Cygnus (kosmická loď)

Poté, co byl v lednu 2004 americkým prezidentem Georgem W. Bushem oznámen plán vyřazení amerických raketoplánů Space Shuttle z provozu po dokončení Mezinárodní vesmírné stanice,[2] čelila NASA hrozící závislosti na již provozovaných nebo připravovaných ruských, evropských a japonských bezpilotních zásobovacích lodích Progress, ATV a HTV. Rozhodla se proto v programu komerční orbitální dopravy (Commercial Orbital Transportation Services, COTS) podpořit vývoj a výrobu bezpilotních nákladních lodí.

Program vyústil v uzavření[3] dvou kontraktů Commercial Resupply Services (CRS) na dopravu zásob na ISS mezi NASA a společnostmi SpaceX (loď Dragon vynášená raketou Falcon 9) a Orbital Sciences Corporation (loď Cygnus vynášená raketou Antares). Uzavřením smlouvy v hodnotě 1,9 miliardy USD[4] přijala společnost Orbital závazek dodat na ISS až 20 tun nákladu v osmi lodích Cygnus do roku 2016.[5]

Společnost Orbital pro splnění kromě lodi Cygnus vytvořila nový raketový nosič střední třídy Taurus II, který byl během vývoje přejmenován na Antares[6]. Ten nejprve v dubnu 2013 úspěšně absolvoval test bez lodi Cygnus, ale se simulátorem její hmoty. Cílem mise označované A-ONE bylo prokázat, že raketa Antares je schopna dosáhnout nominálního výkonu a umístit na nízkou oběžnou dráhu Země maketu o objemu a hmotnosti lodi Cygnus.[7]

První ukázkový Cygnus (mise Orb-D1) při přiblížení k ISS v září 2013.

Skutečná kosmická loď ke svému ukázkovému prvnímu letu na špici rakety Antares odstartovala 18. září 2013 pod označením Orb-D1 a úspěšně se připojila k ISS. Už 9. ledna 2014 pak společnost Orbital vypustila první řádný let programu CRS.

V říjnu 2014 selhal při startu poprvé vypouštěný model rakety Antares 130 s novým typem druhého stupně a s lodí CRS Orb-3. Společnost poté ustoupila od řady raket Antares 100 a uspíšila přípravu řady 200.[8] Současně ve snaze co nejdříve pokračovat v plnění dodávek na ISS zakoupila postupně celkem 3 rakety Atlas V, což jí umožnilo vynášet ve vylepšené (angl. enhanced) lodi téměř dvojnásobené množství nákladu.[9]

První let vylepšeného Cygnusu s raketou Atlas V odstartoval v prosinci 2015. Společnost Orbital (v té době už pod jménem Orbital ATK) se pak postupně vrátila k vlastní raketě Antares, jejíž verze 230 byla také schopna vynést vylepšený Cygnus s vyšší hmotností užitečného zatížení.

Společnost tak i přes havárii letu CRS Orb-3 splnila svůj závazek ze smlouvy z roku 2008. Protože však nebyla dokončena jednání o navazujícím programu CRS-2, NASA doobjednala v srpnu 2015 k původním osmi letům další dva[10] a později ještě jeden. Tyto tři lety bývají v některých zdrojích označovány za číslem označovány písmenem E jako připomenutí, že jde o lety z rozšířeného (angl. extended) programu CRS. Lety lodí Cygnus, označované původně zkratkou Orb (Orb-1 atd.) a později zkratkou názvu společnosti Orbital ATK (OA-4 atd.), jsou navíc od desátého komerčního letu označovány zkratkou NG (NG-10 atd.) na znamení skutečnosti, že společnost Orbital (včetně jejích produktů Cygnus a Antares) v roce 2018 převzala společnost Northrop Grumman.[11]

Přípravy programu CRS-2, které NASA zahájila v září 2014, pak pokračovaly až do roku 2016, kdy společnostem Orbital ATK, Sierra Nevada Corporation a SpaceX byly zadány první zakázky – každé z nich je podle smlouvy CRS-2 garantováno nejméně 6 nákladních letů. Prvním letem CRS-2 byla v listopadu 2019 mise Cygnus NG-12 (prvním letem Space X podle nové smlouvy byla mise SpaceX CRS-21 na přelomu let 2020 a 2021, zatímco Sierra Nevada teprve připravuje ukázkový let svého raketoplánu Dream Chaser).

Northrop Grumman v listopadu 2020 oznámil, že získal v rámci smlouvy CRS-2 zakázku na další dva lety, které by se měly uskutečnit v roce 2023.[12] V březnu 2022 si NASA u společnosti objednala dalších 6 z celkem 12 nově nasmlouvaných zásobovacích misí až do roku 2026 (zbylých 6 misí získala společnost SpaceX).[13] Northrop Grumman tak ze smlouvy CRS-2 získala celkem 14 misí (SpaceX celkem 15).

Srovnání lodí Cygnus v původní (vlevo) a vylepšené verze používané od roku 2015 (vpravo)

Loď se skládá ze dvou válcových modulů. Větší z nich, hermetizovaný nákladový modul (Pressurized Cargo Module, PCM), který vyrábí italská společnost Thales Alenia Space, měl v původní verzi délku 3,66 metru, průměr 3,07 metru, suchou hmotnost (bez nákladu a paliva) 1 500 kg. Vnitřní hermetizovaný prostor o objemu 18,9 m³ mohl pojmout až 2 tuny nákladu. U vylepšené (enhanced) verze Cygnusu používané od letu OA-4 se PCM prodloužil na 4,86 metru, což umožnilo zvětšit hermetizovaný objem na 27 m³ a nosnost na nejméně 3 500 kg nákladu. Suchá hmotnost PCM se zvýšila na 1 800 kg. Na horní části (ve směru letu při startu) je umístěn kotvící mechanismus CBM (Common Berthing Mechanism) pro připojení k stanici a umožnění přístupu její posádky do hermetizovaného prostoru lodi. Z ISS může Cygnus v PCM odvést až 1200 kg odpadu, se kterým zanikne v atmosféře Země.[5]

Kruhové solární panely vylepšené verze lodi Cygnus (NG-16).

Menší servisní modul (Service Module, SM) vyrábí firma Orbital ATK. Obsahuje především manévrovací motor o tahu 450 newtonů, nádrže s palivem (hydrazin a oxid dusičitý), navigační, řídicí a komunikační systém lodi a mechanismus pro zachycení lodi robotickou rukou Canadarm2. Přesné manévrování dále zajišťuje 32 trysek rozmístěných po celém povrchu lodi.

Součástí servisního modulu jsou také dva solární panely. U původní verze byly klasické do strany rozevírací obdélníkové panely osazeny gallium arsenidovými články o celkovém výkonu 3,5 kilowattů (kW). U vylepšené verze je použita technologie Ultraflex,[14] v níž se panely rozevírají jako vějíř a po plném rozvinutí vytvoří kruhový panel (video). Výhodou technologie je úspora prostoru i hmotnosti na méně než čtvrtinu oproti běžným panelům o stejném výkonu.[15]

Celková hmotnost vylepšené lodi bez nákladu a paliva je cca 3750 kg.[16]

Výroba a integrace kosmické lodi Cygnus probíhá ve výrobním zařízení v městě Dulles ve Virginii. Ze stejného místa jsou řízení operace mise v koordinaci s řídicím střediskem v Houstonu v Texasu.

Lodi Cygnus jsou vynášeny nosnou raketou Antares ze Středoatlantského regionálního kosmodromu (angl. Mid-Atlantic Regional Spaceport, MARS), který se nachází v sousedství kosmodromu a střediska NASA Wallops ve státu Virginie na východním pobřeží USA.[17]. Výjimku tvořily 3 lety, u nichž byly nosičem rakety Atlas V 401 vypouštěné z vojenské základny na mysu Cape Canaveral na Floridě.

Původní verze lodi se k ISS připojovaly prostřednictvím spodního (k zemi mířícího) portu na modulu Harmony, označovaného Harmony nadir. Vylepšené verze (od mise Cygnus OA-4) se připojují přes spodní port modulu Unity, označovaný Unity nadir).

Stejně jako u dalších lodí, které se k ISS nepřipojují automaticky jako lodi Progress, Dragon 2 a ATV, ale pomocí robotické ruky Canadarm2 (kromě Cygnusů se to týkalo také japonských lodí HTV a první řady Dragonů firmy SpaceX) se za čas připojení (ukotvení – berthing) považuje okamžik fyzického spojení stykovacích uzlů (portů) obou těles a podobně za čas odpojení (odkotvení – unberthing) okamžik oddělení portů.