«Шаттлы»

 

В период с 1975 по 1981 год у США не было пилотируемой космонавтики: «Аполлоны» создавались для лунной программы и были не приспособлены к работе на околоземной орбите (учитывая, что и опыта работы орбитальных станций у США тоже не было). После демонстрационного полета «Союз-Аполлон» в 1975 году, когда в знак потепления отношений между СССР и США на околоземной орбите состоялась стыковка советского космического корабля «Союз» и американского «Аполлона», подходящих средств для выхода в космос у американцев не было.

В это время развитие космонавтики вышло из стадии чисто научных и демонстрационных полетов и перешло в стадию практического освоения околоземной орбиты. В СССР это направление реализовалось в виде строительства орбитальных станций – сначала нескольких «Салютов», потом «Мира». В свою очередь США объявили о переходе на новую ступень в космонавтике – созданию космических кораблей многоразового использования, которые могли бы до двух недель работать на околоземной орбите, то есть сочетали бы в себе функции космического корабля и орбитальной станции.

Говоря о космическом корабле многоразового использования, следует отметить, что в нем предметом многоразового использования является лишь сам корабль, выводимый на орбиту и возвращаемый с нее по принципу самолета, а ракетоноситель, составляющий до 90% массы стартующей ракеты, по-прежнему является одноразовым и сгорает при старте. По другому и не бывает при использовании жидкотопливных средств выведения на орбиту.

Первые пилотируемые полеты на кораблях многоразового использования состоялись в 1981 году. Эта программа, как и сами корабли, получили название «Спейс шаттл» (в переводе с английского - «космический челнок» - очевидно, это название подразумевало, что корабль, подобно челноку в ткацком станке, будет курсировать туда-сюда с орбиты на землю и обратно).

Разрабатываемая с 1972 г. программа «Шаттл» с самого начала практически полностью была подчинена интересам Пентагона. Пентагон также рассчитывал использовать челночные корабли для регулярного вывода в космос спутников-шпионов и другого тяжелого военного оборудования. МТКК «Спейс шаттл» предназначен для вывода космических объектов на геоцентрические орбиты высотой 200—500 км, проведения на орбите научных исследований, технических экспериментов, главным образом военного характера, обслуживания обращающихся по орбите космических объектов (монтажные и ремонтные работы), доставки на Землю результатов исследований и экспериментов с борта этих объектов, а также для доставки на Землю самих объектов с целью ремонта или модификации с последующим повторным выводом на орбиту. Исследования, проведенные в институте прикладной механики АН СССР (теперь институт имени М.В.Келдыша) показали, что ?Спейс Шаттл¦ дает возможность, осуществляя маневр возврата с полу - или одновитковой орбиты по традиционной к тому времени трассе, проходящей с юга над Москвой и Ленинградом, сделав некоторое снижение - ?нырок¦, в их районе сбросить ядерный заряд и в совокупности с действиями других привлеченных средств парализовать систему боевого управления Советского Союза

Максимальная расчетная полезная нагрузка МТКК 29,5 т при выводе со стартового комплекса на мысе Канаверал (шт. Флорида) на круговую орбиту высотой 185 км с наклонением 28°; максимальная полезная нагрузка, доставляемая с орбиты на Землю, 14,5 т. Длина отсека полезной нагрузки 18,3 м, диаметр — 4,6 м. Номинальная длительность орбитального полета 7 суток, максимальная численность экипажа 7 человек, в т. ч. до 4 человек экспериментаторов, не являющихся профессиональными космонавтами. Экипаж совершает полет без скафандров, в которые космонавты облачаются только для выхода в открытый космос. Перегрузки на всех участках полета не превышают 3g. В помещении для космонавтов двухгазовая атмосфера (20% О₂ и 80% N₂).

Масса МТКК ~2000 т, длина 56 м. Он выполнен по двухступенчатой схеме с параллельным расположением ступеней. Первой ступенью служат два твердотопливных ускорителя (масса каждого 586 т, длина 45,5 м, диаметр 3,7 м, тяга на уровне моря 1315 т). Вторая (орбитальная) ступень крылатая пилотируемая (масса с полезной нагрузкой 114 т, длина 37,2 м, размах крыла 23,8 м). Орбитальная ступень оснащена тремя маршевыми водородо-кислородными ЖРД тягой по 170 т на уровне моря, двумя ЖРД маневрирования (тяга по 2,7 т), 38 основными ЖРД ориентации (тяга по 395 кг) и 6 верньерными ЖРД ориентации (тяга по 11,3 кг). ЖРД маневрирования и ЖРД ориентации работают на монометилгидразине и четырехокиси азота.

На орбитальной ступени предусмотрена комплексная система навигации, наведения и управления, способная работать как в автоматич., так и в ручном режимах. Теплозащиту при входе в атмосферу обеспечивают плитки из кварцевого волокна, на особо нагревающихся участках (носок и передние кромки крыла) — материал «углерод-углерод», а на наименее нагревающихся участках — специальный войлок. Для электропитания бортового оборудования служат водородо-кислородные топливные элементы (три батареи с пиковой мощностью по 10 кВт и средней 7 кВт) и аккумуляторные батареи. В гидравлической системе используются газотурбинные силовые установки, работающие на гидразине.

Жидкий водород и жидкий кислород для маршевых ЖРД хранятся в подвесном топливном баке (масса в заправленном состоянии 743 т, длина 47 м, диаметр 8,4 м). Орбитальная ступень рассчитана на 100 полетов, твердотопливные ускорители — на 20, подвесной топливный бак одноразовый.

МТКК стартует вертикально. Первоначально включаются маршевые ЖРД орбитальной ступени, а спустя ~3 сек — твердотопливные ускорители. На высоте ~ 40 км ускорители отделяются и совершают парашютную посадку в океан. Специальные суда буксируют их на стартовый комплекс, а оттуда они доставляются на завод для восстановительного ремонта и снаряжения топливом для повторного полета. После отделения ускорителей маршевые ЖРД продолжают работать и доводят скорость почти до орбитальной. Подвесной бак отделяется, движется по баллистической траектории, совершает вход в атмосферу и разрушается. ЖРД маневрирования обеспечивают доведение скорости до орбитальной, последующие коррекции орбиты и торможение орбитальной ступени для возвращения на Землю. Для управления на участке возвращения на Землю служат элевоны и руль направления. Последний служит также воздушным тормозом. Обеспечивается возможность маневра по боку примерно до ±2000 км, по дальности до 11 000 км. Орбитальная ступень совершает «самолетную» посадку на колесное шасси на полосу длиной ~4500 м в районе стартового комплекса на мысе Канаверал.

Первый испытательный полет МТКК «Спейс шаттл» начался 12 апреля 1981 года – интересно, что в день 20-летней годовщины полета Юрия Гагарина. Не исключено, что эта дата выбиралась специально. Этот первый полет длился 54 ч 20 мин 52 сек (36,5 витка по орбите). Космонавты: Джон Янг (это его 5-й космический полет) и Роберт Криппен (опыта космических полетов не имел). В составе МТКК использовался первый летный образец орбитальной ступени, получивший название «Колумбия».

При первом полете осмотр с помощью бортовой телекамеры показал, что с корпуса отвалилось несколько теплозащитных плиток. Тогда этому никто не придал значения – писали, что «в целом полет оправдал ожидания конструкторов». Этот «мелкий технический недостаток» впоследствии, в 2003 году, приведет к гибели «Колумбии».

Первый полет «Шаттла» вызвали серьезную панику в советском руководстве. Учитывая, что он мог нести оружие, этот корабль мог совершенно открыто «вынырнуть» на нашу страну из космоса и далее продолжать полет в качестве самолета. Во время подобной агрессии он мог нанести ядерный удар практически по любой точке СССР. Полет «шаттла» шокировал советское руководство еще и потому, что советские ученые полагали, что программа «шаттл» окажется неудачной из-за своей низкой эффективности. Создание американского многоразового корабля стимулировало разработку его советского аналога – системы «Энергия»-«Буран».

Тем временем американцы продолжали развивать программу полета шаттлов. Второй испытательный полет «Колумбии» начался 12 ноября 1981 года. Он был рассчитан на 124 ч, но примерно через 6 ч после запуска появилась неисправность в одной из трех батарей водородно-кислородных топливных элементов, которые обеспечивали корабль электроэнергией. В связи с техническими неполадками полет был сокращен до 54 ч. По этой причине астронавтам не удалось полностью осуществить намеченную программу экспериментов. Космонавты: Джо Энгл и Ричард Трули.

В 1982 г. состоялись 3-й и 4-й испытательные полеты МТКК «Спейс шаттл» и первый эксплуатационный полет корабля. Эти полеты получили названия, соответственно, STS-3, STS-4 и STS-5 (Space Transportation System — космическая транспортная система). При всех трех полетах 1982 г., как и при первых двух испытательных полетах STS-1 и STS-2 в 1981 г. использовался первый летный образец орбитальной ступени, получивший название «Колумбия».

При полете STS-4 был размещен комплект полезной нагрузки, подготовленный министерством обороны США. При полете STS-5 впервые удалось с борта «Шаттла» запустить искусственный спутник Земли. Планировался также выход в открытый космос, но по техническим причинам от него пришлось отказаться.

В 1983 г. состоялись четыре эксплуатационных полета МТКК «Спейс шаттл», получившие названия, соответственно, STS-6, STS-7, STS-8 и STS-9. При полетах STS-6, 7 и 8 использовался второй летный образец орбитальной ступени «Чэлленджер», при полете STS-9 — первый летный образец «Колумбия», характеристики которого несколько хуже, чем у последующих образцов.

Полет STS-6 осуществлен с 4 по 9 апреля. Основные задачи полета — первые летные испытания второго образца орбитальной ступени «Чэлленджер», вывод на стационарную орбиту спутника TDRSS-A с использованием (впервые в сочетании с МТКК «Спейс шаттл») двухступенчатого межорбитального буксира IUS и осуществление впервые при полетах МТКК «Спейс шаттл» выхода космонавтов в открытый космос (в отсек полезной нагрузки орбитальной ступени). В задачи полета входили также научно-технические и медико-биологические эксперименты. 3 февраля состоялся выход в открытый космос С. Масгрейва и Д. Петерсона и продолжался 3 час 30 мин. Полет считается успешным, несмотря на аварию буксира IUS, которая заставила отложить с 1983 г. на 1985 г. вывод на орбиту ИСЗ TDRSS-B и ИСЗ военного назначения, рассчитанных на использование этого буксира.

Полет STS-7 осуществлен с 18 по 24 июня. Его длительность 6 суток 2 час 24 мин. МТКК стартовал с мыса Канаверал в 11 час 33 мин по Гринвичу. Орбитальная ступень совершила посадку на грунтовую полосу на базе ВВС Эдуардс. Планировалась первая посадка на мысе Канаверал близ стартового комплекса, однако от этого пришлось отказаться из-за неблагоприятных метеорологических условий. Экипаж: Роберт Криппен (командир, это его 2-й космический полет), Фредерик Хаук (пилот), Джон Фабиан, Норман Тагард и Салли Райд — первая американская женщина-космонавт (через 20 лет после нашей Терешковой). 

Полет STS-8 осуществлен с 30 августа по 5 сентября. Основные задачи полета STS-8 — вывод на стационарную орбиту спутника «Инсат-1В» с использованием межорбитального буксира PAM-D, испытания дистанционного манипулятора с использованием макета полезной нагрузки (макет имел форму гантели, масса 3380 кг, длина 6 м, максимальный диаметр 4,6 м) и осуществление впервые в практике полетов МТКК «Спейс шаттл» ночных старта и посадки, т. к. ночной старт обусловливал ночную посадку. В задачи полета входили также научно-технические, технологические и медико-биологические эксперименты. В состав экипажа был дополнительно включен медик (У.Торнтон) для исследования процесса адаптации человеческого организма к невесомости (до этого американцы практически не имели опыта многодневных полетов, начатых в СССР на «Салютах» более чем за 10 лет до этого, и теперь интенсивно наверстывали упущенное).

Полет STS-9 («Спейслэб-1») осуществлен с 28 ноября по 8 декабря. Основная задача полета — проведение астрономических, геофизических, технических, медико-биологических и технологических исследований и экспериментов (всего 73) в орбитальном блоке «Спейслэб», изготовленном Европейским космическим агентством (ЕКА). Этот блок состоял из герметичного отсека длиной 7 м и диаметром 4 м и открытой платформы длиной 2,87 м и шириной 4,48 м. Герметичный отсек с искусственной атмосферой связан с помещением для экипажа МТКК туннелем-лазом длиной 6 м. Космонавты могут переходить из помещения для экипажа в этот отсек и работать в нем без скафандров. Большую часть намеченных исследований и экспериментов удалось осуществить, например, из 44 запланированных технологических экспериментов выполнен 31. Перед концом полета возникли неполадки в бортовых вычислительных машинах, что заставило продлить полет на 8 час. Незадолго перед посадкой произошло загорание в отсеке газотурбинных силовых установок гидравлич. системы. Несмотря на некоторые неполадки в экспериментальном и служебном оборудовании, полет считается успешным.

С 1984 г. начнутся полеты МТКК «Спейс шаттл» с целью вывода на орбиту полезных нагрузок военного назначения для проведения экспериментов в интересах министерства обороны США. Космическая программа США все в большей степени ориентируется на решение военных задач. На это указывает, в первую очередь, распределение ассигнований на космос. Например, в 1985 финансовом году (начался 1 октября 1984 г.) по линии гражданской организации НАСА они составили 7,15 млрд. долл., а по линии Пентагонаболее 12 млрд. долл., не считая примерно 1 млрд. долл. на так называемые «звездные войны». Значительная роль в обеспечении решения военных задач в космосе отводится МТКК «Спейс шаттл».

Начиная с 1984 финансового года (1 октября 1983 г.— 30 сентября 1984 г.) в США стало использоваться иное обозначение полетов МТКК: вместо аббревиатуры STS с очередным порядковым номером Первая цифра означает финансовый год (например, для обозначения 1984 финансового года используется цифра 4). Вторая цифра указывает космодром, с которого произведен запуск: 1 — космодром на мысе Канаверал, 2 — космодром на базе ВВС Ванденберг, который должен войти в эксплуатацию в начале 1986 г. Буква соответствует порядковому номеру полета в данном финансовом году. Если полет переносится, то его обозначение сохраняется, если отменяется — его обозначение никакому другому полету не присваивается. На 1984 календарный год были запланированы полеты 41В, 41С, 41D, 41Е, 41F, 41G, 41Н, 51А, 51В и 51С*, состоялись лишь полеты 41В, 41С, 41D, 41G и 51А (параметры «рабочей» орбиты при этих полетах указаны в табл. № 4, 15, 32, 39 и 42). Таким образом, из десяти намеченных полетов были осуществлены только пять, а остальные отменены (41Е, F и Н) или отложены на 1985 г. (51В и С) вследствие технических неполадок на МТКК или неготовности полезных нагрузок. В числе полезных нагрузок, выведенных на орбиты в МТКК в 1984 г., два спутника связи военного назначения. Перенесенный на 1985 г. полет 51С предусматривал вывод на орбиту разведывательного спутника и в связи с этим подготавливался в обстановке чрезвычайной секретности.

При полете 41С планировался ремонт спутника на орбите. Предстояло обеспечить сближение орбитальной ступени с ИСЗ, после чего один из космонавтов, оснащенный индивидуальной ранцевой двигательной установкой, преодолевает расстояние между кораблем и спутником, пристыковывается к вращающемуся ИСЗ и с помощью микродвигателей установки MMU ликвидирует его вращение относительно продольной оси. На борту орбитальной ступени был также контейнер с пчелами (примерно 3300 особей, включая матку и рабочих пчел). Предполагалось исследовать, будут ли соты, построенные пчелами в условиях невесомости, иметь такую же правильную геометрическую форму, как соты, созданные в условиях земного тяготения.

8 апреля орбитальная ступень «Челленджер» в результате ряда маневров приблизилась к спутнику SMM на 60 метров. Космонавт Дж. Нельсон, используя установку MMU, сблизился с ИСЗ и трижды пытался к нему пристыковаться, что было необходимо для остановки вращения спутника относительно продольной оси. Все попытки были неудачными. В течение дня 9 апреля спутник удалось стабилизировать по командам с Земли, используя его магнитную систему ориентации. 10 апреля стабилизированный спутник был захвачен манипулятором за держатель и втянут в ОПН. 11 апреля Нельсон и Дж. Ван Хофтен совершили второй выход в открытый космос, длившийся 7 час 18 мин, и провели ремонтные операции. 12 апреля спутник был отпущен в автономный полет и стал передавать научную информацию о Солнце.

Полет 41D (12-й полет МТКК) осуществлен с 30 августа по 5 сентября. В нём впервые использовался третий летный образец орбитальной ступени «Дискавери» («Открытие»). Масса этой ступени на 0,75 т меньше, чем ступени «Челленджер». Ступень «Дискавери» совершила посадку на грунтовую полосу № 17 на базе ВВС Эдуардс.

В 1985 г. начались засекреченные полеты «шаттлов» по программе ПентагонаСША. Помимо этого, в 1985 г. при ряде незасекреченных полетов также выполнялись некоторые эксперименты по программам военных ведомств, в частности по программе СОИ, предусматривавшей проведение исследований в обеспечение создания перспективной системы противоракетной обороны с элементами космического базирования, то есть милитаризацию космического пространства и перенесение гонки вооружений в космос.

Казалось, что полеты «шаттлов» поставлены на серию: в течение 1985 года было осуществлено несколько полетов «шаттлов», на 1986 год было запланировано 15. Однако состоялось только два из них. Полет 61С (24-й полет МТКК) осуществлен 12—18 января . Следующий полет под названием Полет 51L (25-й полет МТКК) кончился катастрофой. МТКК, имевший в своем составе орбитальную ступень «Челленджер», стартовал 28 января в 16 час 38 мин по Гринвичу с мыса Канаверал и взорвался на 73-й секунде полета на высоте около 14 км на участке работы твердотопливных ускорителей (ТТУ). Погиб весь экипаж: Ф. Скоби (командир, это был его второй полет), М. Смит (пилот), Дж. Резник, Э. Онизука, Р. Мак-Нэр (специалисты по операциям на орбите, для всех троих это был второй полет), Г. Джарвис (космонавт-экспериментатор), Ш. К. Мак-Олифф (гражданский наблюдатель-участник). Ш. К. Мак-Олифф — учительница средней школы (была выбрана из 11 146 кандидатов по программе «Учитель в космосе»; в полете она должна была провести два 15-минутных телевизионных урока и снять учебный фильм). Обломки МТКК упали в Атлантический океан в нескольких десятках километров от места старта.

Расследование, проведенное специальной правительственной комиссией, показало, что первопричина аварии — нарушение герметичности стыка задней и нижней средней сборок правого ТТУ (каждый ТТУ монтируется на стартовой платформе из четырех сборок). Вырвавшаяся из стыка струя раскаленных газов привела к взрыву подвесного топливного бака, содержащего жидкий водород и жидкий кислород. Пороки конструкции стыка усугубились довольно низкой температурой воздуха (до минус 4°С) на мысе Канаверал в ночь на 28 января (переохлаждение могло привести к ухудшению характеристик материала уплотнений и герметизирующей мастики в стыках). Выявились недостатки в организации работ в НАСА. Руководство НАСА уделяло недостаточное внимание обеспечению безопасности полетов МТКК, в частности не обратило внимания на угрозу возникновения негерметичности стыков ТТУ. По итогам расследования было принято решение о реорганизации руководства НАСА; о модификации конструкции стыков и некоторых др. технических усовершенствованиях ТТУ, а также поставлен вопрос об обеспечении возможности покидания космонавтами орбитальной ступени в случае аварийной ситуации.

В 1987 г. полетов МТКК «Спейс шаттл» не было - правительственная комиссия расследовала причины катастрофы «Челленджера». В октябре 1987 г. был опубликован официальный график возобновления полетов МТКК. В соответствии с этим графиком, в 1988 г. должны состояться 3 полета, а в 1989 г. и 1990 г.— по 8 полетов. Половина всех полетов в эти годы осуществляется по программам американского министерства обороны. В 1988 году полеты шаттлов возобновились.

26-й полет МТКК начался 29 сентября 1988 года (на 4 месяца позже первоначально запланированного срока). В 1989 году полеты «шаттлов» продолжались - выполнены 28-й, 29-й, 30-й, 31-й и 32-й полеты (соответственно STS-29, STS-30, STS-28, STS-34 и STS-33 – после возобновления полетов шаттлов была возрождена прежняя нумерация полетов).

Выводы:

1.                    благодаря развертыванию программы «Спейс шаттл» американцы выровняли свое отставание СССР в космосе к 1970-м годам и даже вырвались вперед. Если для работы на околоземной орбите советские «Союзы» значительно эффективнее «шаттлов», что показали три десятилетия эксплуатации тех и других, то для следующего этапа – межпланетных полетов – нужны уже именно многоразовые системы.

2.                    тем не менее, реализация программы «шаттл» шла в штурмовом темпе, корабли запускались в космос недоработанными, что вело к многочисленным авариям – от незначительных поломок на орбите до катастрофы «Челленджера» в 1986 году и «Колумбии» в 2003. Поэтому совершенно нелепы попытки антисоветчиков обвинить советское руководство в гибели космонавтов Комарова, Волкова, Добровольского и Пацаева из-за несовершенства самых первых «Союзов» - в США жертвами ничуть не меньшей штурмовщины стали уже не 4, а 14 жертв. Возможно, это неизбежно при первых шагах в космос, да и при любых испытаниях новой техники – работа летчиков-испытателей на новых моделей самолетов тоже часто ведет к катастрофам. Однако впоследствии, когда на смену «экспериментальным» кораблям придут пассажирские межпланетные космические рейсы, то они станут не опаснее, чем полет на самолете. Еще в 1979 году в журнале «Наука и жизнь» (№3 за 1979 год) говорилось: «сегодня комфортность космического полета, как и в авиации, становится скорее экономической, нежели технической проблемой». Сегодня в предлагаемой РКК "Энергия" концепции развития российской пилотируемой космонавтики это поставлено как ориентир при разработке новых поколений космической техники: "Корабль "Клипер" расширит возможный круг потребителей за счет более комфортных условий полета и посадки. Это тоже очень важно, так как позволяет значительно снизить требования к состоянию здоровья людей, которые будут летать на нем в космос. Кроме того, если мы говорим, что система должна быть самоокупаемой, то очевидно, что на корабле должны летать не только профессиональные космонавты, но и непрофессиональные... Таких потребителей при условии снижения стоимости полета и требований к здоровью будет больше, чем сейчас, когда мы летаем на "Союзах". В "Союзе" можно отправить в космос только одного непрофессионального космонавта, а в экипаже "Клипера" смогут выполнять полет одновременно четыре непрофессиональных космонавта (всего в экипаже 6 человек, из них 2 профессионала)"

3.                    в истории военно-технического противостояния между СССР и США часто бывало так, что вслед за каким-то внедренным США техническим новшеством СССР пытался сделать свой вариант адекватного ответа. Иногда этот ответ был удачным. Например, в свое американцы пустили «дезу», что будто бы в США глубоко под землей вырыты многокилометровые тоннели, внутри которых ездят тягачи с ядерными ракетами. Их расчет был на то, что СССР попытается реализовать этот сверхзатратный проект и у себя, что нанесет сильный удар по экономике. Однако «асимметричным ответом» СССР стали на порядки более дешевые и эффективные «ракетные поезда». С другой стороны, неудачным была реакция на проект «СОИ» - это была такая же американская дезынформация, которой советское руководство поверило и, пытаясь защититься, надорвало экономику. Ситуацию с «шаттлами», очевидно, следует отнести к первой группе: советским вариантом «шаттла» стала превосходящая его по всем параметрам система «Энергия»-«Буран».