Шаттл – планы и реальность
История шаттлов началась в конце 60-х, когда было принято принципиальное решение о проектировании многоразовой космической системы. Аргументы приводились следующие: разве может существовать транспортная система, которая, выполнив свою задачу, погибает? «Представьте себе авиалайнер, который погибает после перевозки пассажиров», — такой аргумент приводили авторы популярных статей. Экономическим обоснованием было то, что космические полеты очень дороги, а с помощью многоразовой системы себестоимость выведения килограмма полезного груза на орбиту упадет в тысячу раз. В 1972 году были подписаны основополагающие документы NASA, определившие облик будущего шаттла.
Первоначальные планы подразумевали полностью многоразовую систему – обе ступени были спасаемыми и используемыми в дальнейших полетах.
Но по экономическим соображениям, чтобы снизить стоимость разработок, концепция была изменена: спасался сам корабль – вторая ступень, которая выходила на орбиту, а также стартовые твердотопливные двигатели. Бак с остатками кислорода и водорода сгорал в атмосфере.
Возможно, на самом деле эта система была выбрана потому, что она была реализуема на практике при имеющемся уровне технологий. Полностью многоразовая схема была слишком сложной и как минимум потребовала бы долгих лет разработок. Частота пусков, которая должна была обеспечить дешевизну, тоже не была реализована в запланированных масштабах. Изначально NASA рассчитывало на примерно 50 пусков в год – почти каждую неделю. Ресурс каждого шаттла был 20 лет, или 100 полетов. Фактически, срок службы оказался дольше, а число полетов – значительно меньше. Шаттл «Дискавери», рекордсмен, провел всего 39 полетов.
Изначально шаттлы предназначались для вывода спутников на орбиту.
Как самостоятельная космическая лаборатория они были нефункциональны, так как не имели собственных солнечных батарей.
Половину их грузов должны были составить военные спутники, а вторую половину – коммерческие запуски американских и зарубежных гражданских спутников. Таким образом, шаттл – это транспортное средство, а не научное судно, поэтому и герметичные объемы были невелики по сравнению с размерами корабля.
Одним из преимуществ Шаттлов (и «Буранов») над одноразовыми ракетами провозглашалась возможность снятия спутников с орбиты и доставка на землю для последующего ремонта-модернизации с дальнейшим запуском. Даже предлагались схемы космической системы из 2-х спутников - один на орбите другой на земле: первый отказал - его сняли и «повесили» второй. А, тем временем, первый ремонтируют и он опять готов к запуску и работе. В реальности же функцией снятия спутника с орбиты воспользовались всего несколько раз. В 1985 году были сняты с орбиты два связных спутника, неудачно запущенных другим шаттлом, а в 1997 году - японский спутник. Так что и это преимущество оказалось несущественным.
По плану летные испытания шаттлов должны были начаться в 1978 году. Фактически по разным причинам, в т. ч. из-за весомых технических трудностей, первый пуск состоялся 12 апреля 1981 года, ровно через 20 лет после полета Гагарина.
Полет
Шаттл стартует вертикально, одновременно включаются водородные двигатели (вторая ступень) и твердотопливные ускорители (первая ступень) – это так называемая параллельная схема. Ускорители отделяются от бака и спускаются на парашюте в океан, где их находят и подбирают специальные корабли; они возвращаются на завод-изготовитель, где проходят ремонт и снова готовятся к пуску. А двигатели на самом шаттле продолжают работать, выбирая топливо из подвесного бака. Когда скорость достигает суборбитальной, то есть «челнок» выходит на промежуточную орбиту с перигеем около 100 км, отделяется огромный подвесной бак, после чего шаттл разгоняется собственным двигателем, используя топливо из внутренних баков, а сброшенный подвесной бак через полвитка падает в океан.
После выведения на орбиту шаттл может совершать маневры с помощью двигателей маневрирования малой тяги, при необходимости выходя на рабочую орбиту. На рабочей орбите раскрывались створки грузового отсека, его размер составлял 4,6 м на 18,3 м. Специальный манипулятор, смонтированный в отсеке, извлекал спутник и оставлял его на орбите. Шаттл отлетал от него. В зависимости от программы полета спутник с помощью собственных двигателей переходил на другую орбиту или оставался на той же.
После завершения программы полета двигатели шаттла выдавали тормозной импульс, и он спускался по пологой траектории, как планер, то есть обычный самолет, но с выключенными двигателями. Тепловые нагрузки при спуске с орбиты очень велики, поэтому пришлось разработать специальное теплозащитное покрытие.
Покрытие такого рода было создано впервые. До этого использовались абляционные покрытия, они работали на принципе уноса массы: теплозащита заключалась в том, что покрытие выгорало и тепло уносилось потоком воздуха.
Использовать такое покрытие для шаттла было невозможно, потому что аэродинамические поверхности в этом случае постоянно меняли бы форму. Кроме того, это противоречило бы идеологии многоразовости космического аппарата. Правда, на практике многоразовое покрытие приходилось все равно обновлять при предполетной подготовке.
Самолет совершал посадку на специально построенную взлетно-посадочную полосу. Аварийная посадка была предусмотрена на дне высохшего соляного озера – природной идеально гладкой поверхности. После посадки шаттл грузился на внешнюю подвеску большого транспортного самолета Boeing 747 и перевозился на космодром, где проходил предполетную подготовку.
История запусков
Первый полет шаттла в 1981 году был экспериментальным, поэтому экипаж состоял всего из двух человек. Командиром корабля был ветеран американских космических программ Джон Янг. Второй полет тоже состоялся в 1981 году и тоже с двумя пилотами на борту. В первых пилотируемых полетах с двумя членами экипажа кабина была оснащена катапультирующимися креслами, что при полной загрузке было невозможно. По завершении испытательных полетов, когда экипажи стали полными, кресла убрали, иначе бы возникла ситуация, что часть экипажа может спастись, а часть нет. Первым шаттлом (не считая тестового «Энтерпрайза») была «Колумбия», вторым «Челленджер», третьим «Дискавери», четвертым «Атлантис». Изначально планировался и пятый шаттл, но из соображений экономии его изготовление было отменено. Однако после гибели «Челленджера» для восстановления частоты запусков еще один шаттл все-таки был построен - им стал «Индевор».
Максимальная частота пусков была достигнута в 1985 году – 9 раз. К концу 80-х годов планировалось выйти на 24 пуска в год (что меньше по сравнению с изначальными планами), но из-за катастрофы «Челленджера» и эти планы не были реализованы.
К моменту гибели «Челленджера» в очереди на пуск стояло большое количество грузов: NASA намеренно переориентировала грузы на шаттл как на основной носитель, планировалось вообще отказаться от одноразовых носителей, за исключением самых легких. Но после гибели «Челленджера» была постепенно изменена концепция использования шаттлов: полезные грузы начали запускать одноразовыми ракетами, а шаттл использовался как летающая лаборатория и средство доставки людей и грузов сначала на «Мир», а потом на МКС.
Вторая катастрофа – гибель «Колумбии» — предопределила завершение этой программы.
Стало понятно, что риск слишком велик, и она начала постепенно сворачиваться. В итоге было принято решение о завершении полетов в 2010 году. Потерять еще один корабль было бы слишком сильным ударом по престижу NASA. Кроме того, материальные издержки были слишком велики. Уже в первые годы эксплуатации цена выведения килограмма полезного груза на орбиту оказалась одного порядка с соответствующим значением для одноразовых ракет (а в конце срока службы даже дороже). Стоимость эксплуатации и предполетного обслуживания оказалась гораздо выше, чем планировалось. Наложило отпечаток и то, что не удалось выйти на проектное число запусков: стоимость инфраструктуры осталась прежней и легла на плечи осуществляемого относительно небольшого количества полетов. Когда стало ясно, что себестоимость радикально снизить не удалось, то в качестве основного преимущества стали выдвигать снижение себестоимости создания самого спутника. Так как грузовой отсек шаттла большой по размерам и выводимая масса тоже достаточно большая, конструкторы в меньшей степени ограничены размерами и весом полезного груза.
Итог
Когда система «Спейс шаттл» создавалась, все были полны оптимизма, что это лишь промежуточное звено, которое через несколько десятков лет сменится новым поколением полностью многоразовых кораблей. В итоге даже сама программа была реализована в урезанном виде, а проектирование и изготовление полностью многоразовых кораблей даже не была начата.
Две катастрофы показали, что система слишком сложна для регулярных полетов с высокой частотой, недостаточно надежна и в слабой степени предусматривала аварийное спасение в отличие от одноразовых космических ракет, где спасение обеспечивается практически на любых этапах запуска.
«Буран» — русский шаттл
Настоятельной потребности в создании «русского шаттла» не было — в идее возникновения «Бурана» явно просматривается мотив конкуренции. Однако в процессе разработки советские конструкторы нашли более разумное решение некоторых проблем и частично нивелировали недостатки многоразовой системы шаттла.
Существенное отличие состояло в том, что двигатели второй маршевой ступени были расположены на топливном баке, а не на самом «шаттле».
Это делало ракету «Энергия» универсальной – вместо «самолета» на нее можно было поставить любой полезный груз, что и было испытано в реальном полете: первый запуск был произведен с грузом под обтекателем, а второй с «Бураном». Те, кто смотрят на картинку «Бурана» и полагают, что это копия шаттла, глубоко заблуждаются: технически это совсем разные конструкции.
«Буран», в частности, был значительно более безопасным.
«Конструкция «Бурана» позволяла команде спастись в случае нештатной ситуации на любой стадии полета.
Кресла катапультирования были предусмотрены для всех посадочных мест», — говорит космонавт Олег Котов в интервью New Scientist.
«Буран» был начат с большим отставанием: решение о разработке было принято в 1975 году, первый полет произведен в 1988 году, а закрыта программа была после распада СССР по экономическим причинам: космическая отрасль имела серьезнейшие проблемы с финансированием.
Что дальше?
В настоящее время из пилотируемых кораблей полеты выполняют только «Союзы», которые полностью обслуживают МКС.
«Мы не можем сказать, что выиграли космическую гонку. Мы просто достигли конца одного из ее этапов», — сказал PhysOrg замглавы Роскосмоса Виталий Давыдов.
США делают ставку на частную инициативу в ракетостроении, и независимые компании борются за контракты от NASA, которое, несмотря на период «затягивания поясов» в бюджетной политике США, обладает финансированием в $18,5 млрд в год. Бюджет Роскосмоса всего $3 млрд в год, и теперь он связан контрактами по доставке людей на МКС: за одно место для американского астронавта NASA будет платить $51 млн.
Но считать это большим достижением современной отечественной космонавтики не следует: это лишь модернизация созданной 54 года назад ракеты Сергея Павловича Королева Р-7.
Это, с одной стороны, говорит об огромном потенциале, заложенном отцами-основателями отечественной космонавтики, а с другой – о кризисе в мировой пилотируемой космонавтике по всему миру. Не считая китайского космического корабля, единственным средством вывода человека на орбиту Земли оказалась ракета, созданная более полувека назад.