آريس الأول

في عام ١٩٩٥، أصدرت شركة لوكهيد مارتن تقريرًا لدراسات أنظمة النقل المتقدمة (ATSS) لصالح مركز مارشال لرحلات الفضاء . يصف جزء من التقرير عدة مركبات محتملة تشبه تصميم آريس ١، حيث تتكون المرحلة الثانية من صاروخ يعمل بالوقود السائل من مراحل صاروخية صلبة مجزأة (SRB) مثبتة فوق المرحلة الأولى. ^{[ ٩ ]} تضمنت المتغيرات التي تم النظر فيها محركات J-2S ومحركات مكوك الفضاء الرئيسية (SSMEs) للمرحلة الثانية. كما افترضت هذه المتغيرات استخدام محرك الصاروخ الصلب المتقدم (ASRM) كمرحلة أولى، إلا أن مشروع ASRM أُلغي في عام ١٩٩٣ بسبب تجاوزات كبيرة في التكاليف.

أعلن الرئيس جورج دبليو بوش عن رؤيته لاستكشاف الفضاء في يناير 2004، وطلبت وكالة ناسا، بقيادة شون أوكيف، خططًا لمركبة استكشاف مأهولة من عدة جهات، مع خطة لتشكيل فريقين متنافسين. إلا أن هذه الخطط رُفضت من قبل المدير الجديد مايكل غريفين ، وفي 29 أبريل 2005، كلفت ناسا بإجراء دراسة معمارية لأنظمة الاستكشاف لتحقيق أهداف محددة: ^{[ 10 ]}

• تحديد "المتطلبات والتكوينات الرئيسية لأنظمة إطلاق الطاقم والشحنات لدعم برامج استكشاف القمر والمريخ"
• تقييم "متطلبات وخطط مركبة نقل الطاقم (CEV) لتمكينها من توفير نقل الطاقم إلى محطة الفضاء الدولية"
• "تطوير مفهوم معماري مرجعي لاستكشاف القمر لدعم عمليات استكشاف القمر المستدامة التي يقوم بها البشر والروبوتات"
• "تحديد التقنيات الرئيسية اللازمة لتمكين وتعزيز أنظمة الاستكشاف المرجعية هذه بشكل كبير"

اختارت ناسا تصميم إطلاق مستوحى من مكوك الفضاء لمركبة آريس 1. في الأصل، كان من المقرر أن تستخدم المركبة المأهولة معززًا صاروخيًا صلبًا رباعي الأجزاء للمرحلة الأولى، ومحركًا رئيسيًا مبسطًا لمكوك الفضاء للمرحلة الثانية. أما النسخة غير المأهولة فكانت ستستخدم معززًا خماسي الأجزاء مع نفس المرحلة الثانية. ^{[ 11 ]} بعد فترة وجيزة من الموافقة على التصميم الأولي، كشفت اختبارات إضافية أن مركبة أوريون الفضائية ستكون أثقل من أن يرفعها المعزز رباعي الأجزاء، ^{[ 12 ]} وفي يناير 2006، أعلنت ناسا أنها ستُقلل حجم مركبة أوريون الفضائية قليلاً، وتضيف جزءًا خامسًا إلى المرحلة الأولى الصاروخية الصلبة، وتستبدل المحرك الرئيسي المبسط بمحرك J-2X المشتق من برنامج أبولو . ^{[ 13 ]} في حين أن التغيير من مرحلة أولى مكونة من أربعة أجزاء إلى نسخة مكونة من خمسة أجزاء كان سيسمح لناسا ببناء محركات متطابقة تقريبًا، إلا أن السبب الرئيسي للتغيير إلى معزز مكون من خمسة أجزاء كان الانتقال إلى J-2X. ^{[ 14 ]}

خلصت دراسة هندسة أنظمة الاستكشاف إلى أن تكلفة وسلامة صاروخ آريس تتفوق على تكلفة وسلامة أي من مركبات الإطلاق الاستهلاكية المتطورة (EELVs). ^{[ 10 ]} استندت تقديرات التكلفة في الدراسة إلى افتراض الحاجة إلى منصات إطلاق جديدة لمركبات الإطلاق الاستهلاكية المتطورة المُصممة لنقل رواد فضاء . ^{[ 10 ]} المرافق الخاصة بمركبات الإطلاق الاستهلاكية المتطورة الحالية (LC-37 لصاروخ دلتا 4، وLC-41 لصاروخ أطلس 5) موجودة ويمكن تعديلها، ولكن قد لا يكون هذا الحل الأمثل من حيث التكلفة، حيث أن LC-37 منشأة مملوكة ومدارة من قبل مقاول (COGO)، وقد وُجد أن التعديلات المطلوبة لصاروخ دلتا 4 H مماثلة لتلك المطلوبة لصاروخ آريس 1. ^{[ 15 ]} استندت تقديرات سلامة إطلاق صاروخ آريس في دراسة هندسة أنظمة الاستكشاف إلى مكوك الفضاء، على الرغم من الاختلافات، وشملت فقط عمليات الإطلاق التي أُجريت بعد إعادة تصميم مكوك الفضاء تشالنجر. ^{[ 16 ]} احتسب التقدير كل عملية إطلاق لمكوك الفضاء كعمليتي إطلاق آمنتين لصاروخ آريس المعزز. تم تقدير سلامة صاروخي أطلس 5 ودلتا 4 من معدلات فشل جميع عمليات إطلاق دلتا 2 وأطلس سنتور وتيتان منذ عام 1992، على الرغم من أنها ليست تصاميم متشابهة.

كان آريس 1 هو المكون المخصص لإطلاق الطاقم في برنامج كونستليشن. سُمّي في الأصل "مركبة إطلاق الطاقم" أو CLV، واختير اسم آريس نسبةً إلى الإله اليوناني آريس . ^{[ 6 ]} على عكس مكوك الفضاء، حيث كان يتم إطلاق كل من الطاقم والشحنة في وقت واحد على متن الصاروخ نفسه، فقد نصّت خطط مشروع كونستليشن على وجود مركبتي إطلاق منفصلتين، آريس 1 وآريس 5، للطاقم والشحنة على التوالي. يتيح وجود مركبتي إطلاق منفصلتين تصميمات أكثر تخصصًا لصواريخ إطلاق الطاقم والشحنات الثقيلة. ^{[ 17 ]}

صُمم صاروخ آريس 1 خصيصًا لإطلاق مركبة أوريون متعددة الأغراض المأهولة . كانت أوريون كبسولة مأهولة، مشابهة في تصميمها لكبسولة برنامج أبولو ، لنقل رواد الفضاء إلى محطة الفضاء الدولية ، والقمر ، وفي نهاية المطاف إلى المريخ . ربما كان من الممكن أن ينقل آريس 1 أيضًا بعض الموارد (المحدودة) إلى المدار ، بما في ذلك الإمدادات لمحطة الفضاء الدولية أو التوصيل اللاحق إلى القاعدة القمرية المخطط لها . ^{[ 7 ]}

اختارت وكالة ناسا شركة أليانت تيك سيستمز ، الشركة المصنعة لمعززات الصواريخ الصلبة لمكوك الفضاء ، كمقاول رئيسي للمرحلة الأولى من صاروخ آريس 1. ^{[ 18 ] [ 19 ]} وأعلنت ناسا في 16 يوليو/تموز 2007 أن شركة روكيتداين ستكون المقاول الفرعي الرئيسي لمحرك الصاروخ J-2X. ^{[ 20 ]} وفي 12 ديسمبر/كانون الأول 2007، اختارت ناسا شركة بوينغ لتوفير وتركيب إلكترونيات الطيران لصاروخ آريس 1. ^{[ 21 ]}

في 28 أغسطس/آب 2007، منحت وكالة ناسا شركة بوينغ عقد تصنيع المرحلة العليا من صاروخ آريس 1. وكان من المقرر بناء هذه المرحلة في مصنع ميشود للفضاء ، الذي استُخدم سابقًا لتصنيع الخزان الخارجي لمكوك الفضاء والمرحلة الأولى S-IC لصاروخ ساتورن 5. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

بتكلفة تتراوح بين 20 و25 مليون دولار أمريكي للمحرك الواحد، كان محرك J-2X، الذي صممته وأنتجته شركة روكيتداين، سيكلف أقل من نصف تكلفة محرك RS-25 الأكثر تعقيدًا (حوالي 55 مليون دولار أمريكي). ^{[ 24 ]} على عكس المحرك الرئيسي لمكوك الفضاء، المصمم للتشغيل على الأرض، صُمم محرك J-2X منذ البداية ليُشغل في الجو وفي بيئة شبه مفرغة. كانت هذه القدرة على التشغيل في الهواء بالغة الأهمية، لا سيما في محرك J-2 الأصلي المستخدم في المرحلة S-IVB من صاروخ ساتورن 5 ، لدفع مركبة أبولو الفضائية إلى القمر. من ناحية أخرى، كان المحرك الرئيسي لمكوك الفضاء سيتطلب تعديلات واسعة النطاق لإضافة هذه القدرة. ^{[ 25 ] [ 14 ]}

في 4 يناير 2007، أعلنت وكالة ناسا أن صاروخ آريس 1 قد أكمل مراجعة متطلبات نظامه، وهي أول مراجعة من نوعها تُجرى لأي تصميم مركبة فضائية مأهولة منذ مكوك الفضاء. ^{[ 26 ]} مثّلت هذه المراجعة أولى المحطات الرئيسية في عملية التصميم، وكان الهدف منها ضمان استيفاء نظام إطلاق آريس 1 لجميع المتطلبات اللازمة لبرنامج كونستليشن. بالإضافة إلى نشر نتائج المراجعة، أعلنت ناسا أيضًا عن إعادة تصميم مكونات خزانات الوقود. فبدلاً من خزانات منفصلة للهيدروجين السائل (LH2) _{والأكسجين السائل} (LO2 ₎ ، يفصل بينهما "خزان وسيط" كما هو الحال في الخزان الخارجي لمكوك الفضاء ، كان من المقرر فصل خزانات الهيدروجين السائل والأكسجين السائل الجديدة بحاجز مشترك كما هو مستخدم في مرحلتي ساتورن 5 S-II وS-IVB. كان من شأن ذلك أن يوفر وزنًا كبيرًا ويُغني عن تصميم وحدة وسيطة للمرحلة الثانية التي كان سيتعين عليها حمل وزن مركبة أوريون الفضائية. ^{[ 19 ]}

في يناير 2008، كشف موقع "ناسا ووتش" أن المرحلة الأولى من صاروخ "آريس 1" الصلب ربما تسببت في اهتزازات عالية خلال الدقائق الأولى من الصعود. وكانت هذه الاهتزازات ناتجة عن تذبذبات الدفع داخل المرحلة الأولى. ^{[ 27 ]} وقد حدد مسؤولو ناسا هذه المشكلة المحتملة خلال مراجعة تصميم نظام "آريس 1" في أواخر أكتوبر 2007، وأعلنوا في بيان صحفي عن رغبتهم في حلها بحلول مارس 2008. ^{[ 28 ]} واعترفت ناسا بأن هذه المشكلة بالغة الخطورة، حيث صنفتها بأربعة من خمسة على مقياس المخاطر، إلا أن الوكالة كانت واثقة تمامًا من قدرتها على حلها. ^{[ 27 ]} وشملت خطة التخفيف التي وضعها فريق هندسة "آريس" تخميدًا فعالًا وسلبيًا للاهتزازات، وذلك بإضافة ممتص اهتزازات نشط مضبوط الكتلة، وهيكل "مرونة" سلبي - وهو عبارة عن حلقة زنبركية تعمل على ضبط تردد مجموعة "آريس 1". ^{[ 29 ]} أشارت ناسا أيضًا إلى أنه نظرًا لأن هذا كان نظام إطلاق جديدًا، مثل أنظمة أبولو أو مكوك الفضاء، فمن الطبيعي أن تظهر مثل هذه المشاكل خلال مرحلة التطوير. ^{[ 30 ]} ووفقًا لناسا، أظهر تحليل البيانات والقياس عن بُعد من رحلة آريس 9 أن الاهتزازات الناتجة عن تذبذب الدفع كانت ضمن النطاق الطبيعي لرحلة مكوك الفضاء. ^{[ 31 ]}

خلصت دراسة نشرتها الجناح الفضائي الخامس والأربعون التابع للقوات الجوية الأمريكية في يوليو 2009 إلى أن عملية الإجهاض بعد 30-60 ثانية من الإطلاق ستؤدي إلى احتمال شبه مؤكد (100%) لمقتل جميع أفراد الطاقم، وذلك بسبب احتواء الكبسولة حتى لحظة ارتطامها بالأرض بسحابة من شظايا الوقود الصلب التي تبلغ درجة حرارتها 2200 درجة مئوية (4000 درجة فهرنهايت) ، مما سيؤدي إلى انصهار مادة مظلة النايلون الخاصة بالكبسولة. وأظهرت دراسة ناسا أن كبسولة الطاقم كانت ستتجاوز الخطر الأكبر. ^{[ 32 ] [ 33 ]}  

كان جهاز إشعال آريس 1 نسخةً متطورةً من جهاز الإشعال المُجرَّب في رحلات مكوك الفضاء، والذي استُخدم في معززات الصواريخ الصلبة. بلغ قطره حوالي 46 سم (18 بوصة) وطوله 91 سم (36 بوصة) ، واعتمد على مواد عازلة مُحسَّنة ذات خصائص حرارية أفضل لحماية غلاف جهاز الإشعال من احتراق الوقود الصلب. ^{[ 34 ]} أكملت وكالة ناسا بنجاح اختبار إطلاق جهاز الإشعال لمحركات آريس 1 في 10 مارس 2009، في مرافق اختبار أنظمة إطلاق ATK بالقرب من برومونتوري، يوتا . أنتج اختبار جهاز الإشعال لهبًا بطول 61 مترًا (200 قدم) ، وأظهرت البيانات الأولية أن جهاز الإشعال عمل كما هو مُخطط له. ^{[ 34 ]}  

استمر تطوير عناصر الدفع لصاروخ آريس 1 في إحراز تقدم ملحوظ. في 10 سبتمبر/أيلول 2009، أُجري اختبار ناجح لأول محرك تطويري لصاروخ آريس 1 (DM-1) في اختبار إطلاق كامل النطاق والمدة. ^{[ 35 ]} تبع هذا الاختبار اختباران آخران للمحرك التطويري، DM-2 في 31 أغسطس/آب 2010، وDM-3 في 8 سبتمبر/أيلول 2011. في اختبار DM-2، تم تبريد المحرك إلى درجة حرارة أساسية تبلغ 40 درجة فهرنهايت (4 درجات مئوية)، وفي اختبار DM-3 تم تسخينه إلى ما يزيد عن 90 درجة فهرنهايت (32 درجة مئوية). بالإضافة إلى أهداف أخرى، أكد هذان الاختباران أداء محرك آريس في درجات الحرارة القصوى. ^{[ 36 ] [ 37 ]} أجرت وكالة ناسا اختبار إطلاق ناجحًا لمدة 500 ثانية لمحرك الصاروخ J-2X في مركز جون سي ستينيس الفضائي في نوفمبر/تشرين الثاني 2011. ^{[ 38 ]}

أكمل النموذج الأولي لصاروخ آريس 1، آريس 9 ، بنجاح إطلاقًا تجريبيًا في 28 أكتوبر 2009. ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]} وتعرضت منصة الإطلاق 39B لأضرار أكبر مما يحدث في إطلاق مكوك فضائي. أثناء الهبوط، لم تفتح إحدى المظلات الثلاث للمرحلة الأولى من صاروخ آريس 9، بينما فتحت مظلة أخرى جزئيًا فقط، مما أدى إلى هبوط الصاروخ بقوة في الماء وتعرضه لأضرار هيكلية. ^{[ 42 ]} وقد حقق الإطلاق جميع أهداف الاختبار الرئيسية. ^{[ 42 ] [ 43 ]}

أكملت وكالة ناسا مراجعة متطلبات نظام آريس 1 في يناير 2007. ^{[ 26 ]} وكان من المقرر أن يستمر تصميم المشروع حتى نهاية عام 2009، مع استمرار التطوير واختبارات التأهيل بالتزامن حتى عام 2012. اعتبارًا من يوليو 2009 كان من المقرر أن تبدأ إنتاج مقالات الطيران في نهاية عام 2009 لإطلاق أول رحلة في يونيو 2011. ^{[ 44 ]} منذ عام 2006، كان من المخطط إطلاق أول رحلة بشرية في موعد لا يتجاوز عام 2014، ^{[ 45 ]} أي بعد أربع سنوات من التقاعد المخطط له لمكوك الفضاء.

كان من شأن التأخيرات في جدول تطوير صاروخ آريس 1، نتيجةً لضغوط الميزانية والصعوبات الهندسية والتقنية غير المتوقعة، أن تزيد الفجوة بين نهاية برنامج مكوك الفضاء وأول رحلة تشغيلية لصاروخ آريس 1. ^{[ 46 ]} ولأن برنامج كونستليشن لم يحصل على التمويل المتوقع أصلاً، ^{[ 47 ]} فقد ارتفعت التكلفة الإجمالية المقدرة لتطوير آريس 1 حتى عام 2015 من 28 مليار دولار في عام 2006 إلى أكثر من 40 مليار دولار في عام 2009. ^{[ 48 ]} وبلغت تكلفة مشروع آريس 9 مبلغ 445 مليون دولار. ^{[ 49 ]}

كان من المقرر أصلاً إجراء أولى رحلات الاختبار في عام 2011، إلا أن التحليل المستقل الذي أجرته لجنة أوغسطين في أواخر عام 2009 خلص إلى أنه بسبب مشاكل تقنية ومالية، من غير المرجح أن تُجرى أول رحلة مأهولة لمركبة آريس 1 حتى الفترة ما بين 2017 و2019 في ظل الميزانية الحالية، أو أواخر عام 2016 في حال توفر ميزانية غير مقيدة. ^{[ 50 ]} كما ذكرت لجنة أوغسطين أن التكلفة التشغيلية المتكررة لمركبتي آريس 1 وأوريون ستبلغ حوالي مليار دولار أمريكي لكل رحلة. ^{[ 51 ]} ومع ذلك، أظهر تحليل مالي لاحق في مارس 2010 أن تكلفة تشغيل آريس 1 كانت ستبلغ مليار دولار أمريكي أو أكثر لكل رحلة لو تم تشغيلها مرة واحدة فقط في السنة. أما إذا تم تشغيل نظام آريس 1 عدة مرات في السنة، فقد تنخفض التكاليف الحدية إلى 138 مليون دولار أمريكي لكل عملية إطلاق. ^{[ 1 ]} وفي مارس 2010، أدلى مدير وكالة ناسا، تشارلي بولدن، بشهادته أمام الكونغرس بأن تكلفة آريس 1 ستتراوح بين 4 و4.5 مليار دولار أمريكي سنويًا، و1.6 مليار دولار أمريكي لكل رحلة. ^{[ 52 ]} كان من المتوقع أن تكون التكلفة الحدية لصاروخ آريس 1 جزءًا ضئيلاً من التكاليف الحدية لمكوك الفضاء، حتى لو تم تشغيله عدة مرات في السنة. وللمقارنة، تبلغ تكلفة إطلاق ثلاثة رواد فضاء على متن مركبة سويوز روسية مأهولة 153 مليون دولار. ^{[ 53 ]} صرّح النائب روبرت أديرهولت في مارس 2010 بأنه تلقى رسالة من وكالة ناسا تفيد بأن تكلفة إطلاق صاروخ آريس 1 ثلاث مرات في السنة كانت ستبلغ 1.1 مليار دولار. ^{[ 54 ]}

في 8 فبراير 2011، أفيد أن شركتي Alliant Techsystems و Astrium اقترحتا استخدام المرحلة الأولى من صاروخ Ares I مع مرحلة ثانية مشتقة من المرحلة الأساسية لصاروخ Ariane 5 لتشكيل صاروخ جديد يسمى Liberty . ^{[ 55 ]}

في الأول من فبراير/شباط 2010، أعلن الرئيس باراك أوباما عن مقترح لإلغاء برنامج كونستليشن اعتبارًا من ميزانية السنة المالية الأمريكية 2011، ^{[ 56 ]} ولكنه أعلن لاحقًا عن تعديلات على المقترح في خطاب هام حول سياسة الفضاء ألقاه في مركز كينيدي للفضاء في 15 أبريل/نيسان 2010. وفي أكتوبر/تشرين الأول 2010، تم توقيع قانون تفويض ناسا لعام 2010 ليصبح قانونًا نافذًا، والذي ألغى برنامج كونستليشن. ^{[ 57 ]} وقد أبقت التشريعات السابقة عقود كونستليشن سارية المفعول حتى إقرار مشروع قانون تمويل جديد لعام 2011. ^{[ 58 ] [ 59 ]}

كان من المفترض أن تكون المرحلة الأولى صاروخًا يعمل بالوقود الصلب أكثر قوة وقابلية لإعادة الاستخدام، مشتقًا من معزز الصاروخ الصلب لمكوك الفضاء . وبالمقارنة مع معزز الصاروخ الصلب، الذي كان يتألف من أربعة أجزاء، كان أبرز اختلاف هو إضافة جزء خامس. كان من شأن هذا الجزء الخامس أن يمكّن صاروخ آريس 1 من توليد قوة دفع أكبر. ^{[ 7 ] [ 61 ]} وشملت التغييرات الأخرى التي أُجريت على معزز الصاروخ الصلب إزالة نقاط تثبيت الخزان الخارجي لمكوك الفضاء ، واستبدال مخروط مقدمة معزز الصاروخ الصلب بمحول أمامي جديد يتصل بالمرحلة الثانية التي تعمل بالوقود السائل. وكان من المقرر تزويد المحول بمحركات فصل تعمل بالوقود الصلب لتسهيل فصل المراحل أثناء الصعود. ^{[ 7 ]} كما تم تغيير تصميم الحبيبات، وكذلك العزل والبطانة. وبحلول الاختبار الأرضي للمرحلة الأولى من صاروخ آريس 1، كانت جميع مكونات الصاروخ قد تغيرت، بما في ذلك الغلاف، وتصميم الحبيبات، وعدد الأجزاء، والعزل، والبطانة، وقطر الفتحة، وأنظمة الحماية الحرارية، والفوهة. ^{[ 62 ]}

كان من المقرر أن تُدفع المرحلة العلوية، المشتقة من الخزان الخارجي للمكوك الفضائي والمبنية على المرحلة S-IVB من صاروخ ساتورن 5، بواسطة محرك صاروخي واحد من طراز J-2X يعمل بالهيدروجين السائل (LH₂ ₎ والأكسجين السائل (LOX). ^{[ 63 ]} وقد اشتُقّ محرك J-2X من محرك J-2 الأصلي المستخدم في برنامج أبولو، ولكنه يتميز بقوة دفع أكبر (حوالي 294,000 رطل أو 1.31 ميغا نيوتن ) وعدد أجزاء أقل من المحرك الأصلي. في 16 يوليو 2007، منحت وكالة ناسا شركة روكيتداين عقدًا حصريًا لتوريد محركات J-2X لاستخدامها في الاختبارات الأرضية والجوية. ^{[ 64 ]} وكانت روكيتداين هي المقاول الرئيسي لمحركات J-2 الأصلية المستخدمة في برنامج أبولو.  

على الرغم من أن محرك J-2X الخاص بها كان مشتقًا من تصميم قائم، إلا أن المرحلة العلوية نفسها كانت ستكون جديدة كليًا. كان من المقرر في الأصل أن تستند إلى كل من الهيكل الداخلي والخارجي للمركبة الفضائية ET، حيث نص التصميم الأصلي على وجود خزانات وقود ومؤكسد منفصلة، ​​متصلة بهيكل "بين الخزانات"، ومغطاة بعازل رغوي رذاذي لتقليل التهوية إلى أدنى حد. كانت المكونات الجديدة الوحيدة في المرحلة الثانية المشتقة من المركبة الفضائية ET الأصلية هي مجموعة الدفع لمحرك J-2X، ووصلات جديدة للتعبئة/التصريف/التهوية للوقود والمؤكسد، وواجهات تثبيت للمرحلة الأولى التي تعمل بالوقود الصلب ومركبة أوريون الفضائية.

باستخدام مفهوم يعود إلى برنامج أبولو، تم الاستغناء عن هيكل "الخزانات البينية" لتقليل الكتلة، واستُبدل به حاجز مشترك، مشابه لذلك المستخدم في مرحلتي S-II و S-IVB من صاروخ ساتورن 5، بين الخزانات. استُخدمت الوفورات الناتجة عن هذه التغييرات لزيادة سعة الوقود، والتي بلغت 297,900 رطل (135,100 كجم) . ^{[ 65 ]}