Едва ли кто-то станет покупать автомобиль, способный совершить всего одну поездку, после которой от машины не останется ничего, кроме водительского кресла и «торпеды». Между тем, первые космические полеты проходили именно по этой схеме – на стартовый стол устанавливалась грандиозная конструкция общим весом приблизительно в 287 тонн, а на Землю возвращался небольшой обгорелый «шарик», масса которого не достигала даже 2500 килограммов. В 1981 году эта ситуация, казалось, навсегда изменилась – на орбиту успешно вышел американский многоразовый корабль Columbia, созданный в рамках программы Space Shuttle («космический челнок»). За последующие 30 лет «шаттлы» выполнили еще 134 полета, но затем программу закрыли, несмотря на то, что никакой замены у этих кораблей тогда не имелось. Чтобы понять, почему так произошло, следует присмотреться к «челнокам» повнимательнее, поскольку только так можно определить, чем они были – тупиковой ветвью развития или же выдающимся достижением, опередившим своё время.

История создания многоразовых кораблей

Официально программа Space Transport System (STS), более известная как Space Shuttle, стартовала в 1972 году, однако возникла она не на пустом месте. Первый проект «космолета», получивший название Silbervogel, был разработан еще в 1940 году австрийским ученым Ойгеном Зенгером. Придуманная им «серебряная птица» должна была стать суборбитальным бомбардировщиком, летающим на скорости более 7 километров в секунду. Проект выглядел как явная утопия, но спустя 20 лет после окончания войны чертежи и эскизы Silbervogel использовались советскими конструкторами, разрабатывавшими многоразовую авиакосмическую систему «Спираль».

Одной из первых американских попыток создания космолета стал проект X-20 Dyna-Soar (обозначение переводится двояко – как «динозавр», или как «динамическое парение»). Источником вдохновения для конструкторов компании Boeing являлась всё та же «серебряная птица» Зенгера, однако на этот раз предусматривалась возможность полноценного орбитального полета. Кроме того, X-20 должен был не только наносить бомбовые удары, но и осуществлять разведку, а также перехватывать, осматривать и уничтожать космические аппараты противника.

Работы по созданию Dyna-Sour продлились с 1957 по 1963 год и обошлись в 410 миллионов долларов, но успеха не принесли – уже набранный отряд будущих пилотов X-20, в состав которого входил, в частности, Нил Армстронг, пришлось распустить. Одновременно была закрыта и альтернативная программа Aerospaceplane, стартовавшая в 1958 году. Может показаться, что такое решение стало следствием концентрации основных усилий на «лунном» направлении, но вряд ли это так – оба космолета проектировались по заданию ВВС, а не NASA. Скорее всего, военные посчитали, что для создания столь сложных машин еще не пришло время.

В 1965 году при Координационном совете по воздушно-космическим операциям, в состав которого входили представители NASA и командования ВВС, был сформирован подкомитет, основной задачей которого стало продвижение работ по созданию «возвращаемых» ракет-носителей. В последующие годы появилось несколько альтернативных проектов многоразовых или «частично многоразовых» космических кораблей, которые различались между собой как по внешнему виду, так и по целевому предназначению.

Полноразмерный макет космоплана X-20 Dyna-Sour.

В отличие от ВВС, NASA стремилась получить не бомбардировщик, а «грузовик», который сумел бы принять деятельное участие в строительстве большой орбитальной станции. Доставлять в космос необходимые для этого «запчасти» могли и обычные ракеты, но их использование было бы слишком дорогим: к примеру, вывод на околоземную орбиту одного килограмма груза на ракете «Сатурн» обходился в 60-е годы в 2000 долларов.

Выступая в 1969 году на симпозиуме, посвященном проблеме создания многоразовых кораблей, помощник директора NASA Джордж Мюллер, которого впоследствии стали называть «отцом шаттлов», сказал, что главной задачей «челнока» является снижение затрат на доставку 1 кг полезной нагрузки на орбиту до величины от 40 до 100 долларов. Перечень остальных функций будущего космического аппарата выглядел следующим образом:

Доставка на орбитальную станцию сменных экипажей, продовольствия, различных приборов, кислорода и всего, что необходимо для полноценной работы.

Вывод на орбиту искусственных спутников и их возвращение на Землю.

Доставка топлива для других кораблей или беспилотных аппаратов.

Техническое обслуживание орбитальной станции и спутников с возможностью текущего ремонта.

Планировалось, кроме того, и выполнение обычных пилотируемых полетов продолжительностью в несколько суток. После проведения ряда обсуждений в Конгрессе США, а также на уровне президента страны, были сформулированы конкретные требования к «челноку»: грузоподъемность до 30 тонн, габариты грузового отсека – 18,2 м в длину, 4,5 м в диаметре. Корабль должен был обладать способностью к горизонтальному маневрированию с максимальным отклонением от первоначального направления полета до 2000 километров.

В период с 1969 по 1972 годы проходило долгое и довольно мучительное согласование проекта, в ходе которого NASA пришлось пообещать представителям ВВС, что часть полетов «шаттлов» будет выполнена в военных целях, причем никакой дополнительной оплаты за эти миссии не потребуется. Кроме того, в этот период отвергли первоначальный, «полностью многоразовый» вариант «челнока». Он предполагал создание двух разных космопланов — один из них, очень крупный и тяжелый, должен был фактически выполнить роль ракеты-носителя, разогнав прикрепленный к его «спине» орбитальный корабль до определенной скорости, а затем отделиться и вернуться на посадочную полосу.

Создание многоразового крылатого космоплана-«ускорителя» было признано слишком дорогим. Окончательный проект принял совсем иной вид – орбитальный корабль с жидкостными ракетными двигателями, прикрепленный при взлете к огромному топливному баку и объединенный с двумя многоразовыми твердотопливными ускорителями, которые, отработав, сбрасывались и совершали посадку на воду.

Пересмотреть пришлось и саму концепцию «Шаттла», поскольку в 1970 году стало ясно, что имеющихся финансовых средств для строительства и дальнейшей эксплуатации задумывавшейся изначально огромной орбитальной станции с экипажем в 50 человек не хватит. «Челнок» отныне рассматривался в первую очередь как экономически эффективное средство вывода, инспекции, ремонта и возвращения на Землю искусственных спутников.

В январе 1972 года программу по созданию космических челноков одобрил Ричард Никсон, занимавший тогда пост президента США. Спустя несколько месяцев были подписаны основные контракты на строительство отдельных элементов авиакосмической системы.

Компании Martin Marietta Corporation доверили разработку одноразового внешнего топливного бака, Morton Thiokol должна была создать возвращаемые твердотопливные ускорители, а North American Rockwell доверили самое главное – орбитальный космический корабль.

Первоначально был изготовлен прототип – беспилотный аппарат Enterprise (первоначальное обозначение OV-101). Поскольку он предназначался только для проведения исследовательских работ, тепловой защиты на нем не имелось. Параллельно со сборкой аппарата Enterprise проводился цикл испытаний RS-25 – основных двигателей «космического челнока». Для их тестирования компания Rockwell соорудила специальный объект под названием Main Propulsion Test Article (MPTA). Испытывалась полностью собранная силовая установка, состоящая из трех RS-25.

В марте 1975 года началось строительство первого «челнока», получившего название Columbia. Завершить сборочные работы удалось лишь через четыре года, после создания керамических плиток тепловой защиты и завершения предварительных испытаний силовой установки. Двигатели RS-25 были заказаны в мае 1978 года, причем NASA в этом случае пошла на риск – в ходе тестирования произошел целый ряд отказов и полок.

25 марта 1979 года шаттл «Колумбия» доставили в космический центр имени Кеннеди, но отправлять его на орбиту было еще рано: во-первых, из предусмотренных проектом тридцати тысяч элементов тепловой защиты на своих местах находились только 24 000, а во-вторых, часть из уже имевшихся плиток оказались дефектными, и нуждались в замене. Эти работы, а также последующее тестирование, заняли еще два года, и лишь весной 1981 года всё было готово к первому старту. Состоялся этот запуск 12 апреля, ровно через 20 лет после полета Юрия Гагарина.

В дальнейшем были построены еще четыре многоразовых корабля: OV-099 Challenger (1982, июль), OV-103 Discovery (1982, ноябрь), OV-104 Atlantis (1985) и OV-105 Endeavour (1991). Запуски шаттлов осуществлялись вплоть до 2011 года, после чего программу закрыли.

Основные особенности конструкции

Аэрокосмическая система Space Shuttle состояла из следующих элементов:

Твердотопливные ускорители SRB (Solid Rocket Booster).

Внешний бак ET (External Tank).

Орбитальный аппарат (Orbiter).

Конструкцию каждого из этих элементов есть смысл рассмотреть по отдельности.

Устройство твердотопливных ускорителей

Полностью заправленные «бустеры» непосредственно перед стартом весили в общей сложности 1180 тонн (по 590 т. каждый), что составляло 69% общей взлетной массы. Основной частью их конструкции являлся ракетный двигатель, состоявший из корпуса, выполнявшего также роль бака, сопла и воспламенителя. В качестве горючего использовался мелкодисперсный алюминиевый порошок, а окислителем являлся перхлорат аммония. Общий вес компонентов топлива достигал 500 тонн.

Кроме того, в состав конструкции ускорителя входили:

Контрольные приборы.

Пироболты, необходимые для отделения «бустера» от челнока.

Спасательные парашюты.

Система управления вектором тяги.

Система самоликвидации.

В момент старта твердотопливные ускорители включались одновременно с основными двигателями орбитального аппарата, создавая тягу в 12 МН. По мере подъема на высоту тяга увеличивалась до рекордной величины в 14,7 МН.

Продолжительность работы SRB составляла ровно 126 секунд. За это время космический челнок поднимался на высоту около 46 километров, достигнув скорости в 4 979 км/ч. Затем срабатывали пироболты и ускорители отделялись от корабля. После этого они продолжали по инерции подниматься вверх, достигая в конечном счете высоты в 67 км.

Мягкое приводнение обеспечивалось спасательными парашютами. Как правило, ускорители опускались в океан на расстоянии 220-230 км от точки старта. После этого «бустеры» подбирались специальным судном и доставлялись назад для повторного использования.

Устройство внешнего бака

В отличие от твердотопливных ускорителей и орбитера, External Tank являлся одноразовым. Это был самый тяжелый из всех элементов системы Space Shuttle, вес его на старте достигал 760 тонн. Конструкция ET состояла из четырех частей:

Передний бак. Заполнялся жидким кислородом.

Кормовой бак. Заполнялся жидким водородом и был наиболее габаритным.

Промежуточный бак (Intertank). Представлял собой емкость для размещения электрооборудования. Intertank делался негерметичным.

Система тепловой защиты. Представляла собой изоляционный слой, сформированный из специальных материалов.

Передний и носовой баки изготавливались из алюминиевых сплавов. Необходимая прочность обеспечивалась внутренним силовым каркасом, состоявшим из набора поперечных шпангоутов и продольных стрингеров. Конструкция External Tank несколько раз подвергалась изменениям. Их основной целью являлось снижение веса.

Внешний бак оставался соединенным с челноком вплоть до набора суборбитальной скорости, после чего на высоте около 113 км происходило отделение. Шаттл продолжал ускоряться при помощи двигателей маневрирования, а ET, постепенно теряя скорость, начинал снижение. Остатки бака падали в зависимости от направления запуска либо в Тихий, либо в Индийский океан.

Устройство орбитального аппарата

По своему внешнему виду Orbiter Vehicle напоминает обычный самолет с довольно широким фюзеляжем и дельтовидным крылом переменной стреловидности.

Угол его наклона составляет по внутренней передней кромке 81 градус, а по внешней кромке треугольной части крыла – 45 градусов. Под таким же углом наклонен назад хорошо выраженный киль с рулем направления и тормозным щитком.

Управление креном и углом тангажа осуществляется при помощи четырех элевонов. Они хорошо заметны на задней кромке крыла. Как и руль направления, элевоны используются при выполнении полета в плотных слоях атмосферы, когда совершается посадка.

Маневрирование в безвоздушном пространстве осуществляется при помощи системы управления RCS (Reaction Control System). В её состав входило в общей сложности 44 двигателя (ракетные, на жидком топливе). В передней части корабля устанавливались 16 таких двигателей – 14 основных и два подруливающих, обеспечивающих наиболее точное выполнение маневра.

В кормовой части шаттла располагались два отсека системы орбитального маневрирования (часть RCS). В них находились еще 28 ракетных двигателей – 24 основных и четыре подруливающих. В качестве горючего для реактивной системы управления использовался монометилгидразин, а окислителем являлась четырехокись азота.

В передней части космического корабля размещался отсек экипажа. Он был разделен на следующие помещения:

Кабина пилотов. Устанавливалась на самом верхнем ярусе отсека экипажа. Кабина была четырехместной. Кресла командира и второго пилота находились спереди, а для двух других специалистов – во втором ряду.

Средняя (вторая) палуба. Находилась под кабиной пилотов. Здесь могли разместиться еще три человека. Кроме того, в этой части отсека устанавливался шлюз для выхода в безвоздушное пространство, туалет, спальные места и рундуки.

Служебное помещение. Располагалось в самом низу отсека и предназначалось для хранения запасов воздуха, а также воды.

Воздушный шлюз обеспечивал одновременный выход в открытый космос трех астронавтов, одетых в скафандры. Шлюз непосредственно соединялся с грузовым отсеком.

Силовая установка орбитального аппарата состояла из трех жидкостных двигателей RS-25, работающих на топливе, поступающем из внешнего бака. Их совокупная тяга составляла до 5,4 МН. Двигатели размещались на равном расстоянии друг от друга, образуя треугольник. Во время полета каждый из них можно было поворачивать на 8,5 градусов по горизонтали и на 10,5 градусов по вертикали. Эти манипуляции осуществлялись при помощи гидравлической системы, для создания давления в которой использовались три вспомогательные силовые установки.

Шасси орбитального аппарата было трехопорным и состояло из двух основных стоек, расположенных в корневых частях консолей крыла, симметрично по обе стороны от фюзеляжа, и передней поворотной стойки, находившейся в носовой части корабля. Выпуск шасси осуществлялся только вручную, поскольку эта операция несла в себе потенциальную угрозу – раскрытие створок нарушало целостность теплового экрана, а потому преждевременный выпуск колес мог привести к катастрофе при торможении в плотных слоях атмосферы.

Огромный грузовой отсек шаттла оборудовался системой удаленного манипулирования (Remote Manipulator System). Она представляла собой своего рода «руку», при помощи которой осуществлялась загрузка и выгрузка, а также различные операции с предметами, находившимися внутри отсека. Управление «рукой» осуществлялось из кабины пилотов.

Общее количество различных приборов и дисплеев, размещенных в отсеке экипажа, превышало две тысячи. Энергопотребление оборудования, в состав которого, помимо прочего, входило пять бортовых компьютеров, достигало приблизительно 14 киловатт.

Технические характеристики

Основные параметры аэрокосмической системы Space Shuttle были таковы:

Высота (на старте)56,1 м Диаметр8,7 м Стартовая масса2 030 т Масса полезной нагрузки (максимальная)27,5 т Масса, доставляемая на МКС16,05 т Масса, доставляемая на геостационарную орбиту2,27 т Масса груза, возвращаемого на Землю14,4 т Длина орбитального аппарата37,237 м Размах крыльев23,79 м Ширина фюзеляжа17,86 м

В состав экипажа могли входить до восьми человек, но в большинстве случаев на орбиту летали от пяти до семи астронавтов. В некоторых миссиях на борту были только командир и второй пилот.

Эксплуатация многоразовых кораблей

Каждый из космических челноков был рассчитан на десять лет работы и сто полетов. Предполагалось, что в начале 90-х годов прошлого века все шаттлы будут заменены на какие-то новые многоразовые корабли. Как известно, ничего подобного не случилось. Эксплуатация челноков продлилась не десять, а тридцать лет, причем за этот период они совершили в общей сложности 135 полетов – не каждый из них, а все вместе.

Наибольшая нагрузка пришлась на Discovery – этот корабль отправлялся в космос 39 раз. Наименьшее число миссий выполнил Challenger – всего 10.

Одним из наиболее значительных достижений всей программы Space Shuttle стал вывод на орбиту уникального космического телескопа «Хаббл» (Hubble Space Telescope), а также последующее техническое обслуживание и ремонт этой автоматической обсерватории. Никакие другие корабли не сумели бы выполнить эту задачу. Кроме того, шаттлы активно применялись в процессе строительства Международной космической станции.

Дважды полеты на многоразовых кораблях Space Shuttle приводили к катастрофам. Первая из них произошла 28 января 1986, когда погиб Challenger.

Причиной этой трагедии стала утечка раскаленного газа из твердотопливного ракетного ускорителя. Попав на обшивку внешнего бака, этот газ прорвал её, после чего произошел взрыв, разрушивший корабль. Впоследствии удалось выяснить, что отсек экипажа и кабина пилотов при этом уцелели. Погибли астронавты только после того, как падающие обломки челнока на большой скорости ударились о поверхность воды.

Предотвратить гибель экипажа «Челленджера» могла бы система аварийного спасения, наподобие той, что устанавливалась на советских кораблях «Союз», но американские конструкторы, проявив явно избыточную самоуверенность, не позаботились о том, чтобы создать соответствующее оборудование.

Вторая катастрофа произошла 17 лет спустя, 1 февраля 2003 года. Жертвой её стал самый первый из многоразовых кораблей – «Колумбия». На этот раз космический челнок погубил фрагмент теплоизоляции внешнего бака, который сразу после старта оторвался от обшивки и ударился о левое крыло орбитального аппарата. В результате была повреждена защитная панель. Когда Columbia, заходя на посадку, вошла в плотные слои атмосферы, крыло разрушилось из-за перегрева, после чего развалился на части и весь корабль.

После каждой из этих катастроф полеты шаттлов прекращались примерно на два года. Но окончательно программу Space Shuttle закрыли не из-за технических причин, а по экономическим соображениям.

Провал или успех

Долгие годы космические челноки были настоящей «звездой» разнообразных научно-популярных программ. Шаттлы называли самым высокотехнологичным изделием, созданным когда-либо в истории, своего рода венцом всего развития цивилизации. В 80-е годы прошлого века такие оценки казались вполне справедливыми, но спустя 10-15 лет стало ясно, что программа Space Shuttle зашла в тупик.

Электронное оборудование кораблей, основанное на процессоре 8086 (80386 на самом последнем построенном челноке), устарело уже в 90-е годы, но главной проблемой стала «экономическая нежизнеспособность». По данным NASA, общая стоимость программы в ценах 2011 года составила 196 млрд. долларов. Поделив это число на 135 (количество запусков), нетрудно заметить, что один полет многоразового корабля обходился в 1,4 млрд. долларов – просто кошмарная сумма на фоне и стоимости обычного коммерческого запуска менее чем в 100 миллионов.

Если учесть, что шаттлы создавались как раз для того, чтобы снизить расходы на орбитальные полеты, можно констатировать, что этот замысел с треском провалился. Эксплуатация челноков стала поистине «золотой». Фундамент этой тяжелой неудачи фактически был заложен еще в 1970 году, когда NASA вынужденно отказалось от сооружения крупной орбитальной базы. В результате у космического челнока сразу же пропал весь фронт работ.

Чтобы программа Space Shuttle стала прибыльной, требовалось отправлять на орбиту многоразовые корабли не реже одного раза в неделю, уменьшая количество обычных одноразовых стартов. Но ни США, ни какой-либо другой стране просто не нужно было такого количества запусков. Космической станции, которую челнок мог бы обслуживать, в 80-е годы не существовало, а «Скайлэб» сошла с орбиты задолго до первого полета «Колумбии».

Довольно часто шаттлы отправлялись в полет почти «порожняком» — спутники было проще выводить обычными одноразовыми ракетами. При этом за весь период существования программы Space Shuttle на Землю было возвращено лишь пять космических аппаратов – другими словами, основные функции челноков остались невостребованными.

«По специальности» шаттлам поработать удалось только в период строительства МКС. Для постоянного снабжения этой станции они не подходили, поскольку стоимость доставки одного килограмма полезной нагрузки на борту космического челнока в «нулевые» годы достигла поистине астрономической величины в 272 тысячи долларов.

Отсутствие задач, которые можно было бы решать при помощи многоразовых кораблей, дополнялось их многочисленными техническими недостатками. Наиболее значительными из них стали чрезмерная дороговизна и продолжительность межполетного обслуживания. Кроме того, шаттлы оказались крайне чувствительными к погодным условиям, что приводило к постоянному откладыванию запусков.

В заключение следует отметить, что проблема «отсутствия внятных задач» вполне актуальна и для современных многоразовых кораблей. Уже сейчас представители компании SpaceX ступили на скользкую дорожку, заявляя, что они будут осуществлять запуски еженедельно. Именно это намерение завело когда-то в тупик программу Space Shuttle.

Источник: militaryarms.ru