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. См. также КОСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ.
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.
