Разработка космического корабля Space Shuttle NASA

Введение

Программа разработки космического челнока НАСА

До посадки на Луну «Аполлона-11» в 1969 году НАСА начало изучение конструкций космических челноков еще в октябре 1968 года. Ранние исследования были обозначены как «фаза А», а в июне 1970 года – «фаза В», которые были более детальными и конкретными. Основным назначением космического челнока являлась поддержка будущей космической станции, перевозка минимум четырех членов экипажа и около тонны груза, а также возможность быстрой подготовки к последующим полетам. В качестве наиболее перспективных рассматривались два проекта. Один был разработан инженерами из Центра пилотируемых космических полетов и активно продвигался Джорджем Мюллером. Это была двухступенчатая система с космическими аппаратами дельтавидной формы, отличавшаяся общей сложностью. Попытка упрощения была предпринята в виде DC-3, спроектированного Максимом Фагетом, который, среди прочих, разработал капсулу «Меркурий». Множество предложений от различных коммерческих компаний также поступали, но в основном отклонялись, поскольку каждая лаборатория НАСА продвигала собственную версию. Все это происходило на фоне разработки другими командами НАСА широкого спектра миссий после «Аполлона», некоторые из которых могли стоить столько же, сколько и «Аполлон», или даже дороже. В условиях борьбы за финансирование бюджет НАСА одновременно подвергался серьезным ограничениям. Три проекта были представлены вице-президенту Агню в 1969 году. Проект шаттла оказался в приоритете, во многом благодаря неустанной деятельности его сторонников. К 1970 году шаттл был выбран в качестве основного проекта на ближайшую перспективу после «Аполлона». Когда финансирование программы оказалось под вопросом, возникли опасения, что проект может быть отменен. Это привело к попытке заинтересовать ВВС США в использовании шаттла для выполнения их задач. ВВС проявили умеренный интерес, но потребовали значительно более крупный аппарат, намного больше, чем первоначальные концепции, что НАСА приняло, поскольку это также соответствовало их собственным планам. Для снижения стоимости разработки полученных конструкций были добавлены твердотопливные ускорители, принят одноразовый топливный бак и внесены другие изменения, которые значительно снизили возможность повторного использования и существенно увеличили стоимость аппарата и его эксплуатации. С помощью ВВС система приобрела свою окончательную операционную форму.

Before the Apollo 11 Moon landing in 1969, NASA began studies of Space Shuttle designs as early as October 1968. The early studies were denoted "Phase A", and in June 1970, "Phase B", which were more detailed and specific. The primary intended use of the Space Shuttle was supporting the future space station, ferrying a minimum crew of four and about of cargo, and being able to be rapidly turned around for future flights. Two designs emerged as front runners. One was designed by engineers at the Manned Spaceflight Center, and championed especially by George Mueller. This was a two stage system with delta winged spacecraft, and generally complex. An attempt to re simplify was made in the form of the DC 3, designed by Maxime Faget, who had designed the Mercury capsule among other vehicles. Numerous offerings from a variety of commercial companies were also offered but generally fell by the wayside as each NASA lab pushed for its own version. All of this was taking place in the midst of other NASA teams proposing a wide variety of post Apollo missions, a number of which would cost as much as Apollo or more. As each of these projects fought for funding, the NASA budget was at the same time being severely constrained. Three were eventually presented to Vice President Agnew in 1969. The shuttle project rose to the top, largely due to tireless campaigning by its supporters. By 1970 the shuttle had been selected as the one major project for the short term post Apollo time frame. When funding for the program came into question, there were concerns that the project might be canceled. This led to an effort to interest the US Air Force in using the shuttle for their missions as well. The Air Force was mildly interested but demanded a much larger vehicle, far larger than the original concepts, which NASA accepted since it was also beneficial to their own plans. To lower the development costs of the resulting designs, boosters were added, a throw away fuel tank was adopted, and many other changes were made that greatly lowered the reusability and greatly added to the vehicle and operational costs. With the Air Force's assistance, the system emerged in its operational form.

Дискуссия о проекте шаттла

Во время ранних исследований шаттлов велись дебаты об оптимальной конструкции, наилучшим образом сочетающей в себе возможности, стоимость разработки и эксплуатационные расходы. Первоначально предпочтение отдавалось полностью многоразовой схеме. Она предусматривала использование очень большого крылатого экипажного ускорителя, который должен был нести меньший крылатый экипажный орбитальный аппарат. Ускоритель поднимал бы орбитальный аппарат на определенную высоту и скорость, после чего они разделялись бы. Ускоритель возвращался и совершал горизонтальную посадку, а орбитальный аппарат продолжал полет на низкую околоземную орбиту. После завершения миссии орбитальный аппарат должен был войти в атмосферу и совершить горизонтальную посадку на взлетно-посадочную полосу. Предполагалось, что полная многоразовость позволит снизить эксплуатационные расходы. Однако дальнейшие исследования показали, что для подъема орбитального аппарата с необходимой грузоподъемностью потребуется огромный ускоритель. В космических и авиационных системах стоимость тесно связана с массой, поэтому общая стоимость аппарата оказалась бы очень высокой. И ускоритель, и орбитальный аппарат должны были быть оснащены ракетными и реактивными двигателями для работы в атмосфере, а также отдельными топливными и управляющими системами для каждого типа двигателя. Кроме того, одновременно обсуждался объем финансирования, доступного для реализации программы. Другим конкурирующим подходом было сохранение производственной линии Saturn V и использование ее большой грузоподъемности для вывода космической станции несколькими запусками вместо множества более мелких грузов шаттлов. Связанной концепцией было обслуживание космической станции с помощью ракеты Air Force Titan III M для запуска увеличенной капсулы Gemini, получившей название "Большой Gemini", или уменьшенной версии шаттла "планер" без основных двигателей и грузового отсека. Сторонники шаттлов возразили, что при достаточном количестве запусков многоразовая система будет иметь более низкие общие затраты, чем одноразовые ракеты. Если разделить общую стоимость программы на количество запусков, высокая частота запусков шаттлов приведет к снижению предстартовых расходов. Это, в свою очередь, сделает стоимость шаттла конкурентоспособной или даже более выгодной по сравнению с одноразовыми ракетами-носителями. В некоторых теоретических исследованиях упоминалась частота в 55 запусков шаттлов в год, однако окончательный проект не предусматривал такой частоты. В частности, максимальная скорость производства внешних баков была ограничена 24 баками в год на сборочном предприятии NASA в Мишуде. Совокупные требования к космической станции и полезной нагрузке ВВС были недостаточны для достижения желаемой частоты запусков шаттлов. Поэтому планировалось, что все будущие космические запуски в США – космические станции, запуски для ВВС, коммерческие спутники и научные исследования – будут осуществляться исключительно с помощью Space Shuttle. Большинство других одноразовых ускорителей должны были быть постепенно выведены из эксплуатации. От идеи многоразового ускорителя в конечном итоге отказались по нескольким причинам: высокая стоимость (в сочетании с ограниченным финансированием), техническая сложность и риск разработки. Вместо этого была выбрана частично (не полностью) многоразовая конструкция, при которой внешний топливный бак отбрасывался при каждом запуске, а ракетные ускорители и орбитальный аппарат шаттла восстанавливались для повторного использования. Первоначально предполагалось, что орбитальный аппарат будет нести собственный жидкий запас топлива. Однако исследования показали, что размещение топлива во внешнем баке позволит увеличить грузовой отсек при меньших размерах аппарата в целом. Это также означало сброс бака после каждого запуска, но это составляло относительно небольшую часть эксплуатационных расходов. Более ранние проекты предусматривали наличие у крылатого орбитального аппарата реактивных двигателей для помощи в маневрировании в атмосфере после входа в атмосферу. Однако NASA в конечном итоге выбрал планерующий орбитальный аппарат, частично основываясь на опыте, полученном при использовании ракетно-планирующих аппаратов, таких как X-15 и подъемные тела. Отказ от реактивных двигателей и их топлива позволил упростить конструкцию и увеличить грузоподъемность. Еще одним решением был размер экипажа. Некоторые считали, что на шаттле не должно быть более четырех человек – максимальное количество, которое может использовать катапультируемые кресла. Командир, пилот, специалист по миссии и специалист по полезной нагрузке были достаточны для любой миссии. NASA предполагало, что в качестве специалистов по полезной нагрузке будет привлекаться больше участников космических полетов, поэтому аппарат был спроектирован для перевозки большего количества людей. Последним предметом споров была конструкция ускорителей. NASA рассмотрело четыре варианта решения этой проблемы: модернизация существующей нижней ступени Saturn V, использование простых жидкостных двигателей с наддувом нового типа, создание одного большого твердотопливного ускорителя или двух (или более) небольших. Инженеры из Космического центра им. Маршалла NASA (где осуществлялась разработка Saturn V) особенно беспокоились о надежности твердотопливных ускорителей для пилотируемых миссий.

During the early shuttle studies, there was a debate over the optimal shuttle design that best balanced capability, development cost, and operational cost. Initially, a fully reusable design was preferred. This involved a very large winged crewed booster which would carry a smaller winged crewed orbiter. The booster vehicle would lift the orbiter to a certain altitude and speed, then separate. The booster would return and land horizontally, while the orbiter continued into low Earth orbit. After completing its mission, the winged orbiter would re enter and land horizontally on a runway. The idea was that full reusability would promote lower operating costs. However, further studies showed a huge booster was needed to lift an orbiter with the desired payload capability. In space and aviation systems, the cost is closely related to mass, so this meant the overall vehicle cost would be very high. Both booster and orbiter would have rocket engines plus jet engines for use within the atmosphere, plus separate fuel and control systems for each propulsion mode. In addition, there were concurrent discussions about how much funding would be available to develop the program. Another competing approach was maintaining the Saturn V production line and using its large payload capacity to launch a space station in a few payloads rather than many smaller shuttle payloads. A related concept was servicing the space station using the Air Force Titan III M to launch a larger Gemini capsule, called "Big Gemini", or a smaller "glider" version of the shuttle with no main engines and a payload bay. The shuttle supporters answered that given enough launches, a reusable system would have lower overall costs than disposable rockets. If dividing total program costs over a given number of launches, a high shuttle launch rate would result in lower pre launch costs. This in turn would make the shuttle cost competitive with or superior to expendable launchers. Some theoretical studies mentioned 55 shuttle launches per year; however, the final design chosen did not support that launch rate. In particular, the maximum external tank production rate was limited to 24 tanks per year at NASA's Michoud Assembly Facility. The combined space station and Air Force payload requirements were not sufficient to reach desired shuttle launch rates. Therefore, the plan was for all future U. S. space launches—space stations, Air Force, commercial satellites, and scientific research—to use only the Space Shuttle. Most other expendable boosters would be phased out. The reusable booster was eventually abandoned due to several factors: high price (combined with limited funding), technical complexity, and development risk. Instead, a partially (not fully) reusable design was selected, where an external propellant tank was discarded for each launch, and the booster rockets and shuttle orbiter were refurbished for reuse. Initially, the orbiter was to carry its own liquid propellant. However, studies showed carrying the propellant in an external tank allowed a larger payload bay in an otherwise much smaller craft. It also meant throwing away the tank after each launch, but this was a relatively small portion of operating costs. Earlier designs assumed the winged orbiter would also have jet engines to assist maneuvering in the atmosphere after re entering. However NASA ultimately chose a gliding orbiter, based partially on experience from previous rocket then glide vehicles such as the X 15 and lifting bodies. Omitting the jet engines and their fuel would reduce complexity and increase payload. Another decision was the size of the crew. Some said that the shuttle should not carry more than four, the most that could use ejection seats. A commander, pilot, mission specialist, and payload specialist were sufficient for any mission. NASA expected to carry more space flight participants as payload specialists, so designed the vehicle to carry more. The last remaining debate was over the nature of the boosters. NASA examined four solutions to this problem: development of the existing Saturn lower stage, simple pressure fed liquid fuel engines of a new design, a large single solid rocket, or two (or more) smaller ones. Engineers at NASA's Marshall Space Flight Center (where the Saturn V development was managed) were particularly concerned about solid rocket reliability for crewed missions.

Участие ВВС

В середине 1960-х годов ВВС США отменили оба своих основных пилотируемых космических проекта, X-20 Dyna Soar и Manned Orbiting Laboratory. Это продемонстрировало необходимость сотрудничества с НАСА для вывода военных астронавтов на орбиту. В свою очередь, удовлетворяя потребности ВВС, шаттл стал по-настоящему национальной системой, способной доставлять как военные, так и гражданские полезные грузы. НАСА обратилось за поддержкой ВВС в реализации программы шаттла. После Шестидневной войны и советского вторжения в Чехословакию, выявивших ограничения американской сети спутниковой разведки, участие ВВС акцентировало возможность запуска разведывательных спутников на юг, на полярную орбиту, с авиабазы Ванденберг. Для этого требовалась более высокая энергия, чем для орбит с меньшим наклоном. ВВС также надеялись, что шаттл сможет забирать советские спутники и совершать быструю посадку. Поэтому они стремились к возможности приземляться в точке старта на Ванденберге после одного витка, несмотря на то, что Земля вращается на 1609 километров (1000 миль) под орбитальным треком. Это требовало большей площади дельта-крыла, чем у более раннего, простого шаттла "DC-3". Однако НАСА также стремилось к увеличению маневренности, поскольку дальнейшие исследования показали, что конструкция шаттла "DC-3" имела ограничения, которые изначально не были учтены. ВВС США осуществили более 200 запусков спутников-разведчиков в период с 1959 по 1970 год, и большой объем военных полезных грузов мог бы сделать эксплуатацию шаттла более экономичной. Несмотря на потенциальную выгоду для ВВС, военные были удовлетворены своими одноразовыми ракетами-носителями и не нуждались в шаттле, и не хотели его так сильно, как НАСА. Поскольку космическому агентству требовалась внешняя поддержка, Министерство обороны (DoD) и Национальное разведывательное управление (NRO) получили основной контроль над процессом проектирования. Например, НАСА планировало грузовой отсек, но NRO запросило отсек шириной 5 метров, поскольку ожидало, что будущие разведывательные спутники станут больше. Когда Фагет вновь предложил грузовой отсек шириной 3,66 метра (12 футов), военные почти немедленно настояли на сохранении ширины 5 метров. ВВС также получили эквивалент бесплатного использования одного из шаттлов, несмотря на то, что не финансировали его разработку и строительство. В обмен на уступки НАСА, ВВС выступили в поддержку шаттла перед Сенатским комитетом по космосу в марте 1971 года. В качестве дополнительного стимула для использования шаттла военными, Конгресс, по сообщениям, заявил Министерству обороны, что не будет финансировать спутники, не предназначенные для размещения в грузовом отсеке шаттла. Хотя NRO не перепроектировало существующие спутники для шаттла, аппарат сохранил возможность извлекать с орбиты крупные объекты, такие как KH-9 HEXAGON, для модернизации, и агентство изучало возможность дозаправки спутников в космосе. Потенциальное военное применение шаттла, включая возможность использования его для проверки соблюдения Советским Союзом договора ОСВ-II, вероятно, заставило президента Джимми Картера не отменять программу шаттла в 1979 и 1980 годах, когда она отставала от графика на годы и превышала бюджет на сотни миллионов долларов. ВВС планировали создать собственный парк шаттлов и восстановили отдельный стартовый комплекс, первоначально разработанный в рамках отмененной программы Manned Orbiting Laboratory на Ванденберге, под названием Space Launch Complex Six (SLC-6). Однако по различным причинам, в значительной степени из-за гибели космического шаттла "Челленджер" 28 января 1986 года, работы над SLC-6 были окончательно прекращены, и с этого места так и не было произведено ни одного запуска шаттла. Впоследствии SLC-6 использовался для запуска ракет-носителей Athena, построенных компанией Lockheed Martin, включая успешный коммерческий спутник наблюдения Земли IKONOS в сентябре 1999 года, прежде чем он был вновь переконфигурирован для обслуживания нового поколения ракет Boeing Delta IV. Первый запуск тяжелой ракеты Delta IV с SLC-6 состоялся в июне 2006 года, выведя на орбиту NROL-22, секретный спутник для Национального разведывательного управления США (NRO).

During the mid 1960s the United States Air Force had both of its major piloted space projects, X 20 Dyna Soar and Manned Orbiting Laboratory, canceled. This demonstrated its need to cooperate with NASA to place military astronauts in orbit. In turn, by serving Air Force needs, the Shuttle became a truly national system, carrying all military as well as civilian payloads. NASA sought Air Force support for the shuttle. After the Six Day War and the Soviet invasion of Czechoslovakia exposed limitations in the United States satellite reconnaissance network, Air Force involvement emphasized the ability to launch spy satellites southward into polar orbit from Vandenberg AFB. This required higher energies than for lower inclination orbits. The Air Force also hoped that a shuttle could retrieve Soviet satellites and quickly land. It thus desired the ability to land at the Vandenberg liftoff point after one orbit, despite the Earth rotating 1,000 miles beneath the orbital track. This required a larger delta wing size than the earlier simple "DC 3" shuttle. However, NASA also desired this increased maneuvering capability since further studies had shown the DC 3 shuttle design had limitations not initially foreseen. The Air Force launched more than 200 satellite reconnaissance missions between 1959 and 1970, and the military's large volume of payloads would be valuable in making the shuttle more economical. Despite the potential benefits for the Air Force, the military was satisfied with its expendable boosters and did not need or want the shuttle as much as NASA did. Because the space agency needed outside support, the Defense Department (DoD) and the National Reconnaissance Office (NRO) gained primary control over the design process. For example, NASA planned a cargo bay, but NRO specified a bay because it expected future intelligence satellites to become larger. When Faget again proposed a 12 feet (4 m) wide payload bay, the military almost immediately insisted on retaining the 15 feet (5 m) width. The Air Force also gained the equivalent of the use of one of the shuttles for free despite not paying for the shuttle's development or construction. In exchange for the NASA concessions, the Air Force testified to the Senate Space Committee on the shuttle's behalf in March 1971. As another incentive for the military to use the shuttle, Congress reportedly told DoD that it would not pay for any satellites not designed to fit into the shuttle cargo bay. Although NRO did not redesign existing satellites for the shuttle, the vehicle retained the ability to retrieve large cargos such as the KH 9 HEXAGON from orbit for refurbishment, and the agency studied resupplying the satellite in space. Potential military use of the shuttle—including the possibility of using it to verify Soviet compliance with the SALT II treaty—probably caused President Jimmy Carter to not cancel the shuttle in 1979 and 1980, when the program was years behind schedule and hundreds of millions of dollars over budget. The Air Force planned on having its own fleet of shuttles and re built a separate launch facility originally derived from the canceled Manned Orbiting Laboratory program at Vandenberg called Space Launch Complex Six (SLC 6). However, for various reasons, due in large part to the loss of Space Shuttle Challenger on January 28, 1986, work on SLC 6 was eventually discontinued no shuttle launches from that location ever took place. SLC 6 was eventually used for launching the Lockheed Martin built Athena expendable launch vehicles, which included the successful IKONOS commercial Earth observation satellite in September 1999 before being reconfigured once again to handle the new generation of Boeing Delta IV's. The first launch of the Delta IV heavy from SLC 6 occurred in June 2006, launching NROL 22, a classified satellite for the U. S. National Reconnaissance Office (NRO).

Окончательный проект

Хотя НАСА, вероятно, выбрало бы жидкостные ускорители, если бы имело полный контроль над проектированием, Управление по бюджету и управлению настаивало на менее дорогих твердотопливных ускорителях из-за их более низких прогнозируемых затрат на разработку. В то время как конструкция ракеты-носителя с жидкостным топливом обеспечивала лучшие характеристики, более низкую стоимость запуска, меньшее воздействие на окружающую среду и меньший риск разработки, твердотопливные ускорители считались требующими меньшего финансирования в период, когда программа «Шаттл» имела множество различных компонентов, конкурирующих за ограниченные средства на разработку. Окончательный проект представлял собой крылатый орбитальный аппарат с тремя жидкостными двигателями, большим одноразовым внешним баком для жидкого топлива и двумя многоразовыми твердотопливными ускорителями. Весной 1972 года компании Lockheed Aircraft, McDonnell Douglas, Grumman и North American Rockwell представили предложения по строительству шаттла. Группа NASA сочла шаттл Lockheed слишком сложным и дорогим, а компания не имела опыта создания пилотируемых космических кораблей. Предложение McDonnell Douglas было слишком дорогим и имело технические недостатки. У Grumman был отличный проект, который также казался слишком дорогим. Шаттл North American имел самую низкую стоимость и наиболее реалистичные прогнозы затрат, его конструкция была наиболее удобной для текущего обслуживания, а авария «Аполлона-13», связанная с командным и сервисным модулем North American, продемонстрировала опыт компании в устранении неисправностей электрических систем. НАСА объявило о своем выборе в пользу North American 26 июля 1972 года. В программе «Космический шаттл» использовался язык программирования HAL/S. Первым использованным микропроцессором был 8088, а затем 80386. Бортовой компьютер авионики космического шаттла был IBM AP 101.

Оглядываясь назад

Существуют разные мнения об уроках, извлеченных из программы "Шаттл". Разработка велась исходя из первоначальных оценок стоимости и сроков, представленных президенту Ричарду М. Никсону в 1971 году – 6,744 миллиарда долларов в ценах 1971 года (эквивалент $ в текущих долларах) против первоначальной оценки в 5,15 миллиарда долларов. Однако фактические эксплуатационные расходы, частота полетов, грузоподъемность и надежность оказались иными, чем предполагалось.