La etapa central del Sistema de Lanzamiento Espacial, o simplemente etapa central, es la etapa principal del cohete estadounidense Space Launch System (SLS), construido por The Boeing Company en la NASA Michoud Assembly Facility. Con 65 m (212 pies) de altura y 8,4 m (27,6 pies) de diámetro, la etapa central contiene aproximadamente 987 t (2.177.000 lb) de sus propulsantes criogénicos de hidrógeno líquido y oxígeno líquido. Propulsada por 4 motores RS-25, la etapa genera aproximadamente 7,44 MN (1.670.000 lbf) de empuje, cerca del 25% del empuje del Sistema de Lanzamiento Espacial en el despegue, durante aproximadamente 500 segundos, propulsando la etapa sola durante los últimos 375 segundos de vuelo. La etapa eleva el cohete a una altitud aproximada de 162 km antes de separarse, reentrando en la atmósfera sobre el Océano Pacífico.
La etapa central se originó en 2011, cuando se definió la arquitectura del Sistema de Lanzamiento Espacial en su conjunto. Tras el fin del programa del transbordador espacial y la cancelación de su futuro sustituto, el programa Constellation, surgió el SLS, un vehículo de lanzamiento superpesado destinado a los vuelos espaciales tripulados a la Luna.Boen, Brooke (Junio 6, 2013). "NASA Announces Design for New Deep Space Exploration System". NASA. Consultado 14/09/2023. La etapa principal es la primera etapa de nuevo desarrollo del SLS; la ICPS (etapa de propulsión criogénica provisional) y los propulsores de cinco segmentos son adaptaciones del hardware existente, que serán sustituidos por la etapa superior de exploración y los propulsores BOLE, respectivamente.
La producción de las etapas centrales comenzó en 2014, pero se vio acosada por numerosas dificultades en la producción y las pruebas, lo que retrasó varios años la preparación de la primera etapa central. La etapa central voló por primera vez el 16 de noviembre de 2022, en la misión Artemis I, en la que funcionó con éxito. A partir de 2024, la segunda etapa central estará terminada,"NASA Invites Media to Rollout Event for Artemis II Moon Rocket Stage - NASA".Consultado Junio 22, 2024. la tercera y cuarta etapas centrales estarán en producción y se habrá comenzado a trabajar en la quinta y sexta, cuya producción está pendiente de la transferencia de las operaciones del SLS a Deep Space Transport, el futuro operador del vehículo.
Diseño La etapa central consta de cinco secciones principales: la sección del motor, el tanque de hidrógeno líquido (LH2), el intertanque, el tanque de oxígeno líquido (LOx) y la falda delantera. Estos elementos pueden dividirse a su vez en diez secciones de barril, cuatro cúpulas y siete anillos, formando en conjunto la estructura de la etapa de cohete.NASA's Space Launch System Reference Guide (PDF) (Report). August 1, 2022. Archivado(PDF) del original 19/08/2023. Consultado 19/08/2023.
Propulsión principal izquierda|miniaturadeimagen|Estructura de la etapa central miniaturadeimagen|Artículo de prueba estructural sección del motor con estructura de empuje La etapa principal está propulsada por 4 motores RS-25 alojados en el interior de la sección de motores situada en la base de la etapa. Los motores están asociados al sistema de propulsión principal, que apoya a los motores en su funcionamiento, permitiéndoles bascular, o desviarse, para controlar el cohete, suministrarles propulsantes de hidrógeno líquido y oxígeno líquido, y mantener presurizados los tanques de propulsante. Para cumplir esta función, el sistema de propulsión principal está equipado con sistemas hidráulicos que mueven las campanas de los motores para permitir su giro, sistemas neumáticos para accionar las numerosas válvulas del cohete, un sistema presurizador para suministrar propulsantes gaseosos a los tanques y grandes cantidades de conductos. El sistema neumático se mantiene presurizado mediante helio almacenado en cinco recipientes a presión recubiertos de material compuesto dentro de la sección del motor, mientras que la energía hidráulica la proporciona una unidad de potencia auxiliar denominada CAPU, que en las dos primeras etapas del núcleo es hardware directamente reutilizado del transbordador espacial. La CAPU es una turbina accionada por helio gaseoso presurizado durante el arranque del vehículo y, a continuación, por hidrógeno gaseoso, a diferencia de lo que ocurría en el transbordador espacial, cuando era accionada por el flujo de hidracina. El sistema hidráulico alimentado por la CAPU también incluye los actuadores del cardán que a su vez desvían los motores RS-25. Estos actuadores, al igual que las CAPU, son piezas reutilizadas directamente del transbordador espacial en las primeras etapas de producción del núcleo. El sistema de propulsión principal trabaja para reducir el riesgo de incendio en la sección de motores: mientras se prepara para el trabajo y el mantenimiento, la sección de motores se purga con aire limpio; en la plataforma de lanzamiento, durante los preparativos del vuelo, el espacio se llena con gas nitrógeno suministrado desde los equipos de apoyo en tierra para mitigar la acumulación de gases peligrosos como el hidrógeno o el oxígeno. Antes del vuelo, la etapa central también recibe todos sus suministros a través del MPS, con los propulsores y el presurizador de helio fluyendo a través de las conexiones de desconexión rápida del umbilical del mástil de servicio de cola, interconectándose con el vehículo en una placa situada en la sección del motor.Sloss, Philip (Junio 7, 2019). "SLS Core Stage MPS: more than just a fuel tank". NASASpaceFlight.com. Archivado del original 19/08/2023. Consultado 19/08/2023.
Estructuras de empuje izquierda|miniaturadeimagen|Artículo de prueba estructural intertanque con viga de empuje Tanto la sección del motor como el intertanque de la etapa central cuentan con grandes estructuras de empuje, que transmiten las fuerzas de empuje (la primera de los motores RS-25 de la etapa central, la segunda de los propulsores gemelos de un vehículo SLS) a través del vehículo. La estructura de empuje de los motores también permite que los motores RS-25 de la etapa puedan montarse sobre cardanes. Cada motor lleva montado un punto de fijación en la base de la estructura de empuje, mientras que su sistema hidráulico de vectorización del empuje está instalado en la parte superior de esa misma estructura. La estructura de empuje de la sección del motor está atornillada y fijada dentro del barril cilíndrico de la sección del motor.Sloss, Philip (9/08/2019). "Boeing assembling structures for NASA's second SLS Core Stage". NASASpaceFlight.com. Archivado del original 10/08/2019. Consultado 19/08/2023.La viga de empuje intertanque, montada con el intertanque mucho más arriba en el vehículo, es una viga única que, junto con la estructura atornillada engrosada y reforzada del propio intertanque, permite transmitir el empuje de los cohetes propulsores sólidos a través de la etapa.Sloss, Philip (9/08/2019). "Boeing assembling structures for NASA's second SLS Core Stage". NASASpaceFlight.com. Archivado del original 10/08/2019. Consultado19/08/2023.
Depósitos de propulsante izquierda|miniaturadeimagen|Soldadura de tapón del depósito de LH2 mostrando la estructura interna Las estructuras más grandes de la etapa central son sus tanques de propulsante, construidos para transportar aproximadamente 987 toneladas de propulsantes criogénicos, hidrógeno líquido y oxígeno líquido. Las temperaturas criogénicas extremadamente bajas de estos fluidos -182,8 °C (-297,0 °F) para el oxígeno líquido y -252,8 °C (-423 °F) para el hidrógeno líquido- provocan un encogimiento sustancial de los tanques de propulsante.Mohon, Lee (2/09/2022). "Engineers Chill Space Launch System Rocket Engines Before Launch". NASA. Archivado del original 29/01/2023. Consultado 19/08/2023. El tanque de hidrógeno líquido se encoge unos 15 cm (6 pulgadas) de longitud y 2,5 cm (1 pulgada) de diámetro después de llenarse, mientras que el tamaño del tanque de oxígeno líquido disminuye 3,8 cm (1,5 pulgadas) de longitud y 1,3 cm (0,5 pulgadas) de diámetro. Por lo tanto, todo el hardware unido a los tanques de propulsante debe montarse utilizando fuelles que les permitan ajustarse con flexibilidad a los cambios de tamaño de los tanques de propulsante.
Herencia y diferencias del Transbordador Espacial El diseño de la etapa central pretendía hacer uso de los conocimientos y la experiencia adquiridos en el programa del Transbordador Espacial, de forma similar al resto del Sistema de Lanzamiento Espacial. Esto se refleja en aspectos como el diámetro de 8,4 m del cohete, idéntico al del tanque externo del transbordador espacial, mientras que las líneas de alimentación y los conductos están diseñados para hacer uso de los diseños de válvulas y conectores existentes. Sin embargo, la etapa central también es significativamente diferente del tanque externo. No hay ninguna estructura en el tanque externo comparable a la sección de propulsión principal de la etapa central, que es análoga a la sección de propulsión principal que ocupaba la cola del orbitador Shuttle.Sloss, Philip (Junio 7, 2019). "SLS Core Stage MPS: more than just a fuel tank". NASASpaceFlight.com. Archivado del original 19/08/2023.Consultado 19/08/2023. La etapa central también está fabricada con una aleación de aluminio diferente y más dura que la de la versión definitiva del tanque externo, que era más ligera pero más difícil de trabajar."SLS External Tank Reverts to Hard Alloy –". www.spacesafetymagazine.com. Archivado del original 17/08/2023. Consultado 17/08/2023.La construcción estructural de los tanques de propulsante de la etapa central también es diferente a la del tanque externo del transbordador, en parte mediante un uso más extenso de la soldadura por fricción, mientras que los largueros de la etapa central se fresan a partir de la pieza de trabajo en lugar de remacharse. +Comparación de la etapa central y el Tanque Externo del TransbordadorFase central del SLS (2022-)SLWT (1998-2010)Space Shuttle Historical Narrative (PDF) (Report).1/10/2012. Archivado (PDF) original Junio 4, 2017.Consultado 19/08/2023.LWT (1982-1999)Sección del motorSiNoCapacidad del propulsor LH2, LOX LH2, LOXDiámetroMaterial de la estructura primariaAl-Cu 2219Al-Li 2195Al-Cu 2219UniónAgitación por fricciónArco de plasma, agitación por fricción posteriorArco de plasmaEstructura del depósito de LH2Ortogrilla mecanizadaRefuerzo en TEstructura del depósito de LO2Ortogrilla mecanizadaMonocascoEstructura entre depósitosRefuerzo mecanizado integralLarguero exterior remachado, bastidor interior
Fabricación Boeing fabrica principalmente la etapa central del SLS en la Michoud Assembly Facility de Nueva Orleans, propiedad de la NASA, donde anteriormente se fabricaban el tanque externo del transbordador espacial y el S-IC del Saturno V.Harbaugh, Jennifer (Julio 7, 2021). "NASA's Michoud Assembly Facility". NASA. Archivado del original Mayo 12, 2023.Consultado 18/08/2023. izquierda|miniaturadeimagen|Una sección de barril de tanque propulsor, destinada al tanque CS-1 LH2