Plány na stavbu nástupce ISS, tedy stanice Deep Space Gateway (DSG) sice stále zůstávají na rýsovacích prknech, ale jsou jasně cítit snahy o jejich překlopení do skutečného světa. NASA totiž rozjíždí vývoj prvního dílu nové stanice na několika frontách. Ve spolupráci s firmami, které se pohybují v kosmickém průmyslu se snaží pracovat na návrhu vývoje, testování a celkovém hodnocení prací na modulu PPE (Power Propulsion Element). Zároveň neopomíjí ani studii toho, na jakou dráhu by měl být tento základní kámen nové stanice umístěn a jak se sem dostane poté, co bude vynesen raketou SLS při misi EM-2.

Americká kosmická agentura již rozdělila několik kontraktů pro specializované firmy, které mají vytvořit detailní studii modulu PPE, který poslouží jako první díl stanice v cislunárním prostoru. Suma okolo 2,4 milionu dolarů se rozdělila mezi kosmonautickými výzvami ostřílené společnosti Boeing, Lockheed Martin, Orbital ATK, Sierra Nevada Corporation a Space Systems/Loral.

V prezentaci, kterou 30. listopadu představila Poradní radě NASA pro pilotovaný výzkum a operačnímu výboru programová ředitelka PPE Michele Gates z Glennova střediska v Clevelandu vyplývá, že úvodní jednání mezi NASA a danými firmami začaly v posledním listopadovém týdnu a budou pokračovat i v prvním týdnu prosincovém. Po těchto úvodních jednáních začne 120 dní dlouhé období pro vytvoření studie. Každá zainteresovaná firma poskytne NASA základní informování o stavu už po 45 dnech, což by mohlo být v lednu. Za 90 dní od začátku pak předloží výsledky návrhové studie a konečně 120 dní od zahájení přinesou výsledky finální studie.

Kontraktoři byli vybráni poté, co v létě byla k projektu přidána nová příloha do programu NextSTEP-2 (Next Space Technologies for Exploration Partnerships). NextSTEP-2 spustila NASA na konci roku 2014 v rámci Divize pokročilých výzkumných systémů, která spadá pod Ředitelství pilotovaného výzkumu a řízení misí (HEOMD). Úkolem tohoto programu bylo vytvořit příležitosti pro výzkum a vývoj spolupráce s firmami v kosmickém průmyslu pro vývoj kosmických technologií, které by mohly být následně objednány v rámci obchodních vztahů jako součást budoucích programů NASA pro pilotované vesmírné lety. Pro téma dnešního článku je důležitá příloha C, tedy „Power and Propulsion Element Studies“, která vznikla v srpnu a obsahuje celou řadu požadavků. Následovala výzva potenciálním zájemcům, zda by měli ke studii nějaké detaily.

Aktuální 120 dní dlouhá návrhová fáze má tři hlavní úkoly, které sice mohou působit vágně a neurčitě, ale právě tyto na první pohled nezajíamvé základy jsou pro další vývoj nezbytné.

• Identifikovat a porozumět možným důležitým synergiím mezi specifickými vlastnostmi PPE a současnými a / nebo budoucími komerčně dostupnými schopnostmi.
• Vyhodnotit technické rozdíly a pochopit důsledky mezi předchozími koncepty a přístupy, které vznikly pro dříve plánovanou nepilotovanou misi Asteroid Redirect Robotic Mission (ARRM).
• Získat data, která podpoří schopnost NASA definovat, odvozovat a ověřovat požadavky pro modul PPE a utvořit základní koncepci mise

„Výstupem z této studie budou brífingy a zprávy, které poskytnou důležité výsledky pro 23 tématických okruhů,“ dodávají Michele Gates a projektový manažer Mike Barrett. Současný koncept modulu PPE, především pak použití iontového pohonu SEP (Solar Electric Propulsion), byl totiž výrazně odvozen z návrhů pro dnes již zrušenou misi ARRM. Vývoj tohoto elektrického pohonu pokračoval pod hlavičkou Ředitelství kosmických technologií (STMD) jakožto technologické demonstrátory a i zde hrálo významnou roli Glennovo středisko.

Dosavadní plány počítají s využitím SEP pro manévrování a s tradičními tryskami na hypergolické palivo pro udržování orientace. Důležité je, že nádrže s xenonem pro SEP i nádrže na hypergolické látky by měly být doplňovatelné. Zároveň už víme, že modul PPE ponese dva dokovací porty IDSS (International Docking System Standard) – na každém konci bude umístěný jeden. Jak již z názvu modulu vypovídá, ponese jak zařízení pro výrobu elektrické energie i pro komunikaci celé budoucí stanice.

Kontrolní hmotnost modulu PPE při startu mise EM-2 je stanovena na 7 500 kilogramů, do čehož by se započítal i hardware pro připojení nákladu a minimálně 1 200 kg xenonu v nádrži, která jej může pojmout až dvě tuny. „Množství xenonu na palubě zatím není jisté,“ poznamenal Mike Barrett s tím, že vše bude vycházet z hmotnosti zbytku modulu PPE i z výkonu rakety SLS v konfiguraci Block 1B – tyto parametry budou upřesněny v další fázi vývoje a podle toho se následně upraví množství neseného xenonu.

Již zmíněných 23 tématických okruhů pokrývá výše zmíněné oblasti a přidává k nim další podrobnosti včetně využití komerčních družicových platforem, které již využívají SEP. Další možností je využít avioniku, softwarovou integraci, nebo systémy pro setkávání a spojování s jinými objekty. „Tyto studie jsou velmi přesně zaměřené na porozumění technickým detailům a také důsledkům předchozích konceptů pro využití tohoto pokročilého systému SEP, který je zatím ve Strategii pilotovaného průzkumu ve Fázi 1,“ vysvětlila Michele Gates.

O samotné stanici DSG se sice hovořilo již delší dobu, ale projekt byl oficiálně představen v březnu letošního roku. Úkolem této stanice je posloužit pilotovaným výpravám jako základna pro průzkumné mise v cislunárním prostoru a dále. Ve srovnání s ISS, které má rozměry fotbalového hřiště, bude DSG mnohem menší – tvořit ji má jen několik modulů. V budoucnu ale má posloužit ke vzniku většího samostatného systému Deep Space Transport, který má zajistit dopravu lidských posádek k Marsu a zase zpět.

Od ISS se má DSG lišit i tím, že se u ní nepočítá s nepřerušenou lidskou přítomností. Po připojení lodi Orion by měla umožnit 42 dní dlouhé pobyty, což je dvojnásobek času, který by zvládl Orion se čtyřčlennou posádkou bez připojení ke stanici. V současné době je DSG stále ještě koncept, který se nedočkal překlopení do fáze nového programu, ale vše k tomu postupně směřuje. Je pravda, že NASA zatím DSG oficiálně nezahrnula do každoročního rozpočtového cyklu federálních agentur a na dosavadní koncepční studie se vynakládají jen poměrně malé prostředky ve srovnání s mnohamiliardovými projekty.

Financování návrhu DSG tak začne nejdříve ve fiskálním roce 2019, který začíná v říjnu 2018. Tímto krokem budeme moci celý projekt považovat formálně za zahájený. Ačkoli návrh ještě nemá schválené financování, byl mu letos v březnu udělen mandát od nového kongresu a prezidenta. Šlo o přijetí zákona NASA Transition and Authorization Act of 2017, jehož úkolem bylo zdůraznit průzkum vesmíru jako jeden z cílů programu lidských vesmírných letů NASA. Do tohoto rámce patří kosmická loď Orion a raketa SLS, které jsou již ve vývoji.

Výše zmíněný program ARRM pochází ještě z doby prezidenta Obamy a měl posloužit pro první mise rakety SLS. Projekt po dobu několika let spolykal relativně nízké objemy peněz a na začátku letošního roku byl zrušen. Ředitelství pilotovaného výzkumu a řízení misí (HEOMD) pod vedením Billa Gerstenmaiera zahájilo aktivity vedoucí ke studiu a definování alternativních konceptů systému Deep Space Gateway and Transport (DSG&T).

Aktuální návrh tedy počítá s tím, že by základní modul PPE letěl společně s lodí Orion při premiérové pilotované premiéře sestavy Orion/SLS. Při další misi (EM-3 by se pak měl k modulu PPE připojit obytný modul. Návrh zároveň počítá i s dalším rozvojem stanice – v rámci mise EM-5 má letět k DSG přechodová komora a zásobování má být obslouženo kombinací komerčních služeb a dalších misí lodí Orion, které by létaly na raketách SLS. Ačkoliv plány na stanici počítají s budoucím využitím systému Deep Space Transport, má mít i další využití. Může sloužit jako základna pro výpravy k lunárnímu povrchu nebo pro další sondy, které mohou operovat v cislunárním prostoru.

Zatímco plány na misi ARRM počítaly s usazením sestavy na vzdálené retrográdní dráze DRO – Distant Retrograde Orbit), na kterou zamíří Orion při svém premiérovém letu, tedy misi EM-1, analýza ukazuje, že pro stanici DSG by byla výhodnější téměř přímá halo orbita (NRHO – Near-Rectilinear Halo Orbits). Obě možnosti jsou v dosahu lodi Orion a obě mají jen nízké požadavky na spotřebu paliva pro udržování polohy. Ovšem přes póly vedoucí NRHO má méně eliptických period než rovníková DRO. Přechod z NRHO na nízkou oběžnou dráhu Měsíce, což je manévr, který by využil třeba lunární lander, by vyžadoval méně práce a času než při přechodu z DRO.

Americká astronautická společnost (AAS) nedávno představila analýzu startu a vypuštění modulu PPE, kterou prezentovala na setkání označeném „Nízký tah pro cislunární přesuny s použitím lodi vybavené 40 kW solárně-elektrickým pohonem.“ Modul PPE má být vypuštěn v rámci mise EM-2, která využije jednu z prvních raket SLS v konfiguraci 1B. Modul samotný bude uložen mezi horním stupněm EUS a lodí Orion, přičemž kolem něj bude Universal Stage Adapter.

Samotná mise EM-2 by měla využívat nový scénář, který se označuje jako Multi Translunar Injection (MTLI) Free. Jeho výhodou je vysoká bezpečnost pro posádku, protože stále je potřeba počítat s tím, že půjde o první pilotovanou misi Orionu. Tento scénář počítá s tím, že se krátce po startu mise rozdělí na dvě samostatné větve – Jednu bude tvořit Orion a druhou PPE, který je vybaven pohonným systémem a proto mu nebude dělat problémy manévrovat samostatně.  Aktuálně platný scénář začne tím, že horní stupeň EUS s lodí Orion a modulem PPE dosáhne parkovací oběžné dráhy kolem Země.

Zde EUS provede druhý zážeh, čímž dráhu výrazně protáhne do eliptického tvaru. Tato nová dráha s vysokým apogeem by měla mít oběžnou dobu 24 hodin. Zde se Orion oddělí od sestavy EUS/PPE a posádka se bude věnovat podrobným zkouškám palubních systémů lodi. Po jednom dni na oběžné dráze provede Orion odletový zážeh, který bude mířit na dráhu volného návratu, loď se prosmýkne kolem Měsíce a vrátí se na Zemi, kde přistane do oceánu.

Ale vraťme se ještě k modulu PPE do chvíle, kdy se od sestavy oddělil Orion. Horní stupeň EUS krátce po oddělení provede finální zážeh, který pošle sestavu k Měsíci. Krátce po tomto zážehu se od stupně EUS oddělí modul PPE, který následně s pomocí vlastního pohonu dosáhne plánované oběžné dráhy. Zatímco Orion bude na oběžné dráze Země kontrolovat systémy, EUS poletí vstříc lunárnímu pólu. Zhruba o šest dní později stupeň proletí nad jedním z lunárních pólů ve výšce zhruba 500 kilometrů a gravitace jej vyvede mimo gravitační systém Země-Měsíc.

„Abychom zabránili tomu, že PPE unikne ze systému Země-Měsíc jako EUS, bude muset PPE krátce po oddělení provést malý zážeh,“ udává studie a dále se píše: „Půjde o velmi malý zážeh, který může provést jako SEP, tak i primární systém korekčních trysek RCS.“ Tento zážeh by měl být realizován 12 hodin po oddělení PPE od stupně EUS a změna rychlosti by byla jen o 4,2 m/s.

Pokud by se k zážehu použily tradiční korekční trysky na hypergolické palivo, zbylo by více času na kontrolu nového systému, kterým je SEP. Tento totiž bude potřeba k přesnému usazení modulu na správnou dráhu. O 14 dní později má právě SEP vykonat zážeh pro usazení na oběžné dráze, který bude trvat 22 dní. O cílové dráze hovoříme jako o NRHO, ale konkrétní označení je „L2 Southern 9:2 lunar synodic resonant NRHO“ – jde o silně protáhlou elipsu, jejíž aposelenium se nachází nad jižní pólem. Oběžná doba je stanovena následovně – devět oběhů stanice odpovídá přesně dvěma lunárním měsícům, což udává, že jeden oběh bude trvat 6,7 dne. Tato dráha je vhodná i z toho důvodu, že je velmi stabilní.

Zdroje informací:
https://www.nasaspaceflight.com/
https://www.nasa.gov/
https://www.fbo.gov/
https://ntrs.nasa.gov/
https://ntrs.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/…/atoms/files/20171130-nac-heoc-ppe_final2.pdf
https://www.nasaspaceflight.com/…/12/NSF_20171204_185915-350×243.jpg
http://www.jpl.nasa.gov/images/asteroid/20150326/asteroid20150326-16.jpg