Как «шаттл» Москву «бомбил»

1. Многоразовая космическая система «Спейс шаттл»

Прежде чем перейти к сути нашей работы – анализу материала авторства Юрия Георгиевича Сихарулидзе, – остановимся подробнее на объекте, который рассматривал в своем отчете старший научный сотрудник ИПМ АН СССР, а именно на американской многоразовой космической системе «Спейс шаттл». Причем возьмем для рассмотрения примерно те же данные о заокеанском космическом челноке, которыми мог обладать и сам Ю.Г.Сихарулидзе в середине 70-х годов двадцатого века.

По своей сути «Спейс Шаттл» - многоразовая транспортная космическая система, то есть такая система, которая может совершать космические полеты не один раз, и составные части которой могут использоваться многократно.

Конструктивно американский «Спейс шаттл» состоял из двух ступеней:

- первой ступени - двух отделяемых при выводе космического корабля на околоземную орбиту и спасаемых на парашютах твердотопливных ускорителей, приводнявшихся в океане недалеко от космодрома на мысе Канаверал в штате Флорида (США). Изначально было предусмотрено двадцатикратное использование твердотопливных ускорителей;

- второй ступени - орбитального корабля (космического самолета) с тремя маршевыми кислородно-водородными двигателями, к которому крепился подвесной топливный бак. Топливный бак отделялся во время выхода орбитальной ступени в космос, разрушался и практически полностью сгорал в земной атмосфере, являясь единственным одноразовым элементом во всей системе «Спейс шаттл». Планировалось не менее чем стократное использование орбитального корабля. Кислородно-водородные двигатели рассчитывались на 55 полетов орбитальной ступени.

На стартовой позиции «Спейс шаттл» смотрелся весьма внушительно: его высота была 56,14 метров, средняя масса при старте 2045 тонн, из которых на полезный груз приходилось 29,5 тонн (полезный груз от общего веса всей космической системы составлял примерно 1,4 процента).

Твердотопливные ускорители имели длину 45,5 метра, диаметр 3,71 метров. Общая масса двух ускорителей - 1180 тонн. Они должны были отработать 123 секунды после запуска.

Внешний топливный бак имел внушительные габариты: длина - 47 метров, диаметр - 8,38 метра. Масса бака при старте - 756 тонн. В баке находилось 103 тонны горючего (жидкий водород) и 616 тонн окислителя (жидкий кислород).

Длина орбитальной ступени составляла 37,24 метра, размах крыла - 23,79 метра, высота 17,27 метра. «Сухой» вес аппарата - около 68,5 тонн, взлетный вес - от 85 до 114 тонн - в зависимости от программы полета и полезной нагрузки, посадочный вес с возвращаемым грузом на борту - 84,26 тонны. В качестве компонентов топлива на орбитальной ступени использовались: горючее – метилгидразин, окислитель - тетраоксид диазота.

Орбитальная ступень шаттла имела теплозащиту четырех типов. В самых теплонапряженных местах -носок фюзеляжа и передняя кромка крыла - расчётная температура составляла около 1430º С. В этих местах применялся многослойный углерод-углеродный композитный материал. Нижняя поверхность орбитальной ступени, где нагрев при спуске в атмосфере с орбиты составляет от 650 до 1260º С, покрывалась плитками из материала на основе кварцевого волокна.

Верхняя и боковые поверхности «Спейс шаттла» - там, где температура составляет 315-650º, защищались плитками низкотемпературной изоляции, а на всех остальных местах корпуса температура не превышала 370º С - поэтому здесь использовался войлочный материал, покрытый силиконовой резиной.

Когда «Спейс шаттл» проектировался, считалось, что он при стартовой массе около 2000-2050 тонн будет выводить:

- на орбиту с наклонением 28,5 градусов полезную нагрузку массой 29,5 тонн,

- на орбиту высотой 500 километров и наклонением 55 градусов - 11 300 килограмм при запуске из Центра космических полетов им. Кеннеди на мысе Канаверал;

- на солнечно-синхронную орбиту - 14,5 тонн;

- на приполярную орбиту высотой 185 километров - 14,5 тонн при запуске с космодрома на базе ВВС Ванденберг в Калифорнии.

Возвращать на Землю с орбиты предполагалось полезный груз массой не менее 14,5 тонн.

По расчетам для обеспечения экономической эффективности «Спейс шаттла», он должен был стартовать около 55-60 в год.

Для выполнения орбитальных полетов ВВС США и НАСА были разработаны два вида одноразовых твердотопливных многоступенчатых буксиров -соответственно JUS и SSUS. Такое решение было принято, поскольку твердотопливные буксиры имели низкую стоимость изготовления. РДТТ были просты в эксплуатации и высоконадежны. Космические буксиры JUS и SSUS обеспечивали запуск полезных грузов массой 2,3 тонны на геостационарную орбиту, 2,72 тонны на 12-часовую орбиту и более 5 тонн на межпланетные траектории.

При выведении на околоземную орбиту «Спейс шаттл» фактически выполнял функции ракеты-носителя. При старте с Земли начинали работать три двигателя орбитальной ступени и два твердотопливных ускорителя. РДТТ обеспечивали дополнительную тягу на начальном участке траектории выведения. Топливо для работы кислородно-водородных двигателей во время полета заправлялось в подвесной топливный бак и полностью расходовалось в процессе выведения на орбиту. Управление полетом всей системы «Спейс шаттл» осуществлялось отклонением вектора тяги двигателей. На атмосферном участке полета космической системы для управления полетом использовалось дополнительно отклонение руля направления орбитальной ступени. Примерно на 125 секунде после старта с Земли при достижении высоты полета около 50 километров и скорости движения всей системы 1400 м/с происходило отделение твердотопливных ускорителей с помощью восьми небольших твердотопливных ракетных двигателей. Ускорители продолжали неуправляемый полет по баллистической траектории. На высоте около 7,6 километров раскрывались тормозные, а на высоте примерно 4,8 километров - основные парашюты. На 463 секунде после старта ускорители приводнялись в Атлантическом океане на расстоянии 250-260 километров от стартовой позиции космодрома на мысе Канаверал. Специальная эвакуационная группа вылавливала ускорители и буксировала к берегу. Затем проводился комплекс восстановительных работ для повторного использования их при будущих запусках «Спейс шаттла».

После отделения твердотопливных ускорителей три основных водородно-кислородных двигателя орбитальной ступени шаттла продолжали работать до достижения всей системой скорости, близкой к орбитальной. На 480 секунде полета подвесной топливный бак отделялся от крылатой орбитальной ступени. Спасение его программой полета «Спейс шаттла» не предусматривалось. В дальнейшем бак шаттла совершал неуправляемый полет. Он сходил с орбиты по баллистической траектории, падал, разрушаясь в плотных слоях земной атмосферы. Отдельные не разрушившиеся элементы бака достигали вод Тихого или Индийского океанов в заранее выбранных пустынных районах.

С помощью двигателей системы орбитального маневрирования, установленных на орбитальной ступени, давался дополнительный импульс по приращению скорости корабля. Шаттл выводился на опорную орбиту. Эти же двигатели орбитального маневрирования могли использоваться и при аварийном прекращении штатного полета на участке выведения «Спейс шаттла», и для его межорбитальных перемещений, и для сближения с космическими аппаратами и стыковки с орбитальными станциями, и для выдачи тормозного импульса при сходе с орбиты орбитальной ступени в ходе ее посадки на Землю. После торможения и маневрирования на атмосферном участке спуска орбитальная ступень совершала посадку на полосу стартово-посадочного комплекса или запасного аэродрома.

При полете экипаж состоял из 2-8 астронавтов (обычно в большинстве полетов было от 5 до 7 астронавтов) и размещался на верхней и средней палубах кабины орбитальной ступени. В кабине корабля располагались органы управления полетом, рабочие и спальные места астронавтов, кухня, кладовая, санитарный отсек, шлюзовая камера, посты управления операциями и полезной нагрузкой, другое оборудование. Общий герметизированный объем кабины – 75

кубических метров. Расчетные давление и температура на борту корабля соответственно 760 мм рт. ст. и 18,3 -26,6º С.

Полезный груз, выводимый орбитальной ступенью в космос, располагался в ее грузовом отсеке. Грузовой отсек имел размеры 18,3 х 4,6 метра и объем 339,8 кубических метра. После выведения на околоземную орбиту створки грузового отсека раскрывались. Вместе с ними поворачивались в рабочее положение радиаторы системы охлаждения на внутренней поверхности створок. Груз выводился в космос либо с помощью орбитальных буксиров, либо с помощью специальной трехзвеньевой «руки-манипулятора» длиной 15,3 метра, размещенной в самом грузовом отсеке.

При возникновении аварийной ситуации на участке выведения на орбиту «Спейс шаттла» рассматривалось несколько вариантов действия:

1) при первых четырех полетах «Спейс шаттла» предусматривалось катапультирование двух астронавтов в случае аварийной ситуации без спасения орбитальной ступени и полезной нагрузки. Однако катапультные кресла могли работать только на скоростях до 3 Мах и на высотах до 30 километров, а эти пределы покрывали лишь незначительный участок полета шаттла;

2) продолжение полета шаттла, отделение твердотопливных ускорителей и внешнего топливного бака и возвращение орбитальной ступени на посадочную полосу, расположенную недалеко от места запуска. После отделения твердотопливных ускорителей шаттл совершал поворот вокруг поперечной оси. При этом его основные двигатели продолжали работать и работали до момента полного гашения взлетной скорости. Отделив топливный бак, корабль возвращался назад на космодром и производил нормальную планирующую посадку на посадочную полосу Космического Центра Кеннеди или космодрома Ванденберг (в зависимости от того, откуда он стартовал).Этот режим полета с возвращением к месту старта являлся одним из самых трудных и для экипажа, и для орбитальной ступени;

3) продолжение полета шаттла при аварии с его выходом на посадочную траекторию после отделения твердотопливных ускорителей и внешнего топливного бака, посадка корабля на запасные полосы. Этот режим полета при аварийной ситуации мог быть выбран через приблизительно 2 минуты и 30 секунд после отрыва от стартового стола и до момента планового отключения основных двигателей (около 8 с половиной минут после запуска). При этом шаттл мог теоретически совершить посадку на любую подходящую посадочную полосу длиной не менее 3000 метров, то есть практически в большинстве крупных гражданских аэропортов. В разное время для таких посадок шаттлов рассматривались посадочные полосы базы ВВС в Истре (Франция), базы ВВС в Сарагосе и Мороне (Испания), базы ВВС Бен Герир в Марокко, базы Королевских ВВС Фэйрфорд (Великобритания), Международного аэропорта Гандер, Ньюфаундленд (Канада), Международного аэропорта Банджул в Гамбии, Международного аэропорта Малам Амину Кано в Нигерии, Международного аэропорта Шаннон (Ирландия), Ист-Айленда (при запусках с космодрома на базе Ванденберг), полосы Рота (Испания), Касабланки (Марокко), Дакара (Сенегал), Лажес, Бежа, (Португалия), Кеблавик (Исландия), а также аэропорты Кельн-Бонн (Германия), Манчинг около Мюнхена (Германия), Анкары (Турция), Эр-Рияда (Саудовская Аравия), Диего-Гарсии (Британская территория в Индийском океане), Мирабл (Канада). До запуска «Спейс шаттла» из этого списка выбирались две полосы в зависимости от программы предстоящего полета. Среднее время полета от старта с площадки Космического Центра Кеннеди на мысе Канаверал до посадки на одном из аэродромов в Европе по расчетам составляло около 20 минут;

4) продолжение полета шаттла при аварии на участке выведения с его выходом на одновитковую траекторию для последующей посадки на полосу вблизи стартового комплекса после выполнения входа в атмосферу и маневров (в том числе и боковых) перед посадкой. Этот режим полета выбирался в том случае, когда шаттл не мог достичь заданной орбиты, но набрал такую скорость, чтобы совершить хотя бы один оборот вокруг Земли и затем приземлиться на посадочной полосе около стартового комплекса. Вероятность осуществления такого режима полета была крайне мала, поскольку временное «окно» для его реализации составляло всего лишь несколько секунд между временем режимов с посадкой на запасном космодроме (см. 3) ) и выходом на околоземную орбиту, на которой шаттл мог совершить несколько витков перед посадкой на Землю (см. 5) );

5) продолжение полета после возникновения аварийной ситуации с выходом космического челнока на околоземную орбиту. После нескольких витков ожидания осуществлялась посадка на полосу вблизи стартового комплекса или на запасной аэродром;

6) продолжение полета с выходом орбитальной ступени «Спейс шаттла» на орбиту для последующей эвакуации ее экипажа и, возможно, даже ее полезной нагрузки с помощью других космических кораблей, запущенных с Земли;

7) прерывание полета на участке выведения в том, случае, когда орбитальная ступень получала настолько серьезные повреждения, что ни один из описанных выше режимов полета осуществить бы не удавалось. В этом случае была возможна посадка корабля на воду или, -при аварийной ситуации на ранних этапах участка выведения, - приземление его на восточном побережье США. Для таких посадок могли быть использованы посадочные полосы в США (международные аэропорты Бангор, Уилмингтон, Пис в Портсмуте (штат Нью-Хэмпшир) и Атлантик-Сити (штат Нью-Джерси), аэропорт им. Фрэнсиса С.Джэбрэски на Лонг-Айленд (штат Нью-Йорк), воздушная станция Морской пехоты США Черри-пойнт (штат Северная Каролина), NAS Oceana и авиационный центр на о. Уоллопс (штат Виргиния), база ВВС Довер в штате Делавэр, Otis ANGB в штате Массачусетс) и в Канаде (Галифакс (провинция Новая Шотландия), Стэфенвилль, Сент-Джонс, Гандер, Гуус-Бэй Ньюфаундленд).

Окончательно облик «Спейс шаттла» был утвержден в марте 1972 года на базе разработанного в Хьюстоне проекта MSC-040С.

26 июля 1972 года был подписан контракт с отделением космических транспортных систем компании North American Rockwell на общую сумму 2,6 миллиардов долларов. Компания должна была спроектировать орбитальную ступень «Спейс шаттла», а также изготовить два стендовых и два летных корабля. Разработку боковых ускорителей поручили United Space Boosters Inc., их твердотопливных двигателей - Morton Thiokol, маршевых двигателей шаттла - Rocketdyne, внешнего топливного бака - Martin Marietta.

В начале 70-х годов двадцатого века разработка космической многоразовой системы «Спейс шаттл» оценивалась в 5,15 миллиардов долларов. Расчет оказался, мягко говоря, не совсем верным: стоимость всей системы возросла с 5,15 миллиардов долларов в ценах 1971 года до 10,1 миллиарда долларов в ценах 1982 года. Первоначально предполагалось, что стоимость одного пуска «Спейс шаттла» составит 10,5 миллионов долларов. Но в итоге один пуск космического челнока подорожал до 240 миллионов долларов.

В начале 70-х годов минувшего века разработкой и изготовлением «Спейс шаттла» занялись десятки и сотни тысяч первоклассных специалистов из самых разных отраслей знаний. Разумеется, такая научно-техническая и производственная «мобилизация» промышленных и людских ресурсов не могла остаться вне внимания советского руководства – тем более, что многое совершенно открыто освещалось в средствах массовой информации, - и не вызвать беспокойства: не скрывается ли за развертыванием нового космического проекта нечто большее, чем создание просто многоразового средства выведения полезных нагрузок на околоземную орбиту?