100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как была устроена космическая транспортная система Space Shuttle

Спейс шаттл

Shuttle-2-.jpg сапа.jpg

собственныхмаршевых двигателей, которые получают топливо из огромного внешнего подвесного бака, на начальном участке траектории основную тягу создают отделяемые твердотопливные ускорители [3] . На орбите шаттл осуществляет манёвры за счёт двигателей системы орбитального маневрирования, возвращаясь на Землю как планёр.

Данная многоразовая система состоит из трёх [4]  основных компонентов (ступеней):

  1. Двух твердотопливных ракетных ускорителей, которые работают в течение примерно двух минут после старта, разгоняя и направляя корабль, а затем отделяются на высоте около 45 км, приводняются на парашютах в океан и, после ремонта и перезаправки, используются вновь; [5]
  2. Большого внешнего топливного бака с жидкими водородом и кислородом для главных двигателей. Бак также служит каркасом для скрепления ускорителей с космическим кораблём. Бак отбрасывается примерно через 8,5 минут на высоте 113 км, бо́льшая его часть сгорает в атмосфере, а остатки падают в океан [6] .
  3. Пилотируемого космического корабля-ракетоплана — орбитального аппарата (англ. the Orbiter Vehicle или просто англ. the Orbiter) — собственно «Спейс шаттл» (космического челнока), который выходит наоколоземную орбиту, служит там платформой для исследований и домом для экипажа. После выполнения программы полёта возвращается на Землю и совершает посадку как планёр на взлётно-посадочную полосу [7] .

В НАСА космические челноки имеют обозначение OV-ххх (Orbiter Vehicle — ххх)

Содержание

Экипаж[править | править вики-текст] [ ]

Наименьший экипаж шаттла состоит из двух астронавтов — командира и пилота («Колумбия», запуски STS-1, STS-2, STS-3, STS-4). Наибольший экипаж шаттла — восемь астронавтов («Челленджер», STS-61A, 1985 год). Второй раз 8 астронавтов было на борту при посадке «Атлантиса» STS-71 в 1995 году. Чаще всего в экипаж входят от пяти до семи астронавтов. Беспилотных запусков не было.

Орбиты[править | править вики-текст] [ ]

Орбита шаттлов располагалась на высоте приблизительно в пределах от 185 до 643 км (115—400 миль).

Полезная нагрузка[править | править вики-текст] [ ]

Доставляемая в космос полезная нагрузка орбитальной ступени (орбитального ракетоплана) для низкой околоземной орбиты зависит, в первую очередь, от параметров целевой орбиты, на которую выводится челнок. Максимальная масса полезной нагрузки может быть доставлена в космос при запуске на низкую околоземную орбиту с наклонением порядка 28° (широта космодрома Канаверал) и составляет 24,4 тонны. При запуске на орбиты с наклонением бо́льшим, чем 28°, допустимая масса полезной нагрузки соответственно уменьшается (так, при запуске на полярную орбиту расчетная грузоподъёмность челнока падает до 12 т; в реальности, однако, челноки никогда не запускались на полярную орбиту).

Максимальная масса загруженного космического корабля на орбите — 120—130 т. С 1981 года с помощью шаттлов было доставлено на орбиту более 1370 т полезных грузов.

На странице обсуждения должны быть пояснения.

Максимальная масса груза, возвращаемого с орбиты — до 14,4 т.

Длительность полёта[править | править вики-текст] [ ]

Шаттл рассчитан на двухнедельное пребывание на орбите. Обычно полёты шаттлов продолжались от 5 до 16 суток.

Шаттл «Колумбия» совершил как самый короткий космический полёт в истории программы STS-2, в ноябре 1981 года, длительность — 2 дня 6 часов 13 минут, так и самый продолжительный STS-80, ноябре 1996 года, длительность — 17 суток 15 часов 53 минуты.

В общей сложности к дате закрытия программы в 2011 году шаттлы совершили 135 полётов, из них «Дискавери» — 39, «Атлантис» — 33, «Колумбия» — 28, «Индевор» — 25, «Челленджер» — 10.

История создания[править | править вики-текст] [ ]

История проекта «Космическая транспортная система» начинается в 1967 году, когда ещё до первого пилотируемого полёта по программе «Аполлон» (11 октября 1968 года — старт «Аполлон-7») оставалось больше года, как обзор перспектив пилотируемой космонавтики после завершения лунной программы NASA. [8]

30 октября 1968 года два головных центра NASA (Центр пилотируемых космических кораблей — MSC — в Хьюстоне и Космический центр имени Маршалла — MSFC — в Хантсвилле) обратились к американским космическим компаниям с предложением исследовать возможность создания многоразовой космической системы, что должно было снизить затраты космического агентства при условии интенсивного использования. [9]

В сентябре 1970 года Целевая космическая группа под руководством вице-президента США С. Агню [10] , специально созданная для определения следующих шагов в освоении космического пространства, оформила два детально проработанных проекта вероятных программ.

Большой проект включал:

  • космические челноки;
  • орбитальные буксиры;
  • большую орбитальную станцию на Земной орбите (до 50 человек экипажа);
  • малую орбитальную станцию на орбите Луны;
  • создание обитаемой базы на Луне;
  • пилотируемые экспедиции к Марсу;
  • высадку людей на поверхность Марса.

В качестве малого проекта предлагалось создать только большую орбитальную станцию на Земной орбите. Но в обоих проектах было определено, что орбитальные полёты: снабжение станции, доставку на орбиту грузов для дальних экспедиций или блоки кораблей для дальних полётов, смена экипажей и прочие задания на орбите Земли, должны осуществляться многоразовой системой, которая и получила тогда название Space Shuttle. [11]

Также существовали планы создания «атомного шаттла» — челнока с ядерной двигательной установкой NERVA, которая разрабатывалась и испытывалась в 1960-х годах. Атомный шаттл должен был осуществлять полёты между земной орбитой и орбитами Луны и Марса. Снабжение атомного челнока рабочим телом (жидкий водород) для ядерного двигателя возлагалось на обыкновенные шаттлы:

Однако президент США Ричард Никсон отверг все варианты, потому что даже самый дешёвый требовал 5 млрд долл. в год. NASA оказалось перед тяжёлым выбором: нужно было или начать новую крупную разработку, или объявить о прекращении пилотируемой программы.

Было решено настаивать на создании шаттла, но подать его не как транспортный корабль для сборки и обслуживания космической станции (держа, однако, это про запас), а как систему, способную приносить прибыль и окупить инвестиции за счёт выведения на орбиту спутников на коммерческой основе. Экономическая экспертиза подтвердила: теоретически при условии не менее 30 полётов в год и полном отказе от использования одноразовых носителей «Космическая транспортная система» может быть рентабельной. [12][13][14]

Проект создания шаттлов был принят Конгрессом США.

Одновременно, в связи с отказом от одноразовых ракет-носителей, определялось, что на шаттлы возлагается обязанность осуществлять вывод на земную орбиту и всех перспективных аппаратов Минобороны, ЦРУ и АНБ США.

Военные предъявили свои требования к системе:

  • Космическая система должна была способна выводить на орбиту полезный груз до 30 тонн, возвращать на Землю полезную нагрузку до 14,5 т, иметь размер грузового отсека не менее 18 м длиной и 4,5 м в диаметре. Это были размер и вес проектировавшегося тогда спутника оптической разведки KH-11 KENNAN  [источник не указан 1891 день] , который сопоставим по размерам с орбитальным телескопом «Хаббл».
  • Обеспечить возможность бокового манёвра для орбитального корабля до 2000 км для удобства посадки на ограниченное количество военныхаэродромов.
  • Для запуска на околополярные орбиты (с наклонением 56—104°) ВВС решили построить собственный технический, стартовый и посадочный комплексы на авиабазе Ванденберг в Калифорнии.

Этим требования военного ведомства к проекту были ограничены. [9]

Использовать челноки в качестве «космических бомбардировщиков» не планировалось никогда. Во всяком случае, не существует никаких открытых документов NASA, Пентагона, или Конгресса США, свидетельствующих о таких намерениях. Не упоминаются «бомбардировочные» мотивы ни в мемуарах, ни в частной переписке участников создания шаттлов. [15]

Читайте так же:
Как делают видеооткрытки с экраном

Проект космического бомбардировщика «X-20 Dyna Soar» официально стартовал 24 октября 1957 года. Однако с развитием МБР шахтного базирования иатомного подводного флота, вооружённого баллистическими ракетами, создание орбитальных бомбардировщиков в США было признано нецелесообразным. Уже после 1961 года из проекта «X-20 Dyna Soar» исчезают упоминания о «бомбардировочных» задачах, но остаются разведывательные и «инспекционные». 23 февраля 1962 года министр обороны Р. Макнамара одобрил последнюю реструктуризацию программы. С этого момента «Dyna-Soar» официально называлась научно-исследовательской программой, имеющей целью исследовать и показать возможность выполнения пилотируемым орбитальным планёром маневрирования при входе в атмосферу и посадки на взлётно-посадочную полосу в заданном месте Земли с необходимой точностью.

К середине 1963 года министерство обороны серьёзно сомневалось относительно необходимости программы «Dyna-Soar».

10 декабря 1963 года министр обороны Макнамара отменил «Dyna-Soar». [16]

При принятии этого решения было учтено, что космические аппараты такого класса не могут «висеть» на орбите достаточно продолжительное время, чтобы считать их «орбитальными платформами», а запуск каждого корабля на орбиту занимает даже не часы, а сутки и требует применения ракет-носителей тяжёлого класса, что не позволяет их использовать ни для первого, ни для ответного ядерного удара. [17]

Многие технические и технологические наработки программы «Dyna-Soar» были впоследствии использованы при создании шаттлов.

Первоначально, в 1972 году, планировалось что шаттл станет основным средством доставки в космос, но в 1984 году ВВС США доказали что им необходимы дополнительные, резервные, средства доставки. В 1986 году, после катастрофы шаттла «Челленджер», была пересмотрена политика использования шаттла: шаттлы должны использоваться для миссий требующих взаимодействие с экипажем; так же коммерческие аппараты не могут запускаться на шаттле, за исключением аппаратов разработанных для запуска шаттлом или требующих взаимодействия с экипажем, или по соображениям внешней политики. [18]

Реакция СССР[править | править вики-текст] [ ]

Советское руководство внимательно наблюдало за развитием программы «Космическая транспортная система», но, предполагая худшее, искало скрытую военную угрозу. Таким образом, было сформировано два основных предположения:

  • Возможно использование космических челноков в качестве орбитальных бомбардировщиков-носителей ядерного оружия (это предположение представляется неверным по вышеупомянутым причинам);
  • Возможно использование космических челноков для похищения с орбиты Земли советских спутников, а также ДОС (долговременных обитаемых станций) «Салют» и ОПС (орбитальных пилотируемых станций) «Алмаз» ОКБ-52 Челомея. Для защиты, на первом этапе, советские ОПС оснащались модифицированной автоматической пушкой НР-23 конструкции Нудельмана — Рихтера (система «Щит-1»), которую позднее должна была сменить система «Щит-2», состоящая из двух ракет класса «космос-космос». Предположение о «похищениях» основывалось исключительно на габаритах грузового отсека и возвращаемой полезной нагрузке, открыто объявленным американскими разработчиками шаттлов, близким к габаритам и массе «Алмазов». О габаритах и весе разрабатывавшегося в то же время спутника оптической разведки KH-11 KENNAN в советском руководстве информации не было.

В результате советская космическая отрасль получила задание создать многоразовую многоцелевую космическую систему с характеристиками, аналогичными шаттлу — «Буран и энергия». [19]

Военные миссии Space Shuttle

14 апреля 1981 года из своего первого полёта на орбиту успешно вернулся американский пилотируемый космический корабль Columbia, построенный в рамках программы Space Shuttle. С его появлением были связаны многие надежды, ожидания и планы. Многоразовый корабль должен был изменить космонавтику кардинальным образом, в том числе укрепив обороноспособность Соединённых Штатов.

Крылатый «челнок»

Экономические проблемы, начавшиеся в США в конце 60-х годов и позднее переросшие в кризис, серьёзным образом сказались на космонавтике. Бюджет Национального управления по аэронавтике и космосу (NASA) неуклонно уменьшался. При этом штат госслужащих в структурах NASA сократился на треть. Массовые увольнения проходили и в частных компаниях, работавших на космос.

Тем не менее NASA уже не могло отказаться от расширения своего присутствия в космосе и предлагало правительству различные проекты. Программа Integrated Launch and Reentry Vehicle, сегодня более известная под названием Space Shuttle («Космический челнок»), стала ответом на требование сделать космонавтику коммерчески привлекательной.

В октябре 1968 года NASA обратилось к ведущим компаниям, специализирующимся на космических технологиях, с предложением изучить возможность создания носителя, который можно было бы использовать многократно, что снизило бы стоимость доставки грузов на орбиту. Почти сразу возникла концепция пилотируемого крылатого корабля, взлетающего как ракета и приземляющегося как самолёт.

​Проект полностью многоразовой ракетно-космической системы Space Shuttle, предложенный проектантами Manned Spacecraft Center в 1970 году. Фото из архива NASA. - Военные миссии Space Shuttle | Warspot.ruПроект полностью многоразовой ракетно-космической системы Space Shuttle, предложенный проектантами Manned Spacecraft Center в 1970 году. Фото из архива NASA.

По поручению новоизбранного президента Ричарда Никсона было создано структурное подразделение из ведущих специалистов — независимая комиссия под руководством вице-президента Спиро Агню, которая изучала возможные пути освоения внеземного пространства. В сентябре 1969 года, через два месяца после высадки астронавтов «Аполлона-11» на Луну, комиссия подготовила амбициозный доклад, в котором рассматривались три варианта с разными уровнями финансирования: создание многоразовой системы Space Shuttle и большой орбитальной станции с прицелом на развитие лунной инфраструктуры и подготовки экспедиции на Марс в 1983 году (9,5 млрд долларов ежегодно); то же самое, но с отсрочкой лунных планов и переносом марсианской миссии на 1986 год (7,7 млрд долларов ежегодно); то же самое, но с отказом от марсианской миссии в обозримом будущем (5,5 млрд долларов ежегодно). После консультаций с Бюджетным управлением Никсон отверг все три варианта, согласившись финансировать только шаттл и орбитальную станцию.

Экономическая оценка показала, что если шаттлы будут летать в космос не реже тридцати раз в год, доставляя туда не только государственные и военные, но также и коммерческие грузы, то они вполне могут окупиться. В 1971 году стало ясно, что 10 млрд долларов, которые необходимы для создания полностью многоразовой системы, правительство не выделит, и конструкторы снова перекомпоновали проект. Теперь стоимость реализации оценили в 5,15 млрд долларов. На этих условиях 5 января 1972 года Никсон объявил о создании новой ракетно-космической системы.

​Президент Ричард Никсон (справа) и администратор NASA Джеймс Флетчер на встрече в Сан-Клементе (Калифорния) 5 января 1972 года приняли решение в пользу программы Space Shuttle. Фото из архива NASA. - Военные миссии Space Shuttle | Warspot.ruПрезидент Ричард Никсон (справа) и администратор NASA Джеймс Флетчер на встрече в Сан-Клементе (Калифорния) 5 января 1972 года приняли решение в пользу программы Space Shuttle. Фото из архива NASA.

Одним из главных заказчиков шаттла выступил Пентагон, что во многом определило облик корабля. По мнению экспертов, с появлением этой системы должен был произойти качественный скачок в области использования околоземного пространства в военных целях. Во-первых, многоразовый корабль можно применять в качестве средства для развёртывания на орбите и регулярного технического обслуживания космических платформ. Во-вторых, Space Shuttle — это почти идеальный инструмент для решения прикладных военных задач: инспекции, захвата или уничтожения вражеских аппаратов; текущего или аварийного ремонта собственных аппаратов, дозаправки их топливом; ведения оперативной разведки и испытания экспериментальных образцов оружия в космосе. В-третьих, при необходимости шаттлы могут быть применены как носители ударных средств по наземных целям.

Читайте так же:
Заменяются ли у ежей колючки?

Требования военных свелись к следующему: Space Shuttle должен выводить на орбиту груз длиной до 18 м и массой до 29,5 т, а также возвращать назад до 14,5 т; корабль должен иметь возможность бокового манёвра на 2000–2500 км при спуске для посадки на военных аэродромах.

Габариты полезного груза предопределили огромные размеры орбитального корабля и величину стартовой массы системы в целом. Для заданного бокового манёвра нужна значительная подъёмная сила на гиперзвуковых скоростях — так в проекте корабля появились крыло двойной стреловидности и мощная теплозащита.

Выдав нескольким фирмам задание на проектирование корабля, NASA остановило выбор на проекте компании North American Rockwell. Согласно ему, космический корабль состоял из крылатой орбитальной ступени (космоплана), внешнего сбрасываемого топливного бака и двух твердотопливных ускорителей. Центральная часть фюзеляжа отводилась под отсек полезного груза, в хвостовой части находились двигатели различного назначения, в носовой — кабина экипажа. Топливный бак содержал кислород и водород в жидком состоянии, которые питали основную двигательную установку космоплана. Твердотопливные ускорители крепились непосредственно к топливному баку.

Фирмам, работавшим над проектом нового корабля, не удалось уложиться ни в заявленные сроки, ни в заявленную стоимость. Общий бюджет проекта вырос с 5,2 млрд (1971 год) до 10,1 млрд долларов (1982 год). Цена одного запуска увеличилась с 10,5 млн до 240 млн долларов.

При этом надёжность Space Shuttle из-за экономии не выросла, а заметно снизилась. В ноябре 1972 года с космоплана убрали два двигателя, предназначенных для аварийного отделения от бака. В феврале 1974 года шаттлы лишились воздушно-реактивных двигателей, что исключало возможность самостоятельных перелётов между аэродромами. Планер шаттла изготавливали из алюминиевого сплава вместо жаропрочного титана — в результате в качестве тепловой защиты использовали наклеиваемую кварцевую плитку, которая требовала особого ухода.

​Космический корабль Space Shuttle, вариант 1972 года. Фото из архива NASA. - Военные миссии Space Shuttle | Warspot.ruКосмический корабль Space Shuttle, вариант 1972 года. Фото из архива NASA.

Проектанты отказались даже от системы аварийного спасения. Для шаттлов существовал лишь один путь её организации — отделять всю кабину с экипажем, что требовало установки громоздкого оборудования. После некоторых колебаний систему вычеркнули из проекта, записав вместо неё завышенные требования по надёжности, что, по мнению разработчиков, гарантировало безопасность. В случае если бы отказали разгонные двигатели, шаттл мог отделиться от топливного бака, после чего совершил бы посадку на одну из специально подготовленных взлётно-посадочных полос.

Несмотря на очевидные недостатки проекта, Space Shuttle казался вполне реальной угрозой, способной пошатнуть сложившееся геополитическое равновесие. Корабль мог выслеживать советские космические аппараты, изучать и уничтожать их. Габариты грузового отсека были выбраны якобы исходя из возможности захвата и возвращения в нём на Землю орбитальной станции «Алмаз». В другом варианте там можно было разместить до тридцати ядерных управляемых боеголовок.

До сих пор в различных источниках встречается утверждение, будто бы шаттл мог во время возврата с орбиты по трассе, проходящей над Москвой, совершить некоторое снижение («нырок») и сбросить ядерный заряд в районе советской столицы. Сегодня эта идея представляется откровенным блефом: чтобы сбросить хоть что-то на города внизу, космоплану необходимо развернуться «брюхом» вверх и открыть створки грузового отсека, а подобный манёвр на траектории снижения опасен прежде всего для самого корабля.

Шаттлы осваивают орбиту

NASA предполагало изготовить пять космопланов, однако поначалу построили всего четыре лётных образца. Они получили названия Columbia (OV-102), Discovery (OV-103), Atlantis (OV-104) и Challenger (STA-099).

Первый полёт решили сразу провести с астронавтами на борту. Считается, что это был вынужденный риск, ведь без пилота космоплан не может приземлиться. В действительности Space Shuttle проектировался как автономная система и вполне мог выполнить простую миссию без экипажа. Решение было идеологическим: NASA построило носитель, который должен обладать надёжностью на уровне гражданских авиалайнеров, и его превосходство требовалось продемонстрировать миру.

Старт корабля Columbia запланировали на 1 сентября 1978 года, но из-за множества технических накладок он неоднократно переносился. Началось «бегство» коммерческих заказчиков, и президент Джеймс Картер высказал намерение закрыть программу. Шаттлы спасла поддержка со стороны Минобороны: после доклада военных о необходимости регулярного обслуживания разведывательных спутников пилотируемыми кораблями Картер согласился выделить дополнительное финансирование.

29 декабря 1980 года гигантский транспортёр, доставшийся в наследство от лунной ракеты Saturn V, привёз корабль Columbia на стартовый комплекс. При тестовой заправке случился пролив, и отслоилось теплоизолирующее покрытие бака — запуск вновь перенесли. 19 марта 1981 года при заполнении азотом хвостового отсека корабля шестеро оказавшихся в нём рабочих получили отравление, а двое из них впоследствии скончались.

«Спейс Шаттл». На шаг ближе к космосу

Постепенно концепция превращалась в реальные очер­тания и технические решения. Итак, многоразовая тран­спортная космическая система (МТКС) должна была состоять из трех основных частей. Основа МТКС, ее «хребет» — это внешний топливный бак. По бокам бака расположены два твердотоплив­ных ускорителя. И, наконец, сверху расположен орбитальный ко­рабль. В нем размещаются экипаж и полезный груз. В огромный оранжевый «термос», состоявший из двух отсеков, заправляется топливо — кислород и водород, расходуемое для выведения МТКС на орбиту. Твердотопливные ускорители обеспечивают дополнительную тягу в момент старта, а также гарантирован­ную для спасения корабля скорость в случае отказа основных двигателей I и II ступеней на начальном этапе выведения на ор­ биту. При достижении скорости 1390 м/с, через 125 секунд по­сле старта на высоте примерно 50 км ускорители отделяются от МТКС, приводняются в океан на расстоянии 250 км от космодро­ма, буксируются на берег, восстанавливаются и затем повторно используются.

Три основных двигателя обеспечивают разгон корабля до скорости, близкой к орбитальной. Когда топливо выработано (это, по расчетам, должно было происходить на восьмой минуте полета), топливный отсек отделяется от корабля; поскольку он должен пройти через плотные слои атмосферы, его спасение не предусматривалось. В дальнейшем корабль использует двига­тели системы орбитального маневрирования, обеспечивающие необходимую тягу для вывода на орбиту. Они же используются для межорбитальных переходов и торможения при сходе с орби­ты при посадке.

жидкий водород, космический корабль, спейс шаттл

Для отработки захода на посадку и приземления была раз­работана программа ALT. Именно под эту программу был по­строен первый «шаттл». Интересно, что первоначально он дол­жен был называться «Конституция», однако «по многочисленным просьбам трудящихся» было выбрано название «Энтерпрайз», в честь звездолета из сериала «Звездный путь» («Star Track»). В начале 1977 года «Энтерпрайз», он же OV-101 по классификации НАСА, был передан фирмой «Рокуэлл» для испытаний.

Первые полеты

15 февраля 1977 года «Энтерпрайз», водруженный на самолет-носитель, в роли которого выступал «Боинг-747», впервые проехался по рулежной дорожке, а спустя три дня поднялся в воздух. С 18 февраля по 2 марта были совершены пять полетов без отделения от самолета-носителя и без экипажа в кабине «шаттла», затем еще три испытания, в ходе которых в «Энтерпрайзе» находились пилоты, следившие за по­казаниями приборов. В первый свободный полет «шаттл» отправился 12 августа. На высоте 7,3 км он отделился от «Боинга», а спустя 5 мин 21 сек пилоты Фред Хейз (опытный астронавт, участвовавший в том числе и в лунной программе) и Гордон Фуллертон посадили его на расположен­ную на дне высохшего озера полосу.

Читайте так же:
Как защититься от тополиного пуха (видео)

испытательный полет, полет энтерпрайза, самолет носитель

полет энтерпрайза, Боинг-747, спейс шаттл

После окончания испытаний НАСА планировало отправить «Энтерпрайз» в космос, однако от этих планов пришлось отказаться — переоборудование OV-101 в «боевой» корабль обошлось бы неоправ­данно дорого. «Энтерпрайз» был частично разобран, его компоненты использовались на других «шаттлах». В дальнейшем «Эн­терпрайз» был превращен в выставочный экспонат и ныне демонстрируется в Наци­ональном институте космоса.

Испытания «Энтерпрайза» показали, что «шаттл» вполне успешно может летать в атмосфере и приземляться в режиме планирования на землю. Впрочем, почи­вать на лаврах было рано. Восьмимесяч­ные вибрационные испытания в Центре космических полетов в Хантсвилле пока­зали, что конструкция «шаттла» во многих местах нуждается в усилении. И это при том, что на «Энтерпрайзе» отсутствовала большая часть исследовательского обо­рудования и, самое главное, термоизоля­ционная обшивка — элемент конструкции, доставивший очень много проблем созда­телям «челноков».

«Колумбия» готовится в космос

Меж тем фирма «Рокуэлл» полным ходом строила еще один «шаттл» — второй по порядковому номеру (OV-102) и первый, которому предстояло отправиться в космос. Он был назван «Колумбия» — в честь корабля капитана Роберта Грея, в 1792 году исследовавшего внутренние воды Британской Колумбии, которые ныне примыкают к штатам США Орегон и Вашингтон. 25 марта 1979 года «Колумбия» была доставлена в космический центр имени Кеннеди, на острове Меррит в штате Флорида, на­ходящийся недалеко от мыса Канаверал.

Начиналась непосредственная подготовка к старту, который был назначен на этот же, 1979 год. Но его пришлось отложить на два года, из-за уже упоминавшихся недостатков теплозащиты орбитального корабля, а также из-за отказов основных двига­телей. Работы по установке теплозащитного покрытия были в основном завершены в конце ноября 1980 года. 24 ноября «Ко­лумбия» была переведена из монтажно-испытательного корпуса в корпус вертикальной сборки VАВ (Vert^al Assembly Building). На следующий день корабль был подвешен в вертикальном положении, а 26 ноября состыкован с внешним топливным баком и твердотопливными ускорителями.

В декабре 1980 года специалисты НАСА приступили к про­верке собранной МТКС. 29 декабря она, проделав путь длиной в 5,5 км, была доставлена на стартовую площадку 39А. 22 января была проведена пробная заправка топливного бака кислородом и водородом. Через пять дней топливо было слито. Бак и ма­гистрали выдержали проверку на герметичность, однако снова подвела теплозащита — было обнаружено отклеивание теплои­золяционных плиток на площади более 8 м 2 . При заполнении топливом, охлажденным до экстремально низких температур (кислород — минус 183°C, водород — минус 253°C), не выдержали внутрен­них напряжений тонкий слой грунта, покрывавший алюминие­вую поверхность топливного бака, и клеевой состав, на котором к корпусу крепились термопанели.

20 февраля 1981 года непосредственно на стартовой пло­щадке были проведены испытания трех основных двигателей МТКС. 56,7 м 3 жидкого водорода и 212 м 3 кислорода сгорели за 20 секунд. Испытания были признаны успешными. Опасения снова вызывала термозащита — на примерно ста плитках были обнаружены небольшие трещины и щербины, однако в целом она выдержала запуск двигателей.

шаттлы в музеях, энтерпрайз, спейс шаттл

Работы по устранению неисправностей и доработке «Колум­бии» продолжались. После очередного переноса старт был на­значен на 10 апреля. 6 апреля в 4 часа 30 минут начался обрат­ный предстартовый отсчет. В день старта подготовка к полету шла без проблем, астронавты заняли свои места в кабине. С мыса Канаверал велась прямая телетрансляция, на стартовой площадке присутствовал президент Рейган. Но за 20 минут до старта произошел сбой в программном обеспечении. Старт «Ко­лумбии» снова был отложен.

Устройство «шат­тла»

Перед тем как наконец-то «отправить» «Колумбию» в пер­вый полет, остановимся подробнее на устройстве «шат­тла». Собственно космический корабль, который выводится МТКС на орбиту, представляет собой гиперзвуковой летатель­ный аппарат с низкорасположенным дельтовидным крылом с двойной стреловидностью передней кромки и с вертикальным оперением обычной схемы. Такая схема была выбрана для обеспечения компромисса между большими углами атаки при гиперзвуковой скорости и достаточно высоким аэродинамиче­ским качеством при дозвуковом полете. «Шаттл» имеет длину 37,2 м, размах крыльев 23,8 м, высоту по килю 17,3 м, сухую массу 68 т, посадочную массу с полезной нагрузкой 86,1 т.

макет шаттла, космический корабль, спейс шаттл, шаттл колумбия

Жилой отсек корабля — двухпалубный, рассчитанный в штатном режиме на семерых астронавтов. В случае необхо­димости, например, при расширенной программе полета либо при выполнении спасательных операций, экипаж «шаттла» мог составить десять человек. Впрочем, лишь однажды, в 1985 году, на борту «Челленджера» находились восемь астронавтов, обычно в экипаж входили пять-семь человек.

В кабине «шаттла» расположены пульт управления полетом, кухня, санитарный отсек, рабочие и спальные места астронав­тов, шлюзовая камера и др. Система жизнеобеспечения кора­бля поддерживает в отсеке общим объемом 75 м 3 давление 760 мм рт.ст. и температуру 18-26,5 о С и работает в так назы­ваемом «открытом» режиме, то есть без регенерации воздуха и воды. Это, с одной стороны, не позволяло «шаттлу» находить­ся в космосе более 30 суток, но, с другой, установка системы регенерации привела бы к существенному увеличению веса и потребляемой кораблем электроэнергии. Запас кислорода в жидком виде (51 кг) хранится в двух баках кислородно-водо­родных топливных элементов, азота (78 кг) — в газообразном состоянии в четырех баллонах. Для удаления углекислого газа служат патроны с гидроксидом лития. В отсеке полезной на­грузки хранится запас сжатых газов (25 кг кислорода), который рассчитан на поддержание в кабине экипажа давления 42,5 мм рт.ст. в течение 165 мин при разгерметизации корабля в мо­мент старта или вскоре после него.

Для перехода из кабины экипажа в отсек полезной нагруз­ки служит шлюзовая камера диаметром 1,6 м и высотой 2,1 м. Грузовая камера «шаттла», расположенная в средней части фюзеляжа, имеет длину 18,3 м, диаметр 4,6 м, общий объем 340 м 3 . В камере поддерживается постоянная температура 23,8 о С. В нижней ее части, под полом, находится система элек­тропитания, а на левом борту установлен манипулятор длиной 15,3 м, управляемый из кабины экипажа (при необходимости можно было установить и второй манипулятор на правом бор­ту). Кроме того, в отсеке на шпангоутах закреплены прожекто­ры, которые позволяют создать достаточный уровень освещен­ности для выполнения любых операций.

Читайте так же:
История создания кондиционера.

Теплозащиту «шаттла» обеспечивают четыре вида изоля­ционного покрытия. Самые теплонагруженные места — носок фюзеляжа и передняя кромка крыла, которые при входе в атмосферу разогреваются до 1430°С, защи­щены многослойным углерод-углеродным композиционным материалом. Нижняя поверхность корабля, нагревающаяся до температуры от 650 до 1260°С, закрыта плитками на основе кварцевого волокна (2000 шт.), верхняя и боковые поверхности (разогрев 320-650°С) — из практически такого же материала, но меньшей толщи­ны (7000 шт.). И, наконец, там, где нагрев не превышает 370°С, применяется тепло­защита, представляющая собой войлок толщиной 4,1-10,2 мм с нанесенной белой силиконовой резиной. Теплозащита пер­вого, самого термоустойчивого типа за­нимает 3,5% (38 м 2 ) площади поверхности «шаттла», второго — 43,2% (475 м 2 ), третье­го — 25,6% (281 м 2 ) и четвертого — 27,7% (304 м 2 ). Общий вес покрытия всех четырех типов составляет 7164 кг.

Основная двигательная установка «челнока» — три однокамерных кислород­но-водородных двигателя SSME (Space Shuttle main engine — «главный двигатель космического челнока»; фирма-произво­дитель «Рокетдайн» обозначала их RS-25) с номинальной тягой 170 тонн на уровне моря и 213 тонн в пустоте. Масса каждого двигателя — 3177 кг, высота — 4,24 м, ди­аметр — 2,4 м. SSME работали в экстре­мальных условиях — температура в каме­ре сгорания достигает 3300°C, поэтому после каждого полета они снимались для осмотра и замены всех необходимых компонентов. Двигатель, согласно спе­цификации, должен был выдерживать 55 включений, максимальное время одного включения — 825 секунд, общий ресурс работы — 7,5 часов.

Помимо основных двигателей, на «шаттлах» устанавливалась двигательная установка маневрирования и ориентации. Она состояла из двух двигателей манев­рирования и 44 (38 основных и 6 вспомо­гательных) ориентации, работавших на высококипящих компонентах: горючее — монометилгидразин, окислитель — оксид азота (IV). Эти двигатели были объединены в три двигательных установки — носовую (14 основных и 2 вспомогательных ориен­тации) и две кормовых (по одному двигателю маневрирования, 12 основных и 2 вспомогательных ориентации).

запуск шаттла, спейс шаттл, космический корабль

Электричеством «шаттл» снабжается от трех кислородно­водородных топливных элементов, запасы которых обычно рассчитаны на 10-14 суток полета, с возможностью установки дополнительных емкостей. И здесь конструкторам пришлось пожертвовать продолжительностью полета в пользу упрощения конструкции и уменьшения ее веса — на «шаттле» нет солнеч­ных батарей, и всю необходимую энергию он берет с собой с Земли.

Система управления, навигации и наведения орбитального корабля — это целый комплекс приборов, основными из кото­рых являются: три инерциальных измерительных блока, ради­онавигационная система «Такан», скоростные гироскопы, три блока акселерометров, два радиовысотомера, два командных авиагоризонта, барометрические высотомеры, четыре датчика воздушных параметров и др.

Основой системы навигации и управления «шаттла» явля­ются четыре бортовых компьютера. Соединенные между собой, они обрабатывают информацию, поступающую от системы навигации, наведения и управления, и передают команды на систему управления полетом. Система бортовых компьютеров создавалась с условием обеспечения нормального полета в случае отказа двух любых своих элементов. Именно поэтому бортовых ЭВМ четыре, они работают синхронно, параллель­но обрабатывая одни и те же задачи. Компьютеры постоянно сравнивают свои собственные вычисления с результатами трех других, что позволяет выделить из всей четверки машин ту, ко­торая дает сбои. Кроме того, на «шаттле» была установлена и пятая ЭВМ, резервная. Этот компьютер, другого производителя и с иным программным обеспечением, был предусмотрен на случай, если в программах основных ЭВМ окажется серьезная ошибка, не выявленная при наземных и летных испытаниях.

Несбывшиеся надежды: что планировали и что получилось в программе «Спейс Шаттл»

Тема многоразовых носителей очень объемная, поэтому в этой статье я специально ограничиваюсь только этими вопросами.

Что планировали?
  • Снабжать орбитальную станцию
  • Запускать и возвращать с орбиты спутники
  • Выводить на орбиту разгонные блоки и полезную нагрузку
  • Выводить на орбиту топливо (для последующей заправки других аппаратов)
  • Обслуживать и ремонтировать спутники на орбите
  • Проводить короткие пилотируемые миссии
  • Стать фундаментальным улучшением существующей космической техники с точки зрения стоимости и объемов выводимого на орбиту
  • Транспортировать людей, грузы, топливо, другие корабли, разгонные блоки и прочее на орбиту как самолёт — регулярно, дешево, часто и много.
  • Быть универсальным для совместимости с широким спектром гражданских и военных полезных нагрузок.
  • Размер и емкость грузового отсека
  • Величина горизонтального маневра
  • Двигатели (тип, тяга и другие параметры)
  • Способ посадки (на двигателях или планированием)
  • Используемые материалы
  • Грузовой отсек 4,5х18,2 м (15х60 футов)
  • 30 тонн на низкую околоземную орбиту, 18 тонн на полярную орбиту
  • Возможность горизонтального маневра на 2000 км

В районе 1970 года выяснилось, что на орбитальную станцию и шаттл одновременно денег не хватит. И станция, для которой шаттл должен был возить грузы, была отменена.
В то же время в инженерной среде царил ничем не сдерживаемый оптимизм. Опираясь на опыт эксплуатации экспериментальных ракетных самолётов (X-15), инженеры прогнозировали снижение стоимости килограмма на орбиту на два порядка (в сто раз). На симпозиуме, посвященном программе «Спейс Шаттл», который проходил в октябре 1969 года, «отец» шаттла Джордж Мюллер говорил:

По расчетам Мюллера запуск шаттла должен будет стоить $1-2,5 миллиона (сравните с $185 млн. для Сатурна-V).
Также были проведены достаточно серьезные экономические расчеты, которые показали, что для того, чтобы хотя бы сравняться по стоимости с ракетой-носителем «Титан-III» при прямом сравнении цен без учета дисконта , шаттлу нужно стартовать 28 раз в год. На фискальный 1971 год президент Никсон выделил $125 миллионов на производство одноразовых ракет-носителей, что составило 3,7% от бюджета NASA. Т.е., если бы шаттл уже был в 1971 году, то он бы сэкономил всего лишь 3,7 процента бюджета NASA. Ядерный физик Ральф Лапп (Ralph Lapp) посчитал, что за период 1964-1971 шаттл, если бы уже был, сэкономил бы 2,9% бюджета. Естественно, такие цифры не могли защитить шаттл, и NASA встало на скользкую дорожку игры с цифрами: «если бы была построена орбитальная станция, и если бы она нуждалась в миссии снабжения каждые две недели, то тогда бы шаттлы экономили миллиард долларов в год». Также продвигалась идея «с такими возможностями пуска полезные нагрузки станут дешевле, и их будет больше, чем сейчас, что ещё увеличит экономию». Только комбинация идей «шаттл будет летать часто и экономить деньги на каждом пуске» и «новые спутники для шаттла будут дешевле существующих для одноразовых ракет» смогла сделать шаттл экономически выгодным.

Экономические расчеты. Обратите внимание, что если убрать «новые спутники» (нижняя треть таблицы), то шаттлы становятся экономически невыгодными.

Экономические расчеты. Платим больше сейчас (левая часть) и выигрываем в будущем (правая заштрихованная часть).

Читайте так же:
Как возникло видеонаблюдение

Параллельно шли сложные политические игры с участием фирм-потенциальных производителей, ВВС, правительства и NASA. Например, NASA проиграло офису менеджмента и бюджета Исполнительного офиса Президента США битву за ускорители первой ступени. NASA хотело ускорители на ЖРД, но из-за того, что ускорители на РДТТ были дешевле в разработке, были выбраны последние. ВВС, которые добивались военных пилотируемых программ с X-20 и MOL, фактически получали военные миссии шаттла бесплатно в обмен на политическую поддержку NASA. Производство шаттлов намеренно размазывалось по всей стране между разными компаниями для экономического и политического эффекта.
В итоге этих сложных маневров, контракт на разработку системы «Спейс Шаттл» был подписан летом 1972 года. История производства и эксплуатация выходит за рамки этой статьи.

Что получили?

Сейчас, когда программа закончена, можно с достаточной точностью сказать, какие цели были достигнуты, а какие — нет.

  1. Доставка грузов различного типа (спутники, разгонные блоки, сегменты МКС).
  2. Возможность ремонта спутников на низкой околоземной орбите.
  3. Возможность возврата спутников на Землю.
  4. Возможность отправить в полёт до восьми человек.
  5. Реализована многоразовость.
  6. Реализована принципиально новая компоновка космического корабля.
  7. Возможность горизонтального маневра.
  8. Большой грузовой отсек.
  9. Стоимость и время разработки уложились в сроки, обещанные президенту Никсону в 1971 году.
  1. Качественное облегчение доступа в космос. Вместо снижения цены за килограмм на два порядка, «Спейс Шаттл» стал одним из самых дорогих средств доставки спутников на орбиту.
  2. Быстрая подготовка шаттлов между полётами. Вместо ожидаемого срока в две недели между полётами, шаттлы готовились к пуску месяцами. До катастрофы «Челленджера» рекорд между полётами составлял 54 дня, после «Челленджера» — 88 дней. За все годы эксплуатации шаттлов они запускались в среднем 4,5 раза в год вместо минимально допустимых по расчетам 28 раз в год.
  3. Простота обслуживания. Выбранные технические решения были очень трудоемкими в обслуживании. Главные двигатели требовали демонтажа и много времени на сервис. Турбонасосные агрегаты двигателей первой модели требовали полной переборки и ремонта после каждого полёта. Плитки теплозащиты были уникальны — в каждое гнездо ставилась своя плитка. Всего плиток 35 000, к тому же, они могут быть потеряны или повреждены в полёте.
  4. Замена всех одноразовых носителей. Шаттлы никогда не стартовали на полярные орбиты, что нужно в основном для разведывательных спутников. Велись подготовительные работы, но они были остановлены после катастрофы «Челленджера».
  5. Надежный доступ в космос. Четыре орбитера означали, что катастрофа шаттла — это потеря четверти флота. После катастрофы полёты прекращались на годы. Также, шаттлы были печально известны постоянными переносами пусков.
  6. Грузоподъемность шаттлов оказалась на пять тонн ниже требуемой спецификациями (24,4 вместо 30)
  7. Большие возможности горизонтального маневра никогда не применялись в реальности из-за того, что шаттл не летал на полярные орбиты.
  8. Возврат спутников с орбиты прекратился в 1996 году. С орбиты было возвращено всего пять спутников.
  9. Ремонт спутников тоже оказался слабо востребован. Всего было отремонтировано пять спутников (правда, Хаббл обслуживали пять раз).
  10. Принятые инженерные решения негативно влияли на надежность системы. На взлете и посадке были участки без шансов на спасение экипажа при аварии. Из-за этого погиб «Челленджер». Миссия STS-9 чуть не кончилась катастрофой из-за пожара в хвостовой части, который возник уже на посадочной полосе. Случись этот пожар минутой раньше, шаттл бы упал без шансов на спасение экипажа.
  11. То, что шаттл всегда летал пилотируемым, подвергало риску людей без необходимости — для рутинного запуска спутников хватало автоматики.
  12. Из-за низкой интенсивности эксплуатации шаттлы устарели морально раньше, чем физически. В 2011 году «Спейс Шаттл» был очень редким примером эксплуатации процессора 80386. Одноразовые носители можно было модернизировать постепенно новыми сериями.
  13. Закрытие программы «Спейс Шаттл» наложилось на отмену программы «Созвездие», что привело к потере самостоятельного доступа в космос на многие годы, имиджевым потерям и необходимости покупать места на космических кораблях другой страны.
  14. Новые системы управления и надкалиберные обтекатели позволили запускать большие спутники на одноразовых ракетах.
  15. Шаттл держит печальный антирекорд среди космических систем по количеству погибших людей.

Программа «Спейс Шаттл» дала США уникальные возможности по работе в космосе, но, с точки зрения разницы «что хотели — что получили» приходится сделать вывод о том, что она не достигла своих целей.

Почему так получилось?
  1. Шаттлы были результатом множества компромиссов между интересами нескольких больших организаций. Возможно, если бы был один человек или команда единомышленников, которые имели бы четкое видение системы, она могла получиться удачнее.
  2. Требование «быть всем для всех» и заменить все одноразовые ракеты повысило стоимость и сложность системы. Универсальность при объединении разнородных требований приводит к усложнению, удорожанию, излишнему функционалу и худшей эффективности, чем специализация. Легко добавить будильник в мобильный телефон — динамик, часы, кнопки и электронные компоненты уже есть. Но летающая подводная лодка будет сложнее дороже и хуже специализированных самолёта и подлодки.
  3. Сложность и стоимость системы растет с размером экспоненциально. Возможно, шаттл на 5-10 тонн полезной нагрузки (в 3-4 раза меньше реализованного) был бы более успешен. Их можно было бы построить больше, часть флота сделать беспилотными, сделать одноразовый модуль для повышения грузоподъемности редких более тяжелых миссий.
  4. «Головокружение от успехов». Успешная реализация трёх программ последовательно увеличивающейся сложности могла вскружить головы инженерам и менеджерам. В самом деле, что пилотируемый первый пуск без беспилотной отработки, что отсутствие систем спасения экипажа на участках выведения/спуска говорят о некоторой самоуверенности.
Эй, а «Буран»?

Предвидя неизбежные сравнения, придется чуть-чуть сказать и про него. По «Бурану» нет статистики эксплуатации за много лет. С ним получилось в чем-то проще — его накрыло обломками развалившегося СССР, и нельзя сказать, была бы эта программа успешной. Первую часть этой программы — «сделать как у американцев» выполнили, а что было бы дальше — неизвестно.
А желающих устроить в комментах холивар «Что лучше?» прошу предварительно дать определение, что такое по-вашему «лучше». Потому что обе фразы «Буран имеет бОльший запас характеристической скорости (delta-V), чем Спейс Шаттл» и «Шаттл не сбрасывает дорогие маршевые двигатели со ступенью ракеты-носителя» верны.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию