Введение

Частично многоразовая система запуска и космический самолет – космическая система, используемая NASA.

| статус = Выведена из эксплуатации
| космодромы = Космический центр Кеннеди, LC 39, Космическая база Ванденберг, ВВС Ванденберга, SLC 6
| запусков = 135
| успешных = 133
| неудачных = 2. Космический челнок «Челленджер», «Челленджер», неудачный запуск, 7 погибших, Космический челнок «Колумбия», «Колумбия», катастрофа при возвращении, 7 погибших, класс=катастрофы
| полезная нагрузка = Спутник системы слежения и передачи данных США, Спутник системы слежения и передачи данных, Spacelab, Космический телескоп Хаббл, «Галилео» (космический аппарат), «Галилео», «Магеллан» (космический аппарат), «Магеллан», «Одиссей» (космический аппарат), «Одиссей», Обсерватория гамма-излучения Комптона, Доковый модуль «Мир», Рентгеновская обсерватория Чандра, Этапы сборки МКС, Компоненты МКС, класс=полезная нагрузка

| первый = 12 апреля 1981 г.
| последний = 21 июля 2011 г.

Космический челнок – выведенная из эксплуатации частично многоразовая система космических аппаратов для низких околоземных орбит, эксплуатировавшаяся с 1981 по 2011 год Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) в рамках программы «Космический транспорт». Официальное название программы – Space Transportation System (STS), взятое из плана 1969 года для системы многоразовых космических аппаратов, где это был единственный проект, получивший финансирование для разработки. Первый (STS-1) из четырех орбитальных испытательных полетов состоялся в 1981 году, что привело к началу оперативных полетов (STS-5) в 1982 году. Было построено и совершило полеты пять полностью укомплектованных космических челноков, выполнивших в общей сложности 135 миссий с 1981 по 2011 год. Запуски осуществлялись с Космического центра Кеннеди (KSC) во Флориде. В рамках оперативных миссий были выведены на орбиту многочисленные спутники, межпланетные зонды и Космический телескоп Хаббл (HST), проводились научные эксперименты в космосе, осуществлялось участие в программе «Шаттл-Мир» совместно с Россией, а также выполнялись работы по строительству и обслуживанию Международной космической станции (МКС). Общее время полетов космических челноков составило 1323 дня. Компоненты космического челнока включают орбитальный аппарат (OV) с тремя объединенными основными двигателями Rocketdyne RS 25, пару восстанавливаемых твердотопливных ускорителей (SRB) и одноразовый внешний топливный бак (ET), содержащий жидкий водород и жидкий кислород. Космический челнок запускался вертикально, как обычная ракета, при этом два SRB работали параллельно с тремя основными двигателями орбитального аппарата, которые получали топливо из ET. SRB отделялись до выхода аппарата на орбиту, в то время как основные двигатели продолжали работать, а ET сбрасывался после выключения основных двигателей непосредственно перед выходом на орбиту, для чего использовались два двигателя орбитальной маневренной системы (OMS) орбитального аппарата. По завершении миссии орбитальный аппарат включал свои двигатели OMS для схода с орбиты и возвращения в атмосферу. Во время возвращения в атмосферу орбитальный аппарат защищали плитки системы тепловой защиты, и он планировал как космический самолет, совершая посадку на взлетно-посадочную полосу, обычно на посадочный комплекс шаттлов в KSC, штат Флорида, или на высохшее озеро Роджерс на авиабазе Эдвардс, штат Калифорния. В случае посадки на авиабазе Эдвардс орбитальный аппарат доставлялся обратно в KSC на борту самолета-носителя шаттла (SCA) – специально модифицированного Boeing 747, предназначенного для перевозки шаттла над собой. Первый орбитальный аппарат, «Энтерпрайз», был построен в 1976 году и использовался для испытаний сближения и посадки (ALT), но не имел возможности выходить на орбиту. Первоначально было построено четыре полностью функциональных орбитальных аппарата: «Колумбия», «Челленджер», «Дискавери» и «Атлантис». Из них два были потеряны в результате аварий: «Челленджер» в 1986 году и «Колумбия» в 2003 году, в результате чего погибли в общей сложности 14 астронавтов. Пятый оперативный (и шестой в общей сложности) орбитальный аппарат, «Эндевор», был построен в 1991 году для замены «Челленджера». Три оставшихся в живых оперативных аппарата были выведены из эксплуатации после последнего полета «Атлантис» 21 июля 2011 года. Для доставки астронавтов на МКС США полагались на российский космический корабль «Союз» с момента последнего полета шаттла до запуска миссии Crew Dragon Demo 2 в мае 2020 года.

Исторический фон

В конце 1930-х годов немецкое правительство запустило проект "Amerikabomber", и идея Юджина Сангера, совместно с математиком Ирен Бредт, заключалась в создании крылатой ракеты под названием Silbervogel (с немецкого – "серебряная птица"). В 1950-х годах ВВС США предложили использовать многоразовый пилотируемый планер для выполнения военных операций, таких как разведка, атаки на спутники и применение авиационных средств поражения. В конце 1950-х годов ВВС начали разработку частично многоразового аппарата X-20 Dyna Soar. ВВС сотрудничали с НАСА в рамках программы Dyna Soar и начали подготовку шести пилотов в июне 1961 года. Рост стоимости разработки и приоритет, отданный проекту Gemini, привели к отмене программы Dyna Soar в декабре 1963 года. Помимо Dyna Soar, в 1957 году ВВС провели исследование для оценки возможности повторного использования ускорителей. Это послужило основой для создания аэрокосмического самолета – полностью многоразового космического корабля, разработка которого не вышла за рамки начальной фазы проектирования в 1962–1963 годах. Начиная с начала 1950-х годов, НАСА и ВВС совместно разрабатывали летательные аппараты с несущим корпусом для испытания самолетов, создающих основную подъемную силу за счет фюзеляжа, а не крыльев, и испытывали NASA M2-F1, Northrop M2-F2, Northrop M2-F3, Northrop HL-10, Martin Marietta X-24A и Martin Marietta X-24B. В рамках этой программы были протестированы аэродинамические характеристики, которые впоследствии были учтены при проектировании космического шаттла, включая посадку без работы двигателей с большой высоты и скорости.

Процесс проектирования

24 сентября 1966 года, когда космическая программа «Аполлон» приближалась к завершению проектирования, НАСА и ВВС США опубликовали совместное исследование, пришедшее к выводу о необходимости разработки нового аппарата для удовлетворения будущих потребностей обеих организаций, и о том, что наиболее экономически эффективным решением будет частично многоразовая система. Вместо заключения контракта на основе первоначальных предложений, НАСА объявило о поэтапном подходе к заключению контрактов и разработке космического челнока: фаза А представляла собой запрос на проведение исследований конкурирующими аэрокосмическими компаниями, фаза B – конкурс между двумя подрядчиками за конкретный контракт, фаза С включала детальное проектирование компонентов космического корабля, а фаза D – его производство. Лаборатория динамики полёта ВВС утверждала, что конструкция с прямым крылом не выдержит высоких тепловых и аэродинамических нагрузок при повторном входе в атмосферу и не обеспечит требуемую дальность полёта. Кроме того, ВВС требовалась большая грузоподъемность, чем позволяла конструкция, предложенная Фаже. В январе 1971 года руководство НАСА и ВВС приняло решение, что оптимальной конструкцией для космического челнока будет многоразовый орбитальный аппарат с дельта-крылом, установленный на одноразовом топливном баке. В августе того же года НАСА заключила контракт с North American Rockwell на строительство орбитального аппарата, в августе 1973 года – контракт с Martin Marietta на поставку внешнего топливного бака, а в ноябре – контракт с Morton Thiokol на поставку твердотопливных ускорителей. Rockwell построил опытный образец главного двигателя (MPTA) 098 – структурную ферму, установленную на внешнем топливном баке с тремя двигателями RS 25. Он был испытан в Национальной лаборатории космических технологий (NSTL) для подтверждения возможности безопасной работы двигателей в течение всего профиля запуска. НАСА координировало с ВВС использование спутников для получения изображений нижней поверхности «Колумбии» и установило отсутствие повреждений.

Описание

Космический челнок был первым серийным орбитальным космическим аппаратом, разработанным для повторного использования. Каждый орбитальный аппарат челнока был рассчитан на 100 запусков или десять лет эксплуатации, хотя впоследствии этот срок был продлен. При запуске он состоял из орбитального аппарата, в котором размещались экипаж и полезная нагрузка, внешнего топливного бака (ET) и двух твердотопливных ускорителей (SRB). Ответственность за компоненты челнока была распределена между несколькими центрами НАСА. Космический центр Кеннеди (KSC) отвечал за запуск, посадку и предполётную подготовку для экваториальных орбит (единственного типа орбит, фактически использовавшегося в программе). Военно-воздушные силы США на базе Ванденберг отвечали за запуск, посадку и предполётную подготовку для полярных орбит (хотя они так и не были использованы). Космический центр имени Джонсона (JSC) являлся центральным координационным центром всех операций с челноком, а Центр космических полётов имени Маршалла (MSFC) отвечал за основные двигатели, внешний топливный бак и твердотопливные ускорители. Космический центр имени Джона Стенниса проводил испытания основных двигателей, а Центр космических полётов Годдарда управлял глобальной сетью слежения.

Орбитальный аппарат

Орбитальный аппарат сочетал в себе конструктивные элементы и возможности как ракеты, так и самолета, что позволяло ему стартовать вертикально и затем совершать посадку в режиме планирования. В ходе испытательных полетов экипаж состоял всего из двух человек – командира и пилота, оба были квалифицированными летчиками, способными управлять и посадить аппарат. Операции на орбите, такие как эксперименты, развертывание полезной нагрузки и выходы в открытый космос, выполнялись преимущественно специалистами миссии, прошедшими специальную подготовку для конкретных задач и систем. На ранних этапах программы «Спейс Шаттл» NASA привлекало специалистов по полезной нагрузке, которые, как правило, представляли компании-заказчики, оплачивавшие развертывание или эксплуатацию полезной нагрузки. Последним специалистом по полезной нагрузке был Грегори Б. Джарвис, участвовавший в миссии STS-51L, после чего все непрофессиональные пилоты стали именоваться специалистами миссии. На миссиях STS-51C и STS-51J в качестве бортового инженера космического полета летал астронавт, представлявший вооруженные силы и отвечавший за полезную нагрузку Национального разведывательного управления. Типичный экипаж «Спейс Шаттла» насчитывал семь астронавтов, однако на STS-61A их было восемь. Шлюзовой модуль мог быть установлен в средней части грузового отсека или соединен с ним, находясь при этом в грузовом отсеке. Имея внутренний цилиндрический объем диаметром и длиной, он мог вместить двух астронавтов в скафандрах. Он оснащен двумя D-образными люками длиной (диаметром) и шириной. В ходе миссий «Спейс Шаттл» обычно использовался портативный универсальный бортовой компьютер (PGSC), который мог интегрироваться с компьютерами и системой связи орбитального аппарата, а также контролировать научные данные и данные полезной нагрузки. На ранних этапах миссий в качестве PGSC использовался Grid Compass – один из первых ноутбуков, но в более поздних миссиях применялись ноутбуки Apple и Intel.

Площадь полезной нагрузки

В грузовом отсеке размещалась большая часть фюзеляжа орбитального аппарата и обеспечивалось пространство для размещения полезных грузов космического шаттла. Его длина составляла 18 метров, ширина – 5 метров, и он мог вмещать цилиндрические грузы диаметром до 5 метров. Две двери грузового отсека крепились на шарнирах по обеим сторонам отсека и обеспечивали относительно герметичное уплотнение для защиты грузов от нагрева во время запуска и схода с орбиты. Полезные грузы крепились в грузовом отсеке к точкам крепления на лонжеронах. Двери грузового отсека также выполняли функцию радиаторов для отвода тепла от орбитального аппарата и открывались после выхода на орбиту для рассеивания тепла.

Двигатели RS-25

Три двигателя RS 25, также известные как главные двигатели космического челнока (SSME), были установлены на кормовом фюзеляже орбитального аппарата в треугольном порядке. Сопла двигателей могли отклоняться на ±10,5° по углу тангажа и ±8,5° по углу рыскания во время подъема, чтобы изменять направление тяги для управления шаттлом. Многоразовые двигатели из титанового сплава были независимы от орбитального аппарата и извлекались для замены между полетами. RS 25 – это криогенный двигатель с двухступенчатым циклом сгорания, работавший на жидком кислороде и водороде и имевший более высокое давление в камере сгорания, чем любой предыдущий ракетный двигатель на жидком топливе. Оригинальная камера сгорания работала при максимальном давлении. Сопло двигателя высокое и имеет внутренний диаметр. Сопло охлаждалось 1080 внутренними каналами, по которым циркулировал жидкий водород, и защищалось от тепловых воздействий теплоизоляционными и абляционными материалами. Разгонный блок (ET) подавал топливо к главным двигателям космического челнока с момента старта до выключения главных двигателей. ET отделялся от орбитального аппарата через 18 секунд после выключения двигателя и мог быть отсоединен автоматически или вручную. В момент отделения орбитальный аппарат втягивал свои стыковочные пластины, а соединительные кабели герметизировались, чтобы предотвратить утечку избыточного топлива в орбитальный аппарат. После среза болтов, крепивших конструктивные элементы, ET отделился от орбитального аппарата. В момент отделения из носовой части выпускался газообразный кислород, чтобы вызвать кувырок ET, обеспечивая его разрушение при возвращении в атмосферу. ET был единственным крупным компонентом системы космического челнока, который не повторно использовался, и он следовал по баллистической траектории в Индийский или Тихий океан. Каждый твердотопливный ускоритель (SRB) имел высоту 45 метров и ширину 4 метра, вес и стальную обшивку толщиной. Основными компонентами SRB были твердотопливный двигатель, носовой обтекатель и сопло ракеты. Твердотопливный двигатель составлял основную часть конструкции SRB. Его корпус состоял из 11 стальных секций, образующих четыре основных сегмента. В носовом обтекателе размещались двигатели разделения передней части и парашютные системы, использовавшиеся при возвращении. Сопла ракеты могли отклоняться до 8° для корректировки траектории в полете. Shuttle Carrier Aircraft (SCA) – это два модифицированных самолета Boeing 747, способных перевозить орбитальный аппарат на спине. Первый SCA (N905NA) совершил свой первый полет в 1975 году и использовался для испытательных полетов (ALT) и транспортировки орбитального аппарата с авиабазы Эдвардс в KSC во всех миссиях до 1991 года. Второй SCA (N911NA) был приобретен в 1988 году и впервые использовался для транспортировки "Эндевора" с завода в KSC. После завершения программы "Космический челнок" N905NA был выставлен в JSC, а N911NA – в аэропорту Джо Дэвиса в Палмдейле, штат Калифорния. Crew Transport Vehicle (CTV) – это модифицированный аэропортовый трап, использовавшийся для помощи астронавтам в выходе из орбитального аппарата после посадки, где они проходили послеполетные медицинские осмотры. Astrovan перевозил астронавтов из жилых отсеков в здании подготовки и запуска на стартовую площадку в день старта. Железная дорога NASA состояла из трех локомотивов, которые перевозили сегменты SRB от железной дороги East Coast Railway во Флориде (Титусвилл) в KSC.

Подготовка к запуску

Космический челнок готовился к запуску главным образом в VAB на KSC. Твердотопливные ускорители собирались и прикреплялись к внешнему баку на MLP. Орбитальный аппарат подготавливался на Орбитальном обрабатывающем комплексе (OPF) и переводился в VAB, где с помощью крана он устанавливался в вертикальное положение и соединялся с внешним баком. Запуск космического челнока не осуществлялся в условиях, когда он мог быть поражен молнией, поскольку его выхлопная струя могла спровоцировать возникновение молнии, создавая проводящий путь к земле после старта, как это произошло с "Аполлоном-12". Правило НАСА, касающееся запуска шаттлов, гласило, что кучево-дождевое облако (облако в форме наковальни) не должно появляться на расстоянии, определяемом офицером по погоде для запуска. Офицер по погоде для запуска контролировал условия до принятия окончательного решения об отмене запуска. Помимо погоды на стартовой площадке, условия должны были быть приемлемыми в одной из зон аварийной посадки через Атлантический океан и в районе восстановления твердотопливных ускорителей.

Запуск

Экипаж миссии и персонал Центра управления запуском (ЦКР) завершили проверку систем на протяжении всего отсчета времени. Два запланированных удержания в T-20 минут и T-9 минут предоставляли возможность устранить любые неполадки и провести дополнительную подготовку. В T-10 секунд под каждым соплом двигателя были активированы водородные зажигатели для выжигания остаточного газа в конусах перед запуском. Несгорание этих газов могло привести к срабатыванию бортовых датчиков и создать риск повышения давления и взрыва ракеты во время фазы зажигания. Превентильные клапаны водородного бака были открыты в T-9,5 секунд в подготовку к запуску двигателей. Между T-6,6 секунды и T-3 секунды, когда двигатели RS 25 работали, а твердотопливные ускорители (SRB) оставались закрепленными на стартовой площадке, смещенная тяга заставляла космический челнок отклоняться вниз, что измерялось на вершине внешнего топливного бака; трехсекундная задержка позволяла всей конструкции вернуться почти в вертикальное положение перед зажиганием SRB. Это движение прозвали "рывком" (или "твангом"). В T-0 восемь хрупких гаек, удерживавших SRB на стартовой площадке, были подорваны, последние соединительные кабели отключены, двигателям SSME было дано задание выйти на 100% тяги, и SRB были запущены. К T+0,23 секунды SRB набрали достаточную тягу для начала подъема и достигли максимального давления в камере к T+0,6 секунды. Кормовые реактивные двигатели RCS были отключены, поскольку элероны, рули высоты и руль направления стали эффективными в нижних слоях атмосферы. На высоте 45720 метров орбитальный аппарат открыл тормозной щиток на вертикальном стабилизаторе. За 8 минут 44 секунды до посадки экипаж выпустил датчики воздушных данных и начал уменьшать угол атаки до 36°. Система кондиционирования и фреоновые линии были подключены для охлаждения экипажа и оборудования, а также для отвода избыточного тепла, образующегося при возвращении в атмосферу.

Бюджет

Общий бюджет NASA на программу «Космический челнок» оценивался в 221 миллиард долларов США (в ценах 2012 года). Повторяющиеся предупреждения инженеров-конструкторов, выражавшие опасения по поводу отсутствия подтверждений безопасности уплотнительных колец при температуре ниже определенной, были проигнорированы руководством NASA. В результате, возможность сценариев ремонта или спасения астронавтов шаттлом «Атлантис» не рассматривалась руководством NASA в то время.

Критика

Частичная повторная используемость космического шаттла была одним из основных конструкторских требований на этапе его первоначальной разработки. Трагические катастрофы «Челленджера» и «Колумбии» продемонстрировали риски для безопасности космического шаттла, которые могли привести к гибели экипажа. Конструкция космического самолета-орбитального аппарата ограничивала возможности аварийного прерывания полета, поскольку сценарии аварийного прерывания требовали управляемого полета орбитального аппарата к взлетно-посадочной полосе или индивидуального покидания корабля экипажем, в отличие от возможностей аварийного спасения, предусмотренных в космических капсулах «Аполлон» и «Союз». Первоначальные оценки безопасности, представленные инженерами и руководством НАСА, предсказывали вероятность катастрофической неисправности, приводящей к гибели экипажа, в диапазоне от 1 на 100 запусков до 1 на 100 000. После потери двух миссий космического шаттла риски для первых миссий были пересмотрены, и вероятность катастрофической потери корабля и экипажа оценивалась как 1 к 9. Руководство НАСА подверглось критике за то, что оно допустило увеличение риска для экипажа в обмен на более высокую частоту выполнения миссий. Отчеты о катастрофах «Челленджера» и «Колумбии» показали, что корпоративная культура НАСА не обеспечила безопасность экипажа из-за необъективной оценки потенциальных рисков миссий.

Выход на пенсию

О завершении эксплуатации космических челноков было объявлено в январе 2004 года. Для обеспечения надлежащей сборки МКС в марте 2006 года страны-участницы определили необходимость в 16 оставшихся миссиях по сборке. После завершающего полета каждого орбитального аппарата он проходил обработку для обеспечения безопасности при экспонировании. Основную опасность представляли системы OMS и RCS из-за их токсичного гиперголического топлива, поэтому большинство их компонентов были навсегда удалены для предотвращения опасного выделения газов. "Атлантис" экспонируется в комплексе для посетителей Космического центра Кеннеди во Флориде, "Дискавери" – в Центре Стивена Ф. Удвар-Хази в Вирджинии, "Эндевор" – в Калифорнийском научном центре в Лос-Анджелесе, а "Энтерпрайз" – в музее "Интрепид" в Нью-Йорке. Компоненты орбитальных аппаратов были переданы ВВС США, программе МКС, а также правительствам России и Канады. Двигатели были демонтированы для использования в системе космического запуска, а запасные сопла RS 25 установлены в целях демонстрации.