Косми́ческая тра́нспортная систе́ма (англ. Space Transportation System), более известная как Спе́йс ша́ттл (от англ. Space shuttle - косми́ческий челно́к) - американский многоразовый транспортный космический корабль. Шаттл запускается в космос с помощью ракет-носителей, осуществляет манёвры на орбите как космический корабль и возвращается на Землю как самолёт. Подразумевалось, что шаттлы будут сновать, как челноки, между околоземной орбитой и Землёй, доставляя полезные грузы в обоих направлениях. При разработке предусматривалось, что каждый из шаттлов должен был до 100 раз стартовать в космос. На практике же они используются значительно меньше. К маю 2010 года больше всего полётов - 38 - совершил шаттл «Дискавери». Всего с 1975 по 1991 год было построено пять шаттлов: «Колумбия» (сгорел при посадке в 2003), «Челленджер» (взорвался при старте в 1986), «Дискавери», «Атлантис» и «Индевор». 14 мая 2010 года спейс шаттл «Атлантис» совершил свой последний старт с мыса Канаверал. По возвращении на Землю он будет списан.
История применения
Программа по созданию шаттлов разрабатывалась компанией North American Rockwell по поручению НАСА с 1971 года.
Шаттл «Колумбия» был первым действующим многоразовым орбитальным аппаратом. Его изготовили в 1979 году и передали Космическому центру НАСА имени Кеннеди. Шаттл «Колумбия» был назван по имени парусника, на котором капитан Роберт Грей в мае 1792 года исследовал внутренние воды Британской Колумбии (ныне штаты США Вашингтон и Орегон). В НАСА «Колумбия» имеет обозначение OV-102 (Orbiter Vehicle - 102). Шаттл «Колумбия» погиб 1 февраля 2003 года (полёт STS-107) при входе в атмосферу Земли перед посадкой. Это было 28-е космическое путешествие «Колумбии».
Второй космический челнок - «Челленджер» был передан НАСА в июле 1982 года. Он был назван по имени морского судна, исследовавшего океан в 1870-е годы. В НАСА «Челленджер» имеет обозначение - OV-099. «Челленджер» погиб при своём десятом запуске 28 января 1986 года.
Третий шаттл - «Дискавери» был передан НАСА в ноябре 1982 года.
Шаттл «Дискавери» был назван по имени одного из двух судов, на которых, в 1770-х годах, британский капитан Джеймс Кук (англ. James Cook) открыл Гавайские острова и исследовал побережье Аляски и северо-западной Канады. Такое же имя («Дискавери») носило одно из судов Генри Хадсона, который в 1610-1611 годах исследовал Гудзонов залив. Ещё два «Дискавери» были построены Британским Королевским Географическим Обществом для исследования Северного полюса и Антарктики в 1875 и 1901 годах. В НАСА «Дискавери» имеет обозначение OV-103.
Четвёртый шаттл - «Атлантис» (Atlantis) вступил в строй в апреле 1985 года.
Пятый шаттл - «Индевор» (Endeavour) был построен взамен погибшего «Челленджера» и принят в эксплуатацию в мае 1991 года. Шаттл «Индевор» был назван также по имени одного из судов Джеймса Кука. Это судно использовалось в астрономических наблюдениях, которые позволили точно установить расстояние от Земли до Солнца. Этот корабль также участвовал в экспедициях по исследованию Новой Зеландии. В НАСА «Индевор» имеет обозначение OV-105.
До «Колумбии» был построен ещё один шаттл - «Энтерпрайз» (Enterprise), который в конце 1970-х годов использовался только как тестовый аппарат для отработки методов посадки и не летал в космос. В самом начале предполагалось назвать этот орбитальный корабль - «Конституция» (Constitution) в честь двухсотлетия американской Конституции. Позже, по многочисленным предложениям зрителей популярного телевизионного сериала «Звёздный путь» (Star Trek), было выбрано имя «Энтерпрайз». В НАСА «Энтерпрайз» имеет обозначение OV-101.
Шаттл «Дискавери» взлетает. Миссия STS-120
Общие сведения
Страна Соединённые Штаты Америки США
Назначение Многоразовый транспортный космический корабль
Изготовитель United Space Alliance:
Thiokol/Alliant Techsystems (SRBs)
Lockheed Martin (Martin Marietta) - (ET)
Rockwell/Boeing (orbiter)
Основные характеристики
Количество ступеней 2
Длина 56,1 м
Диаметр 8,69 м
Стартовая масса 2030 т
Масса полезной нагрузки
- на НОО 24 400 кг
- на Геостационарная орбита 3810 кг
История запусков
Состояние действующий
Места запуска Космический центр Кеннеди, 39-й комплекс
База Ванденберг (планировалось в 1980-е)
Число запусков 128
- успешных 127
- неудачных 1 (launch failure, Challenger)
- частично неудачных 1 (re-entry failure, Columbia)
Первый запуск 12 апреля 1981 года
Последний запуск осень 2010 года
Конструкция
Шаттл состоит из трёх основных компонентов: орбитальный аппарат (Орбитер, Orbiter), который выводится на околоземную орбиту и который является, собственно, космическим кораблём; большой внешний топливный бак, для главных двигателей; и два твердотопливных ракетных ускорителя, которые работают в течение двух минут после старта. После выхода в космос орбитер самостоятельно возвращается на Землю и совершает посадку как самолёт на взлётно-посадочную полосу. Твердотопливные ускорители приводняются на парашютах и затем используются вновь. Внешний топливный бак сгорает в атмосфере.
История создания
Существует серьёзное заблуждение, что программа «Спейс шаттл» создавалась для военных нужд, в качестве некоего «космического бомбардировщика». Это глубоко неверное «мнение» основывается на «возможности» челноков нести ядерное вооружение (такую возможность в той же степени имеет любой достаточно большой пассажирский авиалайнер (к примеру, первый советский трансконтинентальный авиалайнер Ту-114 был создан на базе стратегического ядерного носителя Ту-95) и на теоретических предположениях об «орбитальных нырках», которые якобы способны проводить (и даже осуществляли) орбитальные корабли многоразового использования.
На самом деле, все упоминания о «бомбардировочном» назначении шаттлов содержатся исключительно в советских источниках, как оценка военного потенциала космических челноков. Справедливо будет предположить, что эти «оценки» использовались, чтобы убедить высшее руководство в необходимости «адекватного ответа» и создать свою аналогичную систему.
История проекта спейс шаттл начинается в 1967 году, когда ещё до первого пилотируемого полёта по программе «Аполло» (11 октября 1968 года - старт «Аполло-7») оставалось больше года, как обзор перспектив пилотируемой космонавтики после завершения лунной программы NASA.
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 фирмам с предложением исследовать возможность создания многоразовой космической системы, что должно было снизить затраты космического агентства при условии интенсивного использования.
В сентябре 1970 года Целевая космическая группа под руководством вице-президента США С. Агню, специально созданная для определения следующих шагов в освоения 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.
Также существовали планы создания «атомного шаттла» - челнока с ядерной двигательной установкой NERVA (англ.), который разрабатывался и испытывался в 1960-х годах. Атомный шаттл должен был осуществлять полёты между земной орбитой, орбитой Луны и Марса. Снабжение атомного челнока рабочим телом для ядерного двигателя возлагалось на знакомые нам обыкновенные шаттлы:
Nuclear Shuttle: This reusable rocket would rely on the NERVA nuclear engine. It would operate between low earth orbit, lunar orbit, and geosynchronous orbit, with its exceptionally high performance enabling it to carry heavy payloads and to do considerable amounts of work with limited stores of liquid-hydrogen propellant. In turn, the nuclear shuttle would receive this propellant from the Space Shuttle.
SP-4221 The Space Shuttle Decision
Однако, президент США Ричард Никсон отверг все варианты, потому что даже самый дешевый требовал 5 млрд долларов 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, система спейс шаттл может быть рентабельной.
Проект создания системы «Спейс шаттл» 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 быть способна выводить на орбиту полезный груз до 30 тонн, возвращать на Землю полезную нагрузку до 14,5 тонн, иметь размер грузового отсека не менее 18 метров длиной и 4,5 метров в диаметре. Это были размер и вес проектировавшегося тогда спутника оптической разведки КН-II, из которого впоследствии произошёл орбитальный телескоп Хаббл.
* Обеспечить возможность бокового маневра для орбитального корабля до 2000 километров для удобства посадки на ограниченное количество военных аэродромов.
* Для запуска на околополярные орбиты (с наклонением 56-104º) ВВС решили построить собственный технический, стартовый и посадочный комплексы на авиабазе Ванденберг в Калифорнии.
Этим требования военного ведомства к проекту спейс шаттл были ограничены.
Использовать челноки в качестве «космических бомбардировщиков» не планировалось никогда. Во всяком случае, не существует никаких документов NASA, Пентагона, или Конгресса США, свидетельствующих о таких намерениях. Не упоминаются «бомбардировочные» мотивы ни в мемуарах, ни в частной переписке участников создания системы спейс шаттл.
Проект космического бомбардировщика X-20 Dyna Soar официально стартовал 24 октября 1957 года. Однако, с развитием МБР шахтного базирования и атомного 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 г. Министр обороны Макнамара одобрил последнюю реструктуризацию программы. С этого момента Dyna-Soar официально называлась научно-исследовательской программой, имеющей целью исследовать и показать возможность выполнения пилотируемым орбитальным планером маневрирования при входе в атмосферу и посадки на взлетно-посадочную полосу в заданном месте Земли с необходимой точностью. К середине 1963 г. Министерство Обороны серьезно сомневалось относительно необходимости программы Dyna-Soar. 10 декабре 1963 г., Министр обороны Макнамара отменил Dyna-Soar.
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.
Многие технические и технологические наработки программы Dyna-Soar были впоследствии использованы при создании орбитальных кораблей типа спейс шаттл.
Советское руководство, внимательно наблюдавшее за развитием программы спейс шаттл, но предполагая худшее, искало «скрытую военную угрозу», что сформировало два основных предположения:
* Возможно использование космических челноков в качестве носителей ядерного оружия (это предположение в корне неверно по вышеупомянутым причинам).
* Возможно использование космических челноков для похищения с орбиты Земли советских спутников и ДОС (долговременных обитаемых станций) Алмаз ОКБ-52 В. Челомея. Для защиты, советские ДОС предполагалось оснащать даже автоматическими пушками конструкции Нудельмана - Рихтера (ОПС был оснащён такой пушкой). 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 разведспутника HK-II советское руководство информировано не было.
В результате, советская космическая отрасль получила задание создать многоразовую космическую систему с характеристиками аналогичными системе спейс шаттл, но с чётко определённым военным назначением, как орбитальное средство доставки термоядерного оружия.
Задачи
Корабли спейс шаттл используются для вывода грузов на орбиты высотой 200-500 км, проведения научных исследований, обслуживания орбитальных космических аппаратов (монтажные и ремонтные работы).
Шаттлом «Дискавери» в апреле 1990 года был доставлен на орбиту телескоп Хаббл (полёт STS-31). На шаттлах «Колумбия», «Дискавери», «Индевор» и «Атлантис» были осуществлены четыре экспедиции по обслуживанию телескопа Хаббл. Последняя экспедиция шаттла к Хабблу состоялась в мае 2009 года. Так как с 2010 года НАСА запланировала прекратить полёты шаттлов, это была последняя экспедиция человека к телескопу, ибо эти миссии невозможно выполнить какими-либо другими имеющимися космическими аппаратами.
Шаттл «Индевор» с открытым грузовым отсеком.
В 1990-е годы шаттлы принимали участие в совместной российско-американской программе «Мир - Спейс шаттл». Было осуществлено девять стыковок со станцией «Мир».
В течение всех двадцати лет, когда шаттлы были в эксплуатации, они постоянно развивались и модифицировались. Было сделано более тысячи значительных и незначительных модификаций к изначальному проекту шаттла.
Шаттлы играют очень важную роль в осуществлении проекта по созданию Международной космической станции (МКС). Так, например, модули МКС, из которых собрана кроме российского модуля «Звезда», не имеют своих двигательных установок (ДУ), а значит, не могут самостоятельно маневрировать на орбите для поиска, сближения и стыковки со станцией. Поэтому их нельзя просто «забрасывать» на орбиту обыкновенными носителями типа «Протон». Единственная возможность собирать станции из таких модулей - использование кораблей типа спейс шаттл с их большими грузовыми отсеками или, гипотетически, использовать орбитальные «буксиры», которые смогли бы отыскивать модуль, выведенный на орбиту «Протоном», стыковаться с ним и подводить его к станции для стыковки.
Фактически, без кораблей типа шаттл, строительство модульных орбитальных станций типа МКС (из модулей без ДУ и систем навигации) было бы невозможным.
После катастрофы «Колумбии» в эксплуатации остаются три шаттла - «Дискавери», «Атлантис» и «Индевор». Эти остающиеся шаттлы должны обеспечить достройку МКС до 2010 года. НАСА объявило об окончании эксплуатации шаттлов в 2010 году.
Шаттл «Атлантис», в своём последнем рейсе на орбиту (STS-132) доставил на МКС российский исследовательский модуль «Рассвет».
Технические данные
Твердотопливный ускоритель
Внешний топливный бак
Бак содержит топливо и окислитель для трёх жидкостных двигателей SSME (или RS-24) на орбитере и не снабжён собственными двигателями.
Внутри топливный бак разделён на две секции. Верхнюю треть бака занимает ёмкость предназначенная для охлаждённого до температуры −183 °C (−298 °F) жидкого кислорода. Объём этой ёмкости составляет 650 тыс. литров (143 тыс. галлонов). Нижние две трети бака предназначены для охлаждённого до температуры −253 °C (−423 °F) жидкого водорода. Объём этой ёмкости составляет 1,752 млн литров (385 тыс. галлонов).
Орбитер
Кроме трёх основных двигателей орбитера на старте иногда используются два двигателя системы орбитального маневрирования (OMS), каждый тягой 27 кН. Топливо и окислитель системы OMS хранятся на челноке, используются на орбите и для возвращения на Землю.
Размеры Спейс шаттла
Размеры Спейс шаттла по сравнению с «Союзом»
Стоимость
В 2006 году общие расходы составили 160 млрд долл., к этому времени было выполнено 115 запусков (см.: en:Space Shuttle program#Costs). Средние расходы на каждый полёт составили 1,3 млрд долл., но основная часть расходов (проектирование, модернизация и др.) не зависит от числа запусков.
Стоимость каждого полёта шаттла составляет около 60 млн долл. На обеспечение 22 полётов шаттлов с середины 2005 года по 2010 год в бюджете NASA заложено около 1 миллиарда 300 миллионов долл. прямых затрат.
За эти деньги орбитер шаттла может доставлять за один рейс к МКС 20-25 тонн груза, включая модули МКС, и плюс к этому 7-8 астронавтов.
Сниженная в последние годы практически до себестоимости, цена запуска Протон-М с выводимой нагрузкой в 22 т составляет 25 млн долл. Таким весом может обладать любой отдельно летающий космический аппарат, выводимый на орбиту носителем типа «Протон».
Модули, присоединяемые к МКС, не могут выводиться на орбиту ракетами-носителями, так как их надо доставить к станции и пристыковать, для чего необходимо орбитальное маневрирование, на которое модули орбитальной станции сами по себе неспособны. Маневрирование осуществляется орбитальными кораблями (в перспективе - орбитальными буксирами), а не ракетами-носителями.
Грузовые корабли «Прогресс», снабжающие МКС, выводятся на орбиту носителями типа «Союз» и способны доставить к станции не более 1,5 тонн груза. Стоимость запуска одного грузового корабля «Прогресс» на носителе «Союз» определяется примерно 70 миллионов долл., а для замены одного рейса шаттла потребуется не менее 15 рейсов «Союз - Прогресс», что в общей сложности превышает миллиард долларов.
Однако, после завершения строительства орбитальной станции, при отсутствии необходимости доставлять к МКС новые модули, использовать шаттлы с их огромными грузовыми отсеками становится нецелесообразным.
В своем последнем рейсе шаттл «Атлантис» доставил на МКС, кроме астронавтов, «всего» 8 тонн грузов, включая новый российский исследовательский модуль, новые ноутбук компьютеры, продовольствие, воду и другие расходуемые материалы.
Фотогалерея
Спейс Шаттл на стартовам столе. Мыс Канаверал, Флорида
Посадка шаттла «Атлантис».
Гусеничный транспортёр НАСА перевозит космический челнок «Дискавери (шаттл)» к стартовой площадке.
советский шаттл "Буран"
Шаттл в полете
Посадка шаттла Индевор
Шаттл на стартовой площадке
Видео
Последняя посадка шаттла "Атлантис"
Ночной старт Дискавери
May 3rd, 2016
Одним из главных элементов экспозиции национального музея авиации и космонавтики Smithsonian (Центр имени Удвара Хейзи) является космический шаттл “Дискавери”. Собственно данный ангар в первую очередь и был построен, чтобы принять космический корабль NASA после завершения программы Спейс Шаттл. В период активного использования челноков, в центре Удвара Хейзи был выставлен тренировочный корабль Энтерпрайз, использовавшийся для испытаний в атмосфере и как весово-габаритная модель, перед созданием первого, по-настоящему космического челнока “Колумбии”.
Космический шаттл “Дискавери”. За 27 лет службы этот челнок побывал в космосе 39 раз.
Корабли построенные в рамках программы «Космическая транспортная система»
Схема корабля
К сожалению, большей части амбициозных планов агентства так и не суждено было сбыться. Высадка на Луне решила все политические задачи США в космосе на тот момент, а практического интереса полёты в дальний космос не представляли. Да и интерес общественности стал угасать. Кто сейчас сходу вспомнит имя третьего человека на Луне? На момент последнего полёта корабля Аполлон по программе "Союз-Апполон" в 1975 году финансирование американского космического агентства было радикально сокращено по решению президента Ричарда Никсона.
У США были более насущные проблемы и интересы на Земле. В итоге дальнейшие пилотируемые полёты американцев вообще оказались под вопросом. Недостаток финансирования и повышенная солнечная активность привели и к тому, что NASA потеряла станцию Skylab , проект, намного опередивший своё время и имевший преимущества даже перед сегодняшней МКС. У агентства просто не было кораблей и носителей, чтобы вовремя поднять её орбиту, и станция сгорела в атмосфере.
Спейс Шаттл "Дискавери" - носовая часть
Видимость из кабины пилотов достаточно ограниченная. Также видны носовые форсунки двигателей системы ориентации.
Всё, что на тот момент удалось сделать NASA, это подать программу космического челнока как экономически целесообразную. Спейс Шаттл должны были взять на себя как обеспечение пилотируемых полётов, запуск спутников, а так же их ремонт и обслуживание. NASA обещала взять на себя все запуски космических аппаратов, включая военные и коммерческие, что за счёт использования многоразового корабля, могло бы вывести проект на самоокупаемость при условии нескольких десятков запусков в год.
Спейс Шаттл "Дискавери" - крыло и панель питания
В задней части челнока, возле двигателей видна панель питания, через которую корабль был подсоединён на стартовом столе, в момент запуска панель отделялась от челнока.
Забегая вперёд, скажу, что на самоокупаемость проект так никогда и не вышел, но на бумаге всё выглядело достаточно гладко (возможно так и было задумано), поэтому на строительство и обеспечение кораблей деньги выделены были. К сожалению, построить новую станцию у NASA возможности не было, все тяжёлые ракеты “Сатурн” были истрачены в лунной программе (последняя запустила Skylab), а на строительство новых не было средств. Без космической станции Спейс Шаттл имели достаточно ограниченное время пребывания на орбите (не более 2 недель).
Вдобавок запасы dV многоразового корабля были намного меньше, чем у одноразовых советских Союзов или американских же Аполлонов. В результате Спейс Шаттл имел возможность выхода лишь на низкие орбиты (до 643 км), во многом именно этот факт предопределил, что и на сегодняшний день, 42 года спустя, последним пилотируемым полётом в дальний космос была и остаётся миссия Аполлона-17.
Хорошо видны крепления створок грузового отсека. Они достаточно маленькие и сравнительно хрупкие, так как грузовой отсек открывался только в невесомости.
Спейс Шаттл “Индевор” с открытым грузовым отсеком. Сразу позади кабины экипажа виден стыковочный узел для работы в составе МКС.
Космические челноки были способы поднимать на орбиту экипаж до 8 человек и, в зависимости от наклонения орбиты, от 12 до 24,4 тонн грузов. И, что немаловажно, спускать с орбиты грузы весом до 14,4 тон и выше при условии, что они вмещались в грузовой отсек корабля. Советские и российские космические аппараты такими возможностями не обладают до сих пор. Когда NASA опубликовала данные по грузоподъёмности грузового отсека Спейс Шаттл, в Советском Союзе всерьёз рассматривали идею похищения советских орбитальных станций и аппаратов кораблями Спейс Шаттл. Предлагалось даже оснащать советские пилотируемые станции вооружением, для защиты от возможного нападения челнока.
Сопла системы ориентации корабля. На тепловой обшивке хорошо видны следы от последнего входа корабля в атмосферу.
Корабли Спейс Шаттл активно использовались для орбитальных запусков беспилотных аппаратов, в частности, космического телескопа Хаббл. Наличие экипажа и возможность ремонтных работ на орбите позволяли избегать постыдных ситуаций в духе Фобос-Грунт. Так же Спейс Шаттл работал с космическими станциями по программе Мир-Спейс Шаттл в начале 90-х и до недавнего времени доставлял модули для МКС, которые при этом не требовалось оснащать собственной двигательной установкой. Из-за высокой стоимости полётов полностью обеспечить ротацию экипажей и снабжение МКС (по задумке разработчиков - свою основную задачу) корабль не смог.
Спейс Шаттл "Дискавери" - керамическая обшивка.
Каждая плитка обшивки имеет свой серийный номер и обозначение. В отличии от СССР, где для программы “Буран” плитки керамической обшивки делали с запасом, НАСА построила цех где специальная машина по серийному номеру изготавливала плитку нужных размеров автоматически. После каждого полёта приходилось заменять несколько сотен таких плиток.
Схема полёта корабля
1. Старт - зажигание двигательные установки I и II ступеней, управление полетом осуществляется отклонением вектора тяги двигателей челнока, и до высоты порядка 30 километров дополнительно управление обеспечивается отклонением руля. Ручное управление на этапе взлёта не предусмотрено, корабль управляется компьютером, аналогично обычной ракете.
2. Отделение твердотопливных ускорителей происходит на 125 секунде полета при достижении скорости 1390 м/с и высоты полета около 50 км. Чтобы не повредить челнок, они отделяются с помощью восьми малых ракетных двигателей на твердом топливе. На высоте 7,6 км ускорители раскрывают тормозной парашют, а на высоте 4,8 км - основные парашюты. На 463 секунде с момента старта и на расстоянии 256 км от места старта происходит приводнение твердотопливных ускорителей, после чего их буксируют к берегу. В большинстве случаев ускорители удавалось заправлять и использовать повторно.
Видеозапись полёт в космос с камер твердотопливных ускорителей.
3. На 480 секунде полета происходит отделение подвесного топливного бака (оранжевого цвета), учитывая скорость и высоту отделения, спасение и повторное использование топливного бака потребовало бы оснастить его такой же тепловой защитой, как и сам челнок, что, в конечном счёте, сочли нецелесообразным. По баллистической траектории бак падает в Тихий или Индийский океан, разрушаясь в плотных слоях атмосферы.
4. Выход орбитального корабля на околоземную орбиту, с помощью двигателей системы ориентации.
5. Выполнение программы орбитального полёта.
6. Ретроградный импульс гидразиновыми двигателями ориентации, сход с орбиты.
7. Планирование в земной атмосфере. В отличие от “Бурана” посадка осуществляется только вручную, поэтому без экипажа корабль летать не мог.
8. Посадка на космодром, корабль приземляется со скоростью около 300 километров в час, что намного выше скорости посадки обычных самолётов. Для сокращения тормозного пути и нагрузки на шасси, сразу после касания раскрываются тормозные парашюты.
Двигательная установка. Хвост челнока способен раздваиваться, выступая на заключительных этапах посадки воздушным тормозом.
Несмотря на внешнее сходство, космоплан имеет очень мало общего с самолётом, это скорее очень тяжёлый планер. Шаттл не имеет собственных запасов топлива для основных двигателей, поэтому двигатели работают только пока корабль соединён с оранжевым топливным баком (по этой же причине двигатели установлены ассиметрично). В космосе и во время посадки корабль использует только маломощные двигатели ориентации и два маршевых двигателя на гидразиновом топливе (малые двигатели по бокам от основных).
Были планы снабдить Спейс Шаттлы реактивными двигателями, но из-за высокой стоимости и снижения полезной нагрузки корабля весом двигателей и топлива, от реактивных двигателей решили отказаться. Подъёмная сила крыльев корабля небольшая, а сама посадка осуществляется исключительно за счёт использования кинетической энергии схода с орбиты. По сути, корабль планировал с орбиты прямо на космодром. По этой причине у корабля есть только одна попытка для захода на посадку, развернуться и зайти на второй круг челнок уже не сможет. Поэтому НАСА построила по всему миру несколько резервных полос для посадки челноков.
Спейс Шаттл "Дискавери" - люк экипажа.
Эта дверь используется для посадки и высадки членов экипажа. Люк не снабжён воздушным шлюзом и в космосе блокируется. Выходы в открытый космос, стыковку с Мир и МКС экипаж выполнял через шлюз в грузовом отсеке на “спине” корабля.
Герметичный костюм для взлёта и посадки космического челнока.
Первые тестовые полёты челноков снабжались креслами-катапультами, которые позволяли аварийно покинуть корабль, потом катапульту убрали. Так же был один из аварийных сценариев посадки, когда экипаж покидал корабль на парашютах на последнем этапе спуска. Характерный оранжевый цвет костюма был выбран для упрощения проведения спасательных работ в случае аварийной посадки. В отличие от космического скафандра, этот костюм не имеет системы тепло-распределения и для выхода в открытый космос не предназначен. В случае полной разгерметизации корабля даже при наличии гермокостюма шансов выжить хотя бы несколько часов - немного.
Спейс Шаттл "Дискавери" - шасси и керамическая обшивка днища и крыла.
Скафандр для работы в открытом космосе программы Спейс Шаттл.
Катастрофы
Из 5 построенных кораблей 2 погибли вместе со всем экипажем.
Катастрофа Шаттла “Челленджер” миссия STS-51L
28 января 1986 года челнок “Челленджер” взорвался через 73 секунды после старта из-за аварии уплотнительного кольца твердотопливного ускорителя, прорвавшаяся сквозь щель, струя огня расплавила топливный бак и привела ко взрыву запаса жидкого водорода и кислорода. Экипаж, по всей видимости, уцелел непосредственно во взрыве, но кабина не была оборудована парашютами или другими средствами спасения и разбилась о воду.
После катастрофы Челленджера, NASA разработала несколько процедур спасения экипажа, во время взлёта и посадки, но ни одни из этих сценариев всё равно не смог бы спасти экипаж “Челленджера”, даже если бы он был предусмотрен.
Катастрофа шаттла “Колумбия” миссия STS-107
Обломки шаттла “Колумбия” сгорают в атмосфере.
Участок тепловой обшивки кромки крыла оказался повреждён при запуске двумя неделями ранее, отвалившимся куском теплоизоляционной пены, покрывающей бак с топливом (бак заполняется жидким кислородом и водородом, поэтому изоляционная пена позволяет избежать образование льда и уменьшить испарение топлива). Этот факт заметили, но не придали должного значения исходя из того, что в любом случае астронавты мало что могут сделать. В результате пролёт проходил штатно до этапа возвращения в атмосферу 1 февраля 2003 года.
Здесь хорошо заметно, что тепловой щит покрывает только кромку крыла. (Именно здесь “Колумбия” получила повреждение).
Под воздействием высоких температур плитка тепловой обшивки разрушилась и на высоте около 60 километров, высокотемпературная плазма прорвалась в алюминиевые конструкции крыла. Ещё через несколько секунд крыло разрушилось, на скорости порядка 10 мах, корабль потерял устойчивость и был уничтожен аэродинамическими силами. До того как в экспозиции музея появилась “Дискавери”, на этом же месте был выставлен Энтерпрайз (Тренировочный шаттл который совершал только атмосферные полёты).
Комиссия по расследованию инцидента вырезала фрагмент крыла музейного экспоната для проведения экспертизы. Специальной пушкой по кромке крыла выстреливались куски пены и оценивался ущерб. Именно этот эксперимент помог прийти к однозначному заключению о причинах катастрофы. Большую роль в трагедии сыграл и человеческий фактор, сотрудники NASA недооценили ущерб, полученный кораблём на этапе старта.
Простой обзор крыла в открытом космосе мог выявить повреждение, но ЦУП не дал экипажу такой команды, считая, что проблему можно решить по возвращению на Землю, а даже если повреждения необратимы, экипаж всё равно ничего не сможет сделать и нет смысла напрасно волновать астронавтов. Хотя это было не так, к старту готовился челнок “Атлантис”, который можно было бы использовать для проведения спасательной операции. Аварийный протокол, который примут на вооружение во всех последующих полётах.
Среди обломков корабля удалось найти видеозапись которую астронавты вели во время входа в атмосферу. Официально запись обрывается за несколько минут до начала катастрофы, но я сильно подозреваю, что NASA решила не публиковать последние секунды жизни астронавтов по этическим соображениям. Экипаж не знал о грозящей им гибели, глядя на бушующую за иллюминаторами корабля плазму кто-то из астронавтов шутит “Не хотелось бы сейчас оказаться снаружи”, не зная, что именно этого ждёт весь экипаж буквально через несколько минут. Жизнь полна мрачной иронии.
Прекращение программы
Логотип окончания программы Спейс Шаттл (слева) и памятная монета (справа). Монеты изготовлены из металла побывавшего в космосе в рамках первой миссии шаттла “Колумбия” STS-1
Гибель космического шаттла "Колумбия" поставила серьёзный вопрос о безопасности оставшихся 3 кораблей, находившихся к тому моменту в эксплуатации свыше 25 лет. В результате, последующие полёты стали проходить с сокращённым экипажем, а в резерве всегда держали ещё один челнок, готовый к пуску, который смог бы провести спасательную операцию. В сочетании со сменой акцентов правительства США на коммерческое освоение космоса, эти факторы привели к прекращению программы в 2011 году. Последним полётом челноков стал старт «Атлантиса» к МКС 8 июля 2011 года.
Программа Спейс Шаттл сделала огромный вклад в освоение космоса и развития знаний и опыта о работе на орбите. Без Спейс Шаттл, строительство МКС было бы совершенно другим и вряд ли на сегодняшний день было бы близко к завершению. С другой стороны, существует мнение, что программа Спейс Шаттл сдерживала NASA последние 35 лет, требуя больших затраты на обслуживание челноков: стоимость одного полёта составляла около 500 миллионов долларов, для сравнения, - запуск каждого “Союза” обходился всего в 75-100.
Корабли потребляли средства, которые могли бы пойти на развитие межпланетных программ и более перспективных направлений в исследовании и развитии космоса. Например, строительство более компактного и дешёвого многоразового или одноразового корабля, для тех миссий, где 100 тонный Спейс Шаттл был просто не нужен. Откажись NASA от Спейс Шаттл, развитие космической отрасли США могло бы пойти совсем по-другому.
Как именно, сейчас уже трудно сказать, возможно, у NASA просто не было выбора и не будь челноков, гражданское освоение космоса Америкой могло вообще прекратиться. Уверенно утверждать можно одно, на сегодняшний день корабли Спейс Шаттл были и остаются единственным примером успешной многоразовой космической системы. Советский “Буран” хоть и был построен как многоразовый корабль, в космосе побывал только однажды, впрочем, это совсем другая история.
Взят у lennikov в Виртуальная экскурсия по национальному аэрокосмическому музею Smithsonian: часть вторая
Жми на кнопку, чтобы подписаться на "Как это сделано"!
Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите Аслану ([email protected] ) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта Как это сделано
Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках и в гугл+плюс , где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс материалы, которых нет здесь и видео о том, как устроены вещи в нашем мире.
Жми на иконку и подписывайся!
Пока космические запуски были редкими, вопрос о стоимости ракет-носителей особого внимания к себе не привлекал. Но по мере освоения космоса он стал приобретать все большее значение. Стоимость ракеты-носителя в общей стоимости запуска космического аппарата бывает разная. Если носитель серийный, а космический аппарат, который он запускает, уникальный, стоимость носителя — около 10 процентов от общей стоимости запуска. Если космический аппарат серийный, а носитель уникальный - до 40 процентов и более. Высокая стоимость космической транспортировки объясняется тем, что ракета-носитель применяется один-единственный раз. Спутники и космические станции работают на орбите или в межпланетном пространстве, принося определенный научный или хозяйственный результат, а ступени ракеты, имеющие сложную конструкцию и дорогое оборудование, сгорают в плотных слоях атмосферы. Естественно, возник вопрос о снижении стоимости космических запусков за счет повторного запуска ракет-носителей.
Существует много проектов таких систем. Один из них - космический самолет. Это крылатая машина, которая, подобно воздушному лайнеру, взлетала бы с космодрома и, доставив полезный груз на орбиту (спутник или космический корабль), возвращалась бы на Землю. Но создать такой самолет пока невозможно, главным образом из-за необходимого соотношения масс полезного груза и полной массы машины. Экономически невыгодными или трудноосуществимыми оказывались и многие другие схемы летательных аппаратов многоразового использования.
Тем не менее в США все-таки взяли курс на создание космического корабля многоразового использования. Многие специалисты были против столь дорогостоящего проекта. Но его поддержал Пентагон.
Разработка системы «Спейс Шаттл» («космический челнок») началась в США в 1972 году. В ее основу была положена концепция космического летательного аппарата многоразового использования, предназначенного для вывода на околоземные орбиты искусственных спутников и других объектов. Космический летательный аппарат «Шаттл» представляет собой связку из пилотируемой орбитальной ступени, двух твердотопливных ракетных ускорителей и большого топливного бака, расположенного между этими ускорителями.
Стартует «Шаттл» вертикально с помощью двух твердотопливных ускорителей (диаметр каждого 3,7 метра), а также жидкостных ракетных двигателей орбитальной ступени, которые питаются топливом (жидкий водород и жидкий кислород) от большого топливного бака. Твердотопливные ускорители работают только на начальном участке траектории. Время их работы чуть больше двух минут. На высоте 70-90 километров ускорители отделяются, спускаются на парашютах на воду, в океан, и буксируются к берегу, с тем чтобы после восстановительного ремонта и зарядки топливом использовать их вновь. При выходе на орбиту топливный бак (диаметром 8,5 метра и длиной 47 метров) сбрасывается и сгорает в плотных слоях атмосферы.
Самый сложный элемент комплекса орбитальная ступень. Она напоминает ракетный самолет с треугольным крылом. Помимо двигателей, в ней размещены кабина экипажа и грузовой отсек. Орбитальная ступень осуществляет сход с орбиты как обычный космический аппарат и производит посадку без тяги, только за счет подъемной силы стреловидного крыла малого удлинения. Крыло позволяет орбитальной ступени совершать некоторый маневр как по дальности, так и по курсу и в конечной счете производить посадку на специальную бетонную полосу. Посадочная скорость ступени при этом намного выше, чем у любого истребителя. - около 350 километров в час. Корпус орбитальной ступени должен выдерживать температуру 1600 градусов Цельсия. Теплозащитное покрытие состоит из 30922 силикатных плиток, приклеенных к фюзеляжу и плотно подогнанных друг к другу.
Космический летательный аппарат «Шаттл» своего рода компромисс и в техническом, и в экономическом отношении. Максимальный полезный груз, доставляемый «Шаттлом» на орбиту, - от 14,5 до 29,5 тонны, а его стартовая масса - 2000 тонн, то есть полезная нагрузка составляет всего 0,8-1,5 процента от полной массы заправленного корабля. В то же время этот показатель для обычной ракеты при том же полезном грузе составляет 2-4 процента. Если же взять в качестве показателя отношение полезного груза к весу конструкции, без учета топлива, то преимущество в пользу обычной ракеты еще более возрастет. Такова плата за возможность хотя бы частично использовать повторно конструкции космического аппарата.
Один из создателей космических кораблей и станций, летчик-космонавт СССР, профессор К.П. Феоктистов, так оценивает экономическую эффективность «Шаттлов»: «Что и говорить, создать экономичную транспортную систему непросто. Некоторых специалистов в идее «Шаттла» смущает еще и следующее. Согласно экономическим расчетам он оправдывает себя примерно при 40 полетах в год на один образец. Получается, что в год только один "самолет", чтобы оправдать свою постройку, должен выводить на орбиту порядка тысячи тонн разных грузов. С другой стороны, имеет место тенденция к снижению веса космических аппаратов, увеличению продолжительности их активной жизни на орбите и вообще к снижению количества запускаемых аппаратов за счет решения каждым из них комплекса задач».
С точки зрения эффективности создание транспортного корабля многоразового использования такой большой грузоподъемности дело преждевременное. Снабжать орбитальные станции гораздо выгоднее с помощью автоматических транспортных кораблей типа «Прогресс» Сегодня стоимость одного килограмма груза, выводимого в космос «Шаттлом» составляет 25000 долларов, а «Протоном» - 5000 долларов.
Без прямой поддержки Пентагона проект вряд ли удалось бы довести до стадии полетных экспериментов. В самом начале проекта при штабе ВВС США был учрежден комитет по использованию корабля «Шаттл». Было принято решение о строительстве стартовой площадки для челночного корабля на базе ВВС Ванденберг в Калифорнии, с которой осуществляются запуски космических аппаратов военного назначения. Военные заказчики планировали использовать «Шаттл» для выполнения широкой программы размещения в космосе разведывательных спутников, систем радиолокационного обнаружения и наведения на цель боевых ракет, для пилотируемых разведывательных полетов, создания космических командных постов, орбитальных платформ с лазерным оружием, для «инспекции» на орбите чужих космических объектов и доставки их на Землю. Корабль «Шаттл» также рассматривался как одно из ключевых звеньев общей программы создания космического лазерного оружия.
Так, уже в первом полете экипаж корабля «Колумбия» выполнял задание военного характера, связанное с проверкой надежности прицельного устройства для лазерного оружия. Размещенный на орбите лазер должен точно наводиться на ракеты, удаленные от него на сотни и тысячи километров.
С начала 1980-х годов ВВС США готовили ряд несекретных экспериментов на полярной орбите с целью разработки перспективной аппаратуры для слежения за объектами, движущимися в воздушном и безвоздушном пространстве.
Катастрофа «Челленджера» 28 января 1986 года внесла коррективы в дальнейшее развитие космических программ США. «Челленджер» ушел в свой последний полет, парализовав всю американскую космическую программу. Пока «Шаттлы» стояли на приколе, сотрудничество НАСА с министерством обороны оказалось под вопросом. ВВС фактически распустили свою группу астронавтов. Переменился и состав военно-научной миссии, получившей наименование СТС-39 и перенесенной на мыс Канаверал.
Сроки следующего полета неоднократно отодвигались. Программа возобновилась только в 1990 году. С той поры «Шаттлы» регулярно совершали космические полеты. Они участвовали в ремонте телескопа «Хаббл», полетах на станцию «Мир», строительстве МКС.
Ко времени возобновления полетов «Шаттлов» в СССР уже был готов корабль многоразового использования, во многом превзошедший американский. 15 ноября 1988 года новая ракета-носитель «Энергия» вывела на околоземную орбиту многоразовый корабль «Буран». Он, совершив два витка вокруг Земли, ведомый чудо-автоматами, красиво приземлился на бетонную посадочную полосу Байконура, будто рейсовый лайнер «Аэрофлота».
Ракета-носитель «Энергия» базовая ракета целой системы ракет-носителей, образуемых сочетанием разного количества унифицированных модульных ступеней и способных выводить в космос аппараты массой от 10 до сотен тонн! Ее основу, стержень, составляет вторая ступень. Ее высота - 60 метров, диаметр - около 8 метров. На ней установлено четыре жидкостных ракетных двигателя, работающих на водороде (горючее) и кислороде (окислитель). Тяга каждого такого двигателя у поверхности Земли - 1480 кН. Вокруг второй ступени у ее основания пристыкованы попарно четыре блока, образующие первую ступень ракеты-носителя. На каждом блоке установлен самый мощный в мире четырехкамерный двигатель РД-170 тягой в 7400 кН у Земли.
«Пакет» блоков первой и второй ступеней и образует мощную, тяжелую ракету-носитель, имеющую стартовую массу до 2400 тонн, несущую полезную нагрузку 100 тонн.
«Буран» имеет большое внешнее сходство с американским «Шаттлом». Корабль построен по схеме самолета типа «бесхвостка» с треугольным крылом переменной стреловидности, имеет аэродинамические органы управления, работающие при посадке после возвращения в плотные слои атмосферы руль направления и элевоны. Он был способен совершать управляемый спуск в атмосфере с боковым маневром до 2000 километров.
Длина «Бурана» - 36,4 метра, размах крыла - около 24 метра, высота корабля на шасси - более 16 метров. Стартовая масса корабля - более 100 тонн, из которых 14 тонн приходится на топливо. В носовой отсек вставлена герметичная цельносварная кабина для экипажа и большей части аппаратуры для обеспечения полета в составе ракетно-космического комплекса, автономного полета на орбите, спуска и посадки. Объем кабины - более 70 кубических метров.
При возвращении в плотные слои атмосферы наиболее тепло напряженные участки поверхности корабля раскаляются до 1600 градусов, тепло же, доходящее непосредственно до металлической конструкции корабля, не должно превышать 150 градусов. Поэтому «Буран» отличала мощная тепловая защита, обеспечивающая нормальные температурные условия для конструкции корабля при прохождении плотных слоев атмосферы во время посадки.
Теплозащитное покрытие из более 38 тысяч плиток изготовлено из специальных материалов: кварцевое волокно, высокотемпературные органические волокна, частично материал на основе углерода. Керамическая броня обладает способностью аккумулировать тепло, не пропуская его к корпусу корабля. Общая масса этой брони составила около 9 тонн.
Длина грузового отсека «Бурана» - около 18 метров. В его обширном грузовом отсеке мог разместиться полезный груз массой до 30 тонн. Туда можно было поместить крупногабаритные космические аппараты - большие спутники, блоки орбитальных станций. Посадочная масса корабля - 82 тонны.
«Буран» оснастили всеми необходимыми системами и оборудованием как для автоматического, так и для пилотируемого полета. Это и средства навигации и управления, и радиотехнические и телевизионные системы, и автоматические устройства регулирования теплового режима, и система жизнеобеспечения экипажа, и многое-многое другое.
Основная двигательная установка, две группы двигателей для маневрирования расположены в конце хвостового отсека и в передней части корпуса.
«Буран» явился ответом американской военной космической программе. Потому после потепления отношений с США судьба корабля была предрешена.
В любом онлайн-обсуждении компании SpaceX обязательно появляется человек, который заявляет, что -де на примере Шаттла все уже с этой вашей многоразовостью понятно. И вот, после недавней волны обсуждений успешной посадки первой ступени Фалькона на баржу, я решил написать пост с кратким описанием надежд и чаяний американской пилотируемой космонавтики 60-х, как эти мечты потом разбились о суровую реальность, и почему из-за всего этого Шаттл не имел никаких шансов стать экономически эффективным. Картинка для привлечения внимания: последний полет Шаттла "Индевор":
Планов громадье
В первой половине шестидесятых, после обещания Кеннеди высадиться на Луну до конца десятилетия, на НАСА полился денежный дождь бюджетных средств. Это, конечно же, вызвало там определенное головокружение от успехов. Не считая текущей работы над Аполлоном и над "практическим применением программы Аполлон" (Apollo Applications Program), работа шла над следующими перспективными проектами:
- Космические станции. По планам их должно было быть три: одна на низкой опорной орбите у Земли (НОО), одна на геостационаре, одна на лунной орбите. Экипаж каждой составлял бы двенадцать человек (в дальнейшем предполагалось строительство еще бОльших станций, с экипажем в пятьдесят-сто человек), диаметр основного модуля был девять метров. Каждому члену экипажа выделялась отдельная комната с кроватью, столом, стулом, телевизором, и кучей шкафов для личных вещей. Предусматривалось две ванных комнаты (плюс у командира в каюте был личный туалет), кухня с духовкой, посудомойкой и обеденными столами со стульями, отдельная зона отдыха с настольными играми, медпункт с операционным столом. Предполагалось что выведет центральный модуль оной станции сверхтяжелый носитель Сатурн-5, а для снабжения её необходимо будет десять полетов гипотетического тяжелого носителя ежегодно. Не будет преувеличением сказать, что по сравнению с этими станциями нынешняя МКС смотрится конурой.
Лунная база . Вот пример проекта НАСА конца шестидесятых. Насколько я понимаю, предполагалась унифицация с модулями космической станции.
Ядерный челнок . Корабль предназначенный для перемещения грузов с НОО на геостационар или на лунную орбиту, с ядерными ракетным двигателем (ЯРД). В качестве рабочего тела использовался бы водород. Также челнок мог служить разгонным блоком марсианского корабля. Проект, кстати, был весьма интересный и был бы полезен и в сегодняшних условиях, да и с ядерным двигателем в результате продвинулись довольно далеко. Жаль что ничего не вышло. можно про него почитать подробнее.
Космический буксир . Предназначался для перемещения груза с космического челнока на ядерный челнок, или с ядерного челнока на требуемую орбиту или на лунную поверхность. Предлагалась большая степень унификации при выполнении различных задач.
Космический челнок . Многоразовый корабль предназначенный для поднятия грузов с поверхности Земли на НОО. На иллюстрации космический буксир перевозит груз с него на ядерный челнок. Собственно это и есть то, что мутировало со временем в Спейс Шаттл.
Марсианский космический корабль . Показан тут с двумя ядерными челноками, выполняющими функцию разгонных блоков. Предназначался для полета к Марсу в начале восьмидесятых годов, с двухмесячным пребыванием экспедиции на поверхности.
Если кому интересно, и подробнее написано про все это, с иллюстрациями (англ.)
Космический челнок
Как видим выше, космический челнок был всего лишь одной из частей задуманной циклопической космической инфраструктуры. В комплексе с базирующимися в космосе ядерным челноком и буксиром он должен был обеспечить доставку грузов с земной поверхности в любую точку пространства вплоть до лунной орбиты.
До этого все ракеты космического назначения (РКН) были одноразовыми. Космические аппараты также были одноразового применения, за редчайшим исключением в области пилотируемых кораблей -- дважды слетали "Меркурии" с заводскими номерами 2, 8, 14 и также второй "Джемини". В силу гигантских планируемых объемов вывода полезной нагрузки (ПН) на орбиту, руководством НАСА была сформулирована задача: создать систему многоразового применения, когда и ракета-носитель, и космический корабль возвращаются после полета и используются многократно. Такая система стоила бы гораздо больше в разработке нежели обычные РКН, но в счет меньших расходов при эксплуатации быстро окупилась бы при уровне планируемого грузопотока.
Умами большинства овладела идея создания многоразового ракетоплана -- в середине шестидесятых было немало причин думать, что создание такой системы это не слишком сложная задача. Пусть проект космического ракетоплана Dyna-Soar и был отменен МакНамарой в 1963 году, но случилось это не из-за того, что программа была технически невозможной, а просто потому что для КК не было задач -- "Меркурии" и создаваемые тогда "Джемини" справлялись с доставкой астронавтов на околоземную орбиту, а выводить значительную ПН или долго находиться на орбите X-20 не мог. А вот экспериментальный ракетоплан X-15 отлично показал себя во время эксплуатации. В ходе 199 полетов на нем был отработан выход за линию Кармана (т.е. за условную границу космоса), гиперзвуковой вход назад в атмосферу и управление в условиях вакуума и невесомости.
Естественно, для предполагаемого космического челнока понадобился бы куда более мощный многоразовый двигатель и более совершенная теплозащита, но проблемы эти не видились непреодолимыми. Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) RL-10 показал к тому времени отличную многоразовость на стенде: в одном из испытаний оный ЖРД был успешно запущен более пятидесяти раз подряд, и проработал в общей сложности два с половиной часа. Предполагаемый ЖРД Шаттла, Space Shuttle Main Engine (SSME) так же как и RL-10 предполагалось создать на топливной паре кислород-водород, но повысить при том его эффективность, увеличив давление в камере сгорания и введя схему закрытого цикла с дожиганием топливного генераторного газа.
С теплозащитой также не ожидалось особых проблем. Во-первых велась уже работа над новым типом теплозащиты на основе волокон двуокиси кремния (именно из нее состояли плитки созданных потом Шаттла и Бурана). В качестве запасного варианта оставались абляционные панели, которые можно было за сравнительно небольшие деньги менять после каждого полета. А во-вторых для уменьшения тепловой нагрузки предполагалось сделать вход аппарата в атмосферу по принципу "тупого тела" (blunt body) -- т.е. с помощью формы летательного аппарата создавать перед тем фронт ударной волны, которая охватывала бы большую область нагретого газа. Таким образом кинетическая энергия корабля интенсивно нагревает окружающий воздух, уменьшая нагрев летательного аппарата.
Во второй половине шестидесятых несколько аэрокосмических корпораций представили свое видение будущего ракетоплана.
Стар Клиппер Локхида был космопланом с несущим корпусом -- благо к тому времени летательные аппараты (ЛА) с несущим корпусом были неплохо уже отработаны: ASSET, HL-10, PRIME, M2-F1/M2-F2, X-24A/X-24B (к слову, создающийся сейчас Дримчейсер это тоже космоплан с несущим корпусом). Правда Стар Клиппер не был полностью многоразовым, топливные баки диаметром в четыре метра по краям ЛА сбрасывались во время взлета.
Проект МакДоннелл Дуглас также имел сбрасываемые баки, и неcущий корпус. Изюминкой проекта были выдвигаемые из корпуса крылья, которые должны были улучшить взлетно-посадочные характеристики космоплана:
Дженерал Дайнэмикс выдвинул концепцию "триамского близнеца". Аппарат в середине был космопланом, два аппарата по бокам служили первой ступенью. Планировалось, что унификация первой ступени и корабля поможет сэкономить средства в ходе разработки.
Сам ракетоплан должен был быть многоразовым, а вот насчет бустера уверенности не было довольно долго. В рамках этого рассматривалось немало концептов, часть из них которых балансировала на грани благородного безумия. Как вам например вот этот концепт многоразовой первой ступени, с массой на старте в 24 тысячи тонн (слева МБР Атлас, для масштаба). Посла пуска ступень должна была плюхаться в океан и буксироваться в порт.
Впрочем наиболее серьезно рассматривались три возможных варианта: дешевая одноразовая ракетная ступень (т.е. Сатурн-1), многоразовая первая ступень с ЖРД, многоразовая первая ступень с гиперзвуковым прямоточным двигателем. Иллюстрация 1966 года:
Примерно в то же время были начаты исследования в техническом директорате Manned Spacecraft Center под руководством Макса Фаже. У него, на мой личный взгляд, был самый элегантный проект созданный в рамках разработки Спейс Шаттла. И носитель и корабль космического челнока задумывались крылатыми и пилотируемыми. Стоит отметить что Фаже отказался от несущего корпуса, рассудив что тот значительно усложнит процесс разработки -- изменения в компоновке челнока могли сильно влиять на его аэродинамику. Самолет-носитель стартовал вертикально, работал как первая ступень системы и после отделения корабля садился на аэродром. При сходе с орбиты космоплан должен был тормозить так же как и X-15, входом в атмосферу со значительным углом атаки, создавая тем самым обширный фронт ударной волны. После входа в атмосферу челнок Фаже мог планировать около 300-400км (так называемый горизонтальный маневр, "cross-range") и приземляться на вполне комфортной посадочной скорости в 150 узлов.
Над НАСА сгущаются тучи
Тут небходимо сделать краткое отступление об Америке второй половины шестидесятых, дабы читателю стало более понятным дальнейшее развитие событий. Шла чрезвычайно непопулярная и дорогостоящая война во Вьетнаме, в 1968 году там погибло почти семнадцать тысяч американцев -- больше чем потери СССР в Афганистане за все время конфликта. Движение за гражданские права чернокожих в США в том же 1968 году кульминировалось убийством Мартина Лютера Кинга и последовавшей за ним волной бунтов в крупных американских городах. Стали чрезвычайно популярными масштабные государственные социальные программы (Медикэр был принят в 1965), президент Джонсон обявил "войну против бедности" и расходы на инфраструктуру -- все это потребовало значительных государственных расходов. В конце шестидесятых началась рецессия.
В то же время значительно притупился страх перед СССР, мировая ракетно-ядерная война уже не казалось столь неизбежной как в пятидесятые годы и в дни Карибского кризиса. Программа Аполлон выполнила свое назначение, выиграв в американском общественном сознании космическую гонку с СССР. Причем выигрыш этот у большинства американцев неизбежно ассоциировался с морем денег, которым буквально залили НАСА для выполнения этой задачи. По результатам опроса Харриса 1969 г. 56% американцев считали, что стоимость программы "Аполлон" была слишком велика, а 64% -- что 4 млрд. долл. в год на разработки НАСА это слишком много.
И в НАСА, похоже, многие этого всего попросту не понимали. Уж точно этого не понимал не слишком опытный в политических делах новый директор НАСА Томас Пейн (а может просто не хотел понимать). В 1969 году им был выдвинут план действий НАСА на следующие 15 лет. Предусматривалась лунная орбитальная станция (1978 год) и лунная база (1980 год), пилотируемая экспедиции к Марсу (1983 год) и орбитальная станция на сто человек (1985 год). По среднему (т.е. базовому) варианту предполагалось, что финансирование НАСА должно будет быть увеличено с текущих 3.7 миллиардов в 1970 году до 7.65 миллиардов к началу восьмидесятых:
Все это вызвало острейшую аллергическую реакцию в Конгрессе и, соответственно, и в Белом Доме тоже. Как писал один из конгрессменов, в те годы ничего не резалось так легко и непринуждённо, как космонавтика, если сказал на заседании "эту космическую программу надо прекратить" -- популярность тебе обеспечена. В течении относительно малого периода времени один за одним были формально упразднены практически все масштабные проекты НАСА. Само собой были отменены пилотируемая экспедиция к Марсу и база на Луне, отменили даже полеты Аполло 18 и 19. Зарезали РКН Сатурн V. Отменили все гигантские космические станции, оставив только обрубок Apollo Applications в виде Скайлэба -- впрочем и там отменили второй Скайлэб. Заморозили, а потом и отменили ядерный челнок и космический буксир. Под горячую руку попал даже ни в чём неповинный Вояджер (предшественник Викинга). Космический челнок почти было попал под нож, и чудом уцелел в Палате представителей с перевесом в один-единственный голос. Вот так выглядел бюджет НАСА в реальности (постоянные доллары 2007 года):
Если посмотреть на выделяемые им средства как на % от федерального бюджета, то все еще грустней:
Практически все планы НАСА по развитию пилотируемой космонавтики оказались в мусорной корзине, а еле-еле выживший Шаттл из не самого большого элемента некогда грандиозной программы превратился во флагмана американской пилотируемой космонавтики. НАСА все еще боялась отмены программы, и для её обоснования начала убеждать всех, что Шаттл будет дешевле существующих тогда тяжелых носителей, причем без бешеного грузопотока который должен был генерироваться почившей в бозе космической инстраструктурой. Потерять челнок НАСА позволить себе не могла -- организация фактически была создана пилотируемой космонавтикой, и хотела продолжать посылать в космос людей.
Альянс с ВВС
Враждебность Конгресса сильно впечатлила функционеров НАСА, и заставила тех искать союзников. Пришлось идти на поклон в Пентагон, а точнее -- к ВВС США. Благо НАСА и ВВС довольно неплохо сотрудничали с начала шестидесятых, в частности над XB-70 и над упомянутым выше X-15. НАСА даже пошла на отмену свой Сатурн I-B (внизу справа), чтобы не создавать ненужную конкуренцию тяжелой РКН ВВС Титан-III (внизу слева):
Генералов ВВС весьма заинтересовала идея дешевого носителя, да и иметь возможность посылать людей в космос им тоже хотелось -- примерно тогда же была окончательно зарублена военная космическая станция Manned Orbiting Laboratory, примерный аналог советского "Алмаза". Еще им понравилась декларируемая возможность возврата грузов на Шаттле, рассматривались даже варианты похищения советских космических аппаратов.
Однако в целом ВВС были куда меньше НАСА заинтересованы в этом союзе, ибо свой отработанный носитель у них был и так. Из-за этого они были в состоянии легко прогнуть дизайн Шаттла под свои требования, чем и незамедлительно воспользовались. Размер грузового отсека для полезной нагрузки был по настояниям военных увеличен с 12 x 3.5 метров до 18.2 x 4.5 метров (длина x диаметр), дабы туда помещались перспективные спутники-шпионы видовой оптико-электронной разведки (конкретно -- KH-9 Hexagon и, возможно, KH-11 Kennan). Полезную нагрузку челнока надо было увеличить до 30 тонн при полете на низкую околоземную орбиту, и до 18 тонн на полярную орбиту.
Также ВВС потребовали горизонтальный маневр шаттла минимум в 1800 километров. Тут дело было вот в чем: в ходе Шестидневной войны американская разведка получила спутниковые фотографии уже после того как боевые действия конились, ибо использовавшиеся тогда спутники разведки Гамбит и Корона не успели вернуть отснятую пленку на Землю. Предполагалось, что Шаттл сможет стартовать из Ванденберга на западном побережье США на полярную орбиту, отснять что надо, и сразу же сесть после одного витка -- обеспечивая тем самым высокую оперативность получения разведданных. Необходимая дистанция бокового маневра при том определялась сдвигом Земли за время витка, и составляла как раз упомянутые выше 1800 километров. Чтобы выполнить это требование пришлось во-первых поставить на Шаттл более подходящее для планирования треугольное крыло, а во-вторых весьма сильно усилить теплозащиту. На графике ниже показан расчетный темп нагрева космического челнока с прямым крылом (концепт Фаже), и с треугольным крылом (т.е. то что оказалось на Шаттле в результате):
Ирония тут в том, что вскоре на спутники-шпионы стали ставить ПЗС-матрицы, способные передавать снимки прямо с орбиты, без необходимости возвращать пленку. Надобность в посадке после одного витка орбиты отпала, хотя потом эту возможность еще оправдывали возможностью быстрой аварийной посадки. А вот треугольное крыло и связанные с ним проблемы теплозащиты у Шаттла остались.
Впрочем дело было сделано, и поддержка ВВС в Конгрессе позволила отчасти обезопасить будущее Шаттла. В НАСА окончательно утвердили в качестве проекта двухступенчатый полностью многоразовый Шаттл, имеющий 12(!) SSME на первой ступени и разослали контракты на прорабатку его компоновки.
Проект Норт Американ Рокуэлл:
Проект МакДоннелл Дуглас:
Проект Грумман. Любопытная деталь: несмотря на требование НАСА о полной многоразовости, у челнока тем ни менее предполагались одноразовые баки для водорода по бокам:
Экономические обоснования
Выше я упомянул, что после того как Конгресс выпотрошил космическую программу НАСА, тем пришлось начать обосновывать создание челнока с экономической точки зрения. И вот, в начале семидесятых чиновники из Управления менеджмента и бюджета (The Office of Management and Budget, OMB) попросили их доказать декларируемую экономическую эффективность Шаттла. Причем надо было продемонстрировать не тот факт, что запуск челнока будет дешевле запуска одноразового носителя (это воспринималось как должное); нет, надо было сравнить выделение потребных для создания Шаттла средств с продолжением использования существующих одноразовых носителей и инвестицией высвободившихся денег под 10% годовых -- т.е. по сути в OMB дали Шаттлу "мусорный" рейтинг. Это сделало любые экономические обоснования создания челнока в качестве коммерческой ракеты-носителя нереальными, особенно после того как его "раздуло" из-за требований ВВС. И все же НАСА попыталась это сделать, ибо повторюсь, на кону стояло существование американской пилотируемой программы.
Было заказано исследование экономической целесообразности у фирмы Mathematica. Нередко упоминаемая цифра стоимости запуска Шаттла в районе $1-2.5 млн это лишь обещания Мюллера на конференции в 1969 году, когда еще не была ясна окончательная его конфигурация, и до вызванных требованиями ВВС изменений. Для проектов приведенных выше стоимость полета была следующей: 4.6 миллиона долларов образца 1970г. для челноков Норт Американ Рокуэлл и МакДоннелл Дуглас, и 4.2 миллиона долларов для челнока Груммана. Составители отчета худо-бедно смогли натянуть сову на глобус, показав, что якобы уже к середине восьмидесятых Шаттл выглядел более привлекательно с финансовой точки зрения нежели уже существующие носители, даже с учетом 10% требований OMB:
Однако дьявол кроется в деталях. Как я упомянул выше, не было никакой возможности продемонстрировать, что Шаттл, с его предполагаемой стоимостью разработки и производства в двенадцать миллиардов долларов, будет дешевле одноразовых носителей при учете 10% дисконта OMB. Так что пришлось в ходе анализа сделать допущение, что более низкая стоимость вывода позволит производителям спутников тратить значительно меньше времени и средств на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР), а также на производство спутников. Декларировалось, что они предпочтут воспользоваться возможностью дешевого вывода спутников на орбиту и ремонта оных. Далее, было предположено весьма большое количество запусков в год: базовый сценарий, показаннный на графике выше, постулировал 56 пусков Шаттла каждый год с 1978 по 1990 (736 всего). Причем в качестве предельного сценария рассматривался даже вариант с 900 полетами в указанный период, т.е. старт каждые пять дней в течении тринадцати лет!
Стоимость трех различных программ в базовом сценарии -- две одноразовые ракеты и Шаттл, 56 пусков в год (млн. долларов):
| Существующая РКН | Перспективная РКН | Спейс Шаттл | |
| Расходы на РКН | |||
| НИОКР | 960 | 1 185 | 9 920 |
| Стартовые сооружения, производство шаттла | 584 | 727 | 2 884 |
| Суммарная стоимость пусков | 13 115 | 12 981 | 5 510 |
| Всего | 14 659 | 14 893 | 18 314 |
| Расходы на ПН | |||
| НИОКР | 12 382 | 11 179 | 10 070 |
| Производство и постоянные расходы | 31 254 | 28 896 | 15 786 |
| Всего | 43 636 | 40 075 | 25 856 |
| Расходы на РКН и ПН | 58 295 | 54 968 | 44 170 |
Само собой, представителей OMB этот анализ не устроил. Они совершенно справедливо указали, что даже если стоимость полета Шаттла и впрямь будет такой как указано (4.6 миллиона/полет), все равно нет никаких оснований считать будто производители спутников пойдут на снижение надежности в угоду стоимости производства. Наоборот, существующие тенденции свидетельствовали о предстоящем значительном росте средней жизни спутника на орбите (что в итоге и произошло). Далее, чиновники не менее справедливо указали, что количество космических пусков в базовом сценарии экстраполировалось из уровня 1965-1969 годов, когда немалую их долю обеспечивало НАСА, с её тогдашним гигантским бюджетом, и ВВС, с их тогдашними короткоживущими спутниками оптической разведки. До того как была порезаны все смелые планы НАСА еще можно было предполагать, что количествово пусков вырастет, но без расходов НАСА оно наверняка начало бы падать (что тоже оказалось правдой). Также, совершенно не был учтен сопутствующий всем государственным программам рост расходов: так, увеличение расходов программы Аполлон в период с 1963 по 1969 год составило 75%. Финальный вердикт OMB был следующим: предполагаемый полностью многоразовый двухступенчатый Штаттл не является экономически оправданным в сравнении с Titan-III, при учете 10% ставки.
Извиняюсь, что так много пишу о финансовых деталях которые, возможно, не всем интересны. Но это все крайне важно в контексте обсуждения многоразовости Шаттла -- тем более что упомянутые выше и, скажем честно, высосанные из пальца цифры можно до сих пор увидеть в обсуждениях про многоразовость космических систем. На самом деле, без учета "эффекта ПН" даже по принятым Mathematica цифрам и без всяких 10% дисконтов Шаттл становился выгоднее Титана только начиная с ~1100 полетов (реальные шаттлы слетали 135 раз). Но не забываем -- речь идет о "раздутом" требованиями ВВС Шаттле с треугольным крылом и сложной теплозащитой.
Шаттл становится полу-многоразовым
Никсону не хотелось быть президентом, который полностью прикроет американскую пилотируемую программу. Но и просить Конгресс выделить прорву денег на создание Шаттла он также не хотел, тем более после заключения чиновников из OMB конгрессмены все равно на это не согласились бы. На разработку и производству Шаттлов было решено выделить около пяти c половиной миллиардов долларов (т.е. более чем в два раза меньше чем тем надо было для полностью многоразового Шаттла), с требованием тратить не больше миллиарда в любой отдельно взятый год.
Дабы суметь в рамках выделенных средств создать Шаттл, было сделать систему частично многоразовой. Сначала был творчески переосмыслен концепт Грумман: размер челнока сумели уменьшить поместив обе топливные пары во внешний бак, заодно уменьшился и потребный размер первой ступени. На схеме ниже показан размер полностью многоразового космоплана (reusable), космоплана со внешним баком для водорода (LH2) и космоплана со внешним баком и для кислорода и для водорода (LO2/LH2).
Но стоимость разработки все еще сильно превышала количество выделенных из бюджета средств. В результате НАСА пришлось еще и отказаться от многоразовой первой ступени. К вышеупомянутому баку было решено присоединить некий простой бустер, либо в параллель, либо внизу бака:
После недолгих обсуждений было утверждено размещение бустеров в параллель с внешним баком. В качестве бустеров рассматривалось два основных варианта: твердотопливные (ТТУ) и ЖРД ускорители, последние либо с турбокомпрессором, либо с вытеснительной подачей компонентов. Было решено остановится на ТТУ, опять же в силу более низкой стоимости разработки. Иногда можно услышать что якобы имелось некое обязательное требование использовать ТТУ которые -де все и испортило -- но, как видим, замена ТТУ на бустеры с ЖРД уже ничего бы не смогла исправить. Более того, у плюхающихся в океан бустеров на ЖРД, пусть и с вытеснительной подачей компонентов, проблем на деле было бы еще больше чем с твердотопливными ускорителями.
В результате получился тот Спейс Шаттл, который мы и знаем сегодня:
Ну и краткая история эволюции оного (кликабельно):
Эпилог
Шаттл не был столь неудачной системой какой его принято нынче выставлять. В восьмидесятых годах Шаттл вывел на околоземную орбиту 40% от всей доставленной в то десятилетие массы ПН, несмотря на то что его пуски составляли лишь 4% из общего количеств пусков РКН. Он также доставил в космос львиную долю из побывавших там на сегодняшний день людей (другое дело, что сама необходимость наличия людей на орбите по-прежнему неясна):
В ценах 2010 год стоимость программы составляла 209 миллиардов, если разделить это на количество пусков выйдет где-то 1.5 миллиарда за пуск. Правда основная часть расходов (проектирование, модернизация и др.) не зависит от числа запусков -- поэтому по оценкам НАСА к конце нулевых стоимость каждого полёта составляла около 450 миллионов долларов. Впрочем это ценник уже под завершение программы, да еще и после катастроф Челленджера и Колумбии, которые привели к дополнительным мерам безопасности и росту стоимости пуска. По идее в середине 80-ых, до катастрофы Челленджера, стоимость пуска была гораздо меньше, но конкретных цифр у меня нет. Разве что укажу на тот факт, что у Titan IV Centaur стоимость пуска в первой половине девяностых годов составляла 325 миллионов тех долларов, что даже слегка превышает указанную выше стоимость пуска Шаттла в ценах 2010 года. А ведь именно тяжелые РН из семейства Титан были конкурентом Шаттла в ходе его создания.
Разумеется, Шаттл не был экономически эффективным с коммерческой точки зрения. К слову, экономическая нецелесообразность оного весьма взволновала в свое время руководство СССР. Они не понимали политических причин которые привели к созданию Шаттла, и придумывали ему различные предназначения, чтобы хоть как-то увязать в голове его существование со своими взглядами на действительность -- тот самый знаменитый "нырок на Москву", или базирование оружия в космосе. Как вспоминал в 1994-м году директор головного в ракетно-космической промышленности Центрального НИИ машиностроения Ю.А.Мозжорин: "Челнок выводил на околоземную орбиту 29,5 т, и мог спускать с орбиты груз до 14,5 т. Это очень серьезно, и мы начали изучать, для каких целей он создается? Ведь все было очень необычно: вес, выводимый на орбиту при помощи одноразовых носителей в Америке, даже не достигал 150 т/год, а тут задумывалось в 12 раз больше; ничего с орбиты не спускалось, а тут предполагалось возвращать 820 т/год... Это была не просто программа создания какой-то космической системы под девизом снижения затрат на транспортные расходы (наши, нашего института проработки показали, что никакого снижения фактически не будет наблюдаться), она имела явное целевое военное назначение. И действительно, в это время начали говорить о создании мощных лазеров, лучевого оружия, оружия на новых физических принципах, которое - теоретически - позволяет уничтожать ракеты противника на расстоянии в несколько тысяч километров. Как раз вот создание такой системы и предполагалось для отработки этого нового оружия в космических условиях ". Свою роль в этой ошибке сыграло то, что Шаттл делался с учётом требований ВВС, но в СССР не поняли причин, по которым ВВС был втянут проект. Они думали, что проект изначально инициирован военными, и делается с военными целями. На самом деле, НАСА позарез нужен был Шаттл чтобы остаться на плаву, и если бы поддержка ВВС в Конгрессе зависела от того, что ВВС потребовал бы покрасить Шаттл в зелёный цвет и украсить его гирляндами -- они бы это сделали. В восьмидесятых Шаттл уже попытались притянуть к программе СОИ, но когда его проектировали в семидесятых ни о чем таком и речи еще не шло.
Надеюсь теперь читателю понятно, что судить о многоразовости космических систем на примере Шаттла это крайне неудачная затея. Грузовые потоки под которые делался челнок никогда не материализовались из-за урезания расходов НАСА. Дизайн Шаттла пришлось серьезным образом менять дважды -- сначала из-за требований ВВС, политическая поддержка которых нужна была НАСА, а затем из-за критики OMB и недостаточного размера ассигнований на программу. Все экономические обоснования, отсылки к котором иногда попадаются в обсуждениях многоразовости, появились в период когда НАСА нужно было любой ценой спасти и так уже сильно мутировавший из-за требований ВВС челнок, и являются попросту притянутыми за уши. Причем все участники программы это все понимали -- и Конгресс, и Белый Дом, и ВВС, и НАСА. Например Michoud Assembly Facility мог от силы производить двадцать с чем-то внешних топливных баков в год, то есть ни о каких пятидесяти шести или даже тридцати с чем-то полетах в год, как в отчете Mathematica, и речи не могло идти.
Почти всю информацию я взял из замечательной книги , которую я рекомендую к прочтению всем интересующимся вопросом. Также некоторые отрывки текста были позаимствованы из постов ув. Tico в этом топике.
Американская государственная программа STS (Space Transportation System, «Космическая транспортная система») более известна во всем мире как Space Shuttle («Космический челнок»). Данная программа была реализована специалистами NASA, ее основной целью было создание и использованием многоразового пилотируемого транспортного космического корабля, предназначенного для доставки на низкие околоземные орбиты и обратно людей и различных грузов. Отсюда собственно и название – «Космический челнок».
Над программой начали работать в 1969 году по линии финансирования двух государственных ведомств США: NASA и Минобороны. Разработка и опытно-конструкторские работы осуществлялись в рамках совместной программы NASA и ВВС. При этом специалисты применили ряд технических решений, которые ранее были опробованы на лунных модулях программы «Аполлон» 1960-х годов: эксперименты с твердотопливными ускорителями, системами их отделения и получения топлива из внешнего бака. Основу создаваемой космической транспортной системы должен был составить пилотируемый космический корабль многоразового применения. Также в систему входили наземные обеспечивающие комплексы (монтажно испытательный и стартово посадочный комплекс космического центра имени Кеннеди, расположенный на авиационной базе Ванденберг, штат Флорида), центр управления полетом в Хьюстоне (Техас), а также системы ретрансляции данных и связи через спутники и иные средства.
В работах по данной программе приняли участие все ведущие американские аэрокосмические компании. Программа была по-настоящему масштабной и национальной, различные изделия и оборудование для «Спейс Шаттл» поставляли более 1000 компаний из 47 штатов. Контракт на строительство первого орбитального корабля в 1972 году выиграла компания Rockwell International. Строительство первых двух шаттлов началось уже в июне 1974 года.
Первый полёт космического челнока «Колумбия». Внешний топливный бак (в центре) покрашен в белый цвет только в двух первых полётах. В дальнейшем бак не красили для снижения веса системы.
Описание системы
Конструктивно многоразовая транспортная космическая система Space Shuttle включала в себя два спасаемых твердотопливных ускорителя, которые выполняли роль первой ступени и орбитального многоразового корабля (орбитер, orbiter) с тремя кислородно водородными двигателями, а также большим подвесным топливным отсеком, который образовывал вторую ступень. После завершения программы космического полета орбитер самостоятельно возвращался на Землю, где выполнял посадку по-самолетному на специальных ВПП.
Два твердотопливных ракетных ускорителя работают в течение примерно двух минут после запуска, разгоняя космический корабль и направляя его. После чего на высоте примерно 45 километров они отделяются и при помощи парашютной системы приводняются в океан. После ремонта и перезаправки они используются вновь.
Сгорающий в земной атмосфере внешний топливный бак, заполненный жидким водородом и кислородом (топливо для главных двигателей), является единственным одноразовым элементом космической системы. Сам бак также является каркасом для скрепления твердотопливных ускорителей с космическим кораблем. Он отбрасывается в полете примерно через 8,5 минут после взлета на высоте около 113 километров, большая часть бака сгорает в земной атмосфере, а сохранившиеся части падают в океан.
Наиболее известной и узнаваемой частью системы является сам многоразовый космический корабль – челнок, собственно сам «спейс шаттл», который и выводится на околоземную орбиту. Данный челнок служит полигоном и платформой для проведения научных исследований в космосе, а также домом для экипажа, в состав которого может входить от двух до семи человек. Сам шаттл выполнен по самолетной схеме с треугольным в плане крылом. Для посадки он использует шасси самолетного типа. Если твердотопливные ракетные ускорители рассчитаны на использование до 20 раз, то сам челнок – до 100 полетов в космос.
Размеры орбитального корабля по сравнению с «Союзом»
Американская система Space Shuttle могла выводить на орбиту высотой 185 километров и наклонением 28° до 24,4 тонн грузов при запуске на восток с мыса Канаверал (Флорида) и 11,3 тонны при запуске с территории Центра космических полетов имени Кеннеди на орбиту высотой 500 километров и наклонением 55°. При запуске с базы ВВС «Ванденберг» (Калифорния, западное побережье) на приполярную орбиту высотой 185 километров можно было вывести до 12 тонн грузов.
Что удалось реализовать, а что из задуманного осталось лишь на бумаге
В рамках симпозиума, который был посвящен реализации программы «Спейс Шаттл», он состоялся в октябре 1969 года, «отец» шаттла Джордж Мюллер отмечал: «Наша цель – уменьшить стоимость доставки килограмма полезного груза на орбиту с 2000 долларов для Сатурна-V до уровня 40-100 долларов за килограмм. Так мы сможем открыть новую эру освоения космоса. Задачей на будущие недели и месяцы для этого симпозиума, а также для NASA и для ВВС является обеспечение уверенности в том, что мы сможем этого добиться». В целом для различных вариантов на базе космического челнока «Спейс Шаттл» прогнозировалось достижение стоимости выведения полезной нагрузки в пределах от 90 до 330 долларов за килограмм. Более того, считалось, что шаттлы второго поколения позволят снизить сумму до 33-66 долларов за килограмм.
На деле же эти цифры оказались недостижимы даже близко. Более того, по расчетам Мюллера, стоимость запуска шаттла должна была составлять 1-2,5 миллиона долларов. На деле же, по информации НАСА, средняя стоимость запуска шаттла составляла около 450 миллионов долларов. И это существенное различие можно назвать главным несоответствием между заявленными целями и реальностью.
Шаттл «Индевор» с открытым грузовым отсеком
После завершения в 2011 году программы Space Transportation System можно уже с уверенностью говорить о том, каких целей при ее реализации удалось достичь, а каких – нет.
Достигнуты цели по программе «Спейс Шаттл»:
1. Реализация доставки на орбиту грузов разного типа (разгонные блоки, спутники, сегменты космических станций, в том числе МКС).
2. Возможность проведения ремонта спутников, расположенных на низкой околоземной орбите.
3. Возможность возврата спутников назад на Землю.
4. Возможность совершать полеты с отправкой в космос до 8 человек (во время спасательной операции экипаж можно было довести до 11 человек).
5. Успешная реализация многоразовости полета и многоразового использования самого челнока и твердотопливных разгонных ускорителей.
6. Реализация на практике принципиально новой компоновки космического корабля.
7. Возможность осуществления кораблем горизонтальных маневров.
8. Большой объем грузового отсека, возможность возврата на Землю грузов массой до 14,4 тонн.
9. Стоимость и время разработки удалось уложить в сроки, которые были обещаны президенту США Никсону в 1971 году.
Не достигнутые цели и провалы:
1. Качественное облегчение доступа в космос. Вместо уменьшения стоимости доставки килограмма грузов на орбиту на два порядка, «Спейс Шаттл» на деле оказался одним из наиболее дорогих способов доставки спутников на земную орбиту.
2. Быстрая подготовка шаттлов между космическими полетами. Вместо ожидаемого срока, который оценивался в две недели между стартами, шаттлы на деле могли готовиться к запуску в космос месяцами. До катастрофы космического челнока «Челленджер» рекорд между полетами составлял 54 дня, после катастрофы – 88 дней. За все время их эксплуатации они запускались в среднем 4,5 раза в год, тогда как минимально допустимая экономически обоснованная цифра запусков составляла 28 стартов в год.
3. Простота обслуживания. Выбранные при создании шаттлов технические решения были достаточно трудоемкими в обслуживании. Главные двигатели требовали процедуры демонтажа и длительных затрат времени на сервис. Турбонасосные агрегаты двигателей первой модели требовали полной их переборки и ремонта после совершения каждого полета в космос. Плитки теплозащиты являлись уникальными – в каждое гнездо монтировалась своя плитка. Всего же их было 35 тысяч, к тому же, плитки могли быть повреждены или потеряны во время полета.
4. Замена всех одноразовых носителей. Шаттлы ни разу не стартовали на полярные орбиты, что было необходимо в основном для развертывания разведывательных спутников. В данном направлении велись подготовительные работы, однако они были свернуты после катастрофы «Челленджера».
5. Надежный доступ в космос. Четыре космических челнока означали, что потеря любого из них – это потеря 25% всего флота (летающих орбитеров всегда было не больше 4-х, шаттл «Индевор» был построен взамен погибшего «Челенджера). После катастрофы полеты прекращались на длительный срок, к примеру, после катастрофы «Челенджера» – на 32 месяца.
6. Грузоподъемность шаттлов оказалась на 5 тонн ниже требуемой спецификациями военных (24,4 тонны вместо 30 тонн).
7. Большие возможности горизонтального маневра никогда не применялись на практике по той причине, что шаттлы не совершали полетов на полярные орбиты.
8. Возврат спутников с земной орбиты прекратился уже в 1996 году, при этом за все время из космоса было возвращено всего 5 спутников.
9. Ремонт спутников оказался слабо востребован. Всего отремонтировано 5 спутников, правда, шаттлы также 5 раз проводили обслуживание знаменитого телескопа «Хаббл».
10. Реализованные инженерные решения негативно влияли на надежность всей системы. В момент взлета и посадки имелись участки, которые не оставляли экипажу шансов на спасение в аварийной ситуации.
11. Тот факт, что шаттл мог совершать только пилотируемые полеты, подвергал астронавтов риску без необходимости, к примеру, для рутинных запусков спутников на орбиту хватило бы автоматики.
12. Закрытие программы «Спейс Шаттл» в 2011 году накладывалось на отмену программы «Созвездие». Это стало причиной потери США самостоятельного доступа в космос на многие годы. Как результат имиджевые потери и необходимость приобретения мест для своих астронавтов на космических кораблях другой страны (российские пилотируемые космические корабли «Союз»).
Шаттл «Дискавери» выполняет маневр перед стыковкой с МКС
Немного статистики
Шаттлы были рассчитаны на пребывание на орбите Земли на протяжении двух недель. Обычно их полеты продолжались от 5 до 16 суток. Рекорд самого короткого полета в программы принадлежит шаттлу «Колумбия» (погиб вместе с экипажем 1 февраля 2003 года, 28-й полет в космос), который в ноябре 1981 года провел в космосе всего 2 дня 6 часов и 13 минут. Этот же шаттл совершил и самый продолжительный полет в ноябре 1996 года – 17 суток 15 часов 53 минуты.
В общей сложности за время действия данной программы с 1981 по 2011 год космическими челноками было осуществлено 135 стартов, из них «Дискавери» – 39, «Атлантис» – 33, «Колумбия» – 28, «Индевор» – 25, «Челенджер» – 10 (погиб вместе с экипажем 28 января 1986 года). Всего в рамках программы было построено пять перечисленных выше шаттлов, которые совершали полеты в космос. Еще один шаттл «Энтерпрайз» был построен первым, но изначально предназначался только для отработки наземных и атмосферных испытаний, а также проведения подготовительных работ на стартовых площадках, в космос никогда не летал.
Стоит отметить, что в НАСА планировали использовать шаттлы гораздо активнее, чем это вышло на самом деле. Еще в 1985 году специалисты американского космического агентства рассчитывали, что к 1990 году они будут совершать по 24 старта каждый год, а корабли налетают до 100 полетов в космос, на практике же все 5 челноков совершили за 30 лет всего 135 полетов, два из которых закончились катастрофой. Рекорд по количеству полетов в космос принадлежит шаттлу «Дискавери» – 39 полетов в космос (первый 30 августа 1984 года).
Посадка шаттла «Атлантис»
Американским шаттлам принадлежит и самый печальный антирекорд среди всех космических систем – по количеству погибших людей. Две катастрофы с их участием стали причиной гибели 14 американских астронавтов. 28 января 1986 года при взлете в результате взрыва внешнего топливного бака разрушился шаттл «Челленджер», это произошло на 73-й секунде полета и привело к гибели всех 7 членов экипажа, включая первого астронавта-непрофессионала - бывшую учительницу Кристу Маколифф, которая выиграла общенациональный американский конкурс на право полететь в космос. Вторая катастрофа произошла 1 февраля 2003 года во время возвращения корабля «Колумбия» из своего 28-го полета в космос. Причиной катастрофы стало разрушение наружного теплозащитного слоя на левой плоскости крыла челнока, что было вызвано падением на него куска теплоизоляции кислородного бака в момент старта. При возвращении шаттл развалился в воздухе, погибли 7 астронавтов.
Программа «Космическая транспортная система» была официально завершена в 2011 году. Все действующие шаттлы были списаны и отправлены в музеи. Последний полет состоялся 8 июля 2011 года и был осуществлен шаттлом «Атлантис» с сокращенным до 4 человек экипажем. Полет завершился рано утром 21 июля 2011 года. За 30 лет эксплуатации эти космические корабли выполнили 135 полетов, в общей сложности они совершили вместе 21 152 витка вокруг Земли, доставив в космос 1,6 тысяч тонн различных полезных грузов. В состав экипажей за это время вошло 355 человек (306 мужчин и 49 женщин) из 16 различных стран. Астронавт Фрэнклин Стори Масгрейв был единственным, кто совершил полеты на всех пяти построенных челноках.
Источники информации:
https://geektimes.ru/post/211891
https://ria.ru/spravka/20160721/1472409900.html
http://www.buran.ru/htm/shuttle.htm
По материалам из открытых источников
