Estudio de arquitectura de sistemas de exploración

El Estudio de Arquitectura de Sistemas de Exploración ( ESAS , por sus siglas en inglés) fue un estudio de 90 días sobre sistemas de vuelos espaciales tripulados , realizado por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) entre mayo y julio de 2005. El informe final se publicó en noviembre de 2005. El informe presentó recomendaciones para la implementación de la Visión para la Exploración Espacial . El informe recomendó el enfoque adoptado en el programa Constellation , que fue cancelado en 2010 y reemplazado por el programa Artemis .

El administrador de la NASA, Michael Griffin, ordenó una serie de cambios en la estrategia de adquisición del Vehículo de Exploración Tripulada (ahora Orion MPCV ), diseñada originalmente por su predecesor, Sean O'Keefe . Los planes de Griffin favorecían un diseño que él mismo había desarrollado como parte de un estudio para la Planetary Society , en lugar de los planes previos para un Vehículo de Exploración Tripulada desarrollados en paralelo por dos equipos competidores. Estos cambios se propusieron en un estudio interno llamado Estudio de Arquitectura de Sistemas de Exploración, ^{[ 1 ]} cuyos resultados se presentaron oficialmente durante una conferencia de prensa celebrada en la sede de la NASA en Washington, D.C. , el 19 de septiembre de 2005.

El ESAS incluyó una serie de recomendaciones para acelerar el desarrollo del CEV y la implementación del Proyecto Constellation , incluidas estrategias para realizar vuelos tripulados del CEV ya en 2012 y métodos para dar servicio a la Estación Espacial Internacional (ISS) sin el uso del Transbordador Espacial , ^{[ 2 ]} utilizando versiones de carga del CEV.

Originalmente programado para su lanzamiento el 25 de julio de 2005, después de la misión "Regreso al vuelo" del Discovery , el lanzamiento del ESAS se retrasó hasta el 19 de septiembre, supuestamente debido a las malas críticas de la presentación del plan y cierta resistencia de la Oficina de Administración y Presupuesto . ^{[ 2 ]}

Las estrategias iniciales de adquisición del CEV, bajo la dirección de Sean O'Keefe, contemplaban dos fases de diseño. Las propuestas presentadas en mayo de 2005 formarían parte de la Fase 1, a la que seguiría un lanzamiento orbital o suborbital de la nave demostradora tecnológica FAST en 2008. La selección de un contratista para la Fase 2 del programa se habría realizado ese mismo año. El primer vuelo tripulado del CEV no se habría producido hasta 2014. En el plan original, impulsado por el exadministrador de la NASA, Sean O'Keefe, el CEV se lanzaría mediante un Vehículo de Lanzamiento Desechable Evolucionado (EELV), concretamente el Boeing Delta IV Heavy o el Lockheed Martin Atlas V Heavy.

Sin embargo, con el cambio de administradores de la NASA, Mike Griffin desechó este cronograma, considerándolo inaceptablemente lento, y pasó directamente a la Fase 2 a principios de 2006. Encargó un estudio interno de 60 días para una revisión de los conceptos —ahora conocido como ESAS— que favorecía el lanzamiento del CEV en un vehículo de lanzamiento derivado del transbordador . Además, Griffin planeó acelerar o modificar varios aspectos del plan original publicado el año anterior . En lugar de un vuelo de prueba del CEV en 2008, la NASA habría pasado a la Fase 2 del programa CEV en 2006, con vuelos del CEV que habrían comenzado ya en junio de 2011.

El ESAS solicitó el desarrollo de dos vehículos de lanzamiento derivados del transbordador para apoyar el programa Constellation ; ^{[ 3 ]} uno derivado del cohete propulsor sólido del transbordador espacial que se convertiría en el ahora cancelado Ares I para lanzar el CEV, y un vehículo de carga pesada en línea que utilizaba SRB y el tanque externo del transbordador para lanzar la Etapa de Partida de la Tierra y el Módulo de Acceso a la Superficie Lunar que se conocía como Ares V (este diseño se reutilizó para el Sistema de Lanzamiento Espacial ). El rendimiento del Vehículo de Lanzamiento Derivado del Transbordador de Carga (SDLV) sería de 125 a 130 toneladas métricas a la Órbita Terrestre Baja (LEO). Un SDLV permitiría una carga útil mucho mayor por lanzamiento que una opción EELV.

La tripulación sería lanzada en el CEV sobre una versión de cinco segmentos del propulsor de cohete sólido del transbordador y una nueva etapa superior de propulsor líquido basada en el tanque externo del transbordador. Originalmente, iba a ser propulsado por una versión desechable del motor principal del transbordador espacial , pero posteriormente se cambió a una versión modernizada y mejorada del motor de cohete J-2 (conocido como J-2 X), utilizado en las etapas superiores S-IVB de los cohetes Saturno IB y Saturno V. Este propulsor sería capaz de colocar hasta 25 toneladas en órbita terrestre baja. El propulsor utilizaría componentes que ya han sido certificados para vuelos tripulados.

La carga se lanzaría en una versión de carga pesada del Transbordador Espacial, que sería un propulsor en línea que montaría las cargas útiles en la parte superior del propulsor. La opción en línea originalmente incluía cinco versiones desechables de los motores SSME en la etapa central, pero posteriormente se cambió a cinco motores de cohete RS-68 (actualmente en uso en el cohete Delta IV Heavy ), con mayor empuje y menor costo, lo que requirió un ligero aumento en el diámetro total del núcleo. Dos cohetes propulsores sólidos ampliados de cinco segmentos ayudarían a los motores RS-68 a impulsar la segunda etapa del cohete, conocida como Etapa de Partida de la Tierra (EDS), y la carga útil hacia la órbita terrestre baja (LEO). Podía transportar aproximadamente 125 toneladas a LEO y se estimaba que costaría 540 millones de dólares por lanzamiento.

La infraestructura del Centro Espacial Kennedy , incluyendo el Edificio de Ensamblaje de Vehículos (VAB) y las plataformas de lanzamiento del transbordador LC-39A y LC-39B, se mantuvo y adaptó a las necesidades de futuros vehículos de lanzamiento gigantes. Posteriormente se construyó la nueva plataforma LC-39C para dar soporte a vehículos de lanzamiento pequeños, con la opción de construir la LC-39D o reactivar las antiguas plataformas LC-34 o LC-37A en la cercana Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral, utilizadas por el Saturno IB en las primeras misiones orbitales terrestres del programa Apolo.

La ESAS recomendó estrategias para el vuelo tripulado del CEV para 2014 y respaldó un enfoque de encuentro en órbita lunar a la Luna. Las versiones LEO del CEV transportarían tripulaciones de cuatro a seis personas a la ISS. La versión lunar del CEV transportaría una tripulación de cuatro personas y la CEV marciana transportaría seis. También se podría transportar carga a bordo de una versión no tripulada del CEV, similar a las naves de carga rusas Progress . Lockheed Martin fue seleccionada como contratista para el CEV por la NASA. Este vehículo finalmente se convertiría en el Orion MPCV con su primer vuelo en 2014 ( EFT-1 ), su primer vuelo tripulado en 2026 ( Artemis II ) y su primer vuelo de alunizaje en 2028 ( Artemis IV ). Solo se construyó una versión del vehículo para apoyar misiones de espacio profundo, con transferencias de tripulación a la ISS gestionadas por el Programa de Tripulación Comercial .

El módulo de reentrada CEV pesaría alrededor de 12 toneladas , casi el doble de la masa del Módulo de Comando Apolo , y, al igual que el Apolo, estaría acoplado a un módulo de servicio para soporte vital y propulsión ( Módulo de Servicio Europeo ). El CEV sería una cápsula similar a la del Apolo, con un escudo térmico tipo Viking , no un cuerpo sustentador ni un vehículo alado como el transbordador. Aterrizaría en tierra firme en lugar de en el agua, de forma similar a la nave espacial rusa Soyuz . Esto se cambiaría a un amerizaje únicamente para ahorrar peso; la CST-100 Starliner sería la primera nave espacial estadounidense en aterrizar en tierra. Entre las posibles zonas de aterrizaje identificadas se encontraban la Base de la Fuerza Aérea Edwards , California, Carson Flats ( Carson Sink ^{[ 4 ]} ), Nevada, y la zona alrededor del lago Moses, estado de Washington. Aterrizar en la costa oeste permitiría que la mayor parte de la trayectoria de reentrada se realizara sobre el Océano Pacífico en lugar de sobre zonas pobladas. El CEV utilizaría un escudo térmico ablativo (similar al del Apolo) que se desecharía después de cada uso, y el propio CEV podría reutilizarse unas 10 veces.

El desarrollo acelerado de la misión lunar estaba previsto para comenzar en 2010, una vez retirado el transbordador espacial. El Módulo de Acceso a la Superficie Lunar (LSAM), que más tarde se conocería como Altair , y el cohete propulsor pesado ( Ares V ) se desarrollarían en paralelo y estarían listos para el vuelo en 2018. El objetivo final era lograr un alunizaje en 2020; el Programa Artemis ahora apunta a un alunizaje en 2028. El LSAM sería mucho más grande que el Módulo Lunar Apolo y sería capaz de transportar hasta 23 toneladas de carga a la superficie lunar para dar soporte a un puesto avanzado lunar.

Al igual que el módulo lunar Apolo, el LSAM incluiría una etapa de descenso para el aterrizaje y una etapa de ascenso para el regreso a la órbita. La tripulación de cuatro personas viajaría en la etapa de ascenso. Esta etapa se impulsaría con un combustible de metano / oxígeno para el regreso a la órbita lunar (posteriormente se cambió a hidrógeno líquido y oxígeno líquido, debido a la incipiente tecnología de propulsión de cohetes de oxígeno/metano). Esto permitiría utilizar una variante del mismo módulo de aterrizaje en futuras misiones a Marte, donde el propulsor de metano se puede fabricar a partir del suelo marciano mediante un proceso conocido como Utilización de Recursos In Situ (ISRU). El LSAM mantendría a la tripulación de cuatro personas en la superficie lunar durante aproximadamente una semana y utilizaría vehículos exploradores avanzados para explorar la superficie lunar. La enorme cantidad de carga transportada por el LSAM sería extremadamente beneficiosa para el sostenimiento de una base lunar y para el traslado de gran cantidad de equipo científico a la superficie lunar. Artemis utilizará módulos de aterrizaje lanzados por separado bajo el Programa CLPS para entregar equipo de apoyo para puestos avanzados lunares.

El perfil de la misión lunar consistía en una combinación de encuentro en órbita terrestre y encuentro en órbita lunar (LOR). Primero, el LSAM y el EDS se lanzarían sobre el vehículo de carga pesada derivado del transbordador ( Ares V ). El EDS sería una variante de la etapa superior S-IVB utilizada en el cohete Saturno V y emplearía un único motor J-2X similar al del propulsor derivado del SRB (originalmente se iban a utilizar dos motores J-2X, pero los motores RS-68 para la etapa central permitirán a la NASA utilizar solo uno). Posteriormente, la tripulación se lanzaría en el CEV sobre el propulsor derivado del SRB ( Ares I ), y el CEV y el LSAM se acoplarían en órbita terrestre. Finalmente, el EDS enviaría el complejo a la Luna. El LSAM transportaría el complejo a la órbita lunar (de forma similar al cohete Block D del fallido intento soviético de llegar a la Luna en las décadas de 1960 y 1970). Allí, cuatro astronautas abordarían el LSAM para descender a la superficie lunar y realizar una semana de exploración. Parte del LSAM podría dejarse en tierra con carga para comenzar el establecimiento de un puesto avanzado a largo plazo.

Tanto el LSAM como el CEV lunar llevarían una tripulación de cuatro personas. Toda la tripulación descendería a la superficie lunar, dejando el CEV desocupado. ^{[ 5 ]} Después de haber pasado el tiempo en la superficie lunar, la tripulación regresaría a la órbita lunar en la etapa de ascenso del LSAM. El LSAM se acoplaría con el CEV. La tripulación regresaría al CEV y desecharía el LSAM, y luego el motor del CEV pondría a la tripulación en rumbo de regreso a la Tierra. Luego, de manera similar al Apolo, el módulo de servicio sería desechado y el CEV descendería para aterrizar mediante un sistema de tres paracaídas.

En última instancia , se construiría un puesto avanzado lunar patrocinado por la NASA , posiblemente cerca del polo sur de la Luna. Sin embargo, esta decisión aún no se había tomado y dependería de la posible participación internacional y comercial en el proyecto de exploración. El Programa Artemis espera establecer un pequeño puesto avanzado lunar internacional para 2028.

El uso de CEV escalables y un módulo de aterrizaje con motores alimentados con metano permitió realizar pruebas de hardware significativas para las misiones a Marte en la Luna. Las futuras misiones a Marte comenzarían a planificarse en detalle alrededor de 2020 e incluirían el uso de ISRU lunar y serían de "clase conjunción", lo que significa que, en lugar de sobrevolar Venus y pasar entre 20 y 40 días en la superficie marciana, la tripulación iría directamente a Marte y regresaría, dedicando entre 500 y 600 días a explorar el planeta.

La ESAS estimó que el coste del programa lunar tripulado hasta 2025 sería de 217.000 millones de dólares, tan solo 7.000 millones más que el presupuesto de exploración previsto por la NASA para ese mismo periodo.

Inicialmente se afirmó que la propuesta ESAS era viable utilizando únicamente los fondos existentes de la NASA, sin recortes significativos en otros programas de la agencia; sin embargo, pronto se hizo evidente que se necesitaba mucho más dinero. Los partidarios de Constellation vieron esto como una justificación para cancelar el programa del Transbordador Espacial lo antes posible, y la NASA implementó un plan para finalizar el apoyo tanto al Transbordador como a la Estación Espacial Internacional (ISS) en 2010. Esto ocurrió unos 10 años antes de lo previsto para ambos programas. Esto generó fuertes objeciones por parte de los socios internacionales, quienes consideraban que Estados Unidos no estaba cumpliendo sus compromisos, y preocupación en el Congreso de que la inversión en la ISS se desperdiciara.

A partir de abril de 2006, surgieron algunas críticas sobre la viabilidad del estudio ESAS original. Estas giraban principalmente en torno al uso de combustible de metano-oxígeno. La NASA inicialmente buscaba esta combinación porque podía extraerse in situ del suelo lunar o marciano , algo potencialmente útil en misiones a estos cuerpos celestes. Sin embargo, la tecnología era relativamente nueva y no había sido probada. Añadiría un tiempo considerable al proyecto y un peso significativo al sistema.

En julio de 2006, la NASA respondió a estas críticas cambiando el plan a combustibles para cohetes tradicionales (hidrógeno líquido y oxígeno para el LSAM e hipergólicos para el CEV). Esto redujo el peso y acortó el plazo del proyecto. ^{[ 6 ]}

Sin embargo, la principal crítica al ESAS se basó en sus estimaciones de seguridad y costo. Los autores utilizaron la tasa de fallos de lanzamiento del Titan III y IV como estimación de la tasa de fallos del Delta IV Heavy. El Titan combinaba una etapa central derivada de un misil balístico intercontinental (ICBM) temprano con grandes propulsores segmentados de combustible sólido y una etapa superior de hidrógeno desarrollada previamente. Era un vehículo complejo y tenía una tasa de fallos relativamente alta. En contraste, el Delta IV Heavy era un diseño completamente nuevo, aún en servicio, que utilizaba únicamente propulsor líquido. Por otro lado, la tasa de fallos del cohete propulsor de combustible sólido del transbordador espacial se utilizó para estimar la tasa de fallos del Ares I; sin embargo, solo se consideraron los lanzamientos posteriores a la pérdida del Challenger, y cada lanzamiento del transbordador se consideró como dos lanzamientos exitosos del Ares, a pesar de que los cohetes propulsores de combustible sólido del transbordador no incluyen sistemas de guiado ni de control de balanceo.

En ese momento, el Delta IV se lanzaba desde el Complejo 37 de la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral, y el fabricante, United Launch Alliance , había propuesto lanzar vuelos tripulados desde allí. Sin embargo, en la estimación de costos, la ESAS asumió que todos los diseños competidores tendrían que lanzarse desde el Complejo de Lanzamiento 39, y que el Edificio de Ensamblaje de Vehículos, las Plataformas Móviles de Lanzamiento y las plataformas A y B tendrían que modificarse para acomodarlos. Las instalaciones del LC-39 son mucho más grandes, más complejas, más antiguas y más costosas de mantener que las modernas instalaciones del Complejo 37, y son completamente inapropiadas para el Delta, que se integra horizontalmente y se transporta sin combustible. Esta suposición no se justificó en el informe y aumentó considerablemente el costo operativo estimado para el Delta IV. Finalmente, la decisión en 2011 de agregar una prueba no tripulada de Orion en un Delta IV, según afirman los críticos, contradice la conclusión de la ESAS de que esto era inviable.

El Comité de Revisión de los Planes de Vuelos Espaciales Tripulados de Estados Unidos (también conocido como Comité HSF , Comisión Augustine o Comité Augustine ) fue un grupo convocado por la NASA a solicitud de la Oficina de Política Científica y Tecnológica (OSTP) para revisar los planes de vuelos espaciales tripulados del país y asegurar "un camino sólido y sostenible para alcanzar sus aspiraciones más ambiciosas en el espacio". La revisión fue anunciada por la OSTP el 7 de mayo de 2009. Cubrió las opciones de vuelos espaciales tripulados después de que la NASA planeara retirar el Transbordador Espacial . El 8 de septiembre de 2009 se entregó un informe resumido al Director de la OSTP , John Holdren , a la Oficina de Política Científica y Tecnológica de la Casa Blanca (OSTP) y al Administrador de la NASA. Se estimó que el costo asociado con la revisión sería de 3 millones de dólares estadounidenses. El comité tenía previsto estar activo durante 180 días; el informe se publicó el 22 de octubre de 2009.

El Comité consideró que el programa Constellation, con nueve años de antigüedad, estaba tan retrasado, con fondos insuficientes y un presupuesto excesivo que sería imposible alcanzar sus objetivos. El presidente Obama eliminó el programa del presupuesto de 2010, cancelándolo de facto. Uno de sus componentes, la cápsula tripulada Orion , se reincorporó a los planes, pero como vehículo de rescate para complementar a la Soyuz rusa en el regreso de las tripulaciones de la Estación a la Tierra en caso de emergencia.

El objetivo final propuesto para los vuelos espaciales tripulados parece requerir dos objetivos básicos: (1) sostenibilidad física y (2) sostenibilidad económica. El Comité añade un tercer objetivo: cumplir con los objetivos nacionales clave. Estos podrían incluir la cooperación internacional, el desarrollo de nuevas industrias, la independencia energética, la reducción del cambio climático, el prestigio nacional, etc. Por lo tanto, el destino ideal debería contener recursos como agua para sustentar la vida (que también proporciona oxígeno para respirar e hidrógeno para combinar con oxígeno para el combustible de cohetes), y metales preciosos e industriales y otros recursos que puedan ser valiosos para la construcción espacial y que, en algunos casos, valdría la pena traer de vuelta a la Tierra (por ejemplo, véase la minería de asteroides ).

• Vehículo de exploración de la tripulación
• Sistema de Transporte Espacial para la Tripulación
• propulsor de cohete líquido
• Sistema de lanzamiento reutilizable
• Vehículo derivado del transbordador
• Cohete propulsor de combustible sólido del transbordador espacial

• Estudio de la arquitectura de los sistemas de exploración de la NASA archivado el 4 de octubre de 2016 en Wayback Machine.
• Sitio web oficial de la NASA sobre constelaciones
• Sitio web oficial de Orion de la NASA
• Sitio web oficial del programa Ares de la NASA archivado el 11 de agosto de 2009 en Wayback Machine.
• Casa Blanca: Un espíritu de descubrimiento renovado
• Comisión Presidencial sobre la Implementación de la Política de Exploración Espacial de Estados Unidos
• NASA: Sistemas de Exploración
• Apolo 2.0: El programa lunar bajo los efectos de las drogas
• Sociedad Espacial Nacional
• La NASA presenta formalmente su arquitectura para la exploración lunar. Archivado el 2 de diciembre de 2005 en Wayback Machine.
• La NASA revive el programa Apolo, mientras que la ciencia de la vida espacial se ve gravemente afectada.
• Fotos en alta resolución de la nueva nave espacial de la NASA.
• Hoja informativa de ESAS
• Presentación de ESAS
• Informe completo de ESAS archivado el 20/11/2007 en Wayback Machine .
• Apéndice ESAS con configuraciones de vehículos de lanzamiento
• Animación QuickTime
• Spacedaily en ESAS