Ares I

Ares I, TakımYıldız Programında 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 Ii 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. NASAnın Ares V tasarımlarını seçme amacı öngörülen bütünsel koruma sağlaması, güvenilir olması ve düşük maliyetli olmasından dolayı tercih etti. Fakat Ares Ii de kapsayan TakımYıldız programı, Ekim 2010da NASAnın vermiş olduğu yasa tasarısıyla iptal edildi. Eylül 2011de NASA uzay fırlatma sistemini yeni Dünya yörünge insan keşif aracı olarak detaylandırdı.
Gelişim
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 Ie 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.
Keşif Sistemleri Mimari çalışması
Ocak 2004'te başkan George W. Bush Uzay Keşif Vizyon unu duyurdu ve NASAnın Sean OKeefe bünyesinde olacak olan kabin keşif araçları planları için iki rakip takım yarıştırılacaktı. Bu planlar bütçe yönetiminden sorumlu Michael Griffin tarafından reddedildi ve NASA, 29 Nisan 2005te keşif sistemleri mimari çalışmalarına belli hedeflere ulaşmak için öncelik anıldı:
Ay ve Mars keşif görevlerinde kabin ekibi ve kargo fırlatma sistemlerini desteklemek için en üst düzey gereksinimlerini ve konfigurasyonlarını belirlemek.
Kabin ekibi keşif aracı gereksinimleri ve uluslararası uzay istasyonuna ekip taşımak için gerekli olan planları gözden geçirmek.
Sürekli insan ve robotik Ay keşif operasyonlarını desteklemek için referans olarak bir Ay keşif mimari konsepti geliştirmek.
Bu tür referans keşif sistemlerini önemli ölçüde geliştirmek için gerekli bir kilit teknoloji belirlemek.
Fırlatma mimarisi tarafından üretilen bir mekik NASA tarafından Ares I için seçildi. Orijinal plana göre bu araç birinci bölümünde dört segmentten oluşacak olan katı roket iticisi kullanılacaktı ve ikinci bölüm için ise basitleştirilmiş bir uzay mekiği ana motoru kullanılacaktı. Aracın İnsansız versiyonunda beş segmentli itici roket kullanılacaktı fakat ikinci bölümünde tek bir uzay mekiği ana motoru kullanılacaktı. İlk tasarımın onaylanmasından kısa bir süre sonra yapılan ek testler Orion uzay aracının dört segmentli iticilerin kaldırabileceğinden çok daha ağır olduğunu ortaya koydu ve Ocak 2006da NASA Orion uzay aracının boyutunu çok az bir miktarda azaltacağını duyurdu. Birinci bölüme ek bir beşinci segment katı roketi eklenecek ve ikinci bölümde kullanılan uzay mekiği ana motoru da Apollo için üretilen J-2X motoruyla değiştirilecekti. İlk bölümdeki dört segmentten beşinci segmente değişim NASAnın her ne kadar iç segmentlerde değişiklik olsa da görünüm olarak eşdeğer motorlar üretmesini sağlayacaktı. Beşinci segment iticilerine geçilmesinin ana sebebi J-2X motoruna geçilmesiydi.
Keşif sistemleri mimari çalışmasına göre Ares Iin genişleyebilen fırlatma araçları arasında en düşük maliyetli ve en güvenli olduğunu kanısına vardı. Çalışmaya göre tahmini maliyeti yeni fırlatma rampasınının insan oranlı genişleyebilir fırlatma araçları için gerekli olmasına dayanmaktaydı. Şu anki genişleyebilir fırlatma araçlarına (Delta IV için LC-37, Atlas V için LC-41)sağlayacağı kolaylıklar yerinde ve değişmiş olmalıydı fakat bunlar en uygun maliyetli yöntemler değildi. LC-37nin yüklenici sahibi ve işletilen tesis ve Delta IV için yapılan değişiklikler Ares I için yapılanla aynı olmasına karar verildi. Bütün değişikliklere rağmen keşif sistemleri mimari çalışması güvenliğine göre Aresin tasarımı normal uzay mekiğine dayanmaktaydı ve sadece Challenger uzay mekiği yeniden yapıldıktan sonraki fırlatmaları içeriyordu. Tahmini değerlere göre her mekik fırlatması iki güvenlikli Ares iticisinden oluşuyordu. Atlas V ve Delta IV ün güvenliği Delta II, Atlas Centaur ve Titanın 1992 beri fırlatma geçirmiş olduğu kazalara göre tahmin ediliyordu ki bu tasarımların hiçbiri birbiriyle benzer değildi.
Mayıs 2009da keşif sistemi mimari çalışmasının ek belgesi sızdırılmıştı ve bu sızıntıda çalışmanın birçok hatası gözler önüne serilmişti. Bu olaylar geliştirilmiş genişleyebilir fırlatma araçlarının kullanılmasını yasaklayarak Ares Iin güvenlik önlemlerinin arttırılmasını sağladı.
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 Vti. 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, Aya 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 Ayda yapılması öngörülen üssün yapımında kullanılacak malzemelerdir.
Müteahhit seçimi
NASA, Ares Iin 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, Boengin Ares I roketi için aviyonik(roket sistemi) sağlama ve yükleme yapması için seçti.
28 Ağustos 2007de NASA, Ares Iin üst kısmının üretimi için Boeing ile anlaşma imzaladı. Boeing Saturn V roketi için S-IC bölümünü 1960 yılında Michoud montaj tesislerinde yapmıştı. Ares Iin üst kısmı NASAnın 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 Vin S-IVB bölümünde Apollo uzay aracını Aya 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 NASAnın yörünge araçlarından olan STS-26nın 1988 Dünyaya 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-IVBde 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 Ideki ana potansiyel problemin sistem denetiminde olduğunun farkına vardılar. Basında verilen bilgiye göre NASA bu problemi Mart 2008e 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 NASAlı 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 Iin ritimsel ayarı bozulacaktı. NASA bu sistemin Apollo ve uzay mekiği sistemlerindeki gibi yeni bir fırlatma sistemi olduğunu vurguladı. Ayrıca NASAya göre bu tür problemlerin geliştirme aşamasında açığa çıkması çok doğal bir durum. NASAya 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 Cye (4, 000 F) ulaşmasıyla kapsülün naylon paraşüt malzemesi bu yüksek ısıdan dolayı yanacaktı. NASAnın 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 2009da 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 Iin ateşleyici yakıtları geliştirmeleri daha güçlü süreçlere yol açtı. 10 Eylül 2009da 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 2010da DM-2 ve 8 Eylül 2011de DM-3 motorları test edildi. DM-2 motorunun sıcaklığı çekirdek sıcaklığına yani 4 Cye (40 Fahrenayt) ve DM-3 motoru ise 32 Clik (90 Fahrenayt) sıcaklığa çıkartılmıştı. Yapılan diğer testlerin yanı sıra bu iki Ares motorunun yüksek sıcaklıktaki performansı onaylanmıştı. NASA, Kasım 2011de 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 2009da başarılı bir fırlatma testini tamamladı. Fırlatma rampası 39-B, uzay mekiğinin kalkışından kaynaklanabileceğinden daha çok hasar almıştı. İniş sırasında Ares I-Xin 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 Iin sistem gereksinimlerini incelemeyi Ocak 2007de tamamladı. Proje tasarımı 2009 yılının sonuna kadar devam etmişti. Gelişim ve eleme test aşamaları eş zamanlı olarak 2012 yılına kadar yapıldı. Temmuz 2009da ise uçuşla ilgili makaleler 2009un sonuna kadar devam etti. Haziran 2011de ise ilk uçuş gerçekleşti. 2006dan beri insanlı uçuş yapılması için planlanıyordu ta ki 2014te gerçekleştirilene kadar. Uzay mekiklerinin rafa kaldırılmasından dört yıl sonra gerçekleştirilmiş oldu.
Ares Iin 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 Iin 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 Komisyonunun 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 2016nın sonuna kadar yetişmesi imkansızdı. Ayrıca Augustine Komitesi, Ares I ve Orionun her uçuş için yaklaşık olarak 1 miyar dolara mal olacağını vurguladı. Fakat Mart 2010da yapılan finansal analizlere göre sadece Ares Iin 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 2011de NASA yöneticisi Charlie Bolden kanıtlarına göre Ares Iin her uçuş için 1. 6 milyar dolar, yıllık maliyeti ise 4-4. 5 milyar dolar civarı tutacağını belirtti. Ares Iin marjinal maliyeti, yılda birden çok kez uçuş yapsa bile mekiğin marjinal maliyetinin bir kısmını oluştururdu. Ares Ii Rusyanın Soyuz insanlı uzay aracıyla karşılaştıracak olursak üç kişilik ekiple Soyuzu fırlatmak yaklaşık olarak 153 milyon dolara mal oluyordu.
8 Şubat 2011de yayımlanan rapora göre Alliant TeknolojiSistemleri ve Astrium şirketlerinin önerisine göre Ares Iin birinci bölümünü Ariane 5in ikinci bölümüyle kullanıp yeni bir roket (Liberty) yapılacaktı.
İptal
1 Şubat 2010da Birleşik Devletler Başkanı Barack Obama, Takımyıldız programının ABD 2011 mali yılı bütçesi gereğince iptal edildiğini duyurdu fakat 25 Nisan 2010da Kennedy Uzay Merkezinde büyük uzay politika konuşmasında bazı değişikler yapıldığını duyurdu. Ekim 2010da, NASA yönetimi, 2010 mali yasa tasarısı için iptal edilmiş olan Takımyıldız programı sözleşmesini imzaladılar. Fakat önceki kanunlar TakımYıldızın 2011 yeni mali bütçesine kadar etkinliğini sürdürmesini sağladı.
Dizayn
Ares Iin maksimum yük kapasitesi 25 metrik tondu ve Delte IV ve Atlas V ile bu konuda karşılaştırılabilirdi. NASA çalışma grubu Ares Ii 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 Ie 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 Iin 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 Vin 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 2007de NASA, J-2X motorlarının yerde kullanılması ve uçuş testleri için Rocketdyne şirketi ile özel-kaynak anlaşması imzaladı. Rocketdyne şirketi, NASAnın 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 Vin 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.