Путешествие в космос - Авиационно-космические системы США

Спейс Шаттл. Выбор схемы

В конце 1960-х годов по мере завершения подготовки к полетам с высадкой на Луну NASA активизировало работы по изучению путей дальнейшего развития пилотируемой программы. Следующим этапом освоения космоса было определено развертывание сначала станции «Скайлэб», проектировавшейся на элементной базе проекта «Сатурн-Аполлон». Позднее намечалось создать орбитальный комплекс нового поколения, рассчитанный на 10—12 человек. Эта станция рассматривалась в качестве передовой базы для освоения с участием человека ближнего околоземного пространства, а затем и дальнего космоса (в частности, предлагалось в конце 1970-х построить обитаемую базу на поверхности Луны, а в 1980-е годы осуществить пилотируемые полеты к Марсу).

В то же время отмечалось, что необходимой предпосылкой успешной реализации подобных планов является наличие дешевого средства выведения в космос значительных по своей массе объектов и грузов. Наиболее эффективным решением данной проблемы считается создание многоразовой транспортной системы, основные элементы которой после решения своей задачи спускались на Землю для повторного использования. Более того, стоимость эксплуатации такой МТКС, выполняющей «челночные» рейсы по маршруту «Земля— орбита», существенно бы сократилась, если бы ее спасаемые ступени обладали высокой маневренностью для самостоятельного возвращения непосредственно к месту старта.

Таким образом, оптимальной с точки зрения текущих затрат на эксплуатацию является транспортная система с крылатыми разгонными и орбитальными ступенями (ОС), способными при спуске на Землю совершать планирующий полет с обычной самолетной посадкой. (Хотя существуют и в различное время прорабатывались иные промежуточные или альтернативные схемы спасаемых ОС, например со складывающимися крыльями, разворачивающимися вертолетными лопастями и т.п.)

Острая потребность в дешевой транспортной системе проявилась уже при планировании работ на станции «Скайлэб». Налаживание «массового» производства дорогостоящих ракет «Сатурн-IB» и кораблей «Аполлон» для постоянной эксплуатации этого орбитального комплекса в пилотируемом режиме было признано неоправданным. В итоге за шесть лет нахождения станции в космосе (1973—1979) на ней побывало, причем только в течение первого года ее полета, лишь три экспедиции.

Поэтому проекты создания новой орбитальной станции и многоразовой транспортной системы, получившей собственное имя «Спейс Шаттл» («Space Shuttle» — «Космический челнок»), первоначально рассматривались как взаимосвязанные программы. Однако их высокая стоимость вызвала негативную реакцию у конгрессменов — несмотря на всеобщее восхищение высадкой человека на Луну, бюджет NASA формировался в весьма жестких ограничительных рамках (как-ни-как страна вела войну во Вьетнаме). В результате наиболее приоритетной задачей была признана разработка системы «Спейс Шаттл».

Выбор в пользу создания МТКС был обусловлен более низким уровнем технического риска, необходимостью деЛевого средства выведения космических аппаратов, а также широкими функциональными возможностями ее орбитальной ступе-ни* Предполагалось, что постепенное увеличение продолжительности полета ОС с 7 до 30 суток позволит проводит на ней практически все виды исследований и экспериментов. При этом новая транспортная система должна предоставить следующие преимущества:

— многоразовое использование ступеней МТКС, самостоятельно возвращающихся к месту старта, и интенсивная эксплуатация системы (в начале 1970-х годов частота ее запусков прогнозировалась на уровне 50—60 полетов в год) на порядок должны сократить стоимость выведения грузов в космос;

— небольшие перегрузки при запуске и выполнение орбитальных операций по развертыванию полезного груза с участием человека позволяют смягчить требования, предъявляемые к новым КА, и соответственно уменьшить затрат^ на их разработку;

— высокая маневренность ОС, присутствие экипажа дают возможность проводить инспекции и обслуживание спутников на орбите, а при необходимости возвращать их на Землю для ремонта или модернизации (для текущего обслуживания спутников, находящихся на высоких орбитах, предполагалось применять многоразовый межорбитальный буксир, который рассматривался как составная часть будущей МТКС).

При этом ожидалось, что экономический эффект от упрощения разработки и эксплуатации космических аппаратов намного (в три-четыре раза) превысит экономию от сокращения стоимости их выведения.

Первые контракты на подготовку предложений по проектному облику многоразовой транспортной системы, предварительно обозначенной как ILRV («Integrated Launch and Reentry Vehicle» — «Единое средство запуска и возвращения»), NASA заключило с четырьмя промышленными компаниями в начале 1969 г. В ходе работы подрядчиками рассматривались различные компоновочные варианты МТКС — от одноступенчатого крылатого аппарата со сбрасываемыми топливными баками до многоблочной пакетной схемы. Анализ представленных фирмами материалов показал, что наиболее эффективной является система с двумя ступенями самолетного toina. Контракты на проработку МТКС в такой конфигурации были заключены в мае 1970 г. с.компаниями «North American Rockwell» и «McDonnell Douglas».

Исходное техническое задание было таковым: разрабатываемая МТКС со стартовой массой 1500 т комплектуется двумя крылатыми пилотируемыми ступенями; на обеих ступенях используются типовые кислородно-водородные двигатели тягой по 180 т, для полета на дозвуковых скоростях при возвращении обе ступени оснащаются ВРД.

На начальном этапе работ подрядчикам было предложено рассмотреть орбитальные ступени в двух вариантах — с широкими (до 2700 км) и ограниченными (в 320 км) возможностями по боковому маневру при возвращении на Землю. Аппараты первой схемы характеризовались развитым дельтавид-ным крылом с вертикальными законцовками, хорошим аэродинамическим качеством при гиперзвуковых скоростях, но и продолжительным периодом воздействия тепловых нагрузок при входе в атмосферу; тогда как альтернативные ОС', оснащенные небольшим прямым крылом, должны проходить участок максимального нагрева за меньшее время, что значительно упрощает теплозащиту изделия и позволяет увеличить массу полезного груза с 9 до 20 т.

Тем не менее в январе 1971 г., учитывая требования военных организаций, NASA пересмотрело техническое задание на создаваемую МТКС. В частности, при увеличенной до 2265 т стартовой массе новая транспортная система должна обеспечивать доставку на орбиту высотой 180 км грузов массой 29,4 т, на орбиту высотой 500 км объекты массой 11,3 т; по дальности бокового маневра ОС стороны сошлись на компромиссном значении в 2000 км. Последнее требование предопределило аэродинамическую схему орбитальной ступени — простое стреловидное крыло, а для обеспечения путевой устойчивости используется вертикальный киль с рулем направления.

После выбора оптимальной конфигурации будущей МТКС NASA активизировало работы по изучению экономических аспектов реализации программы (на первых этапах наибольшее внимание уделялось оценке технической реализуемости проекта). Принятая схема полностью соответствовала требованиям минимальных эксплуатационных затрат — стоимость запуска новой транспортной системы не превышала 5 млн долл. Однако общие затраты на ее разработку в течение шестилетнего периода с проведением первого старта в 1978 г. оценивались в 10 млрд долл., при этом пик текущего финансирования в 2 млрд долл. приходился на 1976 ф.г.

^{МТКС фирмы North American Rockwell (январь 1971 г.)}

Подобные расходы превышали запланированные бюджетные ассигнования на программу. В связи с этим NASA было вынуждено приступить к изучению других схем МТКС. В качестве основной задачи было определено снижение стоимости программы до 4,5 млрд долл. с максимальным годовым бюджетом в 1 млрд долл.

Повторный цикл исследований и оценок не принес желаемого результата: ни один из рассматривавшихся проектов не соответствовал предъявленным требованиям. Возникший кризис был преодолен решением о возможности применения в составе МТКС отдельных одноразовых элементов. (Позднее это решение было признано одним из самых важных за всю программу «Спейс Шаттл».)

Новый подход потребовал радикального пересмотра как общего облика всей системы, так и компоновки ее ступеней. Наиболее удачным для решения поставленной задачи оказалось предложение об использовании сбрасываемых баков горючего, которые размещались на крыльях вдоль корпуса орбитальной ступени. За счет этого габариты ОС сократились примерно на 40%, а уменьшение массы изделия дало возможность, снизив скорость разделения ступеней с 3 км/с до 1,8 км/с, отказаться от теплозащитных покрытий на разгонной ступени. В результате стартовая масса и в конечном счете стоимость разработки МТКС существенно сократились, но не до требуемого уровня.

^{МТКС с орбитальной ступенью, использующей сбрасываемые баки горючего (фирма Grumman, весна 1971 г.)}

Последующее развитие идеи одноразовых внешних баков привело к проработке варианта создания для ОС общего подвесного топливного отсека (ПТО). В августе 1971 г. NASA утвердило данный вариант основным для создаваемой транспортной системы.

В дальнейшем работы по формированию йроектного облика МТКС «Спейс Шаттл», соответствующей установленным экономическим показателям, свелись к оптимизации схемы разгонной ступени. Ключевым моментом этого этапа программы, определившим возможные пути решения задачи, стало разрешение о применении в составе транспортной системы беспилотных стартовых ускорителей, как спасаемых, так и одноразовых. Тем не менее основное внимание уделялось все-таки многоразовым разгонным блокам.

Сравнительный анализ проводился для двух компоновочных схем МТКС — с продольным и поперечным делением ступеней. В качестве возможных вариантов комплектации системы рассматривались различные жидкостные и твердотопливные ускорители. В ходе исследования оценивались варианты использования жидкостных блоков с турбонасосной и вытес-нительной системой подачи топлива, а также РДТТ диаметром 3 м и 4 м.

Выполненный весной 1972 г. стоимостный анализ показал, что исходя из установленного бюджета программы оптимальной является пакетная схема МТКС с двумя возвращаемыми ТТУ диаметром 4 м. Затраты на реализацию такого проекта были оценены примерно в 5 млрд долл. при стоимости запуска системы 10—12 млн долл.

В августе 1972 г. NASA определило головного разработчика МТКС «Спейс Шаттл» — им стала компания «Rockwell International», прежде называвшаяся «North American Rockwell», а ныне входящая в состав корпорации «Boeing».

^{МТКС «Спейс Шаттл» (окончательный вариант)}

Стоимость первого заключенного с нею контракта составила 2,6 млрд долл.

Непродолжительный период изучения схем первой ступени, как, впрочем, и всей МТКС в новой конфигурации, многие обозреватели объясняли желанием правительства приступить к непосредственному созданию системы не позднее лета 1972 г. — то есть до президентских выборов, намеченных на ноябрь того же года. Примечательно, что официальное указание действующего в то время президента Р. Никсона о немедленном начале разработки МТКС было сделано еще в январе 1972 г., так как развертывание широкомасштабных работ по проекту позволяло создать нескольких десятков тысяч новых рабочих мест. (Успешно проведенная предвыборная кампания позволила Никсону избраться на второй срок.)

Жесткие временные ограничения на предварительные изыскания, возможно, стали причиной тех изменений, которые были внесены позднее в уже утвержденный проект. Ряд нововведений позволил улучшить аэродинамические и массовые характеристики орбитальной ступени. В частности, было решено отказаться от использования воздушно-реактивных двигателей при возвращении, а для самостоятельного перегона ОС к месту старта после посадки на запасном аэродроме планировалось монтировать ВРД на специальных пилонах (но и от этого позднее отказались в пользу транспортировки грузовым самолетом «Боинг-747»). Также были отклонены предложения по установке двух РДТТ для увода ОС от разгонной ступени при возникновении аварийной ситуации.

<<<Назад Страница 42 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz