Что такое шаттл
Что такое шаттл
Space Shuttle
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 Землей, 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. На сегодняшний день (апрель 2009) больше всего полётов — 36 — совершил шаттл «Дискавери».
Содержание
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.
Конструкция
Шаттл состоит из трех 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 твёрдотопливных 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. Твёрдотопливные ускорители приводняются на парашютах и затем используются вновь. Внешний топливный бак сгорает в атмосфере.
Длительность полета
Шаттл рассчитан на двухнедельное пребывание на орбите. Самое длинное космическое путешествие совершил шаттл «Колумбия» в ноябре 1996 года (полёт STS-80) — 17 суток 15 часов 53 минуты. Самое короткое космическое путешествие совершил шаттл «Колумбия» в ноябре 1981 года (полёт STS-2) — 2 дня 6 часов 13 минут. Обычно полёты шаттлов продолжаются от 5 до 16 суток.
Экипаж
Наименьший экипаж шаттла состоит из двух астронавтов — командира и пилота. Наибольший экипаж шаттла — восемь астронавтов. Обычно в экипаж входят от пяти до семи астронавтов. Беспилотных запусков не было.
Орбиты
Орбита шаттлов располагается на высоте приблизительно в пределах от 185 километров (115 миль) до 643 километров (400 миль).
Полезная нагрузка
Доставляемая в космос полезная нагрузка орбитальной ступени (орбитального самолета) для низкой околоземной орбиты составляет 24,4 тонны. Максимальный вес загруженного космического корабля на орбите 120—130 тонн. С 1981 года с помощью шаттлов было доставлено на орбиту более чем 1360 тонн полезных грузов.
В общей сложности на апрель 2009 года шаттлы совершили 125 полётов, из них: «Дискавери» — 36, «Атлантис» — 29, «Колумбия» — 28, «Индевор» — 22, «Челленджер» — 10.
Задачи
Корабли Спейс шаттл предназначены 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 полеты шаттлов, это была последняя экспедиция человека к телескопу, ибо эти миссии невозможно выполнить какими-либо другими имеющимися космическими аппаратами.
В 1990-е годы шаттлы принимали участие в совместной российско-американской программе — Спейс шаттл — Мир. 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).
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.
Технические данные
| Высота на стартовой позиции | 56,14 м |
| Масса при старте | 2045 т |
| Масса полезного груза | 29,5 т |
| Процент полезного груза от общего веса | 1,4 % |
| Подъёмная сила при старте | 30 806 кН (3141 тс) |
Твёрдотопливный ускоритель
| Длина | 50 м |
| Диаметр | 3,71 м |
| Общая масса двух ускорителей | 1180 т |
| Подъёмная сила двух ускорителей | 25 500 кН (2600 тс) |
| Удельный импульс | 269 с |
| Время работы | 123 с |
Внешний топливный бак
Бак содержит топливо и окислитель для трех жидкостных двигателей «SSME» (или «RS-24») на орбитере и не снабжен собственными двигателями.
| Длина | 47 м |
| Диаметр | 8,38 м |
| Масса при старте | 756 т |
| Тяга на уровне моря (104,5 %) | 5252 кН (535,5 тс) |
| Удельный импульс | 455 с |
| Время работы | 480 с |
| Топливо | жидкий водород |
| Масса топлива при старте | 103 т |
| Окислитель | жидкий кислород |
| Масса окислителя при старте | 616 т |
Орбитер
Кроме трех 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.
| Длина | 37,24 м |
| Размах крыльев | 23,79 м |
| Масса (без полезного груза) | 80 т |
| Общая подъёмная сила при старте | 5306 кН (541 тс) |
| Удельный импульс | 316 с [1] |
| Время работы | 1250 с [2] |
| Топливо | метилгидразин (MMH) [1] |
| Окислитель | тетраоксид диазота (N2O4) [1] |
Список полётов шаттлов
Каждый пилотируемый полёт по программе «Спейс шаттл» имеет своё обозначение, которое состоит из сокращения STS (англ. Space Transportation System — космическая транспортная система) и порядкового номера полёта шаттла. Например, STS-4 означает четвёртый полёт по программе «Спейс шаттл». Порядковые номера присваивались на стадии планирования для каждого полёта. Но в ходе подготовки многие полёты откладывались или переносились на другие сроки. Часто случалось так, что полёт, запланированный на более поздний срок и имеющий больший порядковый номер, оказывался готовым к полёту раньше, чем другой полёт, запланированный на более ранний срок. Раз присвоенные порядковые номера не изменялись, то и полёты с бо́льшим порядковым номером часто осуществлялись раньше, чем полёты с меньшим номером.
С 1984 года была введена новая система обозначений. Сокращение STS осталось, но порядковый номер был заменен кодовой комбинацией, которая состояла из двух цифр и одной буквы. Первая цифра в этой кодовой комбинации соответствовала последней цифре текущего года, но не календарного, а бюджетного года НАСА, который продолжался с октября по октябрь. Например, если полёт происходит в 1984 году до октября, то берётся цифра 4, если в октябре и позже — цифра 5. Второй цифрой в кодовой комбинации всегда была 1. Обозначение 1 было принято для запусков шаттлов с мыса Канаверал. Ранее планировалось, что шаттлы будут также стартовать с военно-воздушной базы Ванденберг в Калифорнии; для этих стартов планировалась цифра 2. Но до запусков шаттлов с базы Ванденберг дело так и не дошло. Буква в кодовой комбинации соответствовала порядковому номера полёта шаттла в текущем году. Но и этот порядок не соблюдался, так, например, полёт STS-51D состоялся раньше, чем полёт STS-51B.
Пример: полёт STS-51A — состоялся в ноябре 1984 года (цифра 5), это был первый полёт в новом бюджетном году (буква А), шаттл стартовал с мыса Канаверал (цифра 1).
После катастрофы «Челленджера» в январе 1986 года НАСА вернулось к старой системе обозначения.
Стоимость
Шаттл
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 Землей, 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. На сегодняшний день (апрель 2009) больше всего полётов — 36 — совершил шаттл «Дискавери».
Содержание
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.
Конструкция
Шаттл состоит из трех 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 твёрдотопливных 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. Твёрдотопливные ускорители приводняются на парашютах и затем используются вновь. Внешний топливный бак сгорает в атмосфере.
Длительность полета
Шаттл рассчитан на двухнедельное пребывание на орбите. Самое длинное космическое путешествие совершил шаттл «Колумбия» в ноябре 1996 года (полёт STS-80) — 17 суток 15 часов 53 минуты. Самое короткое космическое путешествие совершил шаттл «Колумбия» в ноябре 1981 года (полёт STS-2) — 2 дня 6 часов 13 минут. Обычно полёты шаттлов продолжаются от 5 до 16 суток.
Экипаж
Наименьший экипаж шаттла состоит из двух астронавтов — командира и пилота. Наибольший экипаж шаттла — восемь астронавтов. Обычно в экипаж входят от пяти до семи астронавтов. Беспилотных запусков не было.
Орбиты
Орбита шаттлов располагается на высоте приблизительно в пределах от 185 километров (115 миль) до 643 километров (400 миль).
Полезная нагрузка
Доставляемая в космос полезная нагрузка орбитальной ступени (орбитального самолета) для низкой околоземной орбиты составляет 24,4 тонны. Максимальный вес загруженного космического корабля на орбите 120—130 тонн. С 1981 года с помощью шаттлов было доставлено на орбиту более чем 1360 тонн полезных грузов.
В общей сложности на апрель 2009 года шаттлы совершили 125 полётов, из них: «Дискавери» — 36, «Атлантис» — 29, «Колумбия» — 28, «Индевор» — 22, «Челленджер» — 10.
Задачи
Корабли Спейс шаттл предназначены 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 полеты шаттлов, это была последняя экспедиция человека к телескопу, ибо эти миссии невозможно выполнить какими-либо другими имеющимися космическими аппаратами.
В 1990-е годы шаттлы принимали участие в совместной российско-американской программе — Спейс шаттл — Мир. 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).
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.
Технические данные
| Высота на стартовой позиции | 56,14 м |
| Масса при старте | 2045 т |
| Масса полезного груза | 29,5 т |
| Процент полезного груза от общего веса | 1,4 % |
| Подъёмная сила при старте | 30 806 кН (3141 тс) |
Твёрдотопливный ускоритель
| Длина | 50 м |
| Диаметр | 3,71 м |
| Общая масса двух ускорителей | 1180 т |
| Подъёмная сила двух ускорителей | 25 500 кН (2600 тс) |
| Удельный импульс | 269 с |
| Время работы | 123 с |
Внешний топливный бак
Бак содержит топливо и окислитель для трех жидкостных двигателей «SSME» (или «RS-24») на орбитере и не снабжен собственными двигателями.
| Длина | 47 м |
| Диаметр | 8,38 м |
| Масса при старте | 756 т |
| Тяга на уровне моря (104,5 %) | 5252 кН (535,5 тс) |
| Удельный импульс | 455 с |
| Время работы | 480 с |
| Топливо | жидкий водород |
| Масса топлива при старте | 103 т |
| Окислитель | жидкий кислород |
| Масса окислителя при старте | 616 т |
Орбитер
Кроме трех 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.
| Длина | 37,24 м |
| Размах крыльев | 23,79 м |
| Масса (без полезного груза) | 80 т |
| Общая подъёмная сила при старте | 5306 кН (541 тс) |
| Удельный импульс | 316 с [1] |
| Время работы | 1250 с [2] |
| Топливо | метилгидразин (MMH) [1] |
| Окислитель | тетраоксид диазота (N2O4) [1] |
Список полётов шаттлов
Каждый пилотируемый полёт по программе «Спейс шаттл» имеет своё обозначение, которое состоит из сокращения STS (англ. Space Transportation System — космическая транспортная система) и порядкового номера полёта шаттла. Например, STS-4 означает четвёртый полёт по программе «Спейс шаттл». Порядковые номера присваивались на стадии планирования для каждого полёта. Но в ходе подготовки многие полёты откладывались или переносились на другие сроки. Часто случалось так, что полёт, запланированный на более поздний срок и имеющий больший порядковый номер, оказывался готовым к полёту раньше, чем другой полёт, запланированный на более ранний срок. Раз присвоенные порядковые номера не изменялись, то и полёты с бо́льшим порядковым номером часто осуществлялись раньше, чем полёты с меньшим номером.
С 1984 года была введена новая система обозначений. Сокращение STS осталось, но порядковый номер был заменен кодовой комбинацией, которая состояла из двух цифр и одной буквы. Первая цифра в этой кодовой комбинации соответствовала последней цифре текущего года, но не календарного, а бюджетного года НАСА, который продолжался с октября по октябрь. Например, если полёт происходит в 1984 году до октября, то берётся цифра 4, если в октябре и позже — цифра 5. Второй цифрой в кодовой комбинации всегда была 1. Обозначение 1 было принято для запусков шаттлов с мыса Канаверал. Ранее планировалось, что шаттлы будут также стартовать с военно-воздушной базы Ванденберг в Калифорнии; для этих стартов планировалась цифра 2. Но до запусков шаттлов с базы Ванденберг дело так и не дошло. Буква в кодовой комбинации соответствовала порядковому номера полёта шаттла в текущем году. Но и этот порядок не соблюдался, так, например, полёт STS-51D состоялся раньше, чем полёт STS-51B.
Пример: полёт STS-51A — состоялся в ноябре 1984 года (цифра 5), это был первый полёт в новом бюджетном году (буква А), шаттл стартовал с мыса Канаверал (цифра 1).
После катастрофы «Челленджера» в январе 1986 года НАСА вернулось к старой системе обозначения.
Стоимость
Эпоха шаттлов. Чем были круты космические челноки и почему они перестали летать
Как это должно было выглядеть
Идею о создании многоразовых космических кораблей и Советский Союз, и США вынашивали еще в 1960-е годы. Если говорить об американской космической программе, то корабль-челнок (именно так можно перевести с английского слово shuttle) был лишь одним из множества проектов — и далеко не самым заметным. Шаттлы должны были работать «в одной упряжке» с ядерными челноками и космическими буксирами.
Проект ядерного челнока. Фото: Wired
У властей США были масштабные планы по освоению спутника Земли, поэтому многоразовый космический корабль был просто необходим. Первоначально в Белом доме рассчитывали на 50 пусков в год, и использование одноразовых ракет в таких условиях сделало бы лунную программу финансово неподъемной.
Старт программы и первые проблемы
Точкой отсчета программы Space Shuttle можно считать 30 октября 1968 года. В тот день представители двух подразделений NASA, Центра пилотируемых космических кораблей в Хьюстоне и Космического центра имени Маршалла, обратились к американским космическим компаниям с просьбой изучить возможность создания многоразовых пилотируемых космических кораблей.
Именно тогда шаттлы стали тем, чем в итоге стали: не просто элементом «лунного пути», а кораблем, способным приносить прибыль благодаря выведению на орбиту коммерческих спутников и снятия их с орбиты. Забегая вперед, скажем: возможностью вывода спутника с орбиты воспользовались лишь дважды.
Шаттл «Энтерпрайз», использовавшийся только для полетов в атмосфере и отработки технологии посадки. Фото: Universe Today
Формально первым из шаттлов стал «Энтерпрайз», построенный к 1977 году. Он был назван в честь знаменитого космического корабля из сериала «Звездный путь» — но в реальности в космос так и не полетел. Его использовали лишь для отработки техники приземлений.
А первым действительно рабочим шаттлом стал «Дискавери». Первый полет этого корабля состоялся 12 апреля 1981 года — не знаем, то ли это дань уважения Гагарину, который отправился в космос 20 годами ранее, то ли так совпало. Длился этот полет 2 дня 6 часов 20 минут 53 секунды, а высота орбиты «Дискавери» достигла 307 километров.
Полеты и успехи
Шаттлы взлетали вертикально, одновременно включая и первую, и вторую ступень. Реализовать полностью возвратную схему из-за дороговизны проекта не получилось, поэтому твердотопливные ускорители на определенном этапе полета отделялись и сбрасывались. После выхода на орбиту отделялся также и подвесной бак.
На орбите корабль при помощи специального манипулятора извлекал спутник из грузового отсека, и маневрируя двигателями малой тяги, отлетал от него в сторону. После выполнения своей миссии шаттл по довольно пологой траектории спускался обратно вниз, к планете.
Всего были построены 5 шаттлов, которые совершили в общей сложности 135 вылетов. Суммарно это меньше, чем планировавшиеся 50 полетов для каждого корабля, но результаты работы челноков все равно впечатляют. Корабли подняли в космос более полутора тысяч тонн полезных грузов и совершили в общей сложности 21 152 витка вокруг планеты.
Катастрофы, поставившие крест на шаттлах
К сожалению, обывателю программа Space Shuttle известна не столько своими успехами, сколько двумя громкими катастрофами. 28 января 1986 года из-за взрыва топливного бака погиб «Челленджер» — второй из серии космических челноков. Из 7 человек экипажа не выжил никто.
Как выяснилось в ходе расследования, причиной гибели «Челленджера» стали конструктивные недостатки. Конструкция топливных ускорителей, разработанных компанией Morton Thiokol, была потенциально опасной. При больших нагрузках уплотнительные кольца на соединении двух секций ускорителя переставали обеспечивать герметичность. И именно разрушение уплотнителя стало в итоге причиной катастрофы.
А в 2003 году при заходе на посадку погиб шаттл «Колумбия» — тоже с 7 людьми на борту. Причиной трагедии стала халатность руководителей НАСА. Еще при взлете «Колумбии» от крепления внешнего бака отвалился кусок термоизоляции, ударив по крылу шаттла и, вероятно, оставив там заметную пробоину. Хотя об этом инциденте и связанных с ним угрозах стало известно сразу же, было принято фатальное решение продолжить полет.
Гибель «Колумбии» стала началом конца шаттлов. Катастрофы серьезно подорвали авторитет НАСА в обществе, да и риски, которым при полете подвергался экипаж, оказались слишком уж велики. На ту же чашу весов легли и слишком дорогая предполетная подготовка и обслуживание кораблей, а также тот факт, что НАСА не удалось добиться планируемой частоты запусков.
Фактически, программа Space Shuttle состоялась лишь в сильно урезанном виде. 14 января 2004 года Джордж Буш провозгласил начало новой эры — старт программы New Horizons, переход к космическим кораблям капсульного типа. Но последний, 135 полет космических челноков состоялся еще через 7 лет. 8 июля 2011 года шаттл «Атлантис», доставив груз на МКС, отправился на вечный прикол.
Спейс шаттл
СШАThiokol/Alliant Techsystems (SRBs)
Lockheed Martin (Martin Marietta) — (ET)
Rockwell/Boeing (orbiter)
База Ванденберг (планировалось в 1980-е)
133 успешных посадки
Спейс шаттл или просто шаттл (англ. Space Shuttle — «космический челнок») — американский многоразовый транспортный космический корабль. Шаттлы использовались в рамках осуществляемой НАСА государственной программы «Космическая транспортная система» [1] (англ. Space Transportation System, STS ). Подразумевалось, что шаттлы будут «сновать, как челноки», между околоземной орбитой и Землёй, доставляя полезные грузы в обоих направлениях. Программа просуществовала с 1981 года по 21 июля 2011 года. Всего было построено пять шаттлов: «Колумбия» (сгорел при посадке в 2003), «Челленджер» (взорвался во время запуска в 1986), «Дискавери», «Атлантис» и «Индевор». Также в 1975 году был построен корабль-прототип «Энтерпрайз», но он никогда не запускался в космос.
Шаттл запускался в космос при помощи двух твердотопливных ракетных ускорителей и трёх собственных маршевых двигателей, которые получали топливо из огромного внешнего бака. На начальном участке траектории основную тягу создавали отделяемые твердотопливные ускорители. [2] Шаттл осуществлял манёвры на орбите за счёт двигателей системы орбитального маневрирования и возвращался на Землю как планёр. При разработке предусматривалось, что каждый из шаттлов должен был до 100 раз стартовать в космос. На практике же они использовались значительно меньше, к закрытию программы в июле 2011 года больше всего полётов — 39 — совершил шаттл «Дискавери».
Содержание
История применения
Программа по созданию шаттлов разрабатывалась компанией North American Rockwell по поручению НАСА с 1971 года. При создании системы использовался ряд технических решений для лунных модулей программы «Аполлон» 1960-х годов: эксперименты с твердотопливными ускорителями, системами их отделения и получения топлива из внешнего бака.
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.
«Дискавери» был назван по имени одного из двух судов, на которых, в 1770-х годах, британский капитан Джеймс Кук открыл Гавайские острова и исследовал побережье Аляски и северо-западной Канады. Такое же имя («Дискавери») носило одно из судов Генри Гудзона, 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. Успешно совершил свой последний, 39-й, полет в космос с 24 февраля по 9 марта 2011 года.
Четвёртый шаттл — «Атлантис» вступил в строй в апреле 1985 года.
Пятый шаттл — «Индевор» был построен взамен погибшего «Челленджера» и принят в эксплуатацию в мае 1991 года. Шаттл «Индевор» был назван также по имени одного из кораблей Джеймса Кука. Этот корабль использовался в астрономических наблюдениях, которые позволили точнее установить расстояние от Земли до Солнца. Также этот корабль участвовал в экспедициях по исследованию Новой Зеландии. В НАСА «Индевор» имеет обозначение OV-105.
До «Колумбии» был построен ещё один шаттл — «Энтерпрайз», который в конце 1970-х годов использовался только для отработки методов посадки и не летал в космос. В самом начале предполагалось назвать этот орбитальный корабль — «Конституция» (англ. Constitution ) в честь двухсотлетия американской Конституции. Позже, по многочисленным предложениям зрителей популярного телевизионного сериала «Звёздный путь», было выбрано имя «Энтерпрайз». В НАСА «Энтерпрайз» имеет обозначение OV-101.
Общее описание системы
Шаттл состоит из трёх [3] основных компонентов (ступеней):
Профиль полёта
Запуск и выведение на орбиту
Старт системы выполняется вертикально, на полной тяге маршевых двигателей шаттла (SSME) и двух твердотопливных ускорителей, при этом последние создают около 80 % стартовой тяги системы. Зажигание трёх маршевых двигателей происходит за 6,6 секунд до назначенного времени старта (Т), двигатели включаются последовательно, с интервалом 120 миллисекунд. В течение трёх секунд двигатели выходят на стартовую мощность (100 %) тяги. Точно в момент старта (Т=0) производится одновременное зажигание боковых ускорителей и подрыв восьми пироустройств, разрушающих крепления системы к стартовому комплексу. Начинается подъём системы. Непосредственно после отхода от стартового комплекса начинается разворот системы по тангажу, вращению и рысканию для выхода на азимут целевого наклонения орбиты. В ходе дальнейшего подъёма с постепенным уменьшением тангажа (траектория отклоняется от вертикали к горизонту, в конфигурации «спиной вниз») выполняется несколько кратковременных дросселирований маршевых двигателей с целью снижения динамических нагрузок на конструкцию. Так, на участке максимального аэродинамического сопротивления (Max Q) мощность маршевых двигателей дросселируется до 72 %. Перегрузки на этапе выведения системы на орбиту составляют до 3g.
Приблизительно через две минуты (126 секунд) после подъема, на высоте 45 км, боковые ускорители отделяются от системы. Дальнейший подъём и разгон системы осуществляется маршевыми двигателями шаттла (SSME), питающимися из внешнего топливного бака. Их работа прекращается по достижении кораблём скорости 7.8 км/с на высоте несколько более 105 км ещё до полной выработки топлива; через 30 секунд после отключения двигателей (примерно через 8,5 минут после старта) на высоте около 113 км производится отделение внешнего топливного бака.
Существенно, что на данном этапе скорость орбитального корабля ещё недостаточна для выхода на устойчивую низкую круговую орбиту (по сути, челнок выходит на баллистическую траекторию) и требуется дополнительный разгонный импульс до выведения на орбиту. Этот импульс выдаётся через 90 секунд после отделения бака — в момент, когда челнок, продолжая движение по баллистической траектории, достигает её апогея; необходимый доразгон производится кратковременным включением двигателей системы орбитального маневрирования. В некоторых полётах для этой цели использовалось два последовательных включения двигателей на разгон (один импульс увеличивал высоту апогея, другой формировал круговую орбиту).
Такое решение профиля полёта позволяет избежать выведения топливного бака на ту же орбиту, что и челнок; продолжая снижение по баллистической траектории, бак падает в заданную точку Индийского океана. В случае, если импульс довыведения не удастся осуществить, челнок всё же может совершить одновитковый полёт по очень низкой орбите и вернуться на космодром.
На любом этапе выведения на орбиту предусмотрена возможность аварийного прекращения полёта с использованием соответствующих процедур.
Непосредственно после формирования низкой опорной орбиты (круговой орбиты с высотой порядка 250 км, хотя значение параметров орбиты зависело от конкретного полёта) производится сброс остатков топлива из системы маршевых двигателей SSME и вакуумирование их топливных магистралей. Кораблю придаётся необходимая осевая ориентация. Раскрываются створки грузового отсека, которые служат также и радиаторами системы терморегуляции корабля. Системы корабля приводятся в конфигурацию орбитального полёта.
Посадка
Посадка состоит из нескольких этапов. Вначале производится выдача тормозного импульса на сход с орбиты — приблизительно за половину витка до места посадки, при этом шаттл летит кормой вперёд в перевернутом положении. Продолжительность работы двигателей орбитального маневрирования составляет около 3 минут; характеристическая скорость, отнимаемая от орбитальной скорости шаттла — 322 км/ч; такого торможения достаточно для того, чтобы перигей орбиты оказался в пределах атмосферы. Затем челнок выполняет разворот по тангажу, принимая необходимую ориентацию для входа в атмосферу. Корабль входит в атмосферу с большим углом атаки (порядка 40°). Сохраняя данный угол тангажа, корабль выполняет несколько S-образных манёвров с креном до 70°, эффективно гася скорость в верхних слоях атмосферы (это также позволяет минимизировать подъёмную силу крыла, нежелательную на данном этапе). Температура отдельных участков теплозащиты корабля на этом этапе превышает 1500°. Максимальная перегрузка, испытываемая астронавтами на этапе атмосферного торможения — около 1,5 g. После гашения основной части орбитальной скорости корабль продолжает снижаться как тяжёлый планёр с невысоким аэродинамическим качеством, постепенно уменьшая тангаж. Выполняется манёвр захода на посадочную полосу. Вертикальная скорость корабля на этапе снижения весьма высока — порядка 50 м/с. Угол посадочной глиссады также велик — порядка 17-19°. На высоте порядка 500 м и скорости около 430 км/ч начинается выравнивание корабля и производится выпуск шасси. Касание полосы происходит на скорости порядка 350 км/ч, после чего выпускается тормозной парашют диаметром 12 м; после торможения до скорости 110 км/ч парашют сбрасывается. Экипаж выходит из корабля через 30-40 минут после остановки.
Длительность полёта
Шаттл был рассчитан на двухнедельное пребывание на орбите. Самое длинное космическое путешествие совершил шаттл «Колумбия» в ноябре 1996 года (полёт STS-80) — 17 суток 15 часов 53 минуты. Самое короткое космическое путешествие совершил шаттл «Колумбия» в ноябре 1981 года (полёт STS-2) — 2 дня 6 часов 13 минут. Обычно полёты шаттлов продолжались от 5 до 16 суток.
Экипаж
Наименьший экипаж шаттла состоит из двух астронавтов — командира и пилота STS-1, STS-2, STS-3, STS-4. Наибольший экипаж шаттла — восемь астронавтов («Challenger», STS-61A, 1985 год). Второй раз 8 астронавтов было на борту при посадке Атлантиса STS-71 в 1995 году. Чаще всего в экипаж входят от пяти до семи астронавтов. Беспилотных запусков не было.
Орбиты
Орбита шаттлов располагалась на высоте приблизительно в пределах от 185 до 643 км (115—400 миль).
Полезная нагрузка
Доставляемая в космос полезная нагрузка орбитальной ступени (орбитального ракетоплана) для низкой околоземной орбиты зависит, в первую очередь, от параметров целевой орбиты, на которую выводится челнок. Максимальная масса полезной нагрузки может быть доставлена в космос при запуске на низкую околоземную орбиту с наклонением порядка 28° (широта космодрома Канаверал) и составляет 24,4 тонны. При запуске на орбиты с наклонением бо́льшим, чем 28°, допустимая масса полезной нагрузки соответственно уменьшается (так, при запуске на полярную орбиту расчетная грузоподъёмность челнока падает до 12 т; в реальности, однако, челноки никогда не запускались на полярную орбиту).
Максимальная масса загруженного космического корабля на орбите — 120—130 т. С 1981 года с помощью шаттлов было доставлено на орбиту более 1370 т полезных грузов.
Максимальная масса груза, возвращаемого с орбиты — до 14,4 т.
В общей сложности к 21 июля 2011 года шаттлы совершили 135 полётов, из них «Дискавери» — 39, «Атлантис» — 33, «Колумбия» — 28, «Индевор» — 25, «Челленджер» — 10.
История создания
История проекта «Космическая транспортная система» начинается в 1967 году, когда ещё до первого пилотируемого полёта по программе «Аполлон» (11 октября 1968 года — старт «Аполлон-7») оставалось больше года, как обзор перспектив пилотируемой космонавтики после завершения лунной программы NASA. [7]
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 компаниям с предложением исследовать возможность создания многоразовой космической системы, что должно было снизить затраты космического агентства при условии интенсивного использования. [8]
Большой проект включал:
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. [10]
Также существовали планы создания «атомного шаттла» — челнока с ядерной двигательной установкой NERVA, которая разрабатывалась и испытывалась в 1960-х годах. Атомный шаттл должен был осуществлять полёты между земной орбитой и орбитами Луны и Марса. Снабжение атомного челнока топливом для ядерного двигателя возлагалось на 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 дешёвый требовал 5 млрд долл. 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 «Космическая транспортная система» может быть рентабельной. [11] [12] [13]
Проект создания шаттлов 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:
Этим требования военного ведомства к проекту были ограничены. [8]
Использовать челноки в качестве «космических бомбардировщиков» не планировалось никогда. Во всяком случае, не существует никаких открытых документов NASA, Пентагона, или Конгресса США, свидетельствующих о таких намерениях. Не упоминаются «бомбардировочные» мотивы ни в мемуарах, ни в частной переписке участников создания шаттлов. [14]
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 года министр обороны Р. Макнамара одобрил последнюю реструктуризацию программы. С этого момента «Dyna-Soar» официально называлась научно-исследовательской программой, имеющей целью исследовать и показать возможность выполнения пилотируемым орбитальным планёром маневрирования при входе в атмосферу и посадки на взлётно-посадочную полосу в заданном месте Земли с необходимой точностью.
К середине 1963 года министерство обороны серьёзно сомневалось относительно необходимости программы «Dyna-Soar».
10 декабря 1963 года министр обороны Макнамара отменил «Dyna-Soar». [15]
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. [16]
Многие технические и технологические наработки программы «Dyna-Soar» были впоследствии использованы при создании шаттлов.
Советское руководство внимательно наблюдало за развитием программы «Космическая транспортная система», но предполагая худшее, искало скрытую военную угрозу, что сформировало два основных предположения:
В результате советская космическая отрасль получила задание создать многоразовую многоцелевую космическую систему с характеристиками, аналогичными шаттлу. [17]
Задачи
Шаттлы использовались 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 2011 года полёты шаттлов были прекращены, это была последняя экспедиция человека к телескопу, ибо эти работы невозможно выполнить какими-либо другими имеющимися космическими аппаратами.
В 1990-е годы шаттлы принимали участие в совместной российско-американской программе «Мир — Шаттл». Было осуществлено девять стыковок со станцией «Мир».
В течение всех тридцати лет, когда шаттлы были в эксплуатации, они постоянно развивались и модифицировались. За всё время эксплуатации было произведено более тысячи модификаций к изначальному проекту шаттла.
Шаттлы играли важную роль в осуществлении проекта по созданию Международной космической станции (МКС). Так, например, некоторые модули МКС, в том числе российский модуль «Рассвет» (был доставлен шаттлом «Атлантис»), не имеют своих двигательных установок (ДУ) в отличие от российских «Заря», «Звезда», и модулей «Пирс», «Поиск» которые стыковались в составе грузового корабля-модуля «Прогресс М-СО1», а значит, не могут самостоятельно маневрировать на орбите для поиска, сближения и стыковки со станцией. Поэтому их нельзя просто «забрасывать» на орбиту ракетой-носителем типа «Протон». Существует несколько способов собирать станции из таких модулей — в составе грузового корабля, доставка в грузовом отсеке шаттла или, гипотетически, использовать орбитальные «буксиры», которые смогли бы подхватывать модуль, выведенный на орбиту ракетой-носителем, стыковаться с ним и подводить его к станции для стыковки.
Однако при отсутствии необходимости доставлять к МКС новые модули без двигательных установок (в 2012 году планируется стыковка российского модуля «Наука»), использование шаттлов с их огромными грузовыми отсеками становится нецелесообразным.
Технические данные
| Высота на стартовой позиции | 56,14 м |
| Масса при старте | 2045 т |
| Масса полезного груза | 29,5 т |
| Процент полезного груза от общего веса | 1,4 % |
| Подъёмная сила при старте | 30 806 кН (3141 тс) |
Твердотопливный ускоритель
| Длина | 50 м |
| Диаметр | 3,71 м |
| Общая масса двух ускорителей | 1180 т |
| Подъёмная сила двух ускорителей | 25 500 кН (2600 тс) |
| Удельный импульс | 269 с |
| Время работы | 123 с |
Внешний топливный бак
Бак содержит топливо (водород) и окислитель (кислород) для трёх жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) SSME (RS-24) на орбитальном аппарате и не снабжён собственными двигателями.
Внутри топливный бак разделён на три 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). Между ёмкостями для кислорода и водорода находится кольцевидный промежуточный отсек, который соединяет топливные секции, несёт в себе оборудование, и к которому крепятся верхние концы ракетных ускорителей. [5]
Начиная с 1998 года баки изготавливались из алюминиево-литиевого сплава. Поверхность топливного бака покрыта термозащитной оболочкой из напылённой пены полиизоцианурита толщиной в 2,5 см. Задачи этой оболочки — защитить топливо и окислитель от перегрева и предотвратить образование льда на поверхности бака. В месте крепления ракетных ускорителей во избежания образования льда установлены дополнительные нагреватели. Для защиты водорода и кислорода от перегрева внутри бака также имеется система кондиционирования. Особая электрическая система встроена в бак для защиты от молний. За регулировку давления в топливных ёмкостях и за поддержание безопасных условий в промежуточном отсеке отвечает система клапанов. В баке находится множество датчиков, сообщающих о состоянии систем. Топливо и окислитель из бака подаются к трём маршевым ЖРД орбитального ракетоплана по магистралям питания диаметром 43 см каждая, которые затем разветвляются внутри ракетоплана и подводят реагенты к каждому двигателю. [5] Баки изготавливались компанией «Lockheed Martin».
| Длина | 47 м |
| Диаметр | 8,38 м |
| Масса при старте | 756 т |
| Тяга на уровне моря (104,5 %) | 5252 кН (535,5 тс) |
| Удельный импульс | 455 с |
| Время работы | 480 с |
| Топливо | жидкий водород |
| Масса топлива при старте | 103 т |
| Окислитель | жидкий кислород |
| Масса окислителя при старте | 616 т |
Орбитальный ракетоплан
После выключения трёх основных двигателей орбитального ракетоплана, работавших с момента старта, и отделения внешнего топливного бака, далее, на участке довыведения, а также для маневрирования на орбите и схода с неё использовались два двигателя системы орбитального маневрирования (OMS), каждый тягой 27 кН. Кроме того, система OMS включает двигатели ориентации корабля на орбите (малой тяги), расположенные в хвостовых мотогондолах и в носовой части орбитального ракетоплана. Топливо и окислитель системы OMS хранились на шаттле, использовались на орбите и для возвращения на Землю.
| Длина | 37,24 м |
| Размах крыльев | 23,79 м |
| Масса (без полезного груза) | 80 т |
| Общая подъёмная сила при старте | 5306 кН (541 тс) |
| Удельный импульс | 316 с [см 1] |
| Время работы | 1250 с [см 2] |
| Топливо | метилгидразин (MMH) [см 1] |
| Окислитель | тетраоксид диазота (N2O4) [см 1] |
Обозначения номеров полётов шаттлов
Каждый пилотируемый полёт по программе «Космическая транспортная система» имел своё обозначение, которое состояло из сокращения STS (англ. Space Transportation System ) и порядкового номера полёта шаттла. Например, STS-4 означает четвёртый полёт по программе «Космическая транспортная система». Порядковые номера присваивались на стадии планирования для каждого полёта. Но в ходе подготовки многие полёты откладывались или переносились на другие сроки. Часто случалось так, что полёт, запланированный на более поздний срок и имеющий больший порядковый номер, оказывался готовым к полёту раньше, чем другой полёт, запланированный на более ранний срок. Раз присвоенные порядковые номера не изменялись, то и полёты с бо́льшим порядковым номером часто осуществлялись раньше, чем полёты с меньшим номером.
С 1984 года была введена новая система обозначений. Сокращение STS осталось, но порядковый номер был заменён кодовой комбинацией, которая состояла из двух цифр и одной буквы. Первая цифра в этой кодовой комбинации соответствовала последней цифре текущего года, но не календарного, а бюджетного года НАСА, который продолжался с октября по сентябрь. Например, если полёт происходит в 1984 году до октября, то берётся цифра 4, если в октябре и позже — цифра 5. Второй цифрой в кодовой комбинации всегда была 1. Обозначение 1 было принято для запусков шаттлов с мыса Канаверал. Ранее планировалось, что шаттлы будут также стартовать с военно-воздушной базы Ванденберг в Калифорнии; для этих стартов планировалась цифра 2. Но до запусков шаттлов с базы Ванденберг дело так и не дошло. Буква в кодовой комбинации соответствовала порядковому номера полёта шаттла в текущем году. Но и этот порядок не соблюдался, так, например, полёт STS-51D состоялся раньше, чем полёт STS-51B.
Пример: полёт STS-51A — состоялся в ноябре 1984 года (цифра 5), это был первый полёт в новом бюджетном году (буква А), шаттл стартовал с мыса Канаверал (цифра 1).
После катастрофы «Челленджера» в январе 1986 года НАСА вернулось к старой системе обозначения.
Стоимость
В 2006 году общие расходы составили 160 млрд долл. США, к этому времени было выполнено 115 запусков (см.: en:Space Shuttle program#Costs). Средние расходы на каждый полёт составили 1,3 млрд долл. США, но основная часть расходов (проектирование, модернизация и др.) не зависит от числа запусков.
За эти деньги орбитальный аппарат шаттла мог доставлять за один рейс к МКС 20-25 тонн груза, включая модули МКС, и плюс к этому 7-8 астронавтов (для сравнения, себестоимость запуска одноразовой ракеты-носителя «Протон-М» с выводимой нагрузкой в 22 т в настоящее время составляет около 70-100 млн долл. [20] ).
Завершение программы «Космическая транспортная система»
Последние полёты шаттлов
| Код полёта | Дата старта | Шаттл | Программа полёта | Итог |
|---|---|---|---|---|
| STS-133 | 24 февраля 2011 | «Дискавери» | Доставка оборудования и материалов на МКС и обратно | Завершено |
| STS-134 | 16 мая 2011 | «Индевор» | Сборка и снабжение МКС, доставка и установка на МКС магнитного альфа-спектрометра (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS) | Завершено |
| STS-135 | 8 июля 2011 | «Атлантис» | Сборка и снабжение МКС | Завершено |
Итоги
За 30 лет эксплуатации пять шаттлов совершили 135 полётов. В общей сложности все шаттлы совершили 21 152 витка вокруг Земли и пролетели 872,7 млн км (542 398 878 миль). На шаттлах в космос было поднято 1,6 тыс. тонн (3,5 млн фунтов) полезных грузов. 355 астронавтов и космонавтов летали на шаттлах в космос.
После завершения эксплуатации все шаттлы отправлены в музеи: никогда не летавший в космос шаттл «Энтерпрайз», ранее находившийся в музее Смитсоновского института в районе вашингтонского аэропорта Даллеса, перемещён в Морской и аэрокосмический музей в Нью-Йорке. Его место в Смитсоновском институте занял шаттл «Дискавери». Шаттл «Индевор» встанет на вечную стоянку в Калифорнийском научном центре в Лос-Анджелесе, а шаттл «Атлантис» будет выставлен в Космическом центре имени Кеннеди во Флориде. [24]
Интересные факты
Фильмография
Шаттлы, как вымышленные, так и реальные, присутствуют во многих фильмах и телесериалах. Некоторые из таких произведений:
КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ «ШАТТЛ»
КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ «ШАТТЛ», пилотируемый, частично многоразовый космический корабль Space Shuttle, предназначенный для доставки людей и грузов на низкие околоземные орбиты и обратно. Американский флот «Шаттлов» был создан и эксплуатируется Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и ее основными и вспомогательными подрядчиками. «Шаттл» является частью более общей космической транспортной системы (КТС), состоящей из экспериментальных установок и разгонных блоков для вывода спутников на более высокие орбиты и использующей стартовые и посадочные комплексы в Космическом центре им. Кеннеди на о.Мерритт (шт. Флорида) и Центр управления и космической подготовки им. Джонсона в Хьюстоне (шт. Техас).
Корабль «Шаттл» всегда летает с экипажем, в составе которого обычно командир, пилот, от двух до пяти специалистов (научных сотрудников – специалистов по операциям) и два или три специалиста по полезному грузу (научные сотрудники – специалисты по конкретным исследованиям).
КОНСТРУКЦИЯ
КК «Шаттл» состоит из трех основных элементов: воздушно-космического самолета «Орбитер», многоразовых ракетных ускорителей и сбрасываемого топливного блока.
«Орбитер».
Этот воздушно-космический самолет имеет три основных двигателя для вывода на орбиту, служебные системы и систему управления и наведения, а также теплозащиту, необходимую для возвращения на Землю. В «Орбитере» находятся экипаж и полезный груз. Летательный аппарат вместе с крыльями и шасси для посадки имеет длину 34,2 м, высоту 17,3 м и размах крыльев 23,8 м. Основной конструкционный материал – алюминий; используются также титан, композиционные и другие специальные легкие и прочные материалы. Сухая масса корабля варьируется в диапазоне от 80 977 до 82 166 кг. «Орбитер» состоит из трех основных частей: 1) носовой части, которая включает отсек экипажа, основное электронное оборудование и передние двигатели системы ориентации; 2) центральной части фюзеляжа с двумя крыльями, содержащей грузовой отсек и систему электропитания; 3) кормовой части, в которой находятся основные двигатели и вспомогательная система электропитания, а также вертикальное оперение (киль) и задние двигатели системы ориентации.
Отсек экипажа.
Отсек экипажа имеет три уровня. Самый верхний уровень – летная палуба, с которой происходит управление полетом. Во время взлета и приземления на ней находятся командир, пилот и два специалиста по операциям. Летная палуба имеет десять иллюминаторов: шесть передних (по три на командира и пилота), два верхних (для наблюдений) и два задних (для обзора грузового отсека).
На средней палубе находятся шкафы, кухня, система переработки отходов, спальное помещение (спальные места или спальные мешки) и основание шлюзовой камеры, через которую космонавты выходят из корабля при проведении работ в открытом космосе. Во время взлета и спуска на средней палубе могут находиться до пяти человек. Боковой люк средней палубы служит для входа и выхода экипажа, когда корабль находится на Земле. Под средней палубой размещаются часть агрегатов системы жизнеобеспечения и кладовая.
Грузовой отсек.
Отличительной особенностью «Орбитера» является отсек полезного груза, в котором могут располагаться космический аппарат или лабораторные модули до 5 м в диаметре и 18 м длиной. Вес полезной нагрузки зависит от высоты и наклонения выбранной орбиты полета корабля. Корабли могут выводить на околоземную орбиту до 25 000 кг; до 15 000 кг может быть возвращено на Землю.
Для перемещения громоздких предметов космонавты могут использовать дистанционный манипулятор – 15-метровую механическую руку (разработанную Канадским космическим агентством), которая в сложенном состоянии располагается вдоль стойки дверного проема грузового отсека. Спроектированный как некое подобие человеческой руки, манипулятор имеет плечо, плечевое сочленение, локтевой сустав, предплечье, кистевой сустав и концевые захваты. Каждое сочленение приводится в действие одним-тремя электромоторами в ответ на команды космонавта, управляющего манипулятором с задней части летной палубы. Плечо и предплечье выполнены из легких углепластиковых трубок. На земле «рука» не может поднять даже собственный вес, однако в космосе она доказала свою высокую эффективность при операциях выгрузки и погрузки спутников и доставки космонавтов для технического обслуживания спутников.
Основные и вспомогательные двигатели.
Три основных двигателя, расположенных в хвостовой части фюзеляжа, обеспечивают выведение корабля на орбиту. Вместе с внешним топливным блоком и магистралями подачи компонентов топлива они представляют собой основную двигательную установку. Тяга каждого из них составляет 1760 кН при 104% от номинальной мощности на взлете. Каждый двигатель имеет два низконапорных и два высоконапорных турбонасосных агрегата (ТНА), камеру сгорания с профилированным соплом и электронную систему управления.
Горючее (водород) и окислитель (кислород) из топливного блока поступают в низконапорный ТНА, который поднимает давление компонентов топлива перед поступлением в основной ТНА, после которого они поступают в камеру сгорания. Основные ТНА приводятся в действие за счет неполного сгорания основного расхода водорода с частью кислорода; при этом образуется обогащенная водородом паровая смесь. Этот пар вращает турбины, а потом поступает в камеру сгорания, куда подается и остаток кислорода. Предварительно жидкий водород проходит через охлаждающий тракт двигателя, где испаряется и после этого вместе с кислородом используется для приведения в действие низконапорных насосов. В таком поэтапном цикле газификации и сгорания почти вся химическая энергия топлива превращается в тягу, и коэффициент полезного действия двигателя достигает 98%. Дублированная электронная система управления контролирует работу клапанов и регулирует уровень тяги, задаваемый бортовыми компьютерами. Блоки управления также контролируют температуру и число оборотов турбины и могут отключить двигатель при угрозе аварии. См. также РАКЕТА.
Три блока вспомогательных ракетных двигателей, работающих на гидразине и азотном тетроксиде, обеспечивают управление кораблем и его ориентацию. Система ориентации имеет 38 основных двигателей (14 в носовом блоке и по 12 в каждом из двух хвостовых блоков) тягой до 3,82 кН. Кроме того, 6 верньерных двигателей ориентации тягой до 0,1 кН используются для точной регулировки положения корабля. Двигатели системы ориентации позволяют управлять положением корабля путем поворота его относительно трех осей (тангажа, крена и рысканья) и линейного перемещения вдоль этих осей. Включение двигателей осуществляется по командам бортовых компьютеров, которые реагируют на действия экипажа по управлению кораблем. Двигатели системы ориентации позволяют разворачивать корабль относительно Солнца, Земли или открытого космоса с целью регулирования температуры или наведения на цель, а также совершать маневры при приближении к другому космическому аппарату. Эти двигатели используются также при спуске, дросселируются и, наконец, выключаются при снижении скорости спуска до скорости звука; однако они недостаточно мощны, чтобы регулировать скорость при посадке.
Два двигателя системы орбитального маневрирования (ОМС) тягой 34,3 кН, которые расположены в гондолах в хвостовой части корабля, обеспечивают окончательное выведение на орбиту, маневры изменения орбиты и схода с нее при завершении полета.
Система электропитания.
Электроснабжение корабля обеспечивается тремя топливными элементами, которые питаются от восьми баков с жидкими водородом и кислородом. Все топливные элементы и баки расположены в трюме под грузовым отсеком. В топливном элементе происходит реакция между водородом и кислородом в присутствии электролита для получения электричества. Основной продукт реакции – вода – используется для питья. Кислород для дыхания экипажа поступает из тех же баков. Энергии топливных элементов хватает на 10–14 сут в зависимости от энергопотребления корабля или на три недели при установке модуля с дополнительными баками. Три вспомогательных блока электропитания обеспечивают работу приводов для поворота двигателей во время спуска и аэродинамических органов управления при входе в атмосферу, а также торможение колес после приземления.
Система жизнеобеспечения.
Корабль оборудован системой кондиционирования и обеспечения жизнедеятельности открытого типа, поскольку продолжительность полетов «Шаттла» слишком мала, чтобы оправдать применение более сложных и тяжелых систем замкнутого цикла с регенерацией отходов. В кабине экипажа поддерживается атмосферное давление на уровне моря и состав атмосферы 20% кислорода и 80% азота при 22° С. Кислород поступает из баков системы топливных элементов. Углекислый газ, выдыхаемый экипажем, извлекается из атмосферы в емкостях с гидроксидом лития; при этом образуются карбонат лития и водяной пар, который удаляется специальными поглотителями влаги. В длительных полетах могут также использоваться молекулярные фильтры для улавливания и последующего выбрасывания диоксида углерода; этот метод оказывается более выгодным по массе, чем применение большого числа емкостей с гидроксидом лития. Отходы жизнедеятельности собираются в устройстве для переработки отходов, в котором они обезвоживаются для удаления после полета, а пары воды выбрасываются в космос.
Температура в отсеке экипажа поддерживается системой терморегулирования, которая поглощает метаболическое тепло, выделяемое экипажем (за счет обдува отсека воздухом), и тепло, выделяемое электронным оборудованием (снимается водой, циркулирующей в термоплатах, на которых оно устанавливается), и переносит его на панели радиатора, расположенные на внутренней стороне створок грузового отсека. Отражательная способность панелей такова, что они остаются холодными, даже когда на них светит Солнце.
Бортовые компьютеры.
Для нормального полета «Шаттла» необходим один компьютер. Чтобы обезопасить себя от возможных неисправностей, учитывая возможность ошибок программирования, пять одинаковых компьютеров выполняют две разные программы. Две пары компьютеров, работающие с программным обеспечением основного электронного оборудования, проверяют расчеты друг друга 440 раз в секунду и отбрасывают те результаты, которые наиболее сильно отличаются от трех других. Пятый компьютер, который выполняет резервную программу полета, может взять управление на себя при определенных условиях; это же может быть сделано экипажем. На наиболее ответственных этапах полета – выведении на орбиту и спуске – работают все пять компьютеров. Для рутинных операций на орбите достаточно одного или двух компьютеров, а остальные находятся в горячем резерве или выключены.
Система теплозащиты.
Орбитальный корабль имеет теплозащитное покрытие, состоящее из 24 192 плиток и 3254 гибких матов изоляции, которое защищает его от аэродинамического нагрева при выведении на орбиту и спуске. Плитки поглощают тепло и затем постепенно излучают его. Теплозащитное покрытие состоит из нескольких различных материалов, каждый из которых рассчитан на свою тепловую нагрузку (максимально до 1650° С), которую должны выдерживать различные части корабля во время выведения и спуска. Наиболее теплостойкий материал плиток – серый композиционный углерод-графитовый материал – применен на носовой части и передней кромке крыльев. Черные плитки из стекловолокна использованы на тех участках поверхности (днище, передняя часть фюзеляжа и передняя кромка вертикального стабилизатора), где температуры составляют от 650 до 1260° С. Белые плитки из стекловолокна защищают участки (хвостовая часть, задняя часть носового отсека и боковые поверхности киля), где температура не превышает 650° С. Маты из кварцевого волокна и войлочные маты устанавливаются на тех поверхностях, которые подвергаются значительному аэродинамическому нагреву при выведении на орбиту.
Твердотопливные ускорители.
Два твердотопливных ускорителя обеспечивают импульс тяги, необходимый для прохождения «Шаттла» через плотные нижние слои земной атмосферы. Каждый ускоритель имеет длину 45,7 м и диаметр 3,7 м (в районе топливных сегментов двигателя), стартовую массу 750 000 кг; масса выработанного ускорителя 87 000 кг. Ускоритель состоит из трех основных частей: юбки (хвостового отсека), двигателя и передней сборки.
Юбка служит опорой всей системе при старте. Стартовый вес корабля с ускорителями передается через юбки и восемь мощных пироболтов (по четыре на каждую юбку), которыми «Шаттл» крепится к стартовому столу. Эти болты устанавливаются во время сборки и освобождают систему в момент запуска ускорителя путем подрыва пиропатронов, срезающих гайки, которые держат болты. Два гидропривода, расположенные в юбке, управляют вектором тяги путем поворота сопла РДТТ в первые две минуты полета.
Корпус двигателя состоит из четырех последовательно расположенных сегментов, которые содержат смесевой твердотопливный заряд из алюминиевого порошка, перхлората аммония, полимерного связующего и катализатора скорости горения (окись железа) с поверхностным ингибитором горения. Размер сегментов определяется максимальным размером груза, который может быть перевезен в железнодорожном вагоне. При сборке сегменты соединяются соединительными скобами, через которые проходят стальные шпильки; по окружности нижнего торца сегмента сделана круговая канавка, в которую вставляется верхняя часть следующего сегмента. Три мощных резиновых кольца и специальный герметик обеспечивают герметичное уплотнение и предохраняют соединение от воздействия горячих газообразных продуктов сгорания.
Два центральных сегмента двигателя практически одинаковы. В переднем сегменте поверхность горения заряда имеет звездообразную форму, что позволяет увеличить тягу при отрыве от стартового стола; эта часть заряда выгорает непосредственно перед достижением максимума динамического давления на участке выведения. На верхнем днище корпуса двигателя (переднего сегмента) крепится устройство зажигания. Задний сегмент сужается до образования горловины сопла. К ней через гибкий переходник крепится расширяющаяся часть сопла.
В передней сборке находится система спасения ускорителя. Вытяжной (тормозной) парашют стабилизирует ускоритель во время спуска, а затем вытягивает три основных парашюта, на которых ускоритель опускается в океан. Для спуска достаточно двух основных парашютов, третий используется как запасной. Поскольку в полете ускорители несколько отклоняются от своего первоначального положения, небольшая собственная система наведения, расположенная в передней сборке, выдает компьютерам корабля скорректированные данные.
Топливный блок.
Во внешнем топливном блоке находится топливо, необходимое для работы трех основных ЖРД «Шаттла». Его длина 46,9 м, диаметр 8,3 м, сухая масса 30 000 кг, масса топлива до 700 000 кг. За исключением нескольких специальных деталей, топливный блок сделан из панелей алюминиевого сплава, отштампованных и сваренных между собой.
Топливный блок содержит два бака: один – в форме яйца – с жидким кислородом, а другой – цилиндрический – с жидким водородом. Поскольку плотность жидкого кислорода много больше, более тяжелый кислородный бак помещен выше, чтобы облегчить центровку «Шаттла».
Бочкообразный межбаковый отсек представляет собой массивную оребренную конструкцию, приваренную к верхнему днищу водородного бака и нижнему днищу кислородного бака. Мощный коробчатый шпангоут межбакового отсека несет передние узлы крепления двух твердотопливных ускорителей. По двум магистралям питания диаметром 43 см, которые проходят через нижний узел крепления РДТТ, водород и кислород подаются в основные ЖРД корабля.
Топливный блок также обеспечивает конструктивную прочность всей системы. «Орбитер», как и ускорители, крепится к топливному блоку в двух точках. Каждый ускоритель дополнительно крепится шаровым шарнирным соединением вблизи своей вершины на уровне межбакового отсека и тремя распорками около основания топливного блока. Верхнее соединение воспринимает тяговое усилие от ускорителей, а нижнее фиксирует ускоритель на месте. «Орбитер» удерживается нижним узлом крепления и передним креплением типа сошки. Нижнее крепление представляет собой коробчатую балку, удерживаемую на топливном блоке двумя двойными распорками с двумя мощными пироболтами, которыми крепится днище корабля в районе хвостовой части фюзеляжа. Тяговое усилие основных двигателей корабля воспринимается нижним узлом крепления. Верхний узел крепления удерживает нос корабля в правильном положении при нахождении на стартовом столе и во время подъема.
СХЕМА ПОЛЕТА
Подготовка.
Подготовка «Шаттла» к полету начинается с ремонта ускорителей и «Орбитера», использовавшихся в предыдущем полете. После спуска на парашютах в Атлантический океан ускорители подбираются двумя спасательными судами и буксируются на мыс Канаверал (шт. Флорида), где осматриваются, подвергаются чистке и разборке. Передняя сборка и юбка перевозятся в космический центр им. Кеннеди (КЦК) и подготавливаются для следующего полета. Корпуса твердотопливных ускорителей возвращают производителю (корпорация «Тиокол» в шт. Юта) для контроля и заливки топлива, а затем перевозят в КЦК.
Если приземление «Орбитера» произошло на военно-воздушной базе Эдвардс или в другом месте из-за плохой погоды или аварийной ситуации, корабль грузится на специально оборудованный самолет «Боинг-747» для доставки его в КЦК. После прибытия в КЦК «Орбитер» помещается в монтажно-испытательный комплекс – специальное здание, где инженеры и техники проверяют все его системы; снимают, ремонтируют и вновь устанавливают двигатели; вынимают старый полезный груз и устанавливают новый.
Полностью вся система собирается в корпусе вертикальной сборки. Сначала устанавливаются ускорители на подвижной пусковой платформе, а затем между ними монтируется топливный блок. После этого «Орбитер» вывозится из монтажно-испытательного комплекса, устанавливается в специальный стапель, поднимается вертикально, аккуратно устанавливается в нужное положение и крепится болтами к топливному блоку. После проведения завершающих проверок вся сборка на пусковой платформе транспортируется на стартовую позицию.
Отсчет времени.
Когда в момент Т –9 мин начинается последний этап предстартового отсчета, все системы корабля активизируются и выводятся на полную мощность. В момент Т –5 мин наземная система электропитания отключается, и происходит переход на питание от бортовых систем. В момент Т –31 с бортовые компьютеры принимают на себя отсчет времени. В момент Т –9 с топливо начинает поступать в основные двигатели, а в момент Т –6,7 с начинается процесс воспламенения. При достижении 90% расчетной тяги двигатели прижимают «Шаттл» к топливному блоку и толкают его вперед. «Шаттл» изгибается, как огромная плоская пружина; верхушка топливного блока отклоняется почти на метр, а затем возвращается обратно.
Подъем.
В момент Т – 0, когда верхушка бака возвращается в первоначальное положение, поступает команда на включение твердотопливных ускорителей и отстрел нижних крепежных болтов, что позволяет «Шаттлу» оторваться от стартового стола. В момент Т +7 с отходит пусковая башня, и ЦУП в космическом центре им. Джонсона берет на себя управление полетом. «Шаттл» поворачивается на небольшой угол, чтобы вектор тяги проходил через центр тяжести системы. В момент Т +60 с топливо в передних сегментах ускорителей выгорает, а тяга основных ЖРД «Шаттла» снижается, чтобы уменьшить нагрузки на конструкцию в период максимального динамического давления. В момент Т +90 с, когда плотность атмосферы и аэродинамическое сопротивление уменьшаются, мощность двигателей снова увеличивается; увеличивается также и тяга ускорителей вследствие увеличения поверхности горения заряда топлива. В момент Т +120 с заряд ускорителей полностью выгорает, они отделяются, на парашютах спускаются в океан, а затем подбираются для повторного использования. Связка «Орбитер» – топливный блок продолжает совместный полет до момента Т +520 с, когда вырабатывается топливо и выключаются основные двигатели.
Через несколько секунд после этого пустой топливный блок отделяется, а «Орбитер» выходит на эллиптическую околоземную орбиту с апогеем 298 км и перигеем 93 км. Из точки перигея возможен сход с орбиты после половины витка, а в точке апогея включаются два двигателя системы орбитального маневрирования на две минуты для выхода на круговую орбиту. После этого космонавты открывают створки грузового отсека, чтобы можно было сбрасывать избыточное тепло из корабля (которое до этого момента отводилось путем испарения воды из водяных баков), и развертывают оборудование, которое будет использоваться в полете.
Возвращение с орбиты.
В конце полета после выполнения программы исследований экипаж упаковывает оборудование и закрывает створки грузового отсека. Время возвращения определяется моментом, когда земной след (т.е. проекция траектории на поверхность Земли) «Орбитера» оказывается на расстоянии 800 км от запланированного места приземления. Экипаж (точнее, командир и пилот) начинают возвращение с разворачивания корабля так, чтобы он летел хвостом вперед; при этом вектор тяги двигателей ОМС направлен против направления полета. Находясь примерно над противоположной от места приземления точкой земного шара, экипаж включает двигатели приблизительно на пять минут, тормозя корабль и уменьшая высоту орбиты. Затем экипаж разворачивает корабль носом вперед с большим углом атаки. Таким образом осуществляется торможение корабля при спуске в атмосфере. В плотных слоях атмосферы на несколько минут теряется радиосвязь из-за образования вокруг корабля плазмы, которая отражает радиоволны.
Когда становятся эффективными аэродинамические органы управления (т.е. когда скорость достаточно снизится, а плотность атмосферы возрастет), экипаж опускает нос корабля и выключает двигатели системы ориентации. Приблизительно за 1600 км от места посадки экипаж может совершить несколько S-образных разворотов, чтобы компенсировать отклонение от расчетной скорости. «Шаттл» не летит прямо на посадочную полосу, а пролетает ее и делает крутой спиральный разворот. Обычно только при входе в этот разворот корабль переходит на дозвуковую скорость.
Окончательный заход на посадочную полосу происходит по крутой глиссаде с наклоном 22°. Перед началом посадочной полосы корабль выпускает трехколесное посадочное шасси (носовое и два основных колеса). При этом он увеличивает угол атаки (для улучшения управления), основные колеса касаются посадочной полосы, затем мягко опускается носовое колесо шасси и выпускается хвостовой парашют для торможения корабля. В это время наземная команда со специальным оборудованием проверяет наличие в воздухе паров топлива и токсических веществ. Специальный автомобиль, подъехав к остановившемуся «Орбитеру», забирает летный экипаж, а наземная команда проводит дезактивацию корабля.
Посадочная полоса КЦК является предпочтительным местом посадки, поскольку в этом случае доставка корабля в монтажно-испытательный комплекс осуществляется быстрее и дешевле. Посадочная полоса на высохшем озере Роджерс военно-воздушной базы Эдвардс в пустыне Мохаве (шт. Калифорния) (где проходили почти все летные испытания и посадки во время первых экспериментальных полетов, поскольку там больше места в случае ошибок при посадке) остается в резерве и используется, когда плохая погода не позволяет совершить посадку в КЦК. (Спускаемый аппарат может совершать полеты и во время дождя, однако при высоких скоростях водяные капли вызывают повреждение теплозащитных плиток.) Специально оборудованные аэродромы в Сенегале, Испании, на Гавайях, Окинаве и в других местах могут принять «Орбитер» в случае аварийной ситуации. В экстремальных ситуациях он может приземлиться в любом аэропорту, имеющем посадочную полосу, пригодную для больших реактивных самолетов.
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ
Проектирование.
Проектирование транспортной космической системы «Шаттл» началось в конце 1960-х годов, когда программа «Аполлон» доставки человека на Луну была близка к завершению, и руководство НАСА начало планировать свою деятельность на следующее десятилетие. Оно было озабочено дороговизной космических полетов и стремилось снизить стоимость наиболее дорогого первого шага – выведения аппарата на низкую околоземную орбиту. Оригинальный проект, из которого впоследствии возник «Шаттл», представлял собой полностью многоразовый двухступенчатый летательный аппарат; каждая ступень его была похожа на гигантский реактивный самолет. Первая ступень – ускоритель – должна была с экипажем из двух космонавтов возвращаться на место старта после выведения на большую высоту второй ступени – орбитального корабля, собственные двигатели которого далее выводят его на конечную орбиту. Орбитальный корабль после выполнения программы входит в атмосферу и возвращается для посадки вблизи места старта. Считая, что орбитальный корабль может быть снова готов к повторному полету через две недели, специалисты НАСА предусматривали эксплуатацию «Шаттлов» в самолетном режиме с запусками каждую неделю, стоимостью менее 10 млн. долл. за каждый запуск. Однако при этом требовались очень большие затраты на разработку (по оценкам, от 10 до 12 млрд. долл.).
Администрация Никсона поручила НАСА изучить альтернативные проекты, в которых затраты на разработку были бы меньше, даже ценой увеличения расходов на предполетную подготовку и снижения функциональных возможностей. Основным экспертом выступало министерство обороны. Группа его специалистов сформулировала следующие требования к запускаемой полезной нагрузке: диаметр – 5 м, длина – 18 м, масса – 29 000 кг.
После одобрения проекта в январе 1972 министерство финансов выделило НАСА на него 5,15 млрд. долл. К этому времени НАСА снизило стоимость «Шаттла» за счет отказа от пилотируемого ускорителя в пользу беспилотных и уменьшения размеров пилотируемого орбитального корабля за счет размещения топлива для основных двигателей в сбрасываемом топливном блоке. В середине 1972 инженеры НАСА выбрали конструктивную схему, в которой ускорители и основные двигатели при подъеме работают вместе. Были выбраны твердотопливные ускорители из-за меньшего риска при проектировании и более легкой их модификации на поздних этапах в случае невозможности достичь нужных параметров основного двигателя.
Разработка и испытания.
Вскоре после начала разработки инженеры НАСА и подрядных фирм столкнулись с трудностями. Разработка основных ЖРД орбитального корабля оказалась более сложной, чем предполагалось, потому что они должны были работать при значительно более высоких (на порядок) давлениях и в три раза более высоких скоростях вращения турбины, чем двигатели J-2, использовавшиеся на ракете «Сатурн-5» в программе «Аполлон». Взрывы, вызванные прогарами и отказами подшипников, повредили или разрушили несколько двигателей.
Особенно большие проблемы возникли с тепловой защитой. Теплозащитные плитки оказались более хрупкими, чем ожидалось, и их часто неправильно приклеивали их к алюминиевому фюзеляжу орбитального корабля. Кроме того, расчетные нагрузки постоянно менялись. Эти и другие проблемы задержали первый полет «Шаттла», который планировался на 1977, а состоялся лишь в 1981.
НАСА сначала планировало построить пять летных орбитальных кораблей: два опытно-конструкторских и три штатных. Из-за бюджетных ограничений строительство пятого корабля было отменено. Руководство НАСА также решило, что переделка корабля «Энтерпрайз» для космических полетов после изменений, внесенных в конструкцию корабля «Колумбия», обойдется слишком дорого. Оно также решило переделать образец для прочностных испытаний в «Челленджер». Два штатных корабля были названы «Дискавери» и «Атлантис».
В серии из пяти летных испытаний (1977) две команды космонавтов стартовали на корабле «Энтерпрайз» с борта реактивного транспортного самолета «Боинг-747», а затем совершали планирующий полет и посадку, имитируя возвращение из космоса. В ходе наземных динамических испытаний в 1978 «Энтерпрайз» дооборудовали, а затем провели вибрационные и статические испытания. Программа всесторонних испытаний корабля, его блоков и агрегатов завершилась 20 февраля 1981 20-секундным пробным включением на стартовом столе в КЦК основных двигателей первого экземпляра «Шаттла» (корабль «Колумбия», твердотопливные ускорители и топливный блок), подготовленного для космического полета.
Орбитальные летные испытания.
Было проведено четыре орбитальных летных испытания (12–14 апреля и 12–14 ноября 1981, и 22–30 марта и 27 июня – 4 июля 1982), во время которых экипаж из двух человек проверял «Колумбию» во всех режимах программы штатного полета.
Полезным грузом в первом полете было измерительное оборудование, которое использовалось для сбора данных о поведении корабля в полете. Наиболее существенной неполадкой в этом полете была потеря нескольких теплозащитных плиток на гондолах двух двигателей в хвостовой части корабля. Повреждение плиток было вызвано ударными волнами, образующимися при полете со сверхзвуковой скоростью на участке выведения. При возвращении на Землю ни одна плитка не была потеряна. Послеполетный анализ показал, что динамические нагрузки при включении ускорителей были больше расчетных, что привело к некоторой деформации корпуса «Колумбии». Чтобы избежать этого в дальнейшем, было принято решение покрыть поверхность газоходов стартового стола слоем льда, который поглощал бы энергию ударной волны.
Полезный груз второго запуска (приборы для наблюдения Земли, которые включали радар, предназначенный для получения детального изображения поверхности, датчики загрязнения воздуха и другие приборы) был выбран заранее, потому что цель полета состояла в проверке «Колумбии» в условиях, когда полезный груз длительное время ориентирован на Землю. Во время полета один топливный элемент засорился и вышел из строя. Чтобы избежать риска выхода из строя второго элемента и спуска с одним исправным, руководители полета сократили продолжительность полета с пяти до двух суток. Однако большинство задач было выполнено, включая первое испытание манипулятора.
Во время третьего полета космонавты работали с комплектом приборов наблюдения Солнца и измерения параметров космической среды, а специалисты на Земле проводили измерения температуры «Колумбии» в условиях интенсивных утечек тепла.
Во время четвертого полета «Колумбия» впервые несла секретный полезный груз министерства обороны – инфракрасный телескоп для изучения верхней атмосферы применительно к проектам разработки противоракетной обороны. Хотя не удалось открыть защитную крышку телескопа, в остальном полет прошел нормально. После приземления «Колумбии» (в первый раз на бетонную посадочную полосу авиабазы Эдвардс) космическая транспортная система «Шаттл» была объявлена принятой в эксплуатацию.
Эксплуатация «Челленджера» – второго летного образца «Шаттла» – началась полетом 18–24 июня 1983, затем последовали «Дискавери» (30 августа – 5 сентября 1984) и «Атлантис» (3–7 октября 1985).
Верхние ступени.
В середине 1970-х годов ВВС США планировали создание двухступенчатого орбитального блока (впоследствии названного инерциальной верхней ступенью, IUS) для выведения спутников массой до 2300 кг с орбиты «Шаттла» на геостационарную орбиту высотой 35 900 км и его трехступенчатой модификации для выведения космических зондов НАСА с «Шаттла» на межпланетные траектории. Проблемы с разработкой IUS вынудили НАСА в начале 1980-х годов рассмотреть возможность использования вместо него модифицированной верхней ступени «Центавр». Поскольку конструкция IUS оказалась слишком громоздкой и дорогостоящей для большинства выводимых на геостационарную орбиту спутников, фирма «Макдоннелл – Дуглас» разработала специальный модуль, который представлял собой раму с поворотным столом для раскрутки и последующего выбрасывания спутников. После этого небольшой ракетный двигатель и собственные двигатели спутника могли бы выводить его на геостационарную орбиту.
Катастрофа «Челленджера» и ее последствия.
Уже было осуществлено 24 успешных полета кораблей «Шаттл», когда 28 января 1986 произошла трагедия: корабль «Челленджер» разрушился во время 25-го запуска. Все семь членов экипажа – Ф.Скоби, М.Смит, Ю.Резник, Р.Макнейр, Э.Онизука, Г.Джарвис и К.Маколиф – погибли. Как установила президентская комиссия под председательством государственного секретаря У.Роджерса, катастрофа произошла из-за недостаточно надежной конструкции соединения сегментов в твердотопливном ракетном ускорителе и стиля руководства в центре космических полетов им. Маршалла (Хантсвилл, шт. Алабама), который отвечает за двигательные установки.
Конструкции всех космических летательных аппаратов обладают определенной гибкостью, поскольку абсолютно жесткая конструкция при таких нагрузках обязательно сломается. Как отмечалось выше, «Шаттл» (включая ускорители) изгибается при запуске двигателей. Специалисты отмечали, что при изгибе газообразные продукты сгорания в твердотопливном ускорителе прорываются через соединение заднего и центрального заднего сегментов. В большинстве полетов это соединение с двумя уплотняющими кольцами самоуплотнялось. Хотя ситуация с прорывом газов повторялась, казалось, что проблема не угрожает безопасности полетов. В то же время стиль руководства центра им. Маршалла не поощрял персонал сообщать о возникающих проблемах, поэтому специалисты описывали их уклончиво или осторожно, затушевывая потенциальную опасность.
В ночь перед запуском «Челленджера» над космодромом разразилась ледяная буря, в результате чего соединения и уплотнительные кольца на ускорителях переохладились и обледенели. Когда ускорители «Челленджера» изогнулись при запуске, уплотняющие кольца оказались недостаточно эластичными, и образовалась постоянная щель, через которую прорвались продукты сгорания. Язык пламени достиг одной из распорок, фиксирующих ускоритель. В момент Т +79 с, вскоре после того как «Челленджер» прошел точку максимального динамического давления, распорка прогорела, ускоритель повернулся, прорвал днище водородного бака топливного блока и повредил кислородный бак. Огромный топливный блок мгновенно взорвался, «Челленджер» разгерметизировался, и его экипаж погиб от удушья за несколько секунд, в течение которых запас воздуха вышел из корабля. По иронии судьбы, твердотопливные ускорители, которые стали причиной катастрофы, имея собственную систему наведения, продолжали полет до тех пор, пока им не была дана с Земли команда на самоуничтожение.
При расследовании катастрофы инженеры НАСА обнаружили еще несколько проблем, которые в конце концов могли привести к неприятностям, поэтому остальные «Шаттлы» были доработаны. Наиболее важным изменением была разработка нового соединения сегментов ускорителя с тремя уплотняющими кольцами и более эффективным креплением. Кроме того, были введены новые методы извещений, которые поощряли служащих обращаться к высшему руководству, если они считали, что существует угроза безопасности полета.
Первым полетом после катастрофы «Челленджера» был запуск «Дискавери» (29 сентября – 3 октября 1988), однако в программу полетов были внесены некоторые изменения. Руководство НАСА признало космические полеты слишком рискованными для обычных граждан. Оно также решило, что выведение большого топливного блока с жидкими водородом и кислородом слишком рискованно, и отменило создание совместимой с «Шаттлом» ракеты «Центавр».
К 1995 было выполнено в два раза больше полетов после трагедии с «Шаттлом», чем до нее. Доработки конструкции, проведенные в середине 1990-х годов, включали создание нового более безопасного высоконапорного ТНА окислителя для основных двигателей и использование таких же, как у современных авиалайнеров, компьютерных дисплеев на летной палубе. Вместо «Челленджера» был построен новый корабль «Эндевор», при строительстве которого использовались заранее приготовленные на случай аварии запасные модули. Эксплуатация нового корабля началась полетом 7–16 мая 1992.
НАСА так и не достигло своей первоначальной цели – быстрой оборачиваемости кораблей и уменьшения стоимости выведения с помощью системы «Шаттл». Критики заявляют, что каждый полет «Шаттла» обходится в 1 млрд. долл., если учитывать стоимость наземного обеспечения полетов, и что автоматические системы могут выполнить большинство ее задач. Сторонники заявляют, что только присутствие человека привлекает общественное внимание к космической деятельности, позволяет проводить широкую программу научных экспериментов и ремонт спутников и что полученный опыт является бесценным для проведения экспериментов и другой деятельности, которая будет проводиться на международной космической станции (МКС).
Большинство американских элементов МКС, а также американские экипажи будут выводиться кораблями «Шаттл». Замена «Шаттлов» ожидается в период от 2005 до 2010, когда будет готов разрабатываемый одноступенчатый носитель.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ И ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОКОЛОЗЕМНОЙ ОРБИТЕ
«Спейслэб».
Когда надежды на возможность строительства после «Скайлэба» новой космической станции окончательно растаяли в начале 1970-х годов, НАСА стало рассматривать варианты использования «Шаттла» в качестве космической лаборатории на орбите. Первые разработки были направлены на создание научно-технологического модуля, который должен был представлять собой герметичную лабораторию внутри грузового отсека. В 1973 Европейское космическое агентство приступило к разработке лабораторного комплекса, который теперь известен как «Спейслэб», – объединение герметичного модуля, открытой платформы и другого оборудования для проведения экспериментов в материаловедении, медико-биологических исследованиях, астрономии, физике атмосферы и других научных дисциплинах.
В полетах могли использоваться модуль, платформа или их комбинация. Каждая секция модуля имеет 4 м в диаметре и 3 м в высоту. Внутри модуля с каждой стороны наверху располагаются стойки для приборов и шкафы для хранения материалов, а внизу – отсеки для оборудования. Переходный тоннель со шлюзовой камерой соединяет модуль и кабину экипажа корабля.
Платформа представляет собой открытую U-образную конструкцию также диаметром 4 м и высотой 3 м. На ней располагаются телескопы и другие инструменты, направленные в открытый космос. Кроме того, имеется система наведения приборов на звезды или Солнце.
Другие экспериментальные возможности.
Менее дорогостоящие средства проведения научных исследований на борту «Шаттла» могут быть размещены на средней палубе внутри одного или нескольких ящиков, размером не больше «дипломата», который помещается под самолетным креслом. Ряд фундаментальных экспериментов в области материаловедения (в частности, изучение роста кристаллов протеина) был проведен на аппаратуре, размещенной в столь малом объеме. Небольшие по размерам приборы для проведения экспериментов, общей массой до 90 кг, устанавливаются в контейнерах по периметру грузового отсека.
Ремонт спутников.
Одним из основных обоснований необходимости создания космической транспортной системы «Шаттл» была возможность проведения ремонта и обслуживания спутников, которые до этого прекращали функционировать из-за отказа какой-нибудь простейшей детали. Два удобных случая продемонстрировать возможности «Шаттла» в отношении ремонта представились в связи с научным спутником для изучения солнечной активности (Solar Max) и космическим телескопом им. Хаббла (запущенных в 1980 и 1990 соответственно), которые были спроектированы в блочном исполнении, т.е. наиболее важные системы были объединены в легко заменяемые модули. Полет для ремонта спутника Solar Max («Челленджер», 6–13 апреля 1984) предусматривал захват спутника манипулятором, помещение его в грузовой отсек, замену вышедшей из строя системы ориентации и неисправных элементов электронного оборудования в модуле телескопа и возвращение спутника на орбиту для дальнейшей эксплуатации.
В полете для ремонта телескопа («Эндевор», 2–13 декабря 1993) возникла необходимость, когда ученые вскоре после запуска обнаружили, что при шлифовке главного зеркала телескопа ему была придана неправильная форма. Задачами полета были: 1) замена высокоскоростного фотометра; 2) замена широкоугольной и планетной фотокамеры улучшенной запасной моделью, имеющей собственные корректирующие зеркала; 3) замена солнечных батарей, компьютера и некоторых других элементов. При проведении ремонтных работ четыре космонавта, работая попарно, провели в открытом космосе около пяти суток. Объем этих работ стал испытанием для разрабатываемой космической станции, которая, по расчетам специалистов НАСА, потребует многих часов работы в открытом космосе для сборки и обслуживания. Большой объем тренировок в гидробассейне позволил космонавтам хорошо подготовиться к проведению ремонта телескопа в космосе, и ремонт прошел в полном соответствии с планом.
РАЗРАБОТКА МНОГОРАЗОВЫХ КОРАБЛЕЙ В ДРУГИХ СТРАНАХ
Некоторые другие страны, кроме США, разрабатывали собственные многоразовые корабли, однако только Советский Союз был близок к цели.
Советский многоразовый корабль, который начал разрабатываться в середине 1970-х годов, имел некоторые принципиальные отличия от американского. Вместо двух твердотопливных ускорителей на нем использовались четыре мощных ЖРД. Конструкторы расположили основные двигатели в спасаемой гондоле в донной части внешнего топливного блока; на орбитальном корабле располагались только двигатели системы маневрирования. Во всех других отношениях советский многоразовый корабль, который получил название «Буран», практически не отличался от американского «Шаттла». «Буран» совершил только один беспилотный полет 15 ноября 1988. Он сделал три витка и приземлился недалеко от стартовой площадки на космодроме Байконур в Казахской ССР. Других полетов не было из-за серьезных проблем в разработке надежной компьютерной системы управления (единственная причина, по которой первый полет проводился без экипажа). Программа была прекращена из-за недостатка финансирования.
Европейское космическое агентство в середине 1980-х годов начало работу над проектом многоразового корабля «Гермес», который должен был выводить четырех космонавтов и небольшой полезный груз на околоземную орбиту и возвращать обратно. По мере разработки корабля стоимость проекта быстро увеличивалась, и его размеры были уменьшены до размеров транспортного корабля типа «Аполлон»; тем не менее в 1994 проект был закрыт. Национальное Агентство космических исследований Японии в 1980-х годах начало работу по проекту экспериментального орбитального самолета HOPE, который должен был разгоняться ракетой H-2. HOPE на первом этапе должен был эксплуатироваться как беспилотный грузовой корабль, а затем трансформироваться в пилотируемый вариант. В 1980-х годах Великобритания разрабатывала аппарат горизонтального взлета и посадки (HOTOL), который мог эксплуатироваться в пилотируемом и беспилотном вариантах. Этот проект, как и «Гермес», был закрыт на начальных этапах разработки из-за ожидаемых чрезмерно больших затрат.
Глушко В.П. и др. Космонавтика: энциклопедия. М., 1985
Гэтланд К. и др. Космическая техника: иллюстрированная энциклопедия. М., 1985
Глушко В.П. Развитие ракетостроения и космонавтики в СССР. М., 1987