Sistemas de propulsión y de energía eléctrica del CM de Orion

 -Sistemas del módulo de comando o módulo de tripulación de la nave Orion-

Sistema de propulsión

(NASA)

Tanto el sistema de propulsión como el de energía del módulo de tripulación de la nave Orion reciben la contribución de apoyo del módulo de servicio durante la mayor parte de la misión. El módulo de mando  o de comando, o de tripulación y también denominado CM, en sí, está provisto de un sistema de control de reacción (RCS por Reaction Control System) de propulsión monopropelente de hidracina (N2H4)  de alto flujo compuesto por 12 propulsores para controlar a veces la traslación, pero normalmente la actitud de tres ejes del vehículo necesarias para las maniobras críticas requeridas al reingresar a la atmósfera. El monopropelente de hidracina se almacena en dos tanques que están presurizados desde tanques de helio de alta presión independientes. Para marzo de 2011, la empresa Aerojet Rocketdyne había completado las pruebas de aceptación en el primer motor catalítico MR-104G para la futura Orion. Los propulsores son parte de la familia MR-104 que proporcionó propulsión en el espacio para una serie de proyectos, incluidos las dos naves Voyager, la sonda Magallanes y la serie de satélites de observación Landsat. La familia MR-104 también proveerá al módulo de tripulación de la Crew Space Transportation (CST)-100 Starliner de Boeing, en esta oportunidad con la variante reutilizable MR-104J calificada con éxito en las instalaciones de Aerojet Rocketdyne en Redmond, Washington en 2017. Las pruebas de este motor de hidracina fueron diseñadas para demostrar su capacidad para cumplir con los requisitos de reutilización para el sistema de propulsión de Boeing bajo el subcontrato de Capacidad de Transporte de Tripulación Comercial de la compañía. Al igual que en el caso del módulo de tripulación dela Orion, la CST-100 Starliner está provista de doce motores para proporcionar maniobrabilidad de propulsión durante el reingreso a la atmósfera terrestre. Los doce MR-104G de la Orion están dispuestos en cuatro vainas monomotoras y cuatro vainas de doble motor para proporcionar un control redundante en lo que atañe a guiñada, cabeceo y balanceo.

Propulsor MR-104 – (Foto: Aerojet Rocketdyne)

Los propulsores MR-104G entregan cada uno 712 Newtons de empuje utilizando la descomposición catalítica de hidracina sobre un lecho catalítico metálico calentado. La versión 104G incluye una serie de características de diseño mejoradas que incluyen una válvula propulsora redundante de 120 voltios, un calentador de lecho catalítico de 120V / 40W, nuevos transductores de presión de cámara y una configuración integral de montaje de propulsor. Los propulsores alimentados a presión son capaces de operar en una amplia gama de condiciones en términos de presión propulsora suministrada. Orion utiliza sus propulsores a lo largo de su secuencia de entrada, descenso y aterrizaje para mantener una actitud apropiada y modificar la elevación para controlar su rango de entrada y entregar la nave espacial a una ubicación de despliegue de paracaídas en el objetivo. Los propulsores también están activos poco antes del amerizaje para ayudar a Orión a lograr una buena orientación para el impacto con el agua. Todos los propulsores se desactivan en el momento en que se detecta el aterrizaje.

(Imagen: NASA)

La nave espacial Orion está equipada con una serie de sistemas de última generación para determinar con precisión su actitud en el espacio con el fin de orientarse adecuadamente para las diferentes fases de su misión. Orion (comenzando con EM-1) lleva rastreadores de estrellas fabricados por Ball Aerospace, cada uno con un campo de visión de 8 por 8 grados utilizando un detector CCD para tomar imágenes del cielo que son analizadas por un software interno que contiene un catálogo de miles de posiciones de estrellas para permitir que el sistema identifique constelaciones de estrellas para determinar con total precisión la orientación de los tres ejes de la nave espacial. El rastreador de estrellas opera a una alta frecuencia de muestreo tomando múltiples imágenes por segundo para realizar un seguimiento de los patrones de estrellas para poder rastrear estrellas hasta velocidades de naves espaciales de 4°/s. Orion cuenta con un sistema avanzado de guiado, navegación y control (GN&C), responsable de saber siempre dónde se encuentra la nave espacial en el espacio, hacia dónde apunta y hacia dónde va. Incluso controla el sistema de propulsión para mantener la nave espacial en el camino correcto. El sistema utiliza una serie de sensores para calcular la posición de Orión en el espacio. El software en las computadoras de Orion recibe información de estos sensores y luego le da a la nave espacial los comandos necesarios para navegar. Como la mayoría de los sistemas en la nave espacial, generalmente hay al menos dos de cada sensor para aumentar la confiabilidad. Es importante que la nave sepa donde se encuentra el Sol, pues debe tener sus células fotoeléctricas orientadas hacia él para obtener de él la energía necesaria. La Agencia Espacial Europea proporciona en este caso los sensores solares que permiten a la nave Orión comprobar su actitud, o la orientación de la nave espacial en relación con su dirección de viaje, y asegurarse de que puede apuntar sus paneles solares en la dirección correcta para producir electricidad y mantener el flujo de energía. Pero estos sensores se hallan instalados en el módulo de servicio de la ESA.

Un técnico de Jena-Optronik en Jena, Alemania, trabaja en un rastreador de estrellas, una cámara sensible que tomará imágenes del campo estelar alrededor de la nave espacial Orión. Al comparar las imágenes con su mapa incorporado de estrellas, el rastreador de estrellas puede determinar en qué dirección está orientado Orión.

Créditos: NASA/Rad Sinyak

Otra cámara que ayudará a guiar a Orión es la Navegación Óptica, u OpNav, cámara que toma imágenes de la Luna y la Tierra. Al observar el tamaño y la posición de estos dos cuerpos celestes en la imagen, la cámara OpNav puede determinar el ángulo de Orión y su distancia de ellos para mantener a Orión en curso. La cámara también puede ayudar a Orión a regresar de forma autónoma a casa si la nave espacial perdiera la comunicación con la Tierra. Para dicha comunicación Ball Aerospace es también quien ha suministrado las antenas de matriz en fase (PAA).

Este producto cumple con los requisitos tanto para el módulo de servicio como para las aplicaciones del módulo de tripulación, lo que minimiza los costos de diseño y producción.

Los sensores Lidar (Light Detection and Ranging), también construidos por Jena Optronik, son otra parte del sistema GN&C que volará a partir de la misión Artemis III. Lidar, que es la abreviatura de detección de luz y rango, es un método para determinar la distancia. Funciona dirigiendo un pulso láser a un objeto y midiendo el tiempo que tarda la luz reflejada en regresar al receptor. Cuando Orión se prepara para acoplarse con otra nave espacial en futuras misiones Artemisa, dos sensores lidar dentro del túnel del mecanismo de acoplamiento de Orión medirán la distancia desde el objetivo y ayudarán al sistema de control a unir las dos naves espaciales.

Honeywell proporcionará 14 tipos de productos para las futuras misiones tripuladas III a V del programa Artemis incluidas soluciones de hardware y software, para apoyar las misiones lunares de la NASA. En el presente aporta la Unidad de Medición Inercial de Orion que incluye un sistema giroscópico de tres ejes para rastrear con precisión la actitud de la nave espacial. El OIMU o Unidad de Medición Inercial de Orion se complementa con datos de GPS que se utilizan para determinar la posición de la nave en el espacio cercano a la Tierra.

Sistema de energía eléctrica

El módulo de tripulación Orion recibe energía del módulo de servicio que incluye los paneles solares generadores de energía de la nave espacial que entregan energía al CM a través de unidades de control y distribución de energía en el módulo de servicio y dos unidades de energía y datos en el adaptador del módulo de tripulación. Durante el vuelo libre, el eclipse y los momentos de mayor demanda de energía, Orion depende de un total de seis baterías para entregar energía a los diversos sistemas de la nave espacial utilizando cuatro buses de energía independientes de 120 voltios. El cambio de los sistemas de alimentación heredados de 28 voltios a 120 V CC permite que los medidores de cable sean más pequeños debido a la disminución de la corriente, lo que reduce la masa y crea un sistema de energía más capaz.

Las baterías de iones de litio de Orion son fabricadas por Yardney Technical Products, una compañía con décadas de experiencia en sistemas de almacenamiento de energía espacial. El desarrollo de las baterías de 120 V de Orion estuvo lleno de una serie de desafíos debido a los requisitos restringidos de envoltura y masa que impulsaron el desarrollo de un nuevo enfoque de ensamblaje de cuña forzada no tradicional para empacar las celdas individuales de la batería en la bahía de la batería utilizando un diseño de resorte de hoja única para comprimir las celdas en la carcasa. Cada batería pesa 44,8 kg y tiene una capacidad de 30 amperios-hora por batería.

(Imagen: Yardney Technical Products)