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ⓘ Orion, veicolo spaziale. L Orion Multi-Purpose Crew Vehicle è un veicolo spaziale con equipaggio attualmente in fase di sviluppo da parte della NASA. Basato sul ..




Orion (veicolo spaziale)
                                     

ⓘ Orion (veicolo spaziale)

L Orion Multi-Purpose Crew Vehicle è un veicolo spaziale con equipaggio attualmente in fase di sviluppo da parte della NASA. Basato sul Crew Exploration Vehicle del programma Constellation, che sarebbe stato impiegato per il trasporto di astronauti in orbita lunare, secondo i piani attuali della NASA sarà utilizzato in nuovi voli lunari con equipaggio, in vista di un futuro sbarco su Marte.

Al momento della cancellazione del programma Constellation lintenzione dellamministrazione Obama era di limitare lOrion a compiti di "navetta di salvataggio" per la Stazione Spaziale Internazionale, lasciando il compito di sviluppare veicoli con equipaggio allindustria privata. Tuttavia, nel settembre 2010 il Senato degli Stati Uniti votò per ripristinare i finanziamenti per missioni oltre lorbita bassa terrestre, obbligando per queste lutilizzo dellOrion, già in fase avanzata di sviluppo, e dello Space Launch System, un razzo vettore concettualmente simile allAres V pensato per il Constellation.

Il primo volo di collaudo di una capsula Orion, senza equipaggio, è avvenuto il 5 dicembre 2014; il veicolo è stato lanciato da Cape Canaveral con un razzo Delta IV Heavy e ha compiuto due orbite terrestri raggiungendo unaltitudine di 5700 km prima di ammarare nellOceano Pacifico, al largo della California.

Il primo volo con equipaggio è previsto per il 2023.

                                     

1. Storia

In seguito al disastro dello Space Shuttle Columbia, e al rapporto conclusivo della relativa commissione di inchiesta, la Casa Bianca procedette a una revisione del programma spaziale americano. Il 14 gennaio 2004 il presidente George W. Bush annunciò il programma Vision for Space Exploration, in cui venivano tracciate le nuove linee guida sullesplorazione spaziale umana.

Allinterno del VSE fu annunciata lintenzione di mettere a punto e testare un nuovo veicolo spaziale, denominato genericamente Crew Exploration Vehicle, che sarebbe stato impiegato sia come navetta con la Stazione Spaziale Internazionale, dopo il ritiro dello Shuttle, sia per trasportare astronauti oltre lorbita terrestre per la prima volta dal programma Apollo.

Il CEV di fatto rimpiazzò il programma Orbital Space Plane, rimasto solo allo stadio concettuale, che intendeva sviluppare uno spazioplano per luso in orbita bassa terrestre in sostituzione dello Shuttle.

                                     

1.1. Storia Orion Crew Exploration Vehicle Orion CEV

Il 9 dicembre 2004 la NASA emanò un documento preliminare sullattività a favore di Orion e, successivamente, il 21 gennaio 2005 una richiesta di proposte, che si concretizzò il primo marzo 2005 con linvito formale ai potenziali offerenti a dare una risposta entro il 2 maggio 2005.

A settembre 2005 vennero pubblicati i risultati dell"Exploration Systems Architecture Study", un documento che stabiliva le linee guida della successiva generazione di navette per portare luomo sulla Luna, su Marte e verso altre destinazioni. Questo studio implementava gli obiettivi delineati nel "Vision for Space Exploration". Inizialmente venne suggerito luso di un sistema di lancio derivato dallo Space Shuttle, costituito da un razzo a combustibile solido simile agli SRB e uno stadio superiore spinto da un propulsore di tipo SSME. La navetta doveva essere configurata per supportare lesplorazione con equipaggio o trasportare carichi senza astronauti, in modo da poter essere impiegata per inviare materiali e astronauti sulla stazione spaziale, portare quattro persone sulla Luna e mantenere fino a sei astronauti in una missione su Marte. Il Programma Shuttle quindi venne abbandonato, sia per limpossibilità dellorbiter di spingersi oltre lorbita bassa terrestre, sia per i costi elevati.

Il 13 giugno 2005 la NASA rese nota la scelta di due società per lulteriore sviluppo di Orion: la Lockheed Martin ed il team formato da Northrop Grumman Corp. e Boeing, ciascuna delle quali ha ricevuto un contratto pari a 28 milioni di dollari a fronte della presentazione di un progetto completo per Orion e del lancio del veicolo entro i primi mesi del 2006; Entrambe avevano lobbligo inoltre di elaborare un progetto che consentisse a Orion di prendere parte alla formazione di una spedizione verso la Luna, o tramite EOR, o LOR o senza tappe intermedie. I due team erano costituiti dalle seguenti aziende:

  • Northrop Grumman insieme a Boeing come subcontraente per Spiral One, Alenia Spazio, ARES Corporation, Draper Laboratory e United Space Alliance
  • Lockheed Martin insieme a EADS SPACE Transportation, United Space Alliance, Honeywell, Orbital Sciences, Hamilton Sundstrand and Wyle Laboratories.

Nellestate 2006 la NASA annunciò il nome della navetta e poco dopo, il 31 agosto 2006 venne pubblicato il vincitore dellappalto: la Lockheed Martin, con cui la NASA aveva firmato un contratto fino al 2013 di 3.9 miliardi di dollari. Successivamente, nellaprile 2007, il contratto fu esteso includendo due anni aggiuntivi alla fase di progetto e due voli aggiuntivi per il sistema di annullamento del lancio, per un valore totale di 4.3 miliardi di dollari fino al dicembre 2013.

Allinizio del 2006 fu pubblicata la seconda versione dei requisiti di progetto. In essa vennero indicati maggiori dettagli sulla navetta, tra cui la sua forma a capsula, di tipo "a corpo tozzo". I primi test iniziarono a febbraio 2006, tra cui 66 test nella galleria del vento di un modello per determinare la forma ottimale. A marzo 2007 venne completata la revisione dei requisiti di sistema della navetta Orion e fu iniziata al Glenn Research Center lampliamento di una struttura chiamata Space Power Facility che può simulare le condizioni presenti nello spazio. Questa struttura avrà il compito di condurre i test in ambiente simulato della navetta.

                                     

1.2. Storia Post-cancellazione Constellation e Orion Multi-Purpose Crew Vehicle Orion MPCV

Dopo la cancellazione del programma Constellation, diversamente dai vettori Ares I, IV e V e il Earth Departure Stage, che vennero riconvertiti nel vettore pesante Space Launch System, la capsula Orion e il modulo Altair vennero riproposti e negli anni seguenti al 2011 vennero totalmente riprogettati. Nellottobre 2014 la capsula cambiò nome in Orion Multi Purpose Crew Vehicle, riprogettando interamente il modulo di servizio, ma lasciando invariato il modulo dellequipaggio. Il 5 dicembre 2014 è avvenuto con successo il primo lancio senza equipaggio dellOrion MPCV.

                                     

2. Progetto

LOrion Crew and Service Module CMS è costituito da due componenti principali: un modulo dellequipaggio Crew Module - CM a forma di cono e un Modulo di servizio Service Module - SM contenente il sistema di propulsione e i rifornimenti di bordo. Entrambi sono stati progettati sullo stile del modulo di comando e servizio del Programma Apollo, ma con la moderna tecnologia. Neil Woodward, direttore dellIntegration Office del programma Space Shuttle ha affermato infatti che le soluzioni conosciute riducono i rischi.

                                     

2.1. Progetto Modulo dellequipaggio

Il modulo dellequipaggio costruito dalla Lockheed Martin, conterrà da quattro a sei astronauti, a differenza dei tre che potevano prendere posto nel modulo dellApollo. Nonostante la somiglianza con questultimo, il modulo di Orion conterrà molte tecnologie innovative, come:

  • la capacità di "auto-aggancio", come per la navetta russa Progress e leuropeo Automated Transfer Vehicle, con la possibilità per lequipaggio di passare al controllo manuale del veicolo in caso di emergenza nei programmi Gemini, Apollo e Space Shuttle è invece richiesto il controllo manuale per laggancio.
  • un sistema di controllo digitale di tipo glass cockpit, derivato da quello del Boeing 787
  • unatmosfera mista azoto/ossigeno N 2 /O 2 con pressione a livello del mare 101.3 kPa, 14.7 psi o leggermente ridotta da 55.2 kPa a 70.3 kPa, 8.0 psi - 10.2 psi.
  • computer di bordo più moderni rispetto agli attuali veicoli spaziali.

Una caratteristica importante che potrebbe essere introdotta consiste in un nuovo sistema per il recupero della capsula al rientro che impiegherà una combinazione di paracadute e retrorazzi o airbag. In questo modo sarebbe possibile anche una discesa sulla terra ferma, come il modulo della navetta Sojuz russa, che eliminerebbe la costosa flotta di recupero impiegata per tutte le missioni dei programmi Mercury, Gemini, Apollo. Tuttavia, la NASA sta considerando di non implementare questo sistema a causa del peso. In questo caso il sistema di recupero rimarrà il tradizionale ammaraggio.

Il modulo dellequipaggio sarà parzialmente riutilizzabile, con una vita operativa fino a circa 10 voli. Sia il modulo dellequipaggio che il modulo di servizio saranno di una lega in Alluminio/litio Al/Li utilizzata nel serbatoio esterno dello Space Shuttle e nei vettori Delta IV e Atlas V, resistente come lalluminio aeronautico dellOrbiter ma più leggero. Il modulo dellequipaggio sarà ricoperto con un rivestimento protettivo in nomex usato nelle parti non critiche dello Shuttle.

Per permettere a Orion di attraccare alla stazione spaziale e per connettersi agli altri veicoli del progetto Constellation, verrà utilizzato un nuovo sistema di aggancio, una versione semplificata dellAPAS, lanello di attracco universale usato nella flotta di Space Shuttle. Questultimo era stato ulteriormente derivato da un progetto russo sviluppato durante il progetto Apollo-Sojuz del 1975.

Il modulo dellequipaggio avrà una forma a tronco di cono con angolo di 57.5°, simile a quello dellApollo, un diametro di 5.029 metri e una lunghezza di 3.302 metri, con una massa di 8.5 tonnellate e un volume superiore del 50% a quello della capsula Apollo, che era di 5.9 m3.



                                     

2.2. Progetto Scudo termico

A settembre 2006 la NASA selezionò la Boeing per lo sviluppo di uno scudo termico per Orion, in grado di resistere ai rientri atmosferici terrestri sia nelle missioni destinate alla stazione spaziale sia nelle missioni lunari. In queste ultime, la velocità di rientro è infatti superiore, pari a circa 25 000 miglia 40 000 km allora. Il materiale utilizzato sarà il Phenolic Impregnated Carbon Ablator PICA già impiegato nella sonda Stardust, la cui proprietà appartiene alla Fiber Materials. La Boeing venne incaricata della fornitura dei campioni di materiale per i test preliminari, di un progetto preliminare di scudo termico, di un esemplare non in scala di scudo termico per la dimostrazione della costruzione, e di dati e modelli del materiale PICA. A gennaio 2008 iniziarono i test di valutazione del prototipo di uno scudo termico per la navetta Orion. Il prototipo non è in scala, e misura circa 5 metri di diametro e combina le caratteristiche ablative degli scudi termici del programma Apollo con le recenti tecniche perfezionate per lo scudo termico degli Shuttle, in particolare i metodi di saldatura tra il materiale ablativo e la base dello scudo. A maggio 2008 venne incaricata la Boeing di sviluppare tre materiali alternativi per lo scudo termico. Questi verranno utilizzati nel caso il materiale primario, il PICA, non soddisfacesse i requisiti di progetto.

A differenza del sistema di protezione termico dello Shuttle, che deve contrastare temperature di punta di circa 2 300 °F 1 260 °C, quello della navetta Orion dovrà essere in grado di sostenere temperature fino a 5 000 °F 2 760 °C. Queste performance possono essere raggiunte con i materiali ablativi, che si consumano durante il rientro, a differenza delle mattonelle usate per lo Shuttle, che invece sono riutilizzabili.



                                     

2.3. Progetto Paracadute

I paracadute di recupero, anchessi riutilizzabili, saranno basati su quelli usati sia nella capsula Apollo che nei Solid Rocket Booster. Il sistema comprende otto paracadute, suddivisi in tre funzionalità distinte. Due di essi stabilizzano la navetta, altri tre servono per estrarre i rispettivi paracadute principali e questi ultimi forniscono la resistenza aerodinamica per rallentarla fino a terra. A luglio 2008 è stato condotto un test del sistema di paracadute che fanno parte del sistema di recupero, che è fallito. I due paracadute pilota sono fuoriusciti ma non si sono dispiegati correttamente, impedendo al modello della navetta di ottenere lorientamento e la velocità prevista. Questa prima generazione è stata testata tramite il lancio di una replica del velivolo da un aereo C-17 ad unaltezza di 25 000 piedi 7 620 m. In dicembre 2017 è stato effettuato con successo un test con il sistema frenante costituito da undici paracadute.

                                     

2.4. Progetto Pre-cancellazione Constellation

Come il suo predecessore Apollo, il modulo di servizio doveva avere una forma approssimativamente cilindrica, ma più largo, più corto e più leggero. Sarebbe stato costruito nella stessa lega Al-Li del modulo dellequipaggio ed avrebbe dovuto avere due pannelli fotovoltaici, simili a quelli impiegati nella Sonda Phoenix. In questo modo è possibile eliminare le celle a combustibile e i relativi serbatoi di idrogeno liquido LH 2. Il sistema di propulsione principale era costituito da un motore Aerojet AJ-10, derivato dal secondo stadio del razzo Delta III e alimentato da propellente ipergolico tetrossido di azoto e idrazina contenuto in serbatoi sferici in titanio. Il Reaction Control System, ovvero il sistema di propulsori di manovra, utilizzavano lo stesso propellente.

Laria da respirare era fornita dai doppi serbatoi di ossigeno liquido e dal singolo serbatoio di azoto liquido N 2. Delle cartucce di idrossido di litio LiOH avrebbero riciclato laria della navetta rimuovendo lanidride carbonica CO 2 emessa dagli astronauti. A causa delleliminazione delle celle a combustibile e dei serbatoi di idrogeno liquido, la navetta doveva contenere serbatoi di acqua potabile in entrambi i moduli per lequipaggio e acqua mescolata con glicoli per il raffreddamento dellelettronica.

Il modulo di servizio comprendeva anche dei radiatori per disperdere il calore in eccesso e i pannelli solari. Questi ultimi, assieme alle batterie di riserva situate nel modulo dellequipaggio, fornivano lenergia ai sistemi con una tensione di 28 V DC.

                                     

2.5. Progetto Post-cancellazione Constellation

Dopo la cancellazione del programma Constellation e la riprogettazione della capsula Orion, si decise di sostituire il modulo di servizio iniziale, di costruzione americana, con una versione appositamente modificata dellAutomated Transfer Vehicle dellESA, denominata European Service Module ESM. In cambio del pagamento da parte della NASA del contributo europeo al mantenimento della Stazione Spaziale Internazionale, lESA si farà carico di sviluppare e costruire due moduli di servizio, da impiegare nelle missioni EM-1 ed EM-2.

Escludendo gli ugelli dellapparato propulsivo e i pannelli fotovoltaici, l European Service Module avrà un diametro di circa 5 metri e sarà lungo 4 metri; avrà quattro pannelli fotovoltaici in arseniuro di gallio, costruiti dalla compagnia olandese Dutch Space, con unapertura di 18.8 metri e capaci di generare circa 11 kW di elettricità; la massa a vuoto sarà di circa 3500 kg, e potrà trasportare fino a 8600 kg di propellente tetraossido di diazoto e monometilidrazina, ipergolici. Fornirà energia elettrica, propulsione, termoregolazione e supporto vitale acqua e aria al modulo dellequipaggio.

Il motore principale è derivato dallAJ-10 utilizzato per l Orbital Maneuvering System dello Space Shuttle, con 26 kN di spinta, e potrà essere impiegato per manovre orbitali e annullamento della missione ad alta quota. Gli si affiancano otto propulsori Rocketdyne R-4D, già in dotazione allATV, con una spinta totale di 490 N, utilizzati per il controllo dellassetto e come riserva per il ritorno sulla Terra dallorbita lunare in caso di malfunzionamento del motore principale.

Nel novembre 2014 Airbus Defence and Space ha vinto un contratto ESA da 390 milioni di euro per la costruzione del primo ESM e delle componenti per il secondo.

                                     

2.6. Progetto Annullamento del lancio

Nel 2008 è iniziata la progettazione e la costruzione delle strutture per i test delle modalità di annullamento della missione. Queste strutture, che saranno installate nella base White Sands Missile Range nel Nuovo Messico, permetteranno di simulare una emergenza sulla piattaforma di decollo. Il 28 marzo 2008 è giunto al Dryden Flight Research Center della NASA un modello in scala 1:1 della navetta Orion costruito nel Langley Research Center per i test, mentre a giugno 2008 è stata completata la struttura per il test. Dopo linstallazione dei computer di volo, della strumentazione e dellelettronica, il modello è stato inviato alla base White Sands per lutilizzo nei test di annullamento della missione. Il primo dei test, chiamato Pad Abort-1, è previsto per la fine del 2008 e prevede lespulsione di una navetta Orion di prova, senza equipaggio, dalla piattaforma di lancio per mezzo del LAS, launch abort system. Il fornitore per lo sviluppo di questo propulsore è la Alliant Techsystems ATK e permette alla navetta di essere espulsa raggiungendo circa 2 chilometri di altezza e altrettanti di distanza. A novembre 2008 è stato effettuato con successo il test del propulsore senza la navetta. Questultima riprodurrà fedelmente la forma, la massa le dimensioni della navetta definitiva. Il test fornirà i primi dati e sarà seguito da un test per lannullamento durante la fase di ascesa nel 2009 e un secondo test sulla piattaforma di lancio 2010, entrambi nella base White Sands.

In caso di emergenza sulla rampa di lancio o durante la risalita, il sistema di fuga separerà il modulo dellequipaggio dal veicolo di lancio. Ci sono due sistemi di propulsione nel LAS: il motore di controllo dellassetto ACM e il motore a getto JM. Il 2 luglio 2019 si è completato con successo anche il secondo test, chiamato Ascent Abort 2. In questo caso il test prevedeva un annullamento della missione a lancio già avvenuto ed è stato simulato lanciando una navicella Orion con un vettore LGM-118 Peacekeeper opportunamente modificato per rendere il volo più conforme possibile a quello che potrebbe essere con un razzo SLS Space Launch System.



                                     

2.7. Progetto Revisioni

Nel tardo luglio 2006, la seconda revisione del progetto ha apportato notevoli cambiamenti. In precedenza la NASA era intenzionata ad utilizzare metano e ossigeno liquido come bipropellente per il modulo di servizio, poiché il metano potrebbe essere prodotto in situ su Marte facendo reagire lanidride carbonica dellatmosfera con idrogeno e diventare un propellente duso comune, ma a causa dellimmaturità dei motori a razzo ossigeno/metano questopzione venne scartata in favore dei più tradizionali propellenti ipergolici, in modo da poter ridurre il periodo di tempo tra il ritiro degli Shuttle e lentrata in servizio dellOrion allora prevista per il 2012.

Il 20 aprile 2007 la NASA e la Lockheed Martin hanno firmato una modifica al contratto di costruzione di Orion. Il contratto aggiornato prevede due anni in più per la fase di progettazione, due voli di prova del sistema di annullamento del lancio e cancella dalla produzione un trasporto pressurizzato per la stazione spaziale.

Nellultima revisione del progetto, chiamata configurazione "606", secondo un articolo dell"Aerospace Daily & Defense Report", il modulo di servizio contiene dei pannelli esterni che saranno espulsi poco dopo laccensione del propulsore del secondo stadio dellAres I. Questa configurazione permette di ridurre il peso di circa 450 kg rispetto alla precedente configurazione chiamata "605".

Un rapporto del 5 agosto ha rivelato che il sistema di atterraggio con airbag è stato rimosso dalla progettazione configurazione "607" per risparmiare peso, tornando al tradizionale ammaraggio. Scott Horowitz, a capo dell Exploration Systems Mission Directorate, ha negato che sia stata presa una decisione definitiva sul sistema di recupero della navetta, ma ha ammesso che la NASA sta studiando la possibilità di eliminare latterraggio terrestre.

Nel 2012, dopo la cancellazione del programma Constellation, si riprogettò totalmente il modulo di servizio, utilizzando una versione modificata dellATV dellESA, per risparmiare e minimizzare i rischi.

                                     

3. Fondi

Nellanno fiscale 2015, la NASA ha ricevuto uno stanziamento di 1.2 miliardi di dollari dal Congresso per il programma Orion, un importo che è di circa 150 milioni di dollari superiore a quello richiesto dallamministrazione Obama.