Od minulého dílu uplynul měsíc a je tedy čas na další souhrn testů centrálního stupně SLS na stanovišti B-2 ve Stennisově středisku. Jak jsme uvedli, 13. září byl dokončen test 5, který byl zaměřen na ověření činnosti systému řízení vektoru tahu motorů RS-25. Trysky motorů byly nejprve nakláněny v jedné ose a později v kruhu v rozsahu 8°. Následující test 6 byl dokončen 5. října poté, co kontrolní týmy provedly simulované 48hodinové odpočítávání zahrnující simulované plnění paliva a tlakování nádrží.

Osm testů kampaně Green Run
Zdroj: https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com

Sekvence odpočítávání byla zaměřena na cvičení kontrolních postupů a trénink testovacích týmů, aby bylo zajištěno, že týmy budou připraveny na reálné tankování kryogenních pohonných hmot do nádrží stupně. V minulém dílu jsme detailně popsali závěrečnou sekvenci odpočítávání od času T-10 minut do okamžiku těsně před zážehem čtyř motorů RS-25. Tato sekvence je společná pro testy 6, 7 a 8, a proto na ni v dnešním popisu osmiminutového zážehu Green Run navážeme.

Hned po dokončení testu 6 bylo stanoviště B-2 dekonfigurováno kvůli hrozbě hurikánu Delta. Po hurikánech a tropických bouřích Cristobal, Marco, Laura a Sally šlo o další dekonfiguraci stanoviště v letošní hurikánové sezóně, nepočítaje jarní odstávku kvůli pandemii COVID-19. Po přerušení kvůli Deltě se stanoviště vrátilo 10. října k závěrečným přípravám na test 7. O tři dny později bylo oznámeno, že test 7 byl naplánován na 30. října, pokud půjde vše podle plánu a pokud nepřijde šestý hurikán.

Pohled z ptačí perspektivy na testovací stanoviště B-2
Zdroj: https://images-assets.nasa.gov

Všechny dosud prováděné testy na stupni probíhaly při okolních teplotách. Test 7, tedy tankování pohonných hmot, bude prvním testem, který bude probíhat při kryogenních teplotách. Panuje vysoká důvěra v úspěch, ale dokud tento integrovaný test neproběhne, nelze mluvit o jistotě. Čerpání kapalného vodíku a kapalného kyslíku do nádrží stupně bude trvat přibližně šest hodin. Samotný test tankování jsme si detailně popsali v minulém dílu.

Po zkoušce tankování týmy vypustí kryogenní pohonné hmoty, analyzují výsledky zkoušek a provedou vizuální kontrolu stupně. Kontrola dat pro ujištění, že se všechny systémy chovají podle očekávání, spolu s přípravou k závěrečnému testu 8 mají trvat dva týdny.

Pohled z ptačí perspektivy na testovací stanoviště B-2
Zdroj: https://images-assets.nasa.gov

V předběžném harmonogramu je pro závěrečný test Green Run uvedeno datum 14. listopadu. Test opět začne odpočítáváním, k němuž se přidá zážeh všech čtyř motorů RS-25 a simulace letu, během níž motory spálí palivo a okysličovadlo v nádržích. Po celou dobu bude ověřována správnost chování stupně.

Před zážehem bude do řídicí jednotky Stage Controller nahrána zbývající část softwaru GRAS (Green Run Application Software), který bude řídit zážeh. GRAS jako varianta letového softwaru FCAS (Flight Computer Application Software) vznikl náhradou algoritmů pro navádění, navigaci a řízení subsystémem pro test Green Run. Tento subsystém omezuje naklánění motorů z důvodu minimalizace zatížení na konstrukci testovacího stanoviště B-2. Tahový vektor tedy bude směřovat nahoru, aby na stupeň netlačily boční síly. Účelem testu Green Run během simulace celé doby letu je zjištění, jak nádrže, palivová potrubí, ventily, systém tlakování, avionika a software společně fungují a zda jsou jejich služby poskytované motorům v předpokládané kvalitě. V případě, že se některé parametry dostanou mimo předpokládané hodnoty, může být zážeh okamžitě ukončen s uvedením stupně do bezpečného stavu.

Pohled z ptačí perspektivy na testovací stanoviště B-2
Zdroj: https://images-assets.nasa.gov

Jakmile se odpočítávání bude blížit času T-30 sekund, provede Stage Controller závěrečné porovnání dat s nominálním stavem a v T-30 sekund předá řízení stupně třem letovým počítačům. V tomto okamžiku začne automatická startovní sekvence ALS, v jejímž rámci budou letové počítače řídit zážeh a činnost motorů, zatímco Stage Controller bude i nadále řídit systémy stanoviště, například proudění vody, sledovat data z pozemních systémů a provádět záložní monitoring systémů stupně. Ačkoli bude stupeň prakticky izolován od pozemního zařízení a bude napájen z vlastních energetických zdrojů, musí Stage Controller udržovat kontakt se stupněm po celou dobu zážehu hlavně z důvodu tepelného a akustického toku.

Pokud bude vše nadále fungovat v rozmezí očekávaných hodnot, dá ALS v T-10 sekund pokyn řídicím jednotkám motorů k přípravě na zážeh. Postupný zážeh motorů začne mezi T-7 a T-6 sekund a motory dosáhnou 100 % nominálního tahu.

Pohled z ptačí perspektivy na testovací stanoviště B-2
Zdroj: https://images-assets.nasa.gov

V simulovaném okamžiku vzletu T-0 motory zvýší tah až na 109 % nominálního tahu. Nejprve budou pokračovat v této vyšší úrovni tahu a pak se vrátí zpět k nižšímu tahu, během kterého bude provedena první kontrola systému řízení vektoru tahu. Tato kontrola bude zahájena přibližně 60 sekund po zážehu s motory přiškrcenými ze 109 % na 95 % nominálního tahu. Během kontroly se budou motory naklánět ve velmi těsném kruhu o poloměru jen 1°. Pohyb po obvodu kruhu však bude poměrně rychlý. Jednotlivé motory se budou pohybovat v odlišných směrech, aby bylo zajištěno, že zatížení na konstrukci stanoviště bude vyvážené.

Velikost centrálního stupně SLS vynikne při porovnání s lidskou postavou
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Dokončení této kontroly naklánění motorů splňuje minimální požadavky na dobu běhu zážehového testu. Z technického hlediska bude něco málo nad dvě minuty doby zážehu vyhovovat všem požadavkům a stupeň bude možné odeslat na kosmodrom. Důvodem, proč inženýři chtěli zjistit minimální vyhovující dobu zážehu, je snaha zabránit skluzu mise z důvodu renovace stupně po zážehu, který by byl ukončen předčasně jen z důvodu problému na pozemním zařízení. Pro případ, že nastane nějaký problém, který nebude zásadní, chtěli inženýři vědět, při jaké délce zážehu lze data považovat za dostatečná a stupeň lze odeslat na kosmodrom. Výpočtem dospěli inženýři k závěru, že délka zážehu něco přes dvě minuty bude stačit.

Když bude kontrola naklánění motorů dokončena a nedojde k předčasnému ukončení zážehu, bude tah opět zvýšen a bude proveden test frekvenční odezvy. Při testu bude měřena dynamická odezva konstrukce centrálního stupně na experimentální pohyby motorů, opět v kruhu s maximálním poloměrem 1°. Test má začít přibližně v T+150 sekund. Po přibližně dvou minutách trvání testu začnou motory opět snižovat tah. Test bude pokračovat na nižší úrovni tahu pro ověření, že celý systém funguje dobře. Cílem je pochopení vlivu pohybů motorů na dráhu letu rakety. Získaná data však nejsou nezbytně nutná pro realizaci Artemis I, jde spíše o vyšší úroveň znalostí o chování SLS.

Centrální stupeň rakety SLS pro misi Artemis I na Stennisově středisku
Zdroj: https://images-assets.nasa.gov/

Mezi testem frekvenční odezvy a druhou kontrolou systému naklánění motorů má probíhat sběr dat o chování systému tlakování nádrží a termodynamice uvnitř nádrží při ustáleném plném výkonu motoru v úrovni 109 % nominálního tahu. Nádrže centrálního stupně musí být udržovány pod tlakem, aby byla zachována jejich strukturální integrita. Dostatečné množství dat před Artemis I k ověření modelů interakcí mezi horkým plynem vyplňujícím horní část nádrží a studenou kryogenní kapalinou ve spodní části lze provést pouze během zážehu Green Run. Existují určité nejistoty u různých velikostí nádrže a různých tvarů kupole, a proto chtějí inženýři zjistit míru korelace modelu s testovacími daty.

Pochopení všech souvislostí tlakování vodíkové nádrže horkým plynem, vráceným od motorů včetně toho, jak probíhá interakce horkého tlakovacího plynu a chladné hladiny kapaliny během jejího nahrazování v nádrži plynným vodíkem, je jedním z cílů testu Green Run. Zážeh pomůže ověřit a kalibrovat analytické modely chování stupně a termodynamiky vodíkové nádrže, která je větší a ze silnějších materiálů, než s jakými jsou zkušenosti. Pochopení veškeré termodynamiky, která se děje uvnitř vodíkové nádrže, je sice hlavním důvodem, proč byl naplánován plnohodnotný osmiminutový zážeh, nicméně není to zásadní věc pro realizaci Artemis I. Pro rozhodnutí o přesunu stupně na kosmodrom může být akceptovatelný i případný kratší zážeh.

Akustický prstenec na testovacím stanovišti B-2. Proudy vody pomohou odklonit a tlumit zvukové vlny z motorů RS-25, aby se neodrazily z deflektoru zpět ke stupni. Systém je aktivován několik sekund před zážehem motorů.
Zdroj: https://www.nasaspaceflight.com

Druhá kontrola systému naklánění motorů má začít téměř na konci zážehu přibližně v T+455 sekund (cca sedm a půl minuty) s motory přiškrcenými na 85 % nominálního tahu. Účelem testu je poskytnout další soubor dat o tom, jak se stupeň vyrovnává s požadavky na plyn, který je odčerpáván z běžících motorů a vháněn do nádrží na pohonné hmoty, aby i téměř prázdné nádrže zůstaly natlakované a současně aby plyn poháněl turbíny CAPU při vysokém zatížení nakláněcího systému.

Za předpokladu, že vše půjde dobře, by motory zůstaly po druhé kontrole systému naklánění motorů na 85 % nominálního tahu až do jejich vypnutí (MECO), což poskytne příležitost otestovat nízkoúrovňové vypnutí systémů. Proto je plánováno ponechat běh do okamžiku, kdy senzory na kyslíkové nádrži zaznamenají prázdnou nádrž. Vypnutí motorů na nízké úrovni tahu je obvyklým bezpečnostním prvkem při aktivním letu rakety až do vyčerpání pohonných hmot.

Čtyři motory RS-25 centrálního stupně SLS během zkoušky naklánění, 1. září 2020
Zdroj: https://www.forumastronautico.it

Po ukončení činnosti motorů provedou letové počítače několik úkonů, například uzavření ventilů obou nádrží, než předají řízení zpět pozemní řídicí jednotce Stage Controller, která bude řídit bezpečné vypnutí systémů a komplexní zajištění stupně a stanoviště.

Následné šestitýdenní období inspekcí, kontrol a renovace stupně jsme podrobně popsali v pravidelném souhrnu Cesta k Artemis I a II. Aktuální předběžná časová osa obsahuje pro odeslání stupně na Kennedyho vesmírné středisko datum 14. ledna 2021. V testovacím a renovačním plánu jsou přitom zabudovány rezervy, které činí úhrnem 20 až 25 dnů. I při jejich plném využití vychází dodání stupně na kosmodrom do konce ledna 2021.

Zdroje informací:
https://www.nasaspaceflight.com/
https://www.nasaspaceflight.com/
https://spaceflightnow.com/
https://forum.kosmonautix.cz/

Zdroje obrázků:
https://images-assets.nasa.gov/…on%20the%20B-2%20Stand%20-%2004~medium.jpg
https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/…/green_run_checklist_infographic_test_6_0.jpg
https://images-assets.nasa.gov/…the%20B-2%20Stand%20-%2002~medium.jpg
https://images-assets.nasa.gov/…20B-2%20Stand%20-%2005~medium.jpg
https://images-assets.nasa.gov/…the%20B-2%20Stand%20-%2001~medium.jpg
https://images-assets.nasa.gov/…the%20B-2%20Stand%20-%2003~medium.jpg
https://www.nasa.gov/…/thumbnails/image/s20-005_core_stage_installation_2900.jpg
https://images-assets.nasa.gov/image/DSC_7615/DSC_7615~large.jpg
https://www.nasaspaceflight.com/…Testing-Acoustic-Ring.May-2018-Lagniappe-01.jpg
https://www.forumastronautico.it/…avanzamento-lavori-al-21-09-2020/26580/231