Space Launch System: NASA's peperdure, 'politieke' maanraket - Oorzaken van recente vertragingen

Zoals we op de vorige pagina beschreven, komt een groot deel van de SLS-vertragingen door politieke keuzes en strubbelingen. Er zijn echter ook genoeg technische redenen aan te wijzen voor vertragingen bij de constructie. Er zijn ruwweg vier onderdelen waarbij vertraging optrad: de software, SLS zelf, de grondstructuur en de Orion-capsule.

De software

Als de vertragingen van het SLS-programma een hiërarchie zouden hebben, zou de software waarschijnlijk bovenaan staan. NASA bouwt voor SLS het Spaceport Command and Control System. Die software stuurt zowat alle onderdelen aan die tijdens de lancering belangrijk zijn, zoals de brandstofpompen, motoren, aandrijvings-, elektra- en grondsystemen. Ook houdt de software de status van de raket in de gaten. De ontwikkeling van SCCS verloopt moeizaam. Dat concludeerde de inspecteur-generaal van NASA in een audit in 2016. Het project bleek toen al veel duurder uit te vallen dan in 2012 werd begroot. In 2016 had NASA al 207,4 miljoen dollar aan de software uitgegeven, 77 procent meer dan gedacht. Ook werden verschillende onderdelen uit de software verwijderd of ingeperkt, zoals een systeem waarmee gedetailleerde foutmeldingen naar boven kwamen bij fouten. Als er dus iets mis zou gaan bij het testen van de raket, zouden ingenieurs moeilijk kunnen detecteren wat precies.

In 2006 stond NASA voor de keus om software zelf te ontwikkelen of om de klus uit te besteden. Beide hebben hun voor- en nadelen, maar het ruimteagentschap koos voor de inkoop van softwarepakketten bij verschillende fabrikanten. Het idee was om die vervolgens aan elkaar te knopen met software die het agentschap zelf schreef. Inkoop zou minder tijd kosten en technisch minder complex zijn, was de redenering. Er werd voor gekozen om die inkoop bij verschillende verkopers te doen, omdat NASA niet van één bedrijf afhankelijk wilde zijn. In totaal werden 9 verschillende pakketten ingekocht. Er was een pakket dat simulaties moest draaien en een pakket dat vluchtapparatuur regelde, maar ook firmware voor specifieke adapters, zoals de 'umbilical', of voor displays. Dat bleek een catastrofale inschattingsfout te zijn.

"Hoewel de beslissing in 2006 redelijk was, gebaseerd op wat NASA destijds wist, is inmiddels duidelijk dat het agentschap de complexiteit heeft onderschat", schreef de inspecteur-generaal tien jaar later.

De bottleneck zat in de 'glue-ware', de software die NASA zelf zou schrijven om de 9 pakketten aan elkaar te knopen. Er waren uiteindelijk meer dan 15 verschillende stukken code nodig om de diverse softwarepakketten te koppelen. De grootste problemen zaten in de software OS/Comet, bedoeld om commando's vanuit de raket en capsule naar de aarde te sturen, en de Connext Data Distribution Service, bedoeld om computers op het netwerk onderling te laten communiceren. NASA besloot die pakketten samen te voegen tot een eigen netwerkcommunicatieprotocol: Command, Control, Communication and Information. Dat zou de communicatie tussen het Orion-vaartuig en mission control regelen. Die software werd vijf jaar later opgeleverd dan bedoeld, terwijl veel andere projecten ervan afhankelijk waren.

SCCS modules — Het aantal softwarepakketten dat NASA met glue-ware aan elkaar moet koppelen

Regels tellen in code zegt nooit alles, maar het is in het geval van SLS redelijk illustratief. In totaal moesten er 2,5 miljoen regels code worden geschreven aan enkel die glue-ware, dus buiten de regels voor de softwarepakketten zelf. NASA maakt zelf de vergelijking met de software voor de Hubble-telescoop; daar werden 30 pakketten geïntegreerd met in totaal een half miljoen regels code.

Volgens een audit van de Amerikaanse overheid was het problematisch dat NASA-programmeurs code moesten schrijven terwijl de raket en de capsule nog in ontwikkeling waren. Daardoor hadden ze vaak te weinig informatie om mee te werken en moesten ze hun doelen bijstellen. Het Government Accountability Office dat de audit uitvoerde, noemt als voorbeeld dat er in de code meer dan 300.000 fields zaten. Dat aantal liep alleen maar op. Daardoor ontstonden er problemen in de code, die ook weer moesten worden opgelost.

SLS zelf

Er zaten ook grote problemen in het 'gewone' ingenieurswerk. NASA besteedt de bouw van SLS aan diverse partijen uit:

Bedrijf	Onderdeel
Boeing	Eerste trap (Core Stage) Tweede trap (Upper Stage)
Aerojet Rocketdyne	RS-25-motoren
Northrop Grumman	Solid rocket boosters

Alle drie die onderdelen kregen te maken met technische obstakels.

Core Stage

Boeing bouwt zowel de eerste trap als de hogere Interim Cryogenic Propulsion Stage. Die eerste trap werd pas in januari 2020 officieel opgeleverd en dat bleek een groot probleem te zijn: zonder eerste trap natuurlijk geen raket. Boeing was zo lang bezig met de eerste trap dat de ICPS ook vertraging opliep. Het aansluiten van de motoren op die trap was moeilijker dan verwacht. Boeings management onderschatte volgens een inspectierapport constant de hoeveelheid werk die nodig was.

Een ander probleem zat in het laswerk dat nodig was om onderdelen aan elkaar te bevestigen. De Core Stage heeft vijf grote onderdelen: de vloeibarezuurstof- en de vloeibarewaterstoftanks, de motorsectie, een tussentank, en een onderdeel met alle computers, camera's en hardware. Boeing gebruikt grote lasmachines om die aan elkaar vast te maken, maar die machines hadden in de afgelopen weken vaak last van storingen. Die zaten in het Vertical Assembly Center, waar de raket in elkaar werd gezet. Daarbij kwamen vaak relatief kleine, maar langdurige fouten voor. Een aantal rails die de onderdelen moesten vervoeren, was bijvoorbeeld verkeerd afgesteld en dat leverde een knelpunt op voor de bouw.

Core Stage SLS

Voor de tweede ICPS kwam de vertraging vooral doordat NASA in de afgelopen jaren steeds meer eisen stelde aan het ontwerp. Die waren meestal het gevolg van ontwikkelingen elders in de raket. Zo moesten de computers in deze trap halverwege de bouw worden aangepast toen meer bekend werd over de software die toen nog werd ontwikkeld.

Solid rocket boosters

SLS maakt, net als de Space Shuttle, gebruik van twee solid rocket boosters aan de zijkant van de raket. Die gebruiken vaste brandstof om de raket meer stuwkracht te geven. NASA gaf ook Northrop Grumman tijdens het ontwerpproces nieuwe opdrachten. Dat gebeurde sinds 2013 zeker 73 keer; in een periode van vijf jaar kwam NASA bijna maandelijks met een nieuw verzoek. Dat waren zowel technische verzoeken als administratieve, bijvoorbeeld om extra haalbaarheidsstudies uit te laten voeren naar de veiligheid van de raketmotoren.

Het grootste technische obstakel van de solid rocket boosters zat in de Propellant Liner and Insulation-component. Dat is de beschermlaag voor de metalen behuizing tegen de hitte als de raket opstijgt. Daarvoor wordt een ander materiaal gebruikt dan tijdens het shuttleprogramma; die PLI bevatte nog asbest. Het nieuwe materiaal bleek op sommige punten toch hittedoorlatend te zijn. Het duurde langer dan gedacht om dat probleem op te lossen.

Daarnaast had Northrop Grumman nog problemen met het assembleren van onderdelen en met het certificeren van de hardware.

Motoren

Je zou kunnen denken dat de motoren niet zo'n probleem opleveren voor de raket. De RJ-25-motoren van Aerojet Rockeydyne zijn immers precies dezelfde als die voor de Space Shuttle werden gebruikt. Toch was de ontwikkeling ervan lastiger dan verwacht. Dat kwam door de Engine Controller Units. Aerojet was vóór de SLS-opdracht al begonnen aan het bouwen van die units, maar dan voor wat toen nog het Constellation-programma was. Het ombouwen van de ECU's kostte tijd.

Een tweede probleem lag bij het bouwen van de straalpijp, die moest worden aangepast aan het ontwerp van SLS. Daar had Aerojet weinig ervaring mee. Het bedrijf moest nieuw gereedschap kopen en leren kennen, waaronder een soort 3d-printer. Dat vertraagde de ontwikkeling twee jaar, waarbij NASA de kanttekening maakt dat het geen invloed had op de rest van de ontwikkeling van de raket.

Grondstructuur

Niet alleen de raket en de capsule hadden hun problemen. Een belangrijk onderdeel van de installatie bestaat uit de faciliteiten op de grond. Dat noemt NASA het GSDO-programma, of Ground Systems Development and Operations. Dat bestaat uit nieuwe en bestaande faciliteiten. De bestaande zijn bijvoorbeeld het Vehicle Assembly Building bij Kennedy Space Center, het enorme gebouw waarin vroeger ook de Apollo-raketten werden gebouwd.

VAB

Het VAB moest op verschillende punten worden aangepast om SLS in elkaar te zetten en operationeel te krijgen. Zo moest er bijna 250 kilometer aan kabels worden bijgewerkt of vervangen die er al sinds het Apollo-tijdperk lagen. Ook moesten liften en hijskranen in het gebouw worden aangepast, maar dat had niet alleen met SLS te maken, ook met brandveiligheid.

Een belangrijke aanpassing van het VAB was dat er tien nieuwe platforms bovenin moesten worden gebouwd. Daar moesten de ingenieurs bij om de Orion-capsule goed te integreren met de raket. Die veranderingen leverden kleine vertragingen op in het programma; ze waren in februari 2017 klaar.

Mobiele lanceertoren

NASA heeft tijdens de ontwikkeltijd veel nieuwe eisen gesteld aan de ontwikkeling van de Mobile Launcher. Dat is de mobiele lanceertoren waar SLS op wordt geplaatst in het assemblagegebouw voordat het de zes kilometer aflegt naar het lanceerplatform. NASA verhoogde de eisen voor het maximale draaggewicht van de lanceertoren. Ook wilde NASA meer umbilicals toevoegen waarmee de raket aan de toren wordt gekoppeld om brandstof, stroom- en datatoevoer te regelen. Die extra eisen leverden een vertraging van maanden op.

Mobile Launcher

Tornado's in Michoud

Dan is er ook nog de vertraging waar NASA toch echt weinig aan kon doen. In 2017 sloeg een tornado toe bij de Michoud Assembly Facility in New Orleans. In dat gebouw werden de Orion-capsule en de Core Stage van SLS aan elkaar gekoppeld. Bij het noodweer bleven de raket en capsule gelukkig buiten schot, maar het gebouw raakte ernstig beschadigd. Het dak stortte deels in. Daarnaast raakten vijf werknemers lichtgewond. Het gebouw moest gerepareerd worden voordat NASA verder kon met de ontwikkeling van de raket. Dat leidde tot een extra jaar vertraging.

Corona

En natuurlijk was er het coronavirus. In 2020 besloot NASA de productie van SLS en Orion tijdelijk stop te zetten vanwege de pandemie. Dat leverde een relatief korte vertraging van enkele maanden op; in het grote plaatje viel dat toen mee.

Orion

Naast de SLS-raket kende ook de ontwikkeling van de Orion-capsule verschillende technische obstakels. Er waren problemen met het hitteschild en de parachutes. De grootste vertraging zat niet bij NASA, maar bij ESA, het Europese ruimteagentschap. Dat bouwt een essentieel onderdeel van de Orion-capsule: de aandrijving. De European Service Module is het gedeelte van de capsule waarin de motoren, aandrijving, zuurstoftanks en eigenlijk alle elektronica en leefsystemen zijn opgenomen. NASA werkt samen met ESA om die ESM te bouwen. ESA laat dat op zijn beurt weer doen door de Duitse afdeling van Airbus.

"De module bleek veel moeilijker te bouwen dan verwacht en is al meer dan eens vertraagd", schreef de Amerikaanse financiële toezichthouder in een audit in 2018. ESA baseerde het ontwerp van de ESM op dat van de ATV, het Automated Transfer Vehicle dat tussen 2008 en 2014 vijf keer vrachten naar het International Space Station bracht. Net als bij de SLS-motoren bleek het hergebruik van een bestaand ontwerp niet direct een recept voor succes. "De veranderingen bleken substantiëler dan verwacht", schreef de toezichthouder.

Orion EMS

Nu SLS eindelijk op het lanceerplatform staat, lijken de grootste obstakels vooral een probleem in de achteruitkijkspiegel. Toch zullen veel ingenieurs, bouwers en programmeurs een zucht van verlichting slaken, mits de raket succesvol omhooggaat natuurlijk.