Skip to content
 

Каким быть космическому кораблю XXI века? ч. 4.1

Предыдущая статья серии Первая статья серии

Одним из поворотных дней в истории космонавтики стало 12 апреля 1981 года, когда с мыса Канаверал, с космодрома Центра имени Кеннеди, ушла в небо «Колумбия» – первый в мире многоразовый космический корабль, доведённый до стадии штатной эксплуатации. Не стоит искать специального смысла в совпадении дат. Так случилось не потому, что Соединённые Штаты хотели особо уязвить СССР, запустив систему нового поколения в день 20-летия полёта Гагарина. Пуск должен был состояться 10 апреля, но был отложен по техническим причинам – за 20 минут до «контакта подъёма» обнаружилась рассинхронизация между четырьмя бортовыми ЭВМ. Неполадку быстро распознали и устранили, и через два дня «Колумбия» стартовала.

Тогда это событие оценивалось как величайшее достижение науки и техники – каковым, собственно говоря, оно и является. После гибели второго из пяти построенных лётных образцов стало как-то больше принято говорить о ненадёжности и неэффективности системы «Спейс шаттл»; и это тоже небезосновательно.

Ситуация поучительная и особенно актуальная сегодня, когда ведущие космические державы стоят на пороге «запуска в производство» нового поколения обитаемых космических аппаратов.

Статья 4. «Спейс шаттл» как достижение технической мысли. Часть 1

Предыстория – экстрактно

От космических программ конца 1950-х – начала 1970-х годов в массовой памяти осталась почти исключительно «спортивная» сторона: первый спутник, первый человек на орбите, первый человек на Луне… Но правительства двух великих держав, взявшихся соперничать в космосе, финансировали эти программы отнюдь не ради одних только рекордов – военное значение космических и суборбитальных аппаратов было тогда уже вполне оценено, изучались направления коммерческого использования ближнего космоса. На первом же этапе надо было просто «сделать это» – в качестве начального шага в движении к практически значимым целям. А заодно и для подтверждения своего превосходства над глобальным конкурентом.

К слову сказать, даже международный престиж – это не такая уж идеальная категория; теперь, когда в ходу слово «бренд», всем известно, что престиж очень хорошо конвертируется в самые что ни на есть материальные ценности.

На следующем (скорее по логике целеполагания, чем по хронологии событий) этапе отношение к эффективности фактически не изменилось. Этим этапом стали проекты и прототипы небольших воздушно-космических аппаратов без собственных маршевых двигателей, которые предполагалось выводить в космос ракетами-носителями либо системой из атмосферного самолета-разгонщика и ракетного ускорителя (СССР, тема «Спираль»). Предназначенные исключительно для военных целей, они демонстрировали ту же самую доминанту: важна работающая система, а не цена килограмма на орбите.

Нельзя сказать, чтобы деньги тогда не считали вообще. Но в этот период «первого натиска» для обеспечения прорыва разработчики каждой из сторон могли рассчитывать на всю экономическую мощь своей сверхдержавы. Соответственно и представления об эффективности были довольно специфичными – единственным по-настоящему значимым её критерием была сама способность системы выполнить поставленную задачу.

С середины 1960-х годов ситуация изменилась. В это время динамика космических достижений была поистине впечатляющей, каждый год приносил несколько событий с грифом «впервые», а энтузиазм рисовал перспективы скорого и массированного наращивания присутствия человека в околоземном пространстве.

И облик космических систем «близкого будущего», идеология которых относится к середине и второй половине 1960-х годов, соответственно меняется. Теперь речь идет о транспортных средствах для обеспечения повседневной широкомасштабной деятельности в ближнем космосе. Решительное большинство проектов этих лет представляло собой двух- либо, реже, трёхступенчатые, полностью многоразовые системы с горизонтальной посадкой всех ступеней. Старт рассматривался как вертикальный, так и горизонтальный; силовые установки по преимуществу виделись ракетными.

Статья об этих проектах вывешена в мае, поэтому не буду здесь останавливаться на них подробно. Скажу лишь, что некоторые из них были довольно солидно просчитаны с точки зрения конструкции, аэродинамики, траекторий полёта – так же, как маленькие воздушно-космические планеры предыдущего этапа. Но, в отличие от последних, это были большие корабли для перевозки десятков людей и десятков тонн груза. И теперь уже важной составляющей общего обоснования проекта стала оценка эксплуатационных и экономических свойств предлагаемых систем.

В соответствии с духом времени разработчики предполагали большое или даже очень большое количество потребных ежегодных пусков.

Так, авторы проекта «Астро» фирмы «Дуглас» (вывод на низкую околоземную орбиту полезной нагрузки 16,8 т) исходили из интенсивности эксплуатации, равной 240 полётам в год. Для этого предполагалось построить целый флот из 24 орбитальных и 12 разгонных ступеней. Разработчики компании «Мартин», проанализировав эффективность своей системы «Астророкет» AR-14В (полезная нагрузка 22,7 т), утверждали, что при 400 полётах она будет экономичнее существовавших тогда одноразовых носителей, а при 5000 – и любого другого многоразового космического комплекса.

Пять тысяч полётов в качестве исходных данных для экономического расчета! И это не мечты Циолковского о далеком космическом будущем человечества, а раздел конкретного технического проекта, рассчитанного на воплощение в ближайшие годы…

Что касается удельной стоимости доставки, то для AR-14В при числе полётов, равном 4000, получалась цифра 100 долларов за килограмм груза на орбите. Менее технически сложная система «Траймис» фирмы «Конвэр» при общей стоимости её создания в 1–2 млрд долларов и стоимости пуска в 300 тыс. долларов должна была обеспечить стоимость выведения 44 доллара за килограмм – при средней цифре для современных ей ракет-носителей 1110 долларов.

«Траймис» предлагалась в 1968 году; через считанные годы началось строительство системы, которая впоследствии получила название «Спейс шаттл» и эксплуатируется до сих пор. Поэтому стоит обратить внимание на эти цифры – 300 тысяч, 44 доллара. Будет интересно сравнить их с тем, что получилось в реальности.

Кристаллизация идеи

«Авангардные» работы американских космических корпораций по многоразовым тяжёлым пилотируемым космическим системам начали входить в более или менее практическое русло в 1968 году, когда помощник директора НАСА доктор Дж. Мюллер официально связал перспективы американской астронавтики с многоразовыми транспортными космическими кораблями (МТКК). В апреле 1969-го в НАСА, при участии представителей ВВС, была создана рабочая группа по МТКК. Далее, в феврале 1970 года, образовался комитет, организовавший конкурс, по результатам которого для дальнейших работ, пока всё ещё на состязательной основе, были заключены контракты с двумя подрядчиками: космическим отделением фирмы «Норт Америкэн Рокуэлл» и компанией «Макдоннел-Дуглас».

В изначальном варианте предполагалось создать, в сущности, целостную систему освоения ближнего, и не только ближнего, космоса. Транспортная составляющая этой системы должна была включать три различных «средства передвижения»: аппарат для вывода людей и грузов на околоземную орбиту (собственно МТКК), межорбитальный буксир на криогенном химическом топливе и ядерный разгонный блок для межпланетных перелётов. Ввод всей системы в строй, для разных вариантов финансирования, ожидался от 1975 до 1977 годов.

Межорбитальные буксиры и ядерные межпланетные «тягачи» должны были находиться в космосе постоянно, а МТКК представлялся этаким челноком, то и дело снующим с Земли на орбиту и обратно. Отсюда и его название «Спейс шаттл» – «Космический челнок».

Так что не верьте, когда в фантастическом кино шаттлами называют подряд все космические корабли, в том числе и межгалактической дальности, – просто «творческая группа» ни черта не понимала в этих делах.

…Когда-то название ни на что не похожего детища Эрикссона – «Монитор» – стало общепринятым наименованием всего класса низкобортных бронированных башенных кораблей с малым количеством пушек весьма крупного калибра. Теперь слово «монитор» пишется без кавычек. Как, впрочем, и дредноут, и макинтош, и дизель, и многое, многое другое. Особенно активно процесс превращения имён собственных в имена нарицательные шёл во второй половине XIX – начале ХХ века, но пример американского многоразового космического грузовика показывает, что он не прекращается и сейчас: первоначально имя собственное, теперь слово «шаттл» стало нарицательным и очень часто пишется без кавычек.

К 1970 году облик МТКК принял относительно определённые черты. Это должен был быть двухступенчатый воздушно-космический самолёт, обе ступени пилотируемые, многоразовые, ракетные, старт вертикальный. В проекте НАСА на этом этапе оба аппарата виделись как «несущие корпуса» с крылом относительно небольшой площади; оба должны были иметь турбореактивные двигатели для маневрирования в атмосфере.

Стартовая масса системы, при максимальной полезной нагрузке 11 300 кг, была определена величиной 1500 тонн, ресурс – 100 полётов до капитального ремонта. Разгонная ступень по габаритам примерно соответствовала Боингу-747, орбитальная – Боингу-707. Обе ступени садились по-самолётному, на сухопутный аэродром. Считалось, что космическая ступень сможет совершать полёты один раз в две недели, и, при интенсивности эксплуатации всего парка аппаратов, равной одному полёту в неделю, стоимость каждого отдельного пуска не превысит 10 млн долларов.

Как видим, система «Спейс шаттл» в начальной фазе её создания предполагалась полностью многоразовой. При этом условии, с учётом указанной выше частоты стартов, считалось возможным достичь стоимости доставки грузов 220 долларов за килограмм (по курсу 1971 года). Вот только стоимость разработки и строительства такой системы оценивалась в 10–12 млрд долларов. И уже тогда становилось ясным, что таких денег на МТКК не дадут.

К бюджетным «опасениям» добавилось ещё одно фундаментальное обстоятельство.

Дело в том, что прежде вся американская пилотируемая космонавтика – «Меркьюри», «Джемини», «Аполло» – вся эта техника делалась под эгидой НАСА и под задачи этой организации. То есть была почти исключительно «гражданской». Но ведь МТКК должен был заменить практически все существовавшие у США средства выведения – иначе не стоило и начинать разговоры о финансировании программы с Конгрессом и правительством. Значит, у шаттла появлялась обязанность выводить все грузы министерства обороны.

У последнего же были свои требования, далеко превосходившие параметры всех планировавшиеся тогда научных и коммерческих полезных нагрузок. В частности, в это время началась разработка космического аппарата видовой оптико-электронной разведки KH-II (военного прототипа космического телескопа «Хаббл»). Кроме того, в отсутствие других видов носителей шаттл должен был бы доставлять в космос, а также забирать оттуда, аппараты семейства межорбитальных буксиров. Габариты и веса этих двух видов нагрузки и стали основанием для окончательного утверждения «пользовательских» характеристик корабля: грузовой отсек должен был иметь размеры 18  4,5 м, а грузоподъёмность требовалась – 29 500 кг при выходе на орбиту и 14 500 кг – при возвращении.

Такие параметры позволили рассматривать будущий МТКК как носитель европейской космической станции «Спейслэб», что очень пригодилось НАСА в качестве дополнительного – и довольно весомого – аргумента в пользу реализации программы.

Стоит ещё отметить, что военные потребовали увеличить диапазон бокового манёвра при приземлении с первоначальных 600 км до 2000–2500 км. Это стало одной из причин перехода от маленького прямого крыла орбитальной ступени к дельтавидному со значительно большей площадью.

Эти требования были «ратифицированы» НАСА в начале 1971 года. Естественно, они самым серьёзным образом повлияли на облик проектов конкурсантов – «Дугласа» и «Рокуэлла». Дугласовский разгонник вырос по массе до 1715 т, орбитер – до 390 т. Суммарная масса у «Рокуэлла» увеличилась до 2290 тонн. Получалось, что создание полностью многоразовой системы с такими характеристиками является делом в высшей степени проблематичным.

5 января 1972 года президент Никсон утвердил ассигнования на разработку системы (включая строительство двух лётных экземпляров) в размере 5,15 млрд долларов плюс 1 млрд на непредвиденные расходы и инфляцию. Не имею ни возможности, ни намерения приводить все рассматривавшиеся концепции, исходные и компромиссные; их можно посмотреть, например, здесь (сайт англоязычный). Скажу лишь, что к концу 1971 года у руководства программы сложилось представление о новом облике «Спейс шаттла». В этом варианте не все элементы рассчитывались на многократное применение, не все возвращаемые части совершали горизонтальную посадку, пилотируемой осталась только орбитальная ступень.

В целом получилось, что вместо очень дорогого в разработке и строительстве корабля, обещающего относительно экономичную эксплуатацию, пришли к кораблю, сравнительно (только сравнительно!) дешёвому на этапе создания, но требующему более значительных затрат на протяжении десятилетий штатного использования.

Первый полёт

В марте 1972 года была окончательно закреплена конфигурация системы, принятой к разработке. Точнее, не всей системы из «челнока», межорбитального буксира и межпланетного разгонного блока, а лишь её первой части – многоразового транспортного космического корабля. Остальные компоненты «не вписались» в рамки выделенного финансирования. Правда, были разработаны два типа одноразовых многоступенчатых твердотопливных буксиров – это был выбор «первого этапа», они были относительно просты, надёжны и недороги. В дальнейшем, к 1986 году, планировался ввод в эксплуатацию многоразового жидкостно-ракетного буксира нового поколения, но после катастрофы «Челленджера» эти планы были отменены.

В конфигурации марта 1972 года система была уже очень похожа на то, что в конце концов полетело в космос. Она состояла из пилотируемой орбитальной ступени с основной (маршевой) двигательной установкой, внешнего топливного бака (ВТБ) с компонентами топлива для этой установки и двух беспилотных сбрасываемых ускорителей, игравших роль первой ступени. Были и отличия от окончательного варианта, среди которых можно выделить три наиболее «идеологически значимых».

Во-первых, предполагалось, что корабль будет отстыковываться от ВТБ уже на орбите, и для схода с неё бак оборудовался тормозным ракетным двигателем. Во-вторых, предусматривалась установка над крылом в хвостовой части «орбитера» двух твердотопливных двигателей системы аварийного спасения; они должны были сбрасываться по достижении определённой высоты после старта. Наконец, в-третьих, пока ещё оставались воздушно-реактивные двигатели (ВРД) для полёта в атмосфере на малых скоростях.

Орбитальная ступень в это время имела крыло простой треугольной формы.

Далее схема ещё некоторое время продолжала развиваться в некоторых своих деталях, не столь уж, однако, и незначительных. Менялись габариты и форма ВТБ, размеры и тяга ускорителей, элементы конфигурации орбитальной ступени. В конце 1972 года решили отказаться от ВРД и аварийной двигательной установки. В это время расчётная стартовая масса системы составляла 2450 т.

Весной 1973 года был утверждён облегчённый вариант МТКК. Главным его отличием стало крыло новой формы – с двойной стреловидностью по передней кромке. Это было существенное усовершенствование: за счёт лучших аэродинамических характеристик это крыло имело на 16% меньшую площадь и на 9 т меньший вес. Кроме того, в это же время было решено не «тащить» ВТБ на орбиту, а сбрасывать незадолго до её достижения при скорости, гарантирующей падение на землю; так избавились от тормозного двигателя на внешнем баке.

Изменения, естественно, привели к очередному пересмотру параметров основных элементов системы. Её общий вес сократился до 1810 т при сохранении требуемой массы полезной нагрузки. Проектная стоимость выведения килограмма полезного груза на орбиту уменьшалась до почти 350 долларов против 410 долларов у предыдущего варианта.

Давайте поставим здесь галочку. Чуть выше мы писали, что на рубеже 1970-го и 1971 годов, когда «Спейс шаттл» собирались делать за 10–12 млрд долларов из двух полностью многоразовых пилотируемых ступеней, стоимость килограмма оценивалась в 220 долларов. Прошло два с небольшим года, и вот уже система за 5 млрд «обещает» 350 долларов за килограмм…

…Головным разработчиком собственно орбитальной ступени стало отделение «Спейс дивижн» корпорации «Норт америкен Рокуэлл» (с 1973 года – «Рокуэлл Интернэшнл»). Такой выбор можно признать вполне закономерным – ведь «Норт Америкен» имела в своем активе исследовательский ракетоплан Х-15 и опытный бомбардировщик ХВ-70 «Валькирия». На одном из экземпляров Х-15 в 1967 году была достигнута скорость 7273 км/ч (или 2,02 км/с, М = 6,72); другой экземпляр в том же году достиг высоты 107,9 км. Эти цифры до сих пор являются рекордными для пилотируемых крылатых аппаратов, использующих для разгона только тягу собственного двигателя. «Валькирия», прототип сверхзвукового межконтинентального бомбардировщика, в 1966 году продемонстрировала способность длительно летать на скорости М = 3 (максимум – 3218 км/ч, М = 3,03) – это при взлётном весе 244 т! Быстрее летал только локхидовский стратегический разведчик SR-71А – рекорд 3529 км/ч, но это на короткой «зачётной» дистанции. В крейсерском режиме он практически не имел преимущества перед «Валькирией», да и весил-то только порядка 64 т. Правда, SR-71, в отличие от ХВ-70, строился серийно и в течение ряда лет эксплуатировался в ВВС, а затем в ЦРУ.

Так что «Норт Америкен Рокуэлл» имела, очевидно, наибольший практический опыт в Соединённых Штатах (и в мире) и в части достижения сверхбольших скоростей пилотируемого горизонтального полёта в атмосфере, и в части создания очень больших «многозвуковых» самолётов. Вследствие чего и получила шестилетний контракт стоимостью 2,6 млрд долларов.

Естественно, шаттл создавался в широкой кооперации, с задействованием на основных ролях «монстров» аэрокосмического комплекса Америки. Отделение «Конвэр» корпорации «Дженерал Дайнемикс» изготавливало центральную часть фюзеляжа с грузовым отсеком; крыло делала «Грумман Аэроспрейс», киль – «Фэрчайлд Рипаблик» (оба названия принадлежат известнейшим аваифирмам). Разработку основного двигателя поручили фирме «Рокетдайн» (делала ЖРД ещё для боевых «Атласов» «Торов» и «Юпитеров»; к описываемому времени входила в состав того же «Рокуэлла»); твердотопливных ускорителей – компании «Тиокол кэмикл» (в «портфолио», в частности, РДТТ для всех трёх модификаций МБР «Минитмен»). Внешний топливный бак делала «Мартин Мариетта», теплозащитное покрытие поручили фирме «Аэроспейс», различные агрегаты и системы достались компаниям «Макдоннелл Дуглас», «Юнайтед Эркрафт», «Пратт энд Уиттни», «Юнайтед спейс бустерс»…

К началу 1974 года все необходимые контракты были заключены. В апреле того же года началось сооружение посадочной полосы размерами 4500 × 90 м. Первый штатный старт должен был состояться в 1979 году.

Этот срок выдержать не удалось. Основные задержки были вызваны трудностями с маршевой двигательной установкой, несколько месяцев добавил процесс испытаний плиток теплозащитного покрытия уже на лётном «орбитере» – корабле «Колумбия».

Первый собранный экземпляр орбитальной ступени, OV-101, назвали «Энтерпрайз» – в честь знаменитого звездолёта из сериала «Звёздный путь». В феврале 1977 года начались его испытания в Центре лётных исследований Драйдена на авиабазе ВВС «Эдвардс».

Испытания включали несколько этапов, в ходе которых проверялось функционирование всех систем корабля и, главное, оценка его лётных качеств в режиме дозвукового полёта и посадки на ВПП. Для атмосферных тестов «Энтерпрайз» устанавливался наверху фюзеляжа «Боинга-747», от коего он на высоте порядка 7000 м отделялся и производил планирующее снижение с выполнением запланированных манёвров и проверок.

Первый такой свободный полёт состоялся 12 августа 1977 года, пилоты – астронавты Ф. Хейз и К. Фуллертон. Завершающая цикл посадка успешно прошла уже 26 октября того же года. Результаты испытаний были оценены как весьма положительные – подтвердились характеристики, полученные для аналогичных режимов при экспериментах в аэродинамической трубе. Значит, можно верить и другим данным продувочных тестов. А сами экипажи отмечали быструю реакцию орбитера на движения органов управления.

Далее были восьмимесячные вибрационные испытания в Хантсвилле, в Центре космических полётов имени Маршалла. Наконец, получив подтверждение лётной годности, корабль на том же «Боинге» перелетел во Флориду, где ещё послужил программе, приняв участие в качестве штатной нагрузки в испытаниях системы транспортировки от здания вертикальной сборки до точки, имитирующей стартовую позицию.

Но вот слетать на орбиту ему не пришлось (правда, он с самого начала для этого и не предназначался). Эта честь выпала второму кораблю серии – OV-102 «Колумбия».

12 апреля 1981 года, в 7 часов утра по местному времени, под управлением командира Дж. Янга и пилота Р. Криппена, «Колумбия» ушла в космос с площадки № 39А Центра космических полётов имени Кеннеди, мыс Канаверал, штат Флорида, Соединённые Штаты Америки.

Первый полёт – 36 оборотов по круговой орбите высотой 240 км – продолжался 54 часа 22 минуты. Сойдя с орбиты со скоростью, соответствующей М = 25, корабль пролетел 8150 км и без происшествий приземлился на посадочную полосу № 23, оборудованную на дне высохшего озера Роджерс на авиабазе Эдвардс в штате Калифорния.

Программа лётных испытаний, состоящая из четырёх пусков, закончилась полётом 27 июня – 4 июля 1982 года. С пятого полёта (11–16 ноября 1982 года) началась штатная эксплуатация системы «Спейс шаттл».

Повторюсь: можно сегодня критиковать целесообразность программы «космических челноков», можно по-разному оценивать её успешность и перспективу, можно даже просто не любить Америку, – но старт «Колумбии» был и останется одной из крупнейших вех в развитии космонавтики, и в этом качестве он уже принадлежит истории всего человечества.

* * *

Предыдущая статья серии

Окончание статьи 4

Ещё о космосе:

Прошло 30 лет, и нам опять хочется на Луну

Трудности и надежды «космического каботажа»

И снова здравствуйте

Мои поздравления Европейскому космическому агентству!

Просто помечтать, или кто кого обманет?

Кто кого обманет, вторая серия

В 90-е годы мы тоже создавали новую космическую технику

Ракета на заднем дворе

И не важно, есть ли у ракеты задний мост

Полетел шестой турист, и вообще всё в порядке

Три романтики Байконура

Написать отзыв

CAPTCHA изображение
*