  Eski harici yakıt tankından türeyen ikinci bölümdeki tek yeni donanım değişikliği ise bu yeni türetilen tankın J-2X motoru için itiş gücünü birleştirmesi, yakıt doldurma,  yakıt boşaltma ve havalandırma gibi bileşenleri yakıt ve oksidizerden ayırmaktır.  Ayrıca ara yüz bölümleri olan katı yakıt bölümü ve Orion uzay aracının montajının yapılmasıdır.
Kullanılan bu konseptle eski Apollo programına dönülmüş oldu.  Bu programdaki gibi iç tank yapısı atılarak kütle azaltılmış ve Saturn V’in  S-II ve S-IVB bölümlerinde bulunan ve  yaygın olarak kullanılan roket başlığı tanklar arasında kullanılacaktı.  Bu değişikliklerin yapılmasıyla yakıt kapasitesi 135. 100 kg ye çıkarılmış oldu.  Harici yakıt tankının sadece yalıtım için sıkılan köpük  bu yeni Saturn aracından türetilmiş üst kısmında kullanılacaktı.