5 января 1972 года президент США Ричард Никсон подписал закон о выделении $5,5 млн для разработки многоразовой космической транспортной системы, что привело в итоге к появлению программы Space Shuttle. Создание космического челнока стало одной из самых спорных страниц в истории американской космонавтики, и реализация этого проекта началась со множества компромиссов, далеких от инженерной науки.
Нацисты и динозавры
Может показаться забавным, что далекий предок Space Shuttle был бомбардировщиком для атаки территории США. В ходе Второй мировой войны Америка была недосягаема для нацистской Германии и чтобы это исправить, инженеры предложили проект Silbervogel – суборбитального ракетного бомбардировщика.
Согласно идее, самолет должен был стартовать с трехкилометрового рельсового пути, который бы разгонял его до двух тысяч километров в час. После этого Silbervogel включил бы ракетный двигатель и поднялся на высоту 140 километров. Его полет должен был быть серией подскоков: при входе в атмосферу аэродинамическая сила вновь отправила бы его в космос, затем вновь и вновь.
В ходе одного из спусков пилот должен был сбросить бомбы на Нью-Йорк, а затем сесть где-то в Тихом океане на территории, контролируемой Японской империей.
Проект не завершился даже созданием прототипа, а послевоенный анализ показал, что инженеры недооценили нагрев при входе в атмосферу, и потому самолет разрушился бы при первом подскоке.
После окончания Второй мировой войны проект заинтересовал американцев, но долгое время им занимались лишь частные фирмы. Все изменил запуск «Спутника-1», когда Управление исследований и разработки ВВС США распорядилось начать проект Dyna-Soar (его генеральный конструктор Вальтер Дорнбергер получил прозвище «отец динозавра»).
В отличие от Silbervogel, Dyna-Soar должен был стартовать на ракете Titan III и проектировался в трех вариантах: исследовательском, разведывательном и бомбардировочном. Аппарат планировали делать из жаропрочного сплава René 41, а нижнюю часть прикрывали бы молибденовые листы.
Вариантов полета было два: одновитковая, когда Dyna-Soar бы сбрасывал бомбы или проводил разведку, совершая «нырок» в атмосферу до высоты около 60 километров, и многовитковая, в ходе которой аппарат должен был уничтожать спутники. Для этого на космоплан установили бы ракетный двигатель, а при необходимости он смог бы выполнить уникальный маневр: управляемо отскочить от атмосферы, изменив наклонение орбиты примерно на 20 градусов, после чего вновь включить двигатель для возвращения на орбиту.
К 1963 году был готов макет Dyna-Soar, но проект столкнулся с рядом проблем, в первую очередь – со своей полной бессмысленностью. Для ядерной бомбардировки защищенной ПВО территории лучше всего годились баллистические ракеты, а c разведкой справлялись спутники и сделанный чуть позже самолет SR-71, который благодаря скорости в 3,17 Маха и потолку в 26 километров был почти неуязвим для перехвата. Проект закрыли, но идея продолжала жить.
В СССР в качестве ответа на Dyna-Soar проводили испытания «Спирали», а в США продолжили исследовать крылатые спускаемые аппараты. Почти все они имели похожий облик: аппарат с несущим корпусом (который генерирует подъемную силу) и с дельтовидными крыльями.
Как продавали идею
Во второй половине 1960-х годов, еще до высадки человека на Луну, NASA стало задумываться, что делать потом. Был предложен амбициозный план, который подразумевал строительство постоянно обитаемой космической станции, небольшой лунной базы и, затем, отправку людей на Марс. Идея космического челнока родилась именно как дополнение к космической станции, которой требовался дешевый корабль снабжения. Дорнбергер выразился на этот счет так:
«Экономичный космический самолет, способный доставлять каждое утро по свежему яйцу ко столу каждого члена экипажа космической станции».
Однако после того, как Нил Армстронг ступил на Луну, энтузиазм конгресса и общественности по отношению к пилотируемым космическим полетам стал спадать, и в итоге от всего плана Никсон оставил лишь космическую станцию и челнок, но из-за дальнейшего сокращения финансирования начать решили именно с корабля.
NASA пришлось выбирать из нескольких предложенных концепций. SERV от компании Chrysler была самой странной из них, и ее никогда не рассматривали всерьез: она предполагала одноступенчатый запуск на орбиту с помощью клиновоздушных ракетных двигателей, которые должны были обеспечить тягу как у первой ступени Saturn-V.
Более реалистичные проекты предлагали использовать две возвращаемых ступени, каждая из которых бы садилась по-самолетному. В итоге NASA выбрало полутораступенчатый вариант, который давно вынашивал Максвелл Хантер, инженер Lockheed. Он считал, что космос не станет доступным, пока люди выбрасывают одноразовые дорогие части ракеты, и потому предложил сбрасывать лишь топливный бак, возвращая двигатели и все сложные компоненты. Его концепция называлась Star Clipper, и именно она оказала решающее влияние на облик Space Shuttle.
Первоначально шаттл должен был вводить на орбиту 11 тонн и обладать грузовым отсеком 12 на 3,7 метров, что было достаточно для нужд NASA. Однако в дальнейшем, когда финансирование вновь оказалось под вопросом, агентство было вынуждено обратиться к военным и попыталось заинтересовать в программе их. Разработка челнока оказалась столь дорогой, что окупалась только в том случае, если бы все американские запуски, включая военные, осуществлялись с помощью шаттлов.
После этого в дело вмешалось Национальное управление военно-космической разведки, которое потребовало увеличить грузовой отсек до 18,3 на 4,6 метра. Дело в том, что в 1971 году в эксплуатацию ввели разведывательный спутник KH-9 Hexagon длиной 16 метров, который стал самым большим на тот момент космическим аппаратом. Предполагалось, что будущие разведывательные спутники станут еще больше, и потому Управление категорически настояло на большом грузовом отсеке, несмотря на то, что это увеличивало вес системы и оказывало огромную нагрузку на двигатели.
Вдобавок, военные хотели запускать спутники на полярные орбиты, что требовало от носителя большего запаса энергии. Они также надеялись, что челнок сможет похищать советские спутники и быстро садиться в точке старта на базе Ванденберг, а такие агрессивные маневры требовали значительного увеличения площади крыльев. Большие крылья не только увеличили вес на 20 процентов, но и серьезно увеличили количество необходимых дорогостоящих плит теплозащиты.
Что получилось в итоге
Итоговая система состояла из крупного космоплана, прикрепленного к баку с топливом, и пары твердотопливных ускорителей, обеспечивающих 80 процентов тяги при старте. На высоте 42 километра отделялись ускорители, а на 113 километрах сбрасывался бак. Подобное расположение челнока стало предпосылкой катастрофы «Колумбии»: бак с топливом заполнялся жидким водородом, и потому его покрывали теплозащитной пеной. При взлете кусок этой пены оторвался и ударил по крылу челнока, что привело к разрушению теплозащиты и последующей катастрофе при спуске.
В целом, космический авиалайнер из Space Shuttle не вышел.
Первоначально предполагалось, что после приземления челнок будет проходить минимальный техосмотр, после чего его вновь стыкуют с баком и ускорителями в течение двух недель, а всего за год будут запускать до 50 шаттлов.
В действительности, после посадки космоплан обслуживали с платформ, похожих на строительные леса, снимали двигатели RS-25, а до появления модификации Block II их основной компонент, турбонасос, приходилась вручную перебирать и ремонтировать. Комплекс для запуска и посадки Space Shuttle на базе Ванденберг, стоимостью $4 млрд, так ни разу и не использовали. 35 тысяч теплозащитных плиток изготавливались индивидуально для каждого места на аппарате и требовали тщательного обслуживания между полетами. В итоге средняя цена каждого полета достигала примерно полумиллиарда долларов, и даже это не спасло от двух катастроф, приведших к гибели 14 человек. В итоге Соединенные Штаты решили закрыть проект, и полет челнока Atlantis в 2011 году, 135-й по счету для этой системы, стал последним.
Несмотря на все вышеперечисленное, Space Shuttle нельзя считать провалом, его создание стало прорывом в американской космонавтике. Во-первых, челнок позволил выводить на орбиту одновременно до восьми человек, причем в просторной кабине, чего до сих пор никто не может повторить. Во-вторых, просторный грузовой отсек и роботизированная рука позволили запускать уникальные космические аппараты, которые нельзя вывести никаким другим способом.
В первую очередь, речь идет о телескопе Hubble, который произвел настоящую революцию в астрофизике и позволил открыть ускоряющееся расширение вселенной, что привело к возникновения понятия «темная энергия». Hubble был запущен с помощью челнока и критически зависим от обслуживания с его помощью. В частности, в 1993 году астронавты установили на телескоп «очки», которые компенсировали возникшую при сборке обсерваторию ошибку, из-за которой изображение Hubble было размытым.
Кроме того, Международная космическая станция никогда бы не приняла современный вид без космических челноков. Станция «Мир» собиралась из модулей, которые стыковались один к другому. В конструкции же МКС широко применяются ферменные конструкции: собранные из металлических стержней легкие детали, которые доставлялись в грузовом отсеке челнока и монтировались астронавтами.
Они служат для негерметичного хранения грузов, установки солнечных панелей, радиаторов и другого оборудования, существенно расширяя возможности станции. Без Space Shuttle не удалось бы построить такую большую станцию с большим потенциалом для исследований.
Наконец, разработка и эксплуатация космического челнока позволили изучить управляемый спуск крылатого тела и получить опыт для создания новых систем запуска. В частности, ракета Starship, которую разрабатывает Илон Маск, использует плиты теплозащиты, аналогичные таковым у Space Shuttle, и тоже предполагает аэродинамически управляемый спуск.