Космический корабль «Шаттл. Пять самых известных космических «челноков

На написание этой статьи меня сподвигли многочисленные обсуждения в форумах и даже статьи в серьезных журналах,в которых я сталкивался со следующей позицией:

«США активно разрабатывают ПРО (истребители 5-ого поколения,боевых роботов и т.п.). Караул! Они же ведь не дураки, деньги считать умеют и не будут делать ерунду???»

Дураки не дураки, но махинаций, тупости и «попила бабла» у них всегда было выше крыши - стоит только присмотреться к мегапроектам США повнимательней.

Они постоянно пытаются создать чудо-оружие или такую чудо-технику, которая надолго посрамит всех врагов/конкурентов и заставит их трепетать от немыслимой технологической мощи Америки. Делают эффектные презентации, сыпят потрясающими воображение данными, поднимают огромную волну в СМИ.

Заканчивается же всегда все банально - успешным надувательством налоплательщиков в лице Конгресса, выбиванием огромных денег и провальным результатом.

Вот например, история программы Space Shuttle - одна из типичных американских погонь за химерой.

Здесь на всех этапах, от постановки задачи до эксплуатации, руководством НАСА была допущена серия грубейших ошибок/махинаций, которые привели в итоге к созданию фантастически неэффективного Шаттла, досрочному закрытию программы и похоронили разработку национальной орбитальной станции.

Как все начиналось:

В конце 60-х годов, еще до высадки на Луну, в США было принято решение урезать (а потом и закрыть) программу «Аполлон». Производственные мощности стали быстро сокращаться, сотни тысяч рабочих и служащих подлежали увольнению. Огромные расходы на Вьетнамскую войну и космическую/военную гонку с СССР подорвали бюджет США и надвигался один из сильнейших экономических спадов в их истории.

Финансирование НАСА урезалось все сильнее с каждым годом и будущее американской пилотируемой космонавтики оказалось под угрозой. В Конгрессе крепли голоса критиков, которые говорили, что НАСА бессмысленно пускает деньги налогоплательщиков на ветер в то время, когда недофинансируются важнейшие социальные статьи в бюджете страны. С другой стороны, весь свободный мир с замиранием сердца следил за каждым жестом светочей демократии и ждал эффектного космического разгрома тоталитарных русских варваров

В то же время было ясно, что СССР не собирается отказываться от соревнования в космосе и что даже успешная высадка на Луну не может стать поводом успокоиться на достигнутом.

Нужно было срочно решать, что делать дальше. Для этого под эгидой администрации Президента была создана специальная рабочая группа ученых, которая занялась выработкой дальнейших планов развития в американской комонавтики..

Тогдабыло уже очевидно, что СССР пошел по пути развития техники орбитальных станций (ОС), в то время как участие в лунной гонке активно отрицалось советским официозом.

так, в 1968 году на орбите были состыкованы «Союз-4» и «Союз-5» и совершен переход через открытый космос из одного корабляв другой. В ходе перехода космонавты отрабатывали действия по выполнению монтажных работ в космосе, а весь проект был разрекламирован как «первая в мире экспериментальная орбитальная станция». Вся мировая пресса была наполнена восхищенными откликами. Стыковку «Союзов» некоторые оценивали даже выше облета Аполлоном-8 Луны.

Столь большой резонанс воодушевилруководство СССР и в 69-ом был затеян полет сразу трех «Союзов». Двое должны были состыковаться, а третий полетать вокруг, делая эффектный репортаж. То есть, была явно задумана игра на публику. Но задуманное не вышло, подвела автоматика и состыковаться не удалось. Тем не менее, был получен ценный опыт взаимного маневрирования на орбите, проведен уникальный эксперимент по сварке/пайке в вакууме, отработано взаимодействие наземных служб с кораблями на орбите. Так что групповой полет был объявлен в целом успешным и после приземления космонавтов, на митинге, Брежнев уже официально заявил о том, что «орбитальные станции - магистральный путь в космонавтике».

Что могла противопоставить Америка? Вообще-то проект создания своей ОС начался в США еще задолго до этих событий, но он почти не двигался с места, так как все возможные ресурсы были направлены на обеспечение скорейшей высадки на Луну. Сразу после того, как А11 наконец побывал на Луне, вопрос о строительстве ОС встал в НАСА в полный рост.

Тогда в НАСА решили максимально быстро построить из имевшихся наработок ОС Skylab (в двух экземплярах), отменили две из последних высадок на Луну, высвободив ракеты Сатурн-5 подвывод на орбиту этих станций. В какой спешке строили «Скайлэб» и какая ерунда при этом получилась - это отдельная песня.

Худо-бедно, они на время прикрыли «дыру» в этом соревновании. Но в любом случае программа Скайлэббыла заведомо тупиковой, поскольку ракеты-носители необходимые для ее развития были уже давно сняты с производства, летать приходилось на остатках.

Что предложили

Тогда «Группой по планированию космической деятельности» было предложено в ближайшие годы (после полета Скайлэба) создать огромную орбитальную станцию, с экипажем в десятки человек и к ней многоразовый космический челнок, возящий грузы и людей на станцию и обратно. Основной упор был сделан на то, что планируемый челнок будет настолько дешевым в эксплуатации и надежным, что полеты человека в космос станут почти такими же рутинными и безопасными, как и полеты гражданских авиалайнеров.

(вот тогда русские мол и утрутся со своими керосиновыми одноразовыми ракетами)

Исходный проект НАСА по постройке челнока был вполне рациональным:

Они предложили сделать космическую транспортную систему, состоящую из двух крылатых полностью многоразовых ступеней: «Бустера» («Разгонщика») и«Орбитера».

Выглядело это так:один большой «самолет» везет на спине другой, поменьше. Полезная нагрузка была ограничена 11 тоннами (это важно!) . Главное предназначение челнока было - обслуживать будущую орбитальную станцию. Именно большая ОС могла бы создать достаточно большой грузопоток на орбиту и главное - с нее.

Размер «Бустера» должен был быть сравним с размерами Боинга-747 (где-то 80 метров длиной), а размер «Орбитера» - как Боинг-707 (около 40 метров). Обе ступени предполагалось оснастить самыми лучшими двигателями -кислород-водородными. После взлета«Бустер», разогнав «Орбитер» - отделялся бы на пол-пути и возвращался/планировал бы сам на базу.

Стоимость запуска такого челнока составила бы около 10 млн. долларов (в ценах тех лет), при условии достаточно частых полетов, 40-60 раз в год. (для сравнения, стоимость запуска лунного Сатурна-5 тогда составляла200 млн. долларов)

Естественно, что идея создать такой дешевый и простой в плане эксплуатации орбитальный транспорт пришлась в Конгрессе/Администрации по душе. Пусть экономика на пределе, негры громят города- но мы разок еще раз поднапряжемся, сделаем суперштучку -зато потом как залета-а-е-е-е-м!

Все это замечательно, но на создание только суперчелнока НАСА хотело 9 миллиардов долларов минимум, а правительство соглашалось выделить только 5, да и то только при условии активного участия в финансировании военных.А на большую станцию деньги вообще давать отказались, резонно посчитав, что уже выделенных миллиардов на программу 2-х станций Скайлэб, (которым еще только предстояло полететь) - вполне достаточно на тот момент.

Но в НАСА взяли под козырек и родилив итоге такой вариант:

Во-первых, для такого длинного бокового маневра потребовались мощные крылья, которые увеличили вес челнока. Кроме того, теперь челноку - «Орбитеру» не хватало внутренних топливных баков, чтобы вывести 30 тонн груза на орбиту. Пришлось прилепить к нему огромный внешний бак.Этот бак, естественно, пришлось сделать одноразовым (спустить неповрежденным с орбиты такую тонкостенную хрупкую конструкцию очень сложно). Кроме того, встала проблема создания мощнейших водородных двигателей, способныхподнять всю эту махину. В НАСА реалистично оценили возможности в этом плане и снизили требования по максимальной тяге к маршевым двигателям, приделав им в помощь два огромных твердотопливных ускорителя (ТТУ) по бокам. Вышло, что водородный «Бустер» вообще пропал из конфигурации, выродившись в дверакеты-переростка от «Катюши».

Так наконец сформировался проект Шаттла в его современном виде. При «помощи» военных и под видом удешевления и ускоренияразработки Насовцы изуродовали исходный проект до неузнаваемости. Тем не менее, он был успешно утвержден в 1972 году и принят к исполнению.

Забегая вперед, скажем, что даже на это убожество они все равно потратили далеко не 5 миллиардов, как обещали.Разработка Шаттлауже к 80-ому годуобошлась им в 10 милиардов (в ценах 77 года) или около 7 миллиардов в ценах 71-ого года. Заметим, что идея с созданием станции отодвинулась пока на неопределенный срок и поэтому под новый проект Шаттла придумали новые задачи.

А именно,назначение Шаттла по ходу перепланировали под якобы сверхдешевый запуск коммерческих и военных спутников - всех подряд, от легких до сверхтяжелых, а также возврат спутников с орбиты.

Тут правда возникла нехорошая заковыка.Спутников тогда просто не делали так много, чтобы окупить частые запуски огромной ракеты. Но наши смелые ученые не растерялись! Они наняли частного подрядчика - фирму «Математика», которая очень дальновидно спрогнозировала в недалеком будущем просто огромные потребности в запусках. Сотни! Тысячи запусков! (кто бы сомневался)

В принципе, уже на этом этапе, на стадии утвержденного в 1972-ом году проекта, было ясно, что Шаттл никогда не станет дешевым средством вывода на орбиту, даже если дальше все пойдет как по маслу. Чудес ведь не бывает - нельзя вытащить в три раза более тяжелый груз на орбиту, потратив все те же 10-15 млн долларов, рассчитанные для исходной гораздо более легкой и продвинутой системы. Не говоря уж о том, что все расчеты по стоимости были приведены для полноценно многоразового аппарата, каким Шаттл уже не получался по определению.

Да и сама идея - выводить каждый раз на орбиту 100-тонный челнок с людьми, только для того, чтобы доставить в космос в лучшем случае десяток-другой тонн полезного груза - сильно попахивает абсурдом.

Однако как ни удивительно - все цифры и обещаниякакие были исходными для первоначального проекта были автоматически продекларированы и для кастрированного варианта!

Хотя потеря почти всех преимуществ относительно одноразовых ракет была очевидна. Например,стоимость спасения из океана, восстановления, транспортировки и сборки одних только твердотопливных ускорителей оказалась ненамного меньше стоимости изготовления новых.

Кстати, фирма «Тиокол Кемикл» выиграла конкурс на разработку твердотопливных ускорителей, занизив в три раза реальную стоимость расходов на транспортировку. Очередной маленький пример из тонн мухлежа и попила бюджета, сопровождавшихразработку Space Shuttle .

С обещанной безопасностью тоже оказался полный швах: твердотопливные ускорители невозможно остановить после поджига и отстрелить их тоже нельзя, в то время как экипаж лишен каких-либо средств спасения при старте. Но кого это волнует? НАСА было так увлечено освоением бюджета, что ничтоже сумняшесяобъявило в Конгрессе про достигнутую 100% надежность ТТУ. То есть, их авария не может произойти вообще никогда в принципе.

Как в воду глядели…

Что в итоге получилось

Но пришла беда - отворяй ворота, все оказалось еще веселее, когда дело дошло до реальной разработки и эксплуатации.

Напомню:

По замыслам разработчиков, Шаттл должен был стать многоразовой сверхнадежной и безопасной транспортной системой, с рекордно низкой стоимостью вывода на орбиту грузов и людей. Частоту полетов предполагалосьдовести до 50 в год.

Но гладко было на бумаге…

Табличка ниже наглядно показывает, насколько «удачным» в итоге получился Шаттл

Все цены приведены к долларам 71-ого года:

Таким образом,то что вышло, оказалось ровно наоборот

Не многоразовым

Недостаточно надежным и крайне опасным в случае аварии

С рекордно высокой стоимостью достижения орбиты.

Не многоразовый - потому что после полета Шаттла теряетсявнешний бак, приходят в негодность многие критические элементы системы или им требуется дорогостоящее восстановление. А именно:

Восстановление твердотопливных ускорителей обходится почти в половину стоимости изготовления новых, плюс транспортировка, плюс содержание инфраструктуры по вылову их в океане.

После каждой посадки капитальный ремонт проходят маршевые движки, хуже того - их ресурс оказался настолько низким, что пришлось изготовить к 5 челнокам дополнительно аж 50 маршевых двигателей!

Шасси полностью заменяются;

Теплозащитное покрытие планера после каждого полета требуют длительного восстановления. (вопрос - а что тогда по-настоящему многоразового в системе Space Shuttle ? остается только корпус челнока)

Получилось, что перед каждым стартом «многоразовый» Орбитер нуждается в длительном дорогостоящем восстановлении, продолжающемся месяцами. Да плюс сами старты постоянно и надолго откладываются из-за многочисленных неполадок. Иногда даже приходится снимать узлы с одного челнока, чтобы как можно быстрее запустить другой. Все это лишает МТКС способности к частым запускам (того, что хоть как-то могло удешевить эксплуатацию).

Далее, как уже упоминалось, при разработке НАСА уверяло Конгресс, что надежность ТТУ можно условно считать за 1. Поэтому никаких систем спасения на старте не было предусмотрено и сэкономили на этом неплохо. За что и поплатился экипаж Челенджера.

Сама же катастрофа произошла по вине руководства НАСА, которое с одной стороны, пыталось любой ценой поднять частоту запусков до максимума (чтобы снизить издержки и изобразить хорошую мину при плохой игре), а с другой - проигнорировало эксплуатационные требования к ТТУ, не допускавшие запуск при минусовых температурах. А тот злополучный запуск уже много раз переносился и дальнейшее ожидание срывало весь график полетов.Поэтому на температурные условия наплевали, дали добро на старт и подмороженная межсекционная прокладка в ТТУ, потеряв эластичность, прогорела, вырвавшийся факел прожег внешний бак и …. Ба-бах!

После катастрофы Челенджера пришлось усилить, утяжелить конструкцию, из-за чего требуемая грузоподъемность так и не была никогда достигнута. В итоге Шаттл выводит на орбиту полезного груза лишь чуть больше нашего Протона.

Кроме того,этакатастрофа помимо двухлетней задержки в полетах привела в итоге к срыву той самой долгожданной программы ОС «Фридом», на разработку которой, между прочим, было в итоге потрачено 10 миллиардов долларов! Из-за сниженной реальной грузоподьемности разработчики «Фридома» так и не смогли вписать в грузовой отсек модули станции.

Что касается катастрофы Колумбии - то проблемы с повреждением ТЗП при старте были известны с самого начала, но они точно так же игнорировались. Хотя опасность была очевидна! И она до сих пор сохраняется, так как кардинального решения эта проблема так и не получила.

В итоге,на сегодня Шаттлы не отлетали даже 30% запланированных полетов и программа будет закрыта к 2010 году, иначе вероятность очередной катастрофы недопустимо велика!

На днях случайно заметил, что уже пять раз в комментариях отвечал на вопрос о степени успешности программы «Спейс Шаттл». Такая регулярность вопросов требует полноценной статьи. В ней я попытаюсь ответить на вопросы:

• Какие цели ставила программа «Спейс Шаттл»?
• Что получилось в итоге?

Тема многоразовых носителей очень объемная, поэтому в этой статье я специально ограничиваюсь только этими вопросами.

Что планировали?

• Снабжать орбитальную станцию
• Запускать и возвращать с орбиты спутники
• Выводить на орбиту разгонные блоки и полезную нагрузку
• Выводить на орбиту топливо (для последующей заправки других аппаратов)
• Обслуживать и ремонтировать спутники на орбите
• Проводить короткие пилотируемые миссии

• Стать фундаментальным улучшением существующей космической техники с точки зрения стоимости и объемов выводимого на орбиту
• Транспортировать людей, грузы, топливо, другие корабли, разгонные блоки и прочее на орбиту как самолёт - регулярно, дешево, часто и много.
• Быть универсальным для совместимости с широким спектром гражданских и военных полезных нагрузок.

Итоговая компоновка очень сильно зависела от следующих требований:

• Размер и емкость грузового отсека
• Величина горизонтального маневра
• Двигатели (тип, тяга и другие параметры)
• Способ посадки (на двигателях или планированием)
• Используемые материалы

• Грузовой отсек 4,5х18,2 м (15х60 футов)
• 30 тонн на низкую околоземную орбиту, 18 тонн на полярную орбиту
• Возможность горизонтального маневра на 2000 км

В районе 1970 года выяснилось, что на орбитальную станцию и шаттл одновременно денег не хватит. И станция, для которой шаттл должен был возить грузы, была отменена.
В то же время в инженерной среде царил ничем не сдерживаемый оптимизм. Опираясь на опыт эксплуатации экспериментальных ракетных самолётов (X-15), инженеры прогнозировали снижение стоимости килограмма на орбиту на два порядка (в сто раз). На симпозиуме, посвященном программе «Спейс Шаттл», который проходил в октябре 1969 года, «отец» шаттла Джордж Мюллер говорил:

«Наша цель - снизить стоимость килограмма на орбиту с $2000 для Сатурна-V до уровня $40-100 за килограмм. Этим мы откроем новую эру освоения космоса. Задачей на будущие недели и месяцы для этого симпозиума, для ВВС и NASA является обеспечение уверенности в том, что мы можем это сделать.»

Для различных вариантов на базе «Спейс шаттла» прогнозировалось достижение стоимости выведения в пределах от 90 до 330 долларов на килограмм. Более того, предполагалось, что «Спейс шаттл» второго поколения позволит снизить эти цифры до 33-66 долларов на килограмм.

Параллельно шли сложные политические игры с участием фирм-потенциальных производителей, ВВС, правительства и NASA. Например, NASA проиграло офису менеджмента и бюджета Исполнительного офиса Президента США битву за ускорители первой ступени. NASA хотело ускорители на ЖРД, но из-за того, что ускорители на РДТТ были дешевле в разработке, были выбраны последние. ВВС, которые добивались военных пилотируемых программ с X-20 и MOL, фактически получали военные миссии шаттла бесплатно в обмен на политическую поддержку NASA. Производство шаттлов намеренно размазывалось по всей стране между разными компаниями для экономического и политического эффекта.
В итоге этих сложных маневров, контракт на разработку системы «Спейс Шаттл» был подписан летом 1972 года. История производства и эксплуатация выходит за рамки этой статьи.

Что получили?

Достигнутые цели :

1. Доставка грузов различного типа (спутники, разгонные блоки, сегменты МКС).
2. Возможность ремонта спутников на низкой околоземной орбите.
3. Возможность возврата спутников на Землю.
4. Возможность отправить в полёт до восьми человек.
5. Реализована многоразовость.
6. Реализована принципиально новая компоновка космического корабля.
7. Возможность горизонтального маневра.
8. Большой грузовой отсек.
9. Стоимость и время разработки уложились в сроки, обещанные президенту Никсону в 1971 году.

Не достигнутые цели и провалы :

1. Качественное облегчение доступа в космос. Вместо снижения цены за килограмм на два порядка, «Спейс Шаттл» стал одним из самых дорогих средств доставки спутников на орбиту.
2. Быстрая подготовка шаттлов между полётами. Вместо ожидаемого срока в две недели между полётами, шаттлы готовились к пуску месяцами. До катастрофы «Челленджера» рекорд между полётами составлял 54 дня, после «Челленджера» - 88 дней. За все годы эксплуатации шаттлов они запускались в среднем 4,5 раза в год вместо минимально допустимых по расчетам 28 раз в год.
3. Простота обслуживания. Выбранные технические решения были очень трудоемкими в обслуживании. Главные двигатели требовали демонтажа и много времени на сервис. Турбонасосные агрегаты двигателей первой модели требовали полной переборки и ремонта после каждого полёта. Плитки теплозащиты были уникальны - в каждое гнездо ставилась своя плитка. Всего плиток 35 000, к тому же, они могут быть потеряны или повреждены в полёте.
4. Замена всех одноразовых носителей. Шаттлы никогда не стартовали на полярные орбиты, что нужно в основном для разведывательных спутников. Велись подготовительные работы, но они были остановлены после катастрофы «Челленджера».
5. Надежный доступ в космос. Четыре орбитера означали, что катастрофа шаттла - это потеря четверти флота. После катастрофы полёты прекращались на годы. Также, шаттлы были печально известны постоянными переносами пусков.
6. Грузоподъемность шаттлов оказалась на пять тонн ниже требуемой спецификациями (24,4 вместо 30)
7. Большие возможности горизонтального маневра никогда не применялись в реальности из-за того, что шаттл не летал на полярные орбиты.
8. Возврат спутников с орбиты прекратился в 1996 году. С орбиты было возвращено всего пять спутников.
9. Ремонт спутников тоже оказался слабо востребован. Всего было отремонтировано пять спутников (правда, Хаббл обслуживали пять раз).
10. Принятые инженерные решения негативно влияли на надежность системы. На взлете и посадке были участки без шансов на спасение экипажа при аварии. Из-за этого погиб «Челленджер». Миссия STS-9 чуть не кончилась катастрофой из-за пожара в хвостовой части, который возник уже на посадочной полосе. Случись этот пожар минутой раньше, шаттл бы упал без шансов на спасение экипажа.
11. То, что шаттл всегда летал пилотируемым, подвергало риску людей без необходимости - для рутинного запуска спутников хватало автоматики.
12. Из-за низкой интенсивности эксплуатации шаттлы устарели морально раньше, чем физически. В 2011 году «Спейс Шаттл» был очень редким примером эксплуатации процессора 80386. Одноразовые носители можно было модернизировать постепенно новыми сериями.
13. Закрытие программы «Спейс Шаттл» наложилось на отмену программы «Созвездие», что привело к потере самостоятельного доступа в космос на многие годы, имиджевым потерям и необходимости покупать места на космических кораблях другой страны.
14. Новые системы управления и надкалиберные обтекатели позволили запускать большие спутники на одноразовых ракетах.
15. Шаттл держит печальный антирекорд среди космических систем по количеству погибших людей.

Программа «Спейс Шаттл» дала США уникальные возможности по работе в космосе, но, с точки зрения разницы «что хотели - что получили» приходится сделать вывод о том, что она не достигла своих целей.

Почему так получилось?

1. Шаттлы были результатом множества компромиссов между интересами нескольких больших организаций. Возможно, если бы был один человек или команда единомышленников, которые имели бы четкое видение системы, она могла получиться удачнее.
2. Требование «быть всем для всех» и заменить все одноразовые ракеты повысило стоимость и сложность системы. Универсальность при объединении разнородных требований приводит к усложнению, удорожанию, излишнему функционалу и худшей эффективности, чем специализация. Легко добавить будильник в мобильный телефон - динамик, часы, кнопки и электронные компоненты уже есть. Но летающая подводная лодка будет сложнее дороже и хуже специализированных самолёта и подлодки.
3. Сложность и стоимость системы растет с размером экспоненциально. Возможно, шаттл на 5-10 тонн полезной нагрузки (в 3-4 раза меньше реализованного) был бы более успешен. Их можно было бы построить больше, часть флота сделать беспилотными, сделать одноразовый модуль для повышения грузоподъемности редких более тяжелых миссий.
4. «Головокружение от успехов». Успешная реализация трёх программ последовательно увеличивающейся сложности могла вскружить головы инженерам и менеджерам. В самом деле, что пилотируемый первый пуск без беспилотной отработки, что отсутствие систем спасения экипажа на участках выведения/спуска говорят о некоторой самоуверенности.

Эй, а «Буран»?

Список источников (не учитывая википедии):

1. Ray A. Williamson

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 Землёй, 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. К маю 2010 года больше всего полётов - 38 - совершил шаттл «Дискавери». Всего с 1975 по 1991 год было построено пять шаттлов: «Колумбия» (сгорел при посадке в 2003), «Челленджер» (взорвался при старте в 1986), «Дискавери», «Атлантис» и «Индевор». 14 мая 2010 года спейс шаттл «Атлантис» совершил свой последний старт с мыса Канаверал. По возвращении на Землю он будет списан.

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.
Шаттл «Дискавери» взлетает. Миссия STS-120

Общие сведения
Страна Соединённые Штаты Америки США
Назначение Многоразовый транспортный космический корабль
Изготовитель United Space Alliance:
Thiokol/Alliant Techsystems (SRBs)
Lockheed Martin (Martin Marietta) - (ET)
Rockwell/Boeing (orbiter)
Основные характеристики
Количество ступеней 2
Длина 56,1 м
Диаметр 8,69 м
Стартовая масса 2030 т
Масса полезной нагрузки
- на НОО 24 400 кг
- на Геостационарная орбита 3810 кг
История запусков
Состояние действующий
Места запуска Космический центр Кеннеди, 39-й комплекс
База Ванденберг (планировалось в 1980-е)
Число запусков 128
- успешных 127
- неудачных 1 (launch failure, Challenger)
- частично неудачных 1 (re-entry failure, Columbia)
Первый запуск 12 апреля 1981 года
Последний запуск осень 2010 года

Конструкция

Шаттл состоит из трёх 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 твердотопливных 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. Твердотопливные ускорители приводняются на парашютах и затем используются вновь. Внешний топливный бак сгорает в атмосфере.


История создания

Существует серьёзное заблуждение, что программа «Спейс шаттл» создавалась для военных нужд, в качестве некоего «космического бомбардировщика». Это глубоко неверное «мнение» основывается на «возможности» челноков нести ядерное вооружение (такую возможность в той же степени имеет любой достаточно большой пассажирский авиалайнер (к примеру, первый советский трансконтинентальный авиалайнер Ту-114 был создан на базе стратегического ядерного носителя Ту-95) и на теоретических предположениях об «орбитальных нырках», которые якобы способны проводить (и даже осуществляли) орбитальные корабли многоразового использования.
На самом деле, все упоминания о «бомбардировочном» назначении шаттлов содержатся исключительно в советских источниках, как оценка военного потенциала космических челноков. Справедливо будет предположить, что эти «оценки» использовались, чтобы убедить высшее руководство в необходимости «адекватного ответа» и создать свою аналогичную систему.
История проекта спейс шаттл начинается в 1967 году, когда ещё до первого пилотируемого полёта по программе «Аполло» (11 октября 1968 года - старт «Аполло-7») оставалось больше года, как обзор перспектив пилотируемой космонавтики после завершения лунной программы NASA.
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 фирмам с предложением исследовать возможность создания многоразовой космической системы, что должно было снизить затраты космического агентства при условии интенсивного использования.
В сентябре 1970 года Целевая космическая группа под руководством вице-президента США С. Агню, специально созданная для определения следующих шагов в освоения космического пространства, оформила два детально проработанных проекта вероятных программ.
Большой проект включал:

* космические челноки;
* орбитальные буксиры;
* большую орбитальную станцию на Земной орбите (до 50 человек экипажа);
* малую орбитальную станцию на орбите Луны;
* создание обитаемой базы на Луне;
* пилотируемые экспедиции к Марсу;
* высадку людей на поверхность Марса.
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.
Также существовали планы создания «атомного шаттла» - челнока с ядерной двигательной установкой NERVA (англ.), который разрабатывался и испытывался в 1960-х годах. Атомный шаттл должен был осуществлять полёты между земной орбитой, орбитой Луны и Марса. Снабжение атомного челнока рабочим телом для ядерного двигателя возлагалось на знакомые нам 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 дешевый требовал 5 млрд долларов 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, система спейс шаттл может быть рентабельной.
Проект создания системы «Спейс шаттл» 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:

* Космическая система должна быть способна выводить на орбиту полезный груз до 30 тонн, возвращать на Землю полезную нагрузку до 14,5 тонн, иметь размер грузового отсека не менее 18 метров длиной и 4,5 метров в диаметре. Это были размер и вес проектировавшегося тогда спутника оптической разведки КН-II, из которого впоследствии произошёл орбитальный телескоп Хаббл.
* Обеспечить возможность бокового маневра для орбитального корабля до 2000 километров для удобства посадки на ограниченное количество военных аэродромов.
* Для запуска на околополярные орбиты (с наклонением 56-104º) ВВС решили построить собственный технический, стартовый и посадочный комплексы на авиабазе Ванденберг в Калифорнии.

Этим требования военного ведомства к проекту спейс шаттл были ограничены.
Использовать челноки в качестве «космических бомбардировщиков» не планировалось никогда. Во всяком случае, не существует никаких документов NASA, Пентагона, или Конгресса США, свидетельствующих о таких намерениях. Не упоминаются «бомбардировочные» мотивы ни в мемуарах, ни в частной переписке участников создания системы спейс шаттл.
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 г. Министр обороны Макнамара одобрил последнюю реструктуризацию программы. С этого момента Dyna-Soar официально называлась научно-исследовательской программой, имеющей целью исследовать и показать возможность выполнения пилотируемым орбитальным планером маневрирования при входе в атмосферу и посадки на взлетно-посадочную полосу в заданном месте Земли с необходимой точностью. К середине 1963 г. Министерство Обороны серьезно сомневалось относительно необходимости программы Dyna-Soar. 10 декабре 1963 г., Министр обороны Макнамара отменил Dyna-Soar.
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.
Многие технические и технологические наработки программы Dyna-Soar были впоследствии использованы при создании орбитальных кораблей типа спейс шаттл.
Советское руководство, внимательно наблюдавшее за развитием программы спейс шаттл, но предполагая худшее, искало «скрытую военную угрозу», что сформировало два основных предположения:

* Возможно использование космических челноков в качестве носителей ядерного оружия (это предположение в корне неверно по вышеупомянутым причинам).
* Возможно использование космических челноков для похищения с орбиты Земли советских спутников и ДОС (долговременных обитаемых станций) Алмаз ОКБ-52 В. Челомея. Для защиты, советские ДОС предполагалось оснащать даже автоматическими пушками конструкции Нудельмана - Рихтера (ОПС был оснащён такой пушкой). Предположение о «похищениях» основывалось исключительно на габаритах грузового отсека и возвращаемой полезной нагрузке, открыто объявленным американскими разработчиками шаттлов, близким к габаритам и массе «Алмазов». О габаритах и весе разрабатывавшегося в то же время разведспутника HK-II советское руководство информировано не было.
В результате, советская космическая отрасль получила задание создать многоразовую космическую систему с характеристиками аналогичными системе спейс шаттл, но с чётко определённым военным назначением, как орбитальное средство доставки термоядерного оружия.

Задачи

Корабли спейс шаттл используются 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 полёты шаттлов, это была последняя экспедиция человека к телескопу, ибо эти миссии невозможно выполнить какими-либо другими имеющимися космическими аппаратами.
Шаттл «Индевор» с открытым грузовым отсеком.

В 1990-е годы шаттлы принимали участие в совместной российско-американской программе «Мир - Спейс шаттл». 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). Так, например, модули МКС, из которых собрана кроме российского модуля «Звезда», не имеют своих двигательных установок (ДУ), а значит, не могут самостоятельно маневрировать на орбите для поиска, сближения и стыковки со станцией. Поэтому их нельзя просто «забрасывать» на орбиту обыкновенными носителями типа «Протон». Единственная возможность собирать станции из таких модулей - использование кораблей типа спейс шаттл с их большими грузовыми отсеками или, гипотетически, использовать орбитальные «буксиры», которые смогли бы отыскивать модуль, выведенный на орбиту «Протоном», стыковаться с ним и подводить его к станции для стыковки.
Фактически, без кораблей типа шаттл, строительство модульных орбитальных станций типа МКС (из модулей без ДУ и систем навигации) было бы невозможным.
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.
Шаттл «Атлантис», в своём последнем рейсе на орбиту (STS-132) доставил на МКС российский исследовательский модуль «Рассвет».
Технические данные


Твердотопливный ускоритель


Внешний топливный бак

Бак содержит топливо и окислитель для трёх жидкостных двигателей SSME (или RS-24) на орбитере и не снабжён собственными двигателями.
Внутри топливный бак разделён на две 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).


Орбитер

Кроме трёх 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.



Размеры Спейс шаттла

Размеры Спейс шаттла по сравнению с «Союзом»
Стоимость
В 2006 году общие расходы составили 160 млрд долл., к этому времени было выполнено 115 запусков (см.: en:Space Shuttle program#Costs). Средние расходы на каждый полёт составили 1,3 млрд долл., но основная часть расходов (проектирование, модернизация и др.) не зависит от числа запусков.
Стоимость каждого полёта шаттла составляет около 60 млн долл. На обеспечение 22 полётов шаттлов с середины 2005 года по 2010 год в бюджете NASA заложено около 1 миллиарда 300 миллионов долл. прямых затрат.
За эти деньги орбитер шаттла может доставлять за один рейс к МКС 20-25 тонн груза, включая модули МКС, и плюс к этому 7-8 астронавтов.
Сниженная в последние годы практически до себестоимости, цена запуска Протон-М с выводимой нагрузкой в 22 т составляет 25 млн долл. Таким весом может обладать любой отдельно летающий космический аппарат, выводимый на орбиту носителем типа «Протон».
Модули, присоединяемые к МКС, не могут выводиться на орбиту ракетами-носителями, так как их надо доставить к станции и пристыковать, для чего необходимо орбитальное маневрирование, на которое модули орбитальной станции сами по себе неспособны. Маневрирование осуществляется орбитальными кораблями (в перспективе - орбитальными буксирами), а не ракетами-носителями.
Грузовые корабли «Прогресс», снабжающие МКС, выводятся на орбиту носителями типа «Союз» и способны доставить к станции не более 1,5 тонн груза. Стоимость запуска одного грузового корабля «Прогресс» на носителе «Союз» определяется примерно 70 миллионов долл., а для замены одного рейса шаттла потребуется не менее 15 рейсов «Союз - Прогресс», что в общей сложности превышает миллиард долларов.
Однако, после завершения строительства орбитальной станции, при отсутствии необходимости доставлять к МКС новые модули, использовать шаттлы с их огромными грузовыми отсеками становится нецелесообразным.
В своем последнем рейсе шаттл «Атлантис» доставил на МКС, кроме астронавтов, «всего» 8 тонн грузов, включая новый российский исследовательский модуль, новые ноутбук компьютеры, продовольствие, воду и другие расходуемые материалы.
Фотогалерея

Спейс Шаттл на стартовам столе. Мыс Канаверал, Флорида

Посадка шаттла «Атлантис».

Гусеничный транспортёр НАСА перевозит космический челнок «Дискавери (шаттл)» к стартовой площадке.

советский шаттл "Буран"

Шаттл в полете

Посадка шаттла Индевор

Шаттл на стартовой площадке

Видео
Последняя посадка шаттла "Атлантис"

Ночной старт Дискавери

В любом онлайн-обсуждении компании SpaceX обязательно появляется человек, который заявляет, что -де на примере Шаттла все уже с этой вашей многоразовостью понятно. И вот, после недавней волны обсуждений успешной посадки первой ступени Фалькона на баржу, я решил написать пост с кратким описанием надежд и чаяний американской пилотируемой космонавтики 60-х, как эти мечты потом разбились о суровую реальность, и почему из-за всего этого Шаттл не имел никаких шансов стать экономически эффективным. Картинка для привлечения внимания: последний полет Шаттла "Индевор":

Планов громадье

В первой половине шестидесятых, после обещания Кеннеди высадиться на Луну до конца десятилетия, на НАСА полился денежный дождь бюджетных средств. Это, конечно же, вызвало там определенное головокружение от успехов. Не считая текущей работы над Аполлоном и над "практическим применением программы Аполлон" (Apollo Applications Program), работа шла над следующими перспективными проектами:

- Космические станции. По планам их должно было быть три: одна на низкой опорной орбите у Земли (НОО), одна на геостационаре, одна на лунной орбите. Экипаж каждой составлял бы двенадцать человек (в дальнейшем предполагалось строительство еще бОльших станций, с экипажем в пятьдесят-сто человек), диаметр основного модуля был девять метров. Каждому члену экипажа выделялась отдельная комната с кроватью, столом, стулом, телевизором, и кучей шкафов для личных вещей. Предусматривалось две ванных комнаты (плюс у командира в каюте был личный туалет), кухня с духовкой, посудомойкой и обеденными столами со стульями, отдельная зона отдыха с настольными играми, медпункт с операционным столом. Предполагалось что выведет центральный модуль оной станции сверхтяжелый носитель Сатурн-5, а для снабжения её необходимо будет десять полетов гипотетического тяжелого носителя ежегодно. Не будет преувеличением сказать, что по сравнению с этими станциями нынешняя МКС смотрится конурой.

Лунная база . Вот пример проекта НАСА конца шестидесятых. Насколько я понимаю, предполагалась унифицация с модулями космической станции.

Ядерный челнок . Корабль предназначенный для перемещения грузов с НОО на геостационар или на лунную орбиту, с ядерными ракетным двигателем (ЯРД). В качестве рабочего тела использовался бы водород. Также челнок мог служить разгонным блоком марсианского корабля. Проект, кстати, был весьма интересный и был бы полезен и в сегодняшних условиях, да и с ядерным двигателем в результате продвинулись довольно далеко. Жаль что ничего не вышло. можно про него почитать подробнее.

Космический буксир . Предназначался для перемещения груза с космического челнока на ядерный челнок, или с ядерного челнока на требуемую орбиту или на лунную поверхность. Предлагалась большая степень унификации при выполнении различных задач.

Космический челнок . Многоразовый корабль предназначенный для поднятия грузов с поверхности Земли на НОО. На иллюстрации космический буксир перевозит груз с него на ядерный челнок. Собственно это и есть то, что мутировало со временем в Спейс Шаттл.

Марсианский космический корабль . Показан тут с двумя ядерными челноками, выполняющими функцию разгонных блоков. Предназначался для полета к Марсу в начале восьмидесятых годов, с двухмесячным пребыванием экспедиции на поверхности.

Если кому интересно, и подробнее написано про все это, с иллюстрациями (англ.)

Космический челнок

Как видим выше, космический челнок был всего лишь одной из частей задуманной циклопической космической инфраструктуры. В комплексе с базирующимися в космосе ядерным челноком и буксиром он должен был обеспечить доставку грузов с земной поверхности в любую точку пространства вплоть до лунной орбиты.

До этого все ракеты космического назначения (РКН) были одноразовыми. Космические аппараты также были одноразового применения, за редчайшим исключением в области пилотируемых кораблей -- дважды слетали "Меркурии" с заводскими номерами 2, 8, 14 и также второй "Джемини". В силу гигантских планируемых объемов вывода полезной нагрузки (ПН) на орбиту, руководством НАСА была сформулирована задача: создать систему многоразового применения, когда и ракета-носитель, и космический корабль возвращаются после полета и используются многократно. Такая система стоила бы гораздо больше в разработке нежели обычные РКН, но в счет меньших расходов при эксплуатации быстро окупилась бы при уровне планируемого грузопотока.

Умами большинства овладела идея создания многоразового ракетоплана -- в середине шестидесятых было немало причин думать, что создание такой системы это не слишком сложная задача. Пусть проект космического ракетоплана Dyna-Soar и был отменен МакНамарой в 1963 году, но случилось это не из-за того, что программа была технически невозможной, а просто потому что для КК не было задач -- "Меркурии" и создаваемые тогда "Джемини" справлялись с доставкой астронавтов на околоземную орбиту, а выводить значительную ПН или долго находиться на орбите X-20 не мог. А вот экспериментальный ракетоплан X-15 отлично показал себя во время эксплуатации. В ходе 199 полетов на нем был отработан выход за линию Кармана (т.е. за условную границу космоса), гиперзвуковой вход назад в атмосферу и управление в условиях вакуума и невесомости.

Естественно, для предполагаемого космического челнока понадобился бы куда более мощный многоразовый двигатель и более совершенная теплозащита, но проблемы эти не видились непреодолимыми. Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) RL-10 показал к тому времени отличную многоразовость на стенде: в одном из испытаний оный ЖРД был успешно запущен более пятидесяти раз подряд, и проработал в общей сложности два с половиной часа. Предполагаемый ЖРД Шаттла, Space Shuttle Main Engine (SSME) так же как и RL-10 предполагалось создать на топливной паре кислород-водород, но повысить при том его эффективность, увеличив давление в камере сгорания и введя схему закрытого цикла с дожиганием топливного генераторного газа.

С теплозащитой также не ожидалось особых проблем. Во-первых велась уже работа над новым типом теплозащиты на основе волокон двуокиси кремния (именно из нее состояли плитки созданных потом Шаттла и Бурана). В качестве запасного варианта оставались абляционные панели, которые можно было за сравнительно небольшие деньги менять после каждого полета. А во-вторых для уменьшения тепловой нагрузки предполагалось сделать вход аппарата в атмосферу по принципу "тупого тела" (blunt body) -- т.е. с помощью формы летательного аппарата создавать перед тем фронт ударной волны, которая охватывала бы большую область нагретого газа. Таким образом кинетическая энергия корабля интенсивно нагревает окружающий воздух, уменьшая нагрев летательного аппарата.

Во второй половине шестидесятых несколько аэрокосмических корпораций представили свое видение будущего ракетоплана.

Стар Клиппер Локхида был космопланом с несущим корпусом -- благо к тому времени летательные аппараты (ЛА) с несущим корпусом были неплохо уже отработаны: ASSET, HL-10, PRIME, M2-F1/M2-F2, X-24A/X-24B (к слову, создающийся сейчас Дримчейсер это тоже космоплан с несущим корпусом). Правда Стар Клиппер не был полностью многоразовым, топливные баки диаметром в четыре метра по краям ЛА сбрасывались во время взлета.

Проект МакДоннелл Дуглас также имел сбрасываемые баки, и неcущий корпус. Изюминкой проекта были выдвигаемые из корпуса крылья, которые должны были улучшить взлетно-посадочные характеристики космоплана:

Дженерал Дайнэмикс выдвинул концепцию "триамского близнеца". Аппарат в середине был космопланом, два аппарата по бокам служили первой ступенью. Планировалось, что унификация первой ступени и корабля поможет сэкономить средства в ходе разработки.

Сам ракетоплан должен был быть многоразовым, а вот насчет бустера уверенности не было довольно долго. В рамках этого рассматривалось немало концептов, часть из них которых балансировала на грани благородного безумия. Как вам например вот этот концепт многоразовой первой ступени, с массой на старте в 24 тысячи тонн (слева МБР Атлас, для масштаба). Посла пуска ступень должна была плюхаться в океан и буксироваться в порт.

Впрочем наиболее серьезно рассматривались три возможных варианта: дешевая одноразовая ракетная ступень (т.е. Сатурн-1), многоразовая первая ступень с ЖРД, многоразовая первая ступень с гиперзвуковым прямоточным двигателем. Иллюстрация 1966 года:

Примерно в то же время были начаты исследования в техническом директорате Manned Spacecraft Center под руководством Макса Фаже. У него, на мой личный взгляд, был самый элегантный проект созданный в рамках разработки Спейс Шаттла. И носитель и корабль космического челнока задумывались крылатыми и пилотируемыми. Стоит отметить что Фаже отказался от несущего корпуса, рассудив что тот значительно усложнит процесс разработки -- изменения в компоновке челнока могли сильно влиять на его аэродинамику. Самолет-носитель стартовал вертикально, работал как первая ступень системы и после отделения корабля садился на аэродром. При сходе с орбиты космоплан должен был тормозить так же как и X-15, входом в атмосферу со значительным углом атаки, создавая тем самым обширный фронт ударной волны. После входа в атмосферу челнок Фаже мог планировать около 300-400км (так называемый горизонтальный маневр, "cross-range") и приземляться на вполне комфортной посадочной скорости в 150 узлов.

Над НАСА сгущаются тучи

Тут небходимо сделать краткое отступление об Америке второй половины шестидесятых, дабы читателю стало более понятным дальнейшее развитие событий. Шла чрезвычайно непопулярная и дорогостоящая война во Вьетнаме, в 1968 году там погибло почти семнадцать тысяч американцев -- больше чем потери СССР в Афганистане за все время конфликта. Движение за гражданские права чернокожих в США в том же 1968 году кульминировалось убийством Мартина Лютера Кинга и последовавшей за ним волной бунтов в крупных американских городах. Стали чрезвычайно популярными масштабные государственные социальные программы (Медикэр был принят в 1965), президент Джонсон обявил "войну против бедности" и расходы на инфраструктуру -- все это потребовало значительных государственных расходов. В конце шестидесятых началась рецессия.

В то же время значительно притупился страх перед СССР, мировая ракетно-ядерная война уже не казалось столь неизбежной как в пятидесятые годы и в дни Карибского кризиса. Программа Аполлон выполнила свое назначение, выиграв в американском общественном сознании космическую гонку с СССР. Причем выигрыш этот у большинства американцев неизбежно ассоциировался с морем денег, которым буквально залили НАСА для выполнения этой задачи. По результатам опроса Харриса 1969 г. 56% американцев считали, что стоимость программы "Аполлон" была слишком велика, а 64% -- что 4 млрд. долл. в год на разработки НАСА это слишком много.

И в НАСА, похоже, многие этого всего попросту не понимали. Уж точно этого не понимал не слишком опытный в политических делах новый директор НАСА Томас Пейн (а может просто не хотел понимать). В 1969 году им был выдвинут план действий НАСА на следующие 15 лет. Предусматривалась лунная орбитальная станция (1978 год) и лунная база (1980 год), пилотируемая экспедиции к Марсу (1983 год) и орбитальная станция на сто человек (1985 год). По среднему (т.е. базовому) варианту предполагалось, что финансирование НАСА должно будет быть увеличено с текущих 3.7 миллиардов в 1970 году до 7.65 миллиардов к началу восьмидесятых:

Все это вызвало острейшую аллергическую реакцию в Конгрессе и, соответственно, и в Белом Доме тоже. Как писал один из конгрессменов, в те годы ничего не резалось так легко и непринуждённо, как космонавтика, если сказал на заседании "эту космическую программу надо прекратить" -- популярность тебе обеспечена. В течении относительно малого периода времени один за одним были формально упразднены практически все масштабные проекты НАСА. Само собой были отменены пилотируемая экспедиция к Марсу и база на Луне, отменили даже полеты Аполло 18 и 19. Зарезали РКН Сатурн V. Отменили все гигантские космические станции, оставив только обрубок Apollo Applications в виде Скайлэба -- впрочем и там отменили второй Скайлэб. Заморозили, а потом и отменили ядерный челнок и космический буксир. Под горячую руку попал даже ни в чём неповинный Вояджер (предшественник Викинга). Космический челнок почти было попал под нож, и чудом уцелел в Палате представителей с перевесом в один-единственный голос. Вот так выглядел бюджет НАСА в реальности (постоянные доллары 2007 года):

Если посмотреть на выделяемые им средства как на % от федерального бюджета, то все еще грустней:

Практически все планы НАСА по развитию пилотируемой космонавтики оказались в мусорной корзине, а еле-еле выживший Шаттл из не самого большого элемента некогда грандиозной программы превратился во флагмана американской пилотируемой космонавтики. НАСА все еще боялась отмены программы, и для её обоснования начала убеждать всех, что Шаттл будет дешевле существующих тогда тяжелых носителей, причем без бешеного грузопотока который должен был генерироваться почившей в бозе космической инстраструктурой. Потерять челнок НАСА позволить себе не могла -- организация фактически была создана пилотируемой космонавтикой, и хотела продолжать посылать в космос людей.

Альянс с ВВС

Враждебность Конгресса сильно впечатлила функционеров НАСА, и заставила тех искать союзников. Пришлось идти на поклон в Пентагон, а точнее -- к ВВС США. Благо НАСА и ВВС довольно неплохо сотрудничали с начала шестидесятых, в частности над XB-70 и над упомянутым выше X-15. НАСА даже пошла на отмену свой Сатурн I-B (внизу справа), чтобы не создавать ненужную конкуренцию тяжелой РКН ВВС Титан-III (внизу слева):

Генералов ВВС весьма заинтересовала идея дешевого носителя, да и иметь возможность посылать людей в космос им тоже хотелось -- примерно тогда же была окончательно зарублена военная космическая станция Manned Orbiting Laboratory, примерный аналог советского "Алмаза". Еще им понравилась декларируемая возможность возврата грузов на Шаттле, рассматривались даже варианты похищения советских космических аппаратов.

Однако в целом ВВС были куда меньше НАСА заинтересованы в этом союзе, ибо свой отработанный носитель у них был и так. Из-за этого они были в состоянии легко прогнуть дизайн Шаттла под свои требования, чем и незамедлительно воспользовались. Размер грузового отсека для полезной нагрузки был по настояниям военных увеличен с 12 x 3.5 метров до 18.2 x 4.5 метров (длина x диаметр), дабы туда помещались перспективные спутники-шпионы видовой оптико-электронной разведки (конкретно -- KH-9 Hexagon и, возможно, KH-11 Kennan). Полезную нагрузку челнока надо было увеличить до 30 тонн при полете на низкую околоземную орбиту, и до 18 тонн на полярную орбиту.

Также ВВС потребовали горизонтальный маневр шаттла минимум в 1800 километров. Тут дело было вот в чем: в ходе Шестидневной войны американская разведка получила спутниковые фотографии уже после того как боевые действия конились, ибо использовавшиеся тогда спутники разведки Гамбит и Корона не успели вернуть отснятую пленку на Землю. Предполагалось, что Шаттл сможет стартовать из Ванденберга на западном побережье США на полярную орбиту, отснять что надо, и сразу же сесть после одного витка -- обеспечивая тем самым высокую оперативность получения разведданных. Необходимая дистанция бокового маневра при том определялась сдвигом Земли за время витка, и составляла как раз упомянутые выше 1800 километров. Чтобы выполнить это требование пришлось во-первых поставить на Шаттл более подходящее для планирования треугольное крыло, а во-вторых весьма сильно усилить теплозащиту. На графике ниже показан расчетный темп нагрева космического челнока с прямым крылом (концепт Фаже), и с треугольным крылом (т.е. то что оказалось на Шаттле в результате):

Ирония тут в том, что вскоре на спутники-шпионы стали ставить ПЗС-матрицы, способные передавать снимки прямо с орбиты, без необходимости возвращать пленку. Надобность в посадке после одного витка орбиты отпала, хотя потом эту возможность еще оправдывали возможностью быстрой аварийной посадки. А вот треугольное крыло и связанные с ним проблемы теплозащиты у Шаттла остались.

Впрочем дело было сделано, и поддержка ВВС в Конгрессе позволила отчасти обезопасить будущее Шаттла. В НАСА окончательно утвердили в качестве проекта двухступенчатый полностью многоразовый Шаттл, имеющий 12(!) SSME на первой ступени и разослали контракты на прорабатку его компоновки.

Проект Норт Американ Рокуэлл:

Проект МакДоннелл Дуглас:

Проект Грумман. Любопытная деталь: несмотря на требование НАСА о полной многоразовости, у челнока тем ни менее предполагались одноразовые баки для водорода по бокам:

Экономические обоснования

Выше я упомянул, что после того как Конгресс выпотрошил космическую программу НАСА, тем пришлось начать обосновывать создание челнока с экономической точки зрения. И вот, в начале семидесятых чиновники из Управления менеджмента и бюджета (The Office of Management and Budget, OMB) попросили их доказать декларируемую экономическую эффективность Шаттла. Причем надо было продемонстрировать не тот факт, что запуск челнока будет дешевле запуска одноразового носителя (это воспринималось как должное); нет, надо было сравнить выделение потребных для создания Шаттла средств с продолжением использования существующих одноразовых носителей и инвестицией высвободившихся денег под 10% годовых -- т.е. по сути в OMB дали Шаттлу "мусорный" рейтинг. Это сделало любые экономические обоснования создания челнока в качестве коммерческой ракеты-носителя нереальными, особенно после того как его "раздуло" из-за требований ВВС. И все же НАСА попыталась это сделать, ибо повторюсь, на кону стояло существование американской пилотируемой программы.

Было заказано исследование экономической целесообразности у фирмы Mathematica. Нередко упоминаемая цифра стоимости запуска Шаттла в районе $1-2.5 млн это лишь обещания Мюллера на конференции в 1969 году, когда еще не была ясна окончательная его конфигурация, и до вызванных требованиями ВВС изменений. Для проектов приведенных выше стоимость полета была следующей: 4.6 миллиона долларов образца 1970г. для челноков Норт Американ Рокуэлл и МакДоннелл Дуглас, и 4.2 миллиона долларов для челнока Груммана. Составители отчета худо-бедно смогли натянуть сову на глобус, показав, что якобы уже к середине восьмидесятых Шаттл выглядел более привлекательно с финансовой точки зрения нежели уже существующие носители, даже с учетом 10% требований OMB:

Однако дьявол кроется в деталях. Как я упомянул выше, не было никакой возможности продемонстрировать, что Шаттл, с его предполагаемой стоимостью разработки и производства в двенадцать миллиардов долларов, будет дешевле одноразовых носителей при учете 10% дисконта OMB. Так что пришлось в ходе анализа сделать допущение, что более низкая стоимость вывода позволит производителям спутников тратить значительно меньше времени и средств на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР), а также на производство спутников. Декларировалось, что они предпочтут воспользоваться возможностью дешевого вывода спутников на орбиту и ремонта оных. Далее, было предположено весьма большое количество запусков в год: базовый сценарий, показаннный на графике выше, постулировал 56 пусков Шаттла каждый год с 1978 по 1990 (736 всего). Причем в качестве предельного сценария рассматривался даже вариант с 900 полетами в указанный период, т.е. старт каждые пять дней в течении тринадцати лет!

Стоимость трех различных программ в базовом сценарии -- две одноразовые ракеты и Шаттл, 56 пусков в год (млн. долларов):

Извиняюсь, что так много пишу о финансовых деталях которые, возможно, не всем интересны. Но это все крайне важно в контексте обсуждения многоразовости Шаттла -- тем более что упомянутые выше и, скажем честно, высосанные из пальца цифры можно до сих пор увидеть в обсуждениях про многоразовость космических систем. На самом деле, без учета "эффекта ПН" даже по принятым Mathematica цифрам и без всяких 10% дисконтов Шаттл становился выгоднее Титана только начиная с ~1100 полетов (реальные шаттлы слетали 135 раз). Но не забываем -- речь идет о "раздутом" требованиями ВВС Шаттле с треугольным крылом и сложной теплозащитой.

Шаттл становится полу-многоразовым

Никсону не хотелось быть президентом, который полностью прикроет американскую пилотируемую программу. Но и просить Конгресс выделить прорву денег на создание Шаттла он также не хотел, тем более после заключения чиновников из OMB конгрессмены все равно на это не согласились бы. На разработку и производству Шаттлов было решено выделить около пяти c половиной миллиардов долларов (т.е. более чем в два раза меньше чем тем надо было для полностью многоразового Шаттла), с требованием тратить не больше миллиарда в любой отдельно взятый год.

Дабы суметь в рамках выделенных средств создать Шаттл, было сделать систему частично многоразовой. Сначала был творчески переосмыслен концепт Грумман: размер челнока сумели уменьшить поместив обе топливные пары во внешний бак, заодно уменьшился и потребный размер первой ступени. На схеме ниже показан размер полностью многоразового космоплана (reusable), космоплана со внешним баком для водорода (LH2) и космоплана со внешним баком и для кислорода и для водорода (LO2/LH2).

Но стоимость разработки все еще сильно превышала количество выделенных из бюджета средств. В результате НАСА пришлось еще и отказаться от многоразовой первой ступени. К вышеупомянутому баку было решено присоединить некий простой бустер, либо в параллель, либо внизу бака:

После недолгих обсуждений было утверждено размещение бустеров в параллель с внешним баком. В качестве бустеров рассматривалось два основных варианта: твердотопливные (ТТУ) и ЖРД ускорители, последние либо с турбокомпрессором, либо с вытеснительной подачей компонентов. Было решено остановится на ТТУ, опять же в силу более низкой стоимости разработки. Иногда можно услышать что якобы имелось некое обязательное требование использовать ТТУ которые -де все и испортило -- но, как видим, замена ТТУ на бустеры с ЖРД уже ничего бы не смогла исправить. Более того, у плюхающихся в океан бустеров на ЖРД, пусть и с вытеснительной подачей компонентов, проблем на деле было бы еще больше чем с твердотопливными ускорителями.

В результате получился тот Спейс Шаттл, который мы и знаем сегодня:

Ну и краткая история эволюции оного (кликабельно):

Эпилог

Шаттл не был столь неудачной системой какой его принято нынче выставлять. В восьмидесятых годах Шаттл вывел на околоземную орбиту 40% от всей доставленной в то десятилетие массы ПН, несмотря на то что его пуски составляли лишь 4% из общего количеств пусков РКН. Он также доставил в космос львиную долю из побывавших там на сегодняшний день людей (другое дело, что сама необходимость наличия людей на орбите по-прежнему неясна):

В ценах 2010 год стоимость программы составляла 209 миллиардов, если разделить это на количество пусков выйдет где-то 1.5 миллиарда за пуск. Правда основная часть расходов (проектирование, модернизация и др.) не зависит от числа запусков -- поэтому по оценкам НАСА к конце нулевых стоимость каждого полёта составляла около 450 миллионов долларов. Впрочем это ценник уже под завершение программы, да еще и после катастроф Челленджера и Колумбии, которые привели к дополнительным мерам безопасности и росту стоимости пуска. По идее в середине 80-ых, до катастрофы Челленджера, стоимость пуска была гораздо меньше, но конкретных цифр у меня нет. Разве что укажу на тот факт, что у Titan IV Centaur стоимость пуска в первой половине девяностых годов составляла 325 миллионов тех долларов, что даже слегка превышает указанную выше стоимость пуска Шаттла в ценах 2010 года. А ведь именно тяжелые РН из семейства Титан были конкурентом Шаттла в ходе его создания.

Разумеется, Шаттл не был экономически эффективным с коммерческой точки зрения. К слову, экономическая нецелесообразность оного весьма взволновала в свое время руководство СССР. Они не понимали политических причин которые привели к созданию Шаттла, и придумывали ему различные предназначения, чтобы хоть как-то увязать в голове его существование со своими взглядами на действительность -- тот самый знаменитый "нырок на Москву", или базирование оружия в космосе. Как вспоминал в 1994-м году директор головного в ракетно-космической промышленности Центрального НИИ машиностроения Ю.А.Мозжорин: "Челнок выводил на околоземную орбиту 29,5 т, и мог спускать с орбиты груз до 14,5 т. Это очень серьезно, и мы начали изучать, для каких целей он создается? Ведь все было очень необычно: вес, выводимый на орбиту при помощи одноразовых носителей в Америке, даже не достигал 150 т/год, а тут задумывалось в 12 раз больше; ничего с орбиты не спускалось, а тут предполагалось возвращать 820 т/год... Это была не просто программа создания какой-то космической системы под девизом снижения затрат на транспортные расходы (наши, нашего института проработки показали, что никакого снижения фактически не будет наблюдаться), она имела явное целевое военное назначение. И действительно, в это время начали говорить о создании мощных лазеров, лучевого оружия, оружия на новых физических принципах, которое - теоретически - позволяет уничтожать ракеты противника на расстоянии в несколько тысяч километров. Как раз вот создание такой системы и предполагалось для отработки этого нового оружия в космических условиях ". Свою роль в этой ошибке сыграло то, что Шаттл делался с учётом требований ВВС, но в СССР не поняли причин, по которым ВВС был втянут проект. Они думали, что проект изначально инициирован военными, и делается с военными целями. На самом деле, НАСА позарез нужен был Шаттл чтобы остаться на плаву, и если бы поддержка ВВС в Конгрессе зависела от того, что ВВС потребовал бы покрасить Шаттл в зелёный цвет и украсить его гирляндами -- они бы это сделали. В восьмидесятых Шаттл уже попытались притянуть к программе СОИ, но когда его проектировали в семидесятых ни о чем таком и речи еще не шло.

Надеюсь теперь читателю понятно, что судить о многоразовости космических систем на примере Шаттла это крайне неудачная затея. Грузовые потоки под которые делался челнок никогда не материализовались из-за урезания расходов НАСА. Дизайн Шаттла пришлось серьезным образом менять дважды -- сначала из-за требований ВВС, политическая поддержка которых нужна была НАСА, а затем из-за критики OMB и недостаточного размера ассигнований на программу. Все экономические обоснования, отсылки к котором иногда попадаются в обсуждениях многоразовости, появились в период когда НАСА нужно было любой ценой спасти и так уже сильно мутировавший из-за требований ВВС челнок, и являются попросту притянутыми за уши. Причем все участники программы это все понимали -- и Конгресс, и Белый Дом, и ВВС, и НАСА. Например Michoud Assembly Facility мог от силы производить двадцать с чем-то внешних топливных баков в год, то есть ни о каких пятидесяти шести или даже тридцати с чем-то полетах в год, как в отчете Mathematica, и речи не могло идти.

Почти всю информацию я взял из замечательной книги , которую я рекомендую к прочтению всем интересующимся вопросом. Также некоторые отрывки текста были позаимствованы из постов ув. Tico в этом топике.