L'Orion Multi-Purpose Crew Vehicle (MPCV) è un veicolo spaziale con equipaggio, parzialmente riutilizzabile, costruito dalla NASA per essere usato sulle missioni del programma Artemis. È basato sul Crew Exploration Vehicle del programma Constellation, che avrebbe dovuto essere stato impiegato per il trasporto di astronauti in orbita lunare. Secondo i mutati piani della NASA (programma Artemis) sarà invece utilizzato in nuovi voli lunari con equipaggio, in vista di un futuro sbarco su Marte.
Al momento della cancellazione del programma Constellation l'intenzione dell'amministrazione Obama era di limitare l'Orion a compiti di "navetta di salvataggio" per la Stazione spaziale internazionale, lasciando il compito di sviluppare veicoli con equipaggio all'industria privata. Tuttavia, nel settembre 2010 il Senato degli Stati Uniti votò per ripristinare i finanziamenti per missioni oltre l'orbita bassa terrestre, rendendo obbligato per queste il ricorso all'Orion, già in fase avanzata di sviluppo, e allo Space Launch System, un razzo vettore, concettualmente simile all'Ares 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 un'altitudine di 5700km prima di ammarare nell'Oceano Pacifico, al largo della California.
Il primo volo effettuato verso la Luna è avvenuto il 16 novembre 2022 con la missione Artemis I.
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 sull'esplorazione spaziale umana.
All'interno del VSE fu annunciata l'intenzione 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 l'orbita 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 l'uso in orbita bassa terrestre in sostituzione dello Shuttle.
Orion Crew Exploration Vehicle (Orion CEV)
Il 9 dicembre 2004 la NASA emanò un documento preliminare sull'attività a favore di Orion e, successivamente, il 21 gennaio 2005 una richiesta di proposte, che si concretizzò il primo marzo 2005 con l'invito 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 l'uomo sulla Luna, su Marte e verso altre destinazioni. Questo studio implementava gli obiettivi delineati nel "Vision for Space Exploration". Inizialmente venne suggerito l'uso 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 l'esplorazione 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 l'impossibilità dell'orbiter di spingersi oltre l'orbita bassa terrestre, sia per i costi elevati.
Orion CEV nella configurazione del 2009
Il 13 giugno 2005 la NASA rese nota la scelta di due società per l'ulteriore 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 l'obbligo 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:
Nell'estate 2006 la NASA annunciò il nome della navetta e poco dopo, il 31 agosto 2006 venne pubblicato il vincitore dell'appalto: la Lockheed Martin, con cui la NASA aveva firmato un contratto fino al 2013 di 3,9 miliardi di dollari. Successivamente, nell'aprile 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.
All'inizio 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 l'ampliamento 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.
Orion MPCV attaccato a uno stadio ICPS
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. Nell'ottobre 2014 la capsula cambiò nome in Orion Multi Purpose Crew Vehicle, riprogettando interamente il modulo di servizio, ma lasciando invariato il modulo dell'equipaggio. Il 5 dicembre 2014 è avvenuto con successo il primo lancio senza equipaggio dell'Orion MPCV.
Descrizione
L'Orion Crew and Service Module (CSM) è costituito da due componenti principali: un modulo dell'equipaggio (Crew Module - CM) a forma di cono e un modulo di servizio (Service Module - SM) contenente il sistema di propulsione, i rifornimenti di bordo e i sottosistemi di supporto. L'architettura generale riprende quella del modulo di comando e servizio del programma Apollo, che per primo portò astronauti sulla Luna, ma con un diametro maggiore, un sistema di protezione termica aggiornato e tecnologie moderne. Neil Woodward, direttore dell'Integration Office del programma Space Shuttle, affermò che l'impiego di soluzioni già collaudate avrebbe contribuito a ridurre i rischi del programma.
Orion è progettata per supportare missioni di lunga durata nello spazio profondo, con fino a 21 giorni di attività con equipaggio e una vita utile quiescente del veicolo fino a sei mesi, durante i quali il supporto vitale per gli astronauti può essere fornito da un altro modulo, come il previsto Lunar Gateway.
Al momento del lancio, il veicolo Orion comprende il modulo dell'equipaggio, il modulo di servizio, un adattatore del veicolo spaziale e un sistema di abort d'emergenza (LAS) per la fase di ascesa. Il modulo dell'equipaggio è più grande rispetto a quello dell'Apollo e può ospitare un numero maggiore di astronauti sia per missioni di breve sia di lunga durata. Il modulo di servizio, nella sua configurazione operativa, è l'European Service Module, che fornisce propulsione ed energia elettrica al veicolo e immagazzina ossigeno e acqua per l'equipaggio. A differenza dell'Apollo, Orion utilizza pannelli solari al posto delle celle a combustibile, una scelta che consente missioni di durata significativamente maggiore.
Modulo dell'equipaggio
Il modulo dell'equipaggio (Crew Module - CM) di Orion, costruito dalla Lockheed Martin, è una capsula riutilizzabile che fornisce un ambiente abitabile per l'equipaggio, lo stoccaggio di consumabili e strumenti di ricerca e ospita il portello di docking per il trasferimento degli astronauti. È l'unico elemento del veicolo Orion a rientrare sulla Terra al termine di ogni missione.
Il modulo può trasportare quattro astronauti, un numero superiore ai tre del modulo dell'Programma Apollo. Pur mantenendo una configurazione simile a quest'ultimo, il CM di Orion integra numerose tecnologie moderne, tra cui:
la capacità di docking automatico (autodock), analoga a quella dei veicoli Progress, Automated Transfer Vehicle (ATV) e Dragon 2, con la possibilità per l'equipaggio di assumere il controllo manuale in caso di emergenza;
un'atmosfera mista azoto/ossigeno (N2/O2) a pressione equivalente a quella al livello del mare (101,3kPa, 14,7 psi) oppure ridotta (da 55,2kPa a 70,3kPa, 8,0-10,2 psi);
computer di bordo e sistemi avionici di nuova generazione;
un sistema per la gestione dei rifiuti, comprendente un piccolo WC compatto e un tubo di emergenza derivato da quello utilizzato sullo Space Shuttle.
Il modulo dell'equipaggio ha una forma a tronco di cono con angolo di 57,5°, con estremità posteriore smussata, un diametro di 5,02 metri, una lunghezza di 3,3 metri e una massa di circa 8,5 tonnellate. Il volume interno è superiore di circa il 50% rispetto a quello della capsula Apollo.
La struttura del CM è realizzata in lega di alluminio-litio, mentre la protezione termica è affidata al rivestimento ablativo AVCOAT, selezionato dalla NASA dopo approfonditi studi. Questo materiale, già impiegato nelle missioni Apollo e nelle prime missioni dello Space Shuttle, è composto da fibre di silice immerse in una matrice di resina all'interno di una struttura a nido d'ape.
Il recupero del modulo dell'equipaggio avviene esclusivamente tramite ammaraggio, utilizzando un sistema di paracadute riutilizzabili derivato da quelli delle capsule Apollo e dei booster a propellente solido dello Space Shuttle, realizzati in tessuto nomex.
Per consentire il docking con altri veicoli spaziali, Orion è equipaggiata con il NASA Docking System, mentre durante la fase di lancio il modulo dispone di un sistema di abort d'emergenza (Launch Abort System – LAS) e da una copertura aerodinamica protettiva (Boost Protective Cover). Nel suo complesso, Orion è progettata per offrire un livello di sicurezza durante l'ascesa e il rientro fino a dieci volte superiore a quello dello Space Shuttle.
Il modulo dell'equipaggio è concepito per essere ricondizionato e riutilizzato, con una progettazione modulare che consente l'aggiornamento dei sottosistemi nel corso del tempo, in funzione dell'introduzione di nuove tecnologie. È inoltre previsto l'impiego del Spacecraft Atmospheric Monitor, uno strumento per il monitoraggio continuo della qualità dell'atmosfera interna alla cabina.
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 40 000 km all'ora. 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 1 260 °C, quello della navetta Orion dovrà essere in grado di sostenere temperature fino a 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.
Paracadute
I paracadute di recupero, anch'essi 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 l'orientamento e la velocità prevista. Questa prima generazione è stata testata tramite il lancio di una replica del velivolo da un aereo C-17 ad un'altezza di 7 620 m. Nel dicembre 2017 è stato effettuato con successo un test con il sistema frenante costituito da undici paracadute.
Nel maggio 2011 il direttore generale dell'Agenzia Spaziale Europea annunciò una possibile collaborazione con la NASA per lo sviluppo di un successore della navetta Automated Transfer Vehicle (ATV). Il 21 giugno 2012, Airbus Defence and Space comunicò di aver ottenuto due contratti, ciascuno del valore di 6,5 milioni di euro, per valutare l'impiego delle tecnologie e dell'esperienza maturate con l'ATV e con il modulo Columbus della Stazione spaziale internazionale (ISS) in future missioni. Una delle proposte prevedeva la realizzazione di un modulo di servizio da utilizzare in combinazione con il modulo dell'equipaggio di Orion, mentre l'altra riguardava lo studio di un velivolo orbitale multifunzione.
Il 21 novembre 2012 l'ESA decise di sviluppare un modulo di servizio per Orion derivato dall'ATV. La produzione del modulo, denominato European Service Module (ESM), venne affidata ad Airbus Defence and Space presso lo stabilimento di Brema, in Germania. La NASA annunciò il 16 gennaio 2013 che il modulo di servizio europeo avrebbe volato per la prima volta sulla missione Artemis I, il volo inaugurale dello Space Launch System.
Le attività di test dell'European Service Module ebbero inizio nel febbraio 2016 presso lo Space Power Facility. Nel corso del programma, l'industria europea ha inoltre fornito sottosistemi e protezioni dedicate, come la realizzazione degli MDPS (Meteorite and Debris Protection System), scudi metallici destinati a proteggere il veicolo da micrometeoriti e detriti orbitali nel 2018 da parte dell'azienda italiana Tesi, in collaborazione con Thales Alenia Space.
Il 16 febbraio 2017 Airbus e l'ESA firmarono un contratto da 200 milioni di euro per la produzione del secondo modulo di servizio, destinato alla prima missione con equipaggio di Orion, Artemis II. Tra il 2017 e il 2021 vennero conclusi ulteriori contratti tra Airbus e l'ESA per la produzione complessiva di sei moduli di servizio destinati alle missioni del programma Artemis.
Il 26 ottobre 2018 il primo esemplare destinato ad Artemis I venne assemblato completamente presso lo stabilimento Airbus di Brema.
SLS Block I con in cima il LAS durante il lancio di Artemis I
Launch Abort System (LAS)
Il Launch Abort System (LAS) è il sistema di fuga progettato per separare il modulo dell'equipaggio di Orion dal veicolo di lancio SLS in caso di emergenza sulla rampa di lancio o durante la fase di ascesa. Il LAS utilizza tre motori a propellente solido: un motore di aborto (Abort Motor, AM), responsabile dell'accelerazione rapida della capsula lontano dal lanciatore; un motore di controllo dell'assetto (Attitude Control Motor, ACM), che stabilizza e orienta il veicolo durante la manovra; e un motore di separazione (Jettison Motor, JM), che consente la separazione del sistema di fuga dal modulo dell'equipaggio una volta conclusa la sequenza di aborto o dopo un lancio nominale.
Nel luglio 2007 Orbital Sciences, appaltatore principale del sistema LAS, assegnò alla Alliant Techsystems (ATK) un subappalto da 62,5 milioni di dollari per la progettazione, lo sviluppo, la produzione e il collaudo del motore di aborto, basato su un'architettura a "flusso inverso". Nello stesso periodo, l'azienda Aerojet ottenne il contratto per la progettazione e lo sviluppo del motore di separazione (Jettison Motor), destinato a separare il LAS dalla capsula sia dopo un lancio nominale sia in seguito a un aborto della missione. Nel 2008 ebbe inizio anche la progettazione e la costruzione delle infrastrutture dedicate ai test delle modalità di aborto della missione presso la base di White Sands Missile Range, nel Nuovo Messico. Il 28 marzo 2008 giunse al Dryden Flight Research Center della NASA un modello in scala 1:1 del modulo dell'equipaggio Orion, realizzato presso il Langley Research Center, destinato alle prove a terra. Dopo l'installazione dei computer di volo, della strumentazione e dell'elettronica, il modello venne trasferito a White Sands per l'impiego nei test del sistema di fuga. Nel luglio 2008 la NASA annunciò che ATK aveva completato la struttura di prova verticale presso il sito di Promontory, nello Utah, destinata ai test dei motori del sistema di abort del lancio.
Nel novembre 2008 la NASA e ATK completarono con successo un primo test statico del motore di aborto, effettuato senza capsula, allo scopo di validarne le prestazioni. Entro il settembre 2008, Aerojet aveva inoltre dimostrato con successo due accensioni di prova a piena scala del motore di separazione, in collaborazione con Orbital Sciences, Lockheed Martin e la NASA. Il motore di separazione viene utilizzato in ogni volo, poiché consente il distacco del LAS dal veicolo sia dopo un lancio nominale sia in seguito a un aborto della missione.
Test di aborto dalla rampa Pad Abort-1
Il primo test completo del sistema, denominato Pad Abort-1, venne condotto nel maggio 2010 con una capsula Orion di prova priva di equipaggio e rappresentativa per forma, massa e dimensioni. Il test dimostrò la capacità del LAS di espellere il modulo dell'equipaggio dalla rampa di lancio e di portarlo a una distanza e a un'altitudine di sicurezza prima della discesa controllata.
Un'ulteriore fase di validazione del sistema di fuga si svolse il 2 luglio 2019 con il test Ascent Abort-2, che simulò un'emergenza durante la fase di ascesa a lancio già avvenuto. In questo caso una capsula Orion venne lanciata mediante un vettore derivato dal missile LGM-118 Peacekeeper, modificato per riprodurre il più fedelmente possibile il profilo aerodinamico e dinamico di un lancio con lo Space Launch System. Il test si concluse con successo, confermando l'efficacia del sistema di annullamento anche nelle condizioni più critiche della salita.
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 l'anidride carbonica dell'atmosfera con idrogeno e diventare un propellente d'uso comune, ma a causa dell'immaturità dei motori a razzo ossigeno/metano quest'opzione venne scartata in favore dei più tradizionali propellenti ipergolici, in modo da poter ridurre il periodo di tempo tra il ritiro degli Shuttle e l'entrata in servizio dell'Orion 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.
Nell'ultima 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 l'accensione del propulsore del secondo stadio dell'Ares I. Questa configurazione permette di ridurre il peso di circa 450kg 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 l'atterraggio terrestre.
Nel 2012, dopo la cancellazione del programma Constellation, si riprogettò totalmente il modulo di servizio, utilizzando una versione modificata dell'ATV dell'ESA, per risparmiare e minimizzare i rischi.
Fondi
Nell'anno 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 dall'amministrazione Obama.
Note
↑NASA.gov - Budget Overviw (PDF), su nasa.gov. URL consultato il 14 settembre 2010 (archiviato dall'url originale il 1º febbraio 2010).
↑NASA Names Orion Contractor, su nasa.gov, NASA, 31 agosto 2006. URL consultato il 5 settembre 2006 (archiviato dall'url originale il 20 novembre 2011).
↑NASA – Orion Crew Exploration Vehicle (PDF), su nasa.gov, NASA, 7 febbraio 2009. URL consultato il 7 febbraio 2009 (archiviato dall'url originale l'8 aprile 2021).
↑Daniel Handlin, Chris Bergin, NASA makes major design changes to CEV, su nasaspaceflight.com, 22 luglio 2006. URL consultato il 3 marzo 2007 (archiviato dall'url originale il 5 aprile 2008).
↑Daniel Handlin, Chris Bergin, NASA sets Orion 13 for Moon Return, su nasaspaceflight.com, 11 ottobre 2006. URL consultato il 3 marzo 2007 (archiviato dall'url originale il 14 dicembre 2006).
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