وحدة الخدمة الأوروبية

كانت وحدة الخدمة (SM) الأصلية لمركبة أوريون، المصممة أمريكياً، ذات شكل أسطواني تقريباً، ومصنوعة، مثل وحدة القيادة (CM)، من سبيكة الألومنيوم والليثيوم (لتقليل الوزن)، ومجهزة بزوج من الألواح الشمسية العشرية القابلة للنشر ، بتصميم مشابه للألواح المستخدمة في مركبة الهبوط فينيكس على المريخ . هذه الألواح، وهي الأولى من نوعها التي تُستخدم في مركبة فضائية أمريكية مأهولة (باستثناء فترة عشر سنوات، حيث استخدمتها مركبة سويوز السوفيتية/الروسية منذ أول مهمة لها عام 1967)، كانت ستُمكّن ناسا من الاستغناء عن حمل خلايا الوقود المعرضة للأعطال، وملحقاتها ( خزانات الهيدروجين السائل بشكل أساسي ) في وحدة الخدمة، مما ينتج عنه مركبة فضائية أقصر وأكثر قدرة على المناورة. وقد أُعلن عن نجاح الاختبارات الأولية لتصميم مصفوفة أوريون الشمسية باستخدام جهاز "الجناح فائق المرونة" بالحجم الكامل في أكتوبر 2008. ^{[ 5 ]}

كان المحرك الرئيسي لمركبة أوريون (OME) محركًا صاروخيًا ثنائي الوقود قابلًا للتخزين، يعمل بنظام التبريد التجديدي، ويُغذى بالضغط، بقوة دفع تبلغ 33 كيلونيوتن (7500 رطل)، وكان من المقرر تصنيعه من قبل شركة إيروجيت. وكان المحرك الرئيسي نسخة مُحسّنة الأداء من المحرك الصاروخي الذي تبلغ قوة دفعه 27 كيلونيوتن (6000 رطل)، والذي استخدمه مكوك الفضاء في نظام المناورة المدارية. كما كان نظام التحكم في رد الفعل لوحدة الخدمة (RCS)، وهو عبارة عن دافعات المناورة الخاصة بالمركبة الفضائية (المستوحاة في الأصل من نظام "الرباعي" في برنامج أبولو، ولكنها تُشبه النظام المستخدم في سلفه، جيميني )، يعمل أيضًا بنظام التغذية بالضغط، ويستخدم نفس أنواع الوقود. واعتقدت ناسا أن نظام التحكم في رد الفعل لوحدة الخدمة سيكون قادرًا على العمل كنسخة احتياطية لعملية حقن الوقود أثناء عبور الأرض في حال تعطل المحرك الرئيسي لوحدة الخدمة.  

سيوفر زوج من خزانات الأكسجين السائل (شبيهة بتلك المستخدمة في وحدة خدمة أبولو )، إلى جانب خزانات صغيرة من النيتروجين، هواءً للتنفس للطاقم عند مستوى سطح البحر أو ضغط "ارتفاع التحليق" (1 أو 0.7 ضغط جوي)، مع وجود خزان احتياطي صغير لتوفير الدعم الحيوي اللازم أثناء العودة إلى الغلاف الجوي والهبوط. وتقوم خراطيش هيدروكسيد الليثيوم (LiOH) بإعادة تدوير النظام البيئي للمركبة الفضائية عن طريق "تنقية" ثاني أكسيد الكربون (CO2 ₎ الذي يزفره رواد الفضاء من هواء المركبة وإضافة الأكسجين والنيتروجين النقيين، اللذين يُعاد تدويرهما بعد ذلك إلى دائرة النظام. ونظرًا للتحول من خلايا الوقود إلى الألواح الشمسية، ستحتوي وحدة الخدمة على خزان مياه داخلي لتوفير مياه الشرب للطاقم، ومياه التبريد (عند مزجها بالجليكول ) لإلكترونيات المركبة الفضائية. بخلاف الممارسة المتبعة خلال برنامج أبولو المتمثلة في إلقاء كل من الماء والبول في الفضاء أثناء الرحلة، فإن مركبة أوريون ستحتوي على نظام إعادة تدوير على متنها، مطابق للنظام المستخدم في محطة الفضاء الدولية ، لتحويل كل من مياه الصرف الصحي والبول إلى مياه شرب وتبريد.

كما احتوت وحدة الخدمة على نظام إدارة الحرارة المهدرة للمركبة الفضائية (مشعاتها) والألواح الشمسية المذكورة سابقًا . وستوفر هذه الألواح، إلى جانب بطاريات احتياطية موجودة في وحدة القيادة أوريون، الطاقة اللازمة لأنظمة المركبة أثناء الطيران. وكان الجهد الكهربائي، 28 فولت تيار مستمر ، مشابهًا للجهد المستخدم في مركبة أبولو الفضائية أثناء الطيران.

كان من المقرر تغليف وحدة الخدمة (SM) لمركبة أوريون بأغطية من الألياف الزجاجية تُفصل في نفس وقت فصل غطاء الحماية الخاص بوحدة الإطلاق/التعزيز، وذلك بعد حوالي دقيقتين ونصف من الإطلاق ( أي بعد 30 ثانية من فصل المرحلة الأولى من الصاروخ الصلب). قبل إعادة تصميم "أوريون 606"، كانت وحدة الخدمة (SM) لمركبة أوريون تشبه نسخة مكبّرة ومختصرة من وحدة خدمة أبولو . حافظ تصميم "أوريون 606" لوحدة الخدمة على عرض 5 أمتار (16 قدمًا) لربط وحدة الخدمة بوحدة القيادة (CM) لمركبة أوريون، ولكنه استخدم تصميمًا مشابهًا لوحدة خدمة سويوز لتمكين شركة لوكهيد مارتن من جعل المركبة أخف وزنًا، مما سمح بتركيب الألواح الشمسية ذات العشرة أضلاع في منتصف الوحدة، بدلًا من تركيبها في القاعدة بالقرب من محول المركبة الفضائية/الصاروخ، الأمر الذي كان من شأنه أن يعرض الألواح للتلف. 

صُممت وحدة خدمة أوريون (SM) بشكل أسطواني ، بقطر 5 أمتار (16 قدمًا) وطول إجمالي (يشمل المحرك) 4.78 متر (15 قدمًا و8 بوصات) . وكانت كتلتها الفارغة المتوقعة 3600 كيلوغرام (8000 رطل) ، وسعة وقودها 8200 كيلوغرام (18000 رطل) . ^{[ 6 ] [ 7 ]}         

أظهرت مراجعة أجرتها لجنة أوغسطين الجديدة عام 2009، بناءً على طلب إدارة أوباما آنذاك، لبرنامج كونستليشن، أن برنامج تطوير وحدة الخدمة، بعد خمس سنوات من انطلاقه، كان متأخرًا أربع سنوات عن هدفه القمري لعام 2020، ويعاني من نقص حاد في التمويل. وكان العنصر الوحيد الجدير بالاستمرار هو مركبة استكشاف الطاقم، التي تُستخدم ككبسولة هروب من محطة الفضاء الدولية. ^{[ 8 ]} ونتيجةً لذلك، ألغت الإدارة البرنامج عام 2010 بسحب التمويل من ميزانية 2011 المقترحة. وأدى استياء شعبي واسع إلى تجميد البرنامج بدلًا من إلغائه نهائيًا، وبدأت مراجعة لكيفية خفض التكاليف، وخلصت إلى إمكانية استمراره بالتركيز على إيجاد مصادر تمويل بديلة، وتبسيطه بتضييق نطاقه ليقتصر على القمر والفضاء السحيق بدلًا من المريخ، وإعادة استخدام المعدات الموجودة، مما يقلل من نطاق المعدات التي تتطلب التطوير. كان صاروخ آريس 1، المُصمم لرحلات الطاقم، يعاني من مشاكل تصميمية كبيرة، كزيادة وزنه وميله للاهتزازات الخطيرة، وفي حالة حدوث عطل كارثي، كان نصف قطر الانفجار يتجاوز مدى نظام القذف. لذا، استُبدل دوره كمركبة إطلاق أوريون بنظام إطلاق الفضاء ، ودُمجت تصاميم مركبات استكشاف الطاقم الثلاثة المختلفة في مركبة استكشاف طاقم متعددة الأغراض واحدة.

في مايو 2011، أعلن المدير العام لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) عن تعاون محتمل مع وكالة ناسا لتطوير مركبة نقل آلية (ATV) تابعة لوكالة الفضاء الأوروبية. ^{[ 9 ]} ويمكن احتساب توفير وكالة الفضاء الأوروبية لهذه المركبة ضمن حصتها البالغة 8% من تكاليف تشغيل محطة الفضاء الدولية (ISS)؛ إذ غطت مهمات مركبة النقل الآلية (ATV) لتزويد المحطة بالإمدادات هذا الالتزام حتى عام 2017 فقط. وفي 21 يونيو 2012، أعلنت شركة أستريوم عن فوزها بعقدين منفصلين لإجراء دراستين لتقييم مهمات مستقبلية محتملة، بالاعتماد على التكنولوجيا والخبرة المكتسبة من تطويرها لمركبة النقل الآلية (ATV) ومختبر كولومبوس . تناولت الدراسة الأولى بناء وحدة خدمة تُستخدم بالتزامن مع كبسولة أوريون. ^{[ 10 ]} أما الدراسة الثانية، فبحثت في إنتاج مركبة مدارية متعددة الأغراض. وبلغت قيمة كل دراسة 6.5 مليون يورو. ^{[ 11 ]}

في نوفمبر 2012، حصلت وكالة الفضاء الأوروبية على التزام من الدول الأعضاء فيها ببناء وحدة خدمة مشتقة من مركبة النقل الآلية (ATV) لمركبة أوريون، لتُستخدم في الرحلة التجريبية الأولى لنظام الإطلاق الفضائي ، وبذلك تفي الوكالة بالتزاماتها المالية تجاه وكالة ناسا فيما يتعلق بمحطة الفضاء الدولية للفترة 2017-2020. ^{[ 12 ]} ولم يُتخذ أي قرار بشأن تزويد أوريون بهذه الوحدة لرحلات لاحقة. ^{[ 13 ]}

في يناير 2013، أعلنت وكالة ناسا عن اتفاقها، الذي أبرمته في ديسمبر من العام السابق، مع وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) لبناء وحدة الخدمة لمهمة الاستكشاف الأولى (التي أعيد تسميتها لاحقًا إلى أرتميس 1 )، والمقرر إجراؤها في عام 2017. لم تكن وحدة الخدمة هذه مطلوبة لاختبار الطيران الاستكشافي الأول في عام 2014، حيث استخدمت وحدة خدمة اختبارية من شركة لوكهيد مارتن. ^{[ 14 ]} في 17 نوفمبر 2014، وقّعت وكالة الفضاء الأوروبية عقدًا ثابت السعر بقيمة 390 مليون يورو مع شركة إيرباص للدفاع والفضاء لتطوير وبناء أول وحدة خدمة تعتمد على مركبة النقل الآلية (ATV). ^{[ 15 ]} في ديسمبر 2016، وافقت الدول الأعضاء في وكالة الفضاء الأوروبية على تمديد التزامها تجاه محطة الفضاء الدولية حتى عام 2024، وتوفير وحدة خدمة ثانية، كجزء من الالتزام المالي الناتج. ^{[ 16 ]}

يبلغ قطر وحدة الخدمة حوالي 5.0 أمتار (16.5 قدم) وطولها 4.0 أمتار (13 قدم) ، وهي مصنوعة من سبيكة الألومنيوم والليثيوم . ^{[ 17 ] [ 18 ]}  

بالنسبة للوحدات الست الأولى للخدمة، سيكون المحرك الرئيسي من طراز AJ10-190 المُجدد ، والذي سبق استخدامه مع نظام المناورة المدارية لمكوك الفضاء ، مُقدماً من وكالة ناسا . ^{[ 18 ]} على سبيل المثال، سبق للمحرك المستخدم في مهمة أرتميس 1 أن شارك في 19 مهمة لمكوك الفضاء، مُنفذاً 89 عملية احتراق. ^{[ 17 ]} يُوفر هذا المحرك قوة دفع تبلغ 26.6 كيلونيوتن (6000 رطل _{) .} ^{[ 2 ]} يتمتع تصميم AJ10 بتاريخ عريق، يعود إلى عام 1957 عندما طُوّر لصاروخ فانغارد ، أحد أوائل مركبات الإطلاق الأمريكية. كما استُخدمت نسخة مُعدلة من AJ10 في وحدة خدمة أبولو. ^{[ 19 ]} بالنسبة للمهام المستقبلية، ستُقدم شركة إيروجيت روكيتداين ما يصل إلى 20 محركاً رئيسياً جديداً لمركبة أوريون، استناداً إلى تصميم AJ10. ^{[ 20 ]} 

بالمقارنة مع وحدة القيادة والخدمة الخاصة ببرنامج أبولو ، والتي كانت تنقل رواد الفضاء إلى القمر سابقًا، فإن وحدة الخدمة الأوروبية (ESM) تولد ما يقرب من ضعف كمية الكهرباء (11.2  كيلوواط مقابل 6.3  كيلوواط)، وتزن ما يقرب من 40٪ أقل عند امتلاءها بالوقود (15461  كجم، ^{[ 21 ]} مقابل 24520  كجم) وهي تقريبًا بنفس الحجم (4  أمتار في الطول باستثناء المحرك ^{[ 22 ]} و4.1  متر مقابل 3.9  متر في القطر) مما يدعم البيئة لحجم قابل للسكن أكبر قليلاً (45٪) في وحدة الطاقم (8.95 متر ^مكعب مقابل 6.17 متر ^مكعب ) على الرغم من أنها ستحمل وقودًا أقل بنسبة 50٪ للمناورات المدارية (8600  كجم من الوقود القابل للاستخدام مقابل 18584  كجم).

سيكون بإمكان وحدة دعم الفضاء (ESM) دعم طاقم مكون من أربعة أفراد لمدة 21 يومًا، وهو ما يتجاوز قدرة التحمل التي تبلغ 14 يومًا لبرنامج أبولو المكون من ثلاثة أفراد.

التصميم الجديد للألواح الشمسية، الذي يحل محل تصميم ATK ذي الشكل العشري (المسمى "الدائري") UltraFlex، ^{[ 23 ]} من ابتكار شركة إيرباص للدفاع والفضاء ، ^{[ 17 ]} التي قامت شركتها التابعة، إيرباص هولندا (المعروفة آنذاك باسم داتش سبيس)، ببناء مصفوفة الألواح الشمسية على شكل حرف X والمكونة من أربعة ألواح للمركبة الفضائية ATV. كان من المتوقع أن تولد مصفوفة ATV طاقة 4.6 كيلوواط. أما النسخة المطورة لوحدة الخدمة فستولد حوالي 11 كيلوواط، ^{[ 23 ]} وسيبلغ طولها حوالي 19 مترًا (62 قدمًا) عند تمديدها. ^{[ 17 ]}  

في سبتمبر 2015، وقعت شركة تاليس ألينيا سبيس عقدًا مع شركة إيرباص للدفاع والفضاء لتطوير وإنتاج أنظمة حرارية ميكانيكية لوحدة الخدمة، بما في ذلك حماية الهيكل من النيازك الدقيقة، والتحكم الحراري، وتخزين وتوزيع المواد الاستهلاكية. ^{[ 24 ]}

تقوم شركة لوكهيد مارتن ببناء المحولين اللذين يربطان وحدة الخدمة بوحدة الطاقم وبالمرحلة العليا من نظام إطلاق الفضاء، بالإضافة إلى ألواح الغطاء الثلاثة التي يتم التخلص منها بعد حماية وحدة الخدمة أثناء الإطلاق والصعود. ^{[ 17 ]}

منذ عام 2017

في 16 فبراير 2017، تم توقيع عقد بقيمة 200 مليون يورو بين شركة إيرباص ووكالة الفضاء الأوروبية لإنتاج وحدة خدمة أوروبية ثانية لاستخدامها في أول رحلة مأهولة لمركبة أوريون. ^{[ 25 ]}

في 26 أكتوبر 2018 تم تجميع الوحدة الأولى من أرتميس 1 بالكامل في مصنع إيرباص للدفاع والفضاء في بريمن . ^{[ 26 ]}

في نوفمبر 2019، وافقت الدول الأعضاء في وكالة الفضاء الأوروبية على تمويل وحدات الخدمة الأوروبية لبرنامجي أرتميس 3 و4. ^{[ 27 ]} وفي مايو 2020، تم توقيع العقد بين شركة إيرباص ووكالة الفضاء الأوروبية لإنتاج وحدة الخدمة الأوروبية الثالثة. ^{[ 28 ]}

في أكتوبر 2020، وقعت وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة ناسا مذكرة تفاهم تتضمن قيام وكالة الفضاء الأوروبية بتوفير ESM-4 و ESM-5 كجزء من المشاركة في محطة الفضاء Gateway، مما يسمح بثلاث رحلات لرواد فضاء أوروبيين إلى مدار القمر بين عامي 2025 و 2030. ^{[ 29 ]}

في فبراير 2021، تم توقيع العقد بين شركة إيرباص ووكالة الفضاء الأوروبية لتزويد ESM-4 إلى ESM-6. ^{[ 30 ]}

شهدت مهمة أرتميس 2 لعام 2026 أول رحلة مأهولة لمركبة أوريون الفضائية ووحدة الدعم الأرضي (ESM). بعد انفصالهما عن المرحلة العليا، أجرى الطاقم تجربة محاكاة لعمليات الاقتراب باستخدام وحدة الدعم الأرضي ووحدة الدفع المبردة المؤقتة (ICPS) كهدف. على مدار 70 دقيقة تقريبًا، تحكم رائد الفضاء فيكتور غلوفر يدويًا بالمركبة الفضائية، مُنفذًا سلسلة من المناورات لتقييم خصائص التحكم وممارسة تقنيات عمليات الالتحام المستقبلية . زُوّدت وحدة الدفع المبردة المؤقتة بهدف الالتحام، مما مكّن من اختبار قدرة وحدة الدعم الأرضي على المناورة بالنسبة لمركبة فضائية أخرى باستخدام أجهزة استشعار الملاحة ومحركات التحكم في رد الفعل الموجودة على متنها. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}

في اليوم الثاني من الرحلة، وبعد إتمام عمليات المدار الأرضي العالي وفحوصات النظام، نفّذت مركبة أوريون عملية احتراق للحقن العابر للقمر (TLI) استغرقت 5 دقائق و49 ثانية باستخدام المحرك الرئيسي AJ10 التابع لوحدة الدعم الأرضية (ESM ). وكان هذا الاستخدام الوحيد للمحرك الرئيسي خلال المهمة؛ حيث نُفّذت المناورات اللاحقة بواسطة المحركات الثانوية الثمانية الأصغر حجمًا من طراز R-4D . ^{[ 34 ]} استهلكت عملية الاحتراق ما يقارب 450 كيلوغرامًا من الوقود، ووضعت المركبة الفضائية على مسار عودة حرة حول القمر، ولم تتطلب سوى تصحيحات طفيفة للمسار لبقية المهمة. ^{[ 35 ]} 

في اليوم الرابع من الرحلة، تناوب رائدا الفضاء كريستينا كوتش وجيريمي هانسن على التحكم اليدوي بالمركبة الفضائية خلال تقييم استمر 41 دقيقة لقدرتها على المناورة في الفضاء السحيق، حيث اختبرا وضعي التحكم في المحركات بست درجات حرية وثلاث درجات حرية. ^{[ 36 ]}

أُلغي اختبار مماثل للتحكم اليدوي كان مُخططًا له في اليوم الثامن من الرحلة، ليتمكن المراقبون من إجراء اختبارات إضافية لنظام الدفع. وقد أتاح هذا التغيير للمهندسين جمع بيانات حول تسرب صغير للهيليوم في وحدة الدعم الإلكتروني (ESM) وتحديد خصائص سلوكها أثناء الطيران بشكل أفضل. ^{[ 34 ] [ 37 ]}

كان التسرب في نظام ضغط الهيليوم الخاص بوحدة الدعم الأرضي، والذي يُستخدم لتزويد محركات المركبة الفضائية ودوافعها بالوقود. ووفقًا لوكالة ناسا، حدث التسرب عبر صمامات في دائرة الضغط الخاصة بجانب المؤكسد، ولم يؤدِّ إلى فقدان أي وقود في الفضاء. لم يؤثر هذا العطل على أداء الدفع، وتم إنجاز جميع عمليات الاحتراق الرئيسية بنجاح. ونظرًا لانخفاض متطلبات الدفع نسبيًا لمسار العودة الحرة للمهمة، احتفظت المركبة الفضائية بهوامش وقود كبيرة، وخلصت ناسا إلى أن التسرب لا يشكل أي خطر على نجاح المهمة أو سلامة الطاقم. ^{[ 34 ]}

لدعم عمليات التشخيص أثناء الطيران، عدّل مراقبو المهمة خطة الرحلة لإعطاء الأولوية لاختبار نظام الدفع، بما في ذلك التغيرات الحرارية وتغيرات الوضعية، وذلك لتحديد خصائص التسرب بشكل أفضل في ظل ظروف مختلفة. ولأن وحدة الدعم الإلكتروني تُفصل قبل دخول الغلاف الجوي وتُدمّر فيه، فقد وفرت هذه الاختبارات الفرصة الوحيدة لجمع بيانات تفصيلية عن الأجهزة المتضررة. ^{[ 34 ]}

أشارت التقييمات التي أُجريت بعد الرحلة إلى أن معدل التسرب الذي لوحظ أثناء الطيران كان أعلى من المتوقع. وصرح مسؤولون في وكالة ناسا بأن هذه المشكلة ستتطلب على الأرجح تعديلات في تصميم نظام صمامات وحدة الدعم الأرضي (ESM) في المهمات المستقبلية. ومن المتوقع أن تُسهم البيانات التي جُمعت خلال مهمة أرتميس 2 في هذه التحديثات، لا سيما بالنسبة للمهمات التي تتطلب عمليات دفع أكثر تعقيدًا، مثل أنشطة المدار القمري المستدام. ^{[ 34 ]}