История разработки многоразовой транспортно-космической системы (МТКС) "Спейс Шаттл"

История программы "Спейс Шаттл" началась в конце 1960-х годов, на вершине триумфа американской национальной космической программы. 20 июня 1969 года два американца - Нейл Армстронг и Эдвин Олдрин высадились на Луне. Выиграв в "лунной" гонке, Америка блестяще доказала свое превосходство и тем самым решила свою главную задачу в освоении космоса, провозглашенную президентом Джоном Кеннеди в своей знаменитой речи 25 мая 1962 года: "Я верю, что наш народ может поставить себе задачу до конца этого десятилетия высадить человека на Луну и благополучно вернуть его на Землю".
Таким образом, 24 июля 1969 г., когда экипаж "Аполлона-11" вернулся на Землю, американская программа утратила свою цель., что сразу сказалось на пересмотре дальнейших планов и сокращении ассигнований на программу "Аполлон". И хотя полеты к Луне продолжались, Америка встала перед вопросом: а что делать человеку в космосе дальше?
То, что такой вопрос встанет, было очевидно задолго до июля 1969 г. И первая эволюционная попытка ответа была естественной и разумной: NASA предложило, используя разработанную для программы "Аполлон" уникальную технику, расширить фронт работ в космосе: провести длительную экспедицию на Луну, построить базу на ее поверхности, создать обитаемые космические станции для регулярного наблюдения за Землей, организовать заводы в космосе, наконец, начать пилотируемое исследование и освоение Марса, астероидов и дальних планет...
Даже начальный этап этой программы требовал сохранения расходов на гражданский космос на уровне не ниже $6 млрд. в год. Но Америка - богатейшая страна мира - не могла себе этого позволить: Президенту Л.Джонсону нужны были деньги на объявленные социальные программы и на войну во Вьетнаме. Поэтому еще 1 августа 1968 г., за год до высадки на Луну, было принято принципиальное решение: ограничить производство ракет-носителей "Сатурн" первым заказом - 12 экземпляров "Сатурн-1В" и 15 изделий "Сатурн-5". Это означало, что лунная техника не будет более использоваться - и от всех предложений дальнейшего развития программы "Аполлон" в итоге осталась только экспериментальная орбитальная станция "Скайлэб".
Нужны были новые цели и новые технические средства для доступа людей в космос, и 30 октября 1968 г. два головных центра NASA (Центр пилотируемых космических кораблей - MSC - в Хьюстоне и Космический центр имени Маршалла - MSFC - в Хантсвилле) обратились к американским космическим фирмам с предложением исследовать возможность создания многоразовой космической системы.

До этого все ракеты-носители были одноразовыми - выводя полезный груз (ПГ) на орбиту, они расходовали себя без остатка. Космические аппараты также были одноразового применения, за редчайшим исключением в области пилотируемых кораблей - дважды слетали "Меркурии" с заводскими номерами 2, 8 и 14 и второй "Джемини". Теперь была сформулирована задача: создать систему многоразового применения, когда и ракета-носитель, и космический корабль возвращаются после полета и используются многократно, - и за счет этого снизить стоимость космических транспортных операций в 10 раз, что было очень актуально в условиях бюджетного дефицита.
В феврале 1969 г. были заказаны исследования четырем компаниям, для того, чтобы выявить наиболее подготовленную из них для заключения контракта. В июле 1970 г. уже две фирмы получили заказы на более подробную проработку. Параллельно исследования велись и в техническом директорате MSC под руководством Максима Фаже.
Носитель и корабль задумывались крылатыми и пилотируемыми. Они должны были стартовать вертикально, как и обычная РН. Самолет-носитель работал как первая ступень системы и после отделения корабля садился на аэродром. Корабль за счет бортового топлива выводился на орбиту, выполнял задание, сходил с орбиты и также приземлялся "по-самолетному". За системой закрепилось название "Space Shuttle" - "Космический челнок".
В сентябре Целевая космическая группа под руководством вице-президента С.Агню, образованная для формулирования новых целей в космосе, предложила два варианта: "по максимуму" - экспедицию на Марс, пилотируемую станцию на окололунной орбите и тяжелую околоземную станцию на 50 человек, обслуживаемую кораблями многоразового использования. "По минимуму" - только космическую станцию и космический челнок. Но президент Никсон отверг все варианты, потому что даже самый дешевый требовал 5 млрд. долларов в год.
NASA оказалось перед тяжелым выбором: нужно было или начать новую крупную разработку, позволяющую сохранить кадры и накопленный опыт, 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 счет выведения на орбиту спутников на коммерческой основе. Проведенная в 1970 г. экономическая оценка показала, что при выполнении ряда условий (не менее 30 полетов шаттлов в год, низкий уровень эксплуатационных расходов и полный отказ от одноразовых носителей) окупаемость в принципе достижима.
Обратите внимание на этот очень важный момент в понимании истории шаттла. На этапе концептуальных исследований облика новой транспортной системы произошла замена принципиального подхода к проектированию: вместо создания аппарата для определенных целей в рамках отпущенных средств разработчики начали любой ценой, путем "притягивания за уши" экономических расчетов и будущих условий эксплуатации, спасать существующий проект челнока, сохраняя созданные производственные мощности и рабочие места. Другими словами, не челнок проектировался под задачи, а задачи и экономическое обоснование подгонялись под его проект ради спасения отрасли и американской пилотируемой космонавтики. Такой подход "продавливало" в Конгрессе "космическое" лобби, состоящее из сенаторов - выходцев из "аэрокосмических" штатов - в первую очередь, Флориды и Калифорнии.

Именно такой подход и сбил с толку советских экспертов, не понимавших истинных мотивов в принятии решения на разработку шаттла. Ведь проверочные расчеты заявленной экономической эффективности шаттла, проведенные в СССР, показали, что затраты на его создание и эксплуатацию никогда не окупятся (так оно и вышло!), а предполагаемый грузопоток "Земля-орбита-Земля" не обеспечивался реальными или проектируемыми полезными нагрузками. Не зная о будущих планах по созданию крупной космической станции, у наших экспертов сформировалось мнение, что американцы к чему-то готовятся - ведь создавался аппарат, возможности которого значительно предвосхищали все обозримые цели в использовании космоса... "Масла в огонь" недоверия, опасений и неопределенности "подливало" участие Министерства обороны США в определении будущего облика челнока. Но иначе и быть не могло, ведь отказ от одноразовых РН означал, что шаттлы должны запускать и все перспективные аппараты Минобороны, ЦРУ и Агентства национальной безопасности США. Требования военных свелись к следующему:

• во-первых, шаттл должен был быть способен выводить на орбиту разрабатывавшийся в первой половине 1970-х годов спутник видовой оптико-электронной разведки KH-II (военного прототипа космического телескопа "Хаббл"), обеспечивающий разрешение на местности при съемке с орбиты не хуже 0,3 м; и семейство крио-генных межорбитальных буксиров. Геометрические и весовые габариты секретного спутника и буксиров определили габариты грузового отсека - длину не менее 18 м и ширину (диаметр) не менее 4,5 метра. Аналогично определилась и способность шаттла доставлять на орбиту груз массой до 29500 кг и возвращать из космоса на Землю до 14500 кг. Все мыслимые гражданские полезные грузы укладывались в указанные параметры без проблем. Однако советские эксперты, внимательно следившие за "завязыванием" проекта шаттла и не знавшие о новом американском спутнике-шпионе, выбранные габариты полезного отсека и грузоподъемность шаттла могли объяснить только желанием "американской военщины" иметь возможность инспектировать и при необходимости снимать (точнее сказать, захватывать) с орбиты советские пилотируемые станции серии "ДОС" (долговременные орбитальные станции) разработки ЦКБЭМ и военные ОПС (орбитальные пилотируемые станции) "Алмаз" разработки ОКБ-52 В.Челомея. На ОПС, кстати, "на всякий случай" была установлена автоматическая пушка конструкции Нудельмана-Рихтера.

• во-вторых, военные потребовали, чтобы проектируемая величина бокового маневра при спуске орбитального корабля в атмосфере была увеличена с первоначальных 600 км до 2000-2500 км для удобства посадки на ограниченное количество военных аэродромов. Для запуска на околополярные орбиты (с наклонением 56º...104º) ВВС решили построить собственный технический, стартовый и посадочный комплексы на авиабазе Ванденберг в Калифорнии.

Требования военных по полезному грузу предопределили размеры орбитального корабля и величину стартовой массы системы в целом. Для увеличенного бокового маневра требовалась значительная подъемная сила на гиперзвуковых скоростях - так на корабле появилось крыло двойной стреловидности и мощная теплозащита.
В 1971 г. стало окончательно ясно, что NASA не получит $9-10 млрд., необходимых для создания полностью многоразовой системы. Это второй важный поворотный момент в истории создания шаттла. До этого у проектировщиков еще было две альтернативы - потратить много средств на разработку и построить многоразовую космическую систему с небольшой стоимостью каждого запуска (и эксплуатации в целом), либо попытаться сэкономить на этапе проектирования и перенести затраты в будущее, создав дорогую в эксплуатации систему из-за высокой стоимости разового запуска. Высокая стоимость запуска в этом случае обуславливалась наличием в составе МКС одноразовых элементов. Чтобы спасти проект, конструкторы пошли по второму пути, отказавшись от "дорогой" в проектировании многоразовой системы в пользу "дешевой" полумногоразовой, тем самым поставив окончательный крест на всех планах будущей окупаемости системы.
В марте 1972 г. на базе хьюстонского проекта MSC-040С был утвержден тот облик шаттла, который мы знаем сегодня: стартовые твердотопливные ускорители, одноразовый бак компонентов топлива и орбитальный корабль с тремя маршевыми двигателями, лишившийся воздушно-реактивных двигателей для захода на посадку. Разработка такой системы, где многократно используется все, кроме внешнего бака, оценивалась в 5.15 млрд. долларов.
На этих условиях Никсон и объявил о создании шаттла в январе 1972-го. Уже шла предвыборная гонка, и республиканцы были рады заручиться поддержкой избирателей "аэрокосмических" штатов. 26 июля 1972 г. Отделению космических транспортных систем компании North American Rockwell был выдан контракт на $2.6 млрд., включающий проектирование орбитального корабля, изготовление двух стендовых и двух летных изделий. Разработка маршевых двигателей корабля была возложена на Rocketdyne - подразделение все того же "Рокуэлла", внешнего топливного бака - на фирму Martin Marietta, ускорителей - на United Space Boosters Inc. и собственно твердотопливных двигателей - на Morton Thiokol. Со стороны NASA руководство и надзор осуществляли MSC (орбитальная ступень) и MSFC (остальные компоненты).
Первоначально летные корабли обозначались номерами OV-101, OV-102 и так далее. Изготовление первых двух началось на заводе N42 ВВС США в Палмдейле в июне 1974 г. Корабль OV-101 был выпущен 17 сентября 1976 г. и получил название "Энтерпрайз" (Enterprise) по имени звездолета из фантастического телесериала Star Trek. После горизонтальных летных испытаний его планировали переоборудовать в орбитальный корабль, но первым на орбиту должен был подняться OV-102.
В ходе испытаний "Энтерпрайз" - атмосферных в 1977 и вибрационных в 1978 г. - выяснилось, что крылья и среднюю часть фюзеляжа надо значительно усилить. Эти решения были частично внедрены на OV-102 в процессе сборки, но грузоподъемность корабля пришлось ограничить 80% номинальной. Второй летный экземпляр нужен был уже полноценный, способный запускать тяжелые спутники, а чтобы усилить конструкцию OV-101, его пришлось бы почти полностью разобрать. В конце 1978 г. родилось решение: быстрее и дешевле будет довести до летной кондиции машину для статических испытаний STA-099.
5 и 29 января 1979 г. NASA выдало Rockwell International контракты на доработку STA-099 в летный корабль OV-099 ($596.6 млн. в ценах 1979 г.), на модификацию "Колумбии" после летных испытаний ($28 млн.) и на строительство OV-103 и OV-104 ($1653.3 млн.).
А 25 января все четыре орбитальные ступени получили собственные имена: OV-102 стала "Колумбией" (Columbia), OV-099 получил имя "Челленджер" (Challenger), OV-103 - "Дискавери" (Discovery) и OV-104 - "Атлантис" (Atlantis). Впоследствии, для пополнения флота шаттлов после гибели "Челленджера", был построен ВКС OV-105 "Эндевор" (Endeavour).

Итак, что же такое "Space Shuttle"?
Конструктивно многоразовая транспортная космическая система (МТКС) "Спейс Шаттл" состоит из двух спасаемых твердотопливных ускорителей, являющихся фактически I ступенью, и орбитального корабля с тремя маршевыми кислородно-водородными двигателями и подвесным топливным отсеком, образующими II ступень, при этом топливный отсек является единственным одноразовым элементом всей системы. Предусматривается двадцатикратное использование твердотопливных ускорителей, стократное - орбитального корабля, а кислородно-водородные двигатели рассчитываются на 55 полетов.

При проектировании предполагалось, что такая МТКС при стартовой массе 1995-2050 т сможет выводить на орбиту с наклонением 28.5 град. полезный груз массой 29.5 т на солнечно-синхронную орбиту - 14.5 т и возвращать на Землю с орбиты полезный груз массой 14.5 т. Предполагалось также, что количество запусков МТКС может быть доведено до 55-60 в год. В первом полете стартовая масса МТКС "Спейс Шаттл" составляла 2022 т, масса пилотируемого орбитального корабля при выведении на орбиту - 94.8 т, при посадке - 89.1 т.

Разработка такой системы - весьма сложная и трудоемкая проблема, о чем говорит тот факт, что на сегодня оказались не выполненными заложенные в начале разработки показатели по общим затратам на создание системы, стоимости ее запуска и сроки создания. Так, стоимость возросла с 5,2 млрд. дол. (в ценах 1971 г.) до 10,1 млрд. дол. (в ценах 1982 г.), стоимость пуска - с 10,5 млн. дол. до 240 млн. дол. Не удалось выдержать срок и намечавшегося на 1979 г. первого экспериментального полета.

Состав МТКС "Спейс Шаттл"

Многоразовая транспортная космическая система состоит из многоразового транспортного космического корабля (МТКК), разгонного космического блока - космического буксира (КБ) и комплекса наземных, воздушных и морских средств, обеспечивающих транспортирование, ремонтно-восстановительные работы, подготовку МТКК к старту, а также операции управления, контроля и связи в ходе полета МТКК.

Многоразовый транспортный космический корабль (МТКК) состоит из пилотируемого орбитального корабля (ОК), подвесного топливного отсека (ПТО) и двух твердотопливных ускорителей (ТТУ).
Для увеличения продолжительности эксплуатации ОК на орбите или снабжения электроэнергией полезных грузов, выводимых с помощью МТКК, разрабатывалась энергетическая установка SРМ мощностью 25 кВт и предполагалась разработка энергетической установки мощностью 200-500 кВт. В качестве космического буксира разработаны два вида одноразовых твердотопливных многоступенчатых буксиров JUS и SSUS (разработки ВВС США и NАSА). Такой выбор сделан - на первом этапе из-за низкой стоимости, простоты и высокой надежности РДТТ. В дальнейшем предполагалась разработка и ввод в эксплуатацию к 1986 г. многоразового буксира второго поколения ОТV с ЖРД, работающим на жидких кислороде и водороде, однако катастрофа ОК "Челенджер" поставили крест на этих планах.
Буксиры JUS и SSUS обеспечивают запуск полезных грузов массой 2.3 т на геостационарную орбиту, 2.72 т на 12-часовую орбиту и более 5 т на межпланетную траекторию.

Схема функционирования МТКК

В процессе выведения МТКК выполняет как бы роль ракеты-носителя в одноразовых транспортных космических системах. В орбитальном корабле размещаются экипаж и полезный груз. В подвесной топливный отсек заправляется все кислородно-водородное топливо, расходуемое в процессе выведения на орбиту. Два твердотопливных ускорителя обеспечивают дополнительную тягу на начальном участке траектории полета и гарантированную для спасения ОК скорость в случае аварии на начальном участке выведения. В момент старта МТКК одновременно работают двигательные установки I и II ступеней, при этом управление полетом осуществляется отклонением вектора тяги их двигателей, а на атмосферном участке полета дополнительно отклонением руля направления ОК. На 125 с полета при достижении скорости 1390 м/с и высоты полета ~ 50 км твердотопливные ускорители (ТТУ) отделяются с помощью восьми ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ). Дальнейший неуправляемый полет ТТУ происходит по баллистической траектории, причем на высоте 7.6 км раскрываются тормозной парашют, а на высоте 4.8 км - основные парашюты. Приводнение ТТУ происходит на 463 с с момента старта и на расстоянии 256 км от него. Затем ТТУ буксируют к берегу для проведения восстановительных работ и повторного использования их в составе МТКК.

Три основных двигателя ОК продолжают работать, используя топливо ПТО, и обеспечивают скорость, близкую к орбитальной. После выработки топлива на 480 с полета подвесной топливный отсек отделяется и по баллистической траектории падает в Тихий или Индийский океан, разрушаясь в плотных слоях атмосферы; его спасение не предусмотрено.
С помощью двигателей системы орбитального маневрирования ОК создается дополнительный импулъс по приращению скорости, необходимой для его вывода на опорную орбиту. Эти же двигатели используются для маневрирования при аварийном прекращении штатного полета на участке выведения, для межорбитальных переходов, сближения и выдачи тормозного импульса при сходе с орбиты для посадки. Имея запас энергии, путем торможения и маневрирования на атмосферном участке спуска ОК достигает заданной боковой и продольной дальности для обеспечения безмоторной посадки на посадочную полосу стартово-посадочного комплекса или запасного аэродрома посадки.

С момента старта до посадки весь полет МТКК состоит из следующих этапов: набор высоты и скорости, отделение ПТО и выход ОК на орбиту, орбитальный полет, сход с орбиты, полет в атмосфере при спуске и посадка.
Отличительной особенностью МТКК "Спейс Шаттл" при возникновении аварийной ситуации на участке выведения и посадки является обязательное спасение и возврат на Землю всего ОК вместе с экипажем (который остается в кабине ОК во время аварийного спасения) и полезным грузом, так как традиционные способы аварийного спасения одноразовых кораблей для ОК МТКК принципиально непригодны (гибель ОК "Челленджер" вместе с экипажем на этапе выведения произошла из-за отсутствия надежной системы предупреждения о развитии аварийной ситуации). Для повышения живучести всей системы использованы резервирование бортовых систем; твердотопливные ускорители, надежность которых близка к единице; эффективная система диагностики, позволяющая выключать неисправный двигатель без его разрушения; 9% запас по форсированию тяги основных двигателей, что позволяет частично компенсировать потери тяги одного выключенного двигателя, для чего в подвесном топливном отсеке имеется резервное топливо. Все это в зависимости от того, в какой момент произошла авария, должно способствовать реализации различных вариантов спасения ОК:

• прекращение разгона и выведения с возвратом на посадочную полосу (ПП), расположенную на полигоне запуска;

• полет с выходом на одновитковую траекторию с последующей посадкой на ПП стартового комплекса после выполнения нормального входа в атмосферу и маневров перед посадкой;

• выход на орбиту с последующим возвратом (после нескольких витков ожидания) на ПП стартового комплекса или запасной аэродром, или проведением спасательных операций на орбите.

На первых полетах как мера дополнительной безопасности для экипажа предусматривалась установка катапультируемых кресел.

После катастрофы ВКС "Challenger", унесший жизни семи астронавтов, была разработана схема покидания ВКС на атмосферном участке полета при невозможности по каким-либо причинам приземления ВКС на ПП аэродрома. Характерной особенностью используемого способа спасения является самостоятельное поочередное покидание ВКС всеми члена экипажа с использованием разворачиваемого в поток гибкого шеста, основным назначением которого является увод астронавтов под крыло для исключения столкновения с его лобовой кромкой:

Эксплуатация МТКК

Сравнение МТКК "Space Shuttle" и УТКС "Энергия-Буран"
Смотри также главу "Новый вызов - Спейс Шаттл" из 3-го тома мемуаров Главного конструктора РН "Энергия" Б.И.Губанова.

При оформлении страницы использованы материалы из книг:
"SPACE SHUTTLE: The History of Developing the National Space Transportation System", Dennis R.Jenkins, 1996;
"Мировая пилотируемая космонавтика: история, техника, люди", коллектив авторов под ред. Ю.М.Батурина, М.:РТСофт, 2005 - 752 с.:ил.
Web-master: ©Вадим Лукашевич 1998-2005
E-mail: buran@buran.ru