О космической гонке СССР и США в контексте разработок многоразовых транспортных систем

В 1960-х годах американцы реализовали программу «Аполлон», целью которой была первая высадка людей на Луну. Амбициозный план, объявленный президентом Джоном Кеннеди, был успешно осуществлен, однако многие эксперты задавались вопросом о дальнейшем использованием технологий. В США началась дискуссия о разработке многоразового космического корабля.
Космический челнок «Атлантис» во время миссии STS-27, декабрь 1988 года. Фото: НАСА
Первые дискуссии состоялись еще в 1967 году, когда Президентский консультативный комитет по науке пришел к выводу, что в ближайшем будущем может возникнуть необходимость в проведении исследований по созданию более экономичного вида транспорта. Подобные мероприятия начались два года спустя в рамках программы создания интегрированного ракетного комплекса с возвращаемым модулем (ILRV).

Разработка первого шаттла

Исследования выполнялись по контрактам с американскими компаниями, такими как North American Rockwell, General Dynamics, Lockheed и McDonnell Douglas. Они, в свою очередь, напрямую сотрудничали с тремя центрами НАСА — Центром космических полетов им. Маршалла, Исследовательским центром Лэнгли и Центром пилотируемых космических полетов.

В 1970 году НАСА официально приняло концепцию создания двухступенчатой системы запуска астронавтов и грузов в космос с использованием многоразовых технологий. Компании McDonnell Douglas и North American Rockwell (как лидеры консорциума) должны были представить конкурентоспособные решения. Позднее к программе присоединилась и компания Grumman. В то же время другие компании продолжали свою работу не только в области космических челноков, но и над отдельными компонентами, такими как ракетные двигатели (Rocketdyne и Pratt & Whitney).

В связи с продолжающейся работой и последующими проектами по разработке технико-экономических обоснований и углубленного анализа возникли сомнения относительно затрат. В 1972 году Ричард Никсон высказался за сохранение программы после консультаций с НАСА, которое в то время находилось в состоянии ожесточенной конфронтации с бюджетными агентствами. Никсон, зная об огромных расходах на программу «Аполлон» и одноразовых технологиях, поддержал идею космических челноков.

Компании, участвующие в программе, сосредоточились в основном на снижении затрат на строительство стартового комплекса. Компания Martin Marietta представила концепцию, предполагающую использование ракеты Titan 3L (четыре боковых ускорителя), к которой будет прикреплен орбитальный аппарат H-33 компании Grumman, с баками для жидкого водорода по бокам фюзеляжа над крыльями.

Рассматривалось также использование модифицированной первой ступени ракеты «Сатурн-5», но эта идея была отклонена. Поэтому основное внимание уделялось двигателям на твердом топливе и/или смеси жидкого водорода и жидкого кислорода.

В 1972 году компания North American Rockwell (позднее Rockwell International Corporation) получила контракт на проектирование, строительство и испытание космического челнока, включая два орбитальных аппарата, OV-101 и OV-102. Руководителем проекта стала Rockwell, хотя большая часть работы была поручена другим американским компаниям, в том числе Martin Marietta и Thiokol Chemical Corp.

Первые испытания

Первые испытания с использованием внешнего бака и твердотопливных боковых ускорителей провести не удалось – проект находился еще на ранней стадии. Испытания проводились с использованием макетов, сбрасываемых с вертолета, но для испытаний на реальном орбитальном аппарате OV-101 потребовалась гораздо более крупная машина, чем вертолет Sikorsky S-64 Skycrane.

В 1974 году НАСА приобрело у American Airlines подержанный Boeing 747, который затем был переоборудован для испытаний путем усиления конструкции и установки на задней части элементов, к которым можно было бы прикрепить орбитальный аппарат. Стоит отметить, что ученые не планировали использовать этот прототип OV-101 Enterprise («Энтерпрайз») для космических полетов, а лишь тестировали машину для будущих миссий OV-102.

Первая серия испытаний Enterprise состоялась в 1977 году, когда инженеры проверили ускорение Boeing с прикрепленным к орбитальным модулем до скорости до 250 км/ч. Через несколько дней была предпринята попытка взлета с земли в сопровождении самолетов.

Испытания прошли настолько успешно, что во время одного из них один из двигателей Boeing даже был выключен для моделирования отказа системы. Следующая серия испытаний проводилась с астронавтами на борту Enterprise, и некоторые системы, такие как авионика или блоки ВСУ (вспомогательной силовые установки), которые играют ключевую роль в обеспечении гидравлической и электрической энергии, особенно во время запуска, входа в атмосферу или приземления, оставались включенными.

В 1977 году состоялся третий этап испытаний, целью которого была проверка отделения Enterprise от Boeing 747 и посадки. Орбитальный аппарат отделился от носителя на высоте почти 7 км над землей на скорости 500 км/ч. Несмотря на посадку далеко от запланированного места и отказ одного из бортовых компьютеров, самолету удалось приземлиться.

Конечно, инженеры также тестировали другие подсистемы конструкции космического челнока. В 1977–1979 годах были проведены вибрационные испытания SSME (главного двигателя космического корабля «Шаттл»), ускорителей и внешнего бака. Испытания инфраструктуры прошли на стартовом комплексе 39А Космического центра Кеннеди во Флориде с использованием всей конструкции — орбитального аппарата и внешнего бака с ускорителями.

Стоит также отметить, что в это же время проводились механические испытания прототипа STA-099, то есть будущего OV-099 Challenger («Челленджер»). Инженеры использовали соответствующее оборудование для проверки нагрузок, возникающих при работе двигателя, или реакции на высокие температуры при входе в атмосферу Земли.

Строительство OV-102 Columbia началось в 1975 году, при этом американские инженеры во многом опирались на опыт, полученный при работе над Enterprise. Первый полет космического челнока состоялся в апреле 1981 года с мыса Канаверал.

Как и в большинстве проектов космических аппаратов, возникли технические проблемы, в том числе с тепловым экраном орбитального аппарата и изоляционным слоем внешнего бака. Трагедия произошла в марте, когда техники проникли в моторный отсек, заполненный азотом, что привело к отравлению и смерти двух из них.

Работа над проектом «Спейс шаттл»

Работа над проектом «Спейс шаттл» шла полным ходом. В 1979 году НАСА заключило контракт с Rockwell International на строительство следующих орбитальных аппаратов — OV-103 Discovery и OV-104 Atlantis, перестройку вышеупомянутого STA-099 в OV-099 Challenger и адаптацию OV-102 Columbia до рабочей версии после испытательных полетов. 

Неудачные запуски шаттлов

Шаттл «Челленджер» взлетел 28 января 1986 года. Спустя несколько десятков секунд конструкция превратилась в огненный шар — причиной трагедии посчитали сгоревший уплотнитель между правыми сегментами ускорителя.

Признаки неполадок проявились в первые секунды полета, когда из одного из межсегментных разъемов ускорителя начали выходить клубы дыма. Примерно через 60 секунд после запуска в месте соединения ускорителя и внешнего бака было замечено пламя. На 72-й секунде сгорела опора ускорителя. На 73-й секунде был зафиксирован мощный взрыв — это был последний раз, когда с «Челленджера» были получены телеметрические данные.

После завершения расследования был сделан вывод, что причиной неисправности уплотнений в самом нижнем межсегментном соединении, помимо прочего, стали низкие температуры и плохие погодные условия.
После катастрофы «Челленджера» особое внимание уделялось вопросам безопасности, включая процедуры эвакуации и герметизацию межсегментных стыков ускорителя.

Еще одна трагедия произошла в феврале 2003 года в рамках миссии STS-107 — катастрофа шаттла Columbia, в результате которой погиб экипаж.

Причиной стал кусок пены, отвалившийся от внешнего бака и повредивший левое крыло орбитального аппарата во время запуска. В то время никто не ожидал, что подобный инцидент будет иметь трагические последствия. Когда орбитальный аппарат вновь вошел в атмосферу Земли, через несколько минут бортовые компьютеры начали регистрировать тревожные данные. Провода и датчики были разрушены, что в конечном итоге привело к повышению температуры. Columbia распалась на высоте около 60 км над Землей.

В принципе, конструкция каждого космического челнока была схожа. Инженеры Rockwell и НАСА внесли изменения на основе опыта полетов, но различия коснулись только отдельных систем. Длина всей системы составила около 56 м, включая длину орбитального аппарата около 37 м. Стартовая масса системы составила более 2000 т (почти 110 т — масса самого орбитального аппарата).
Конструкция американского космического корабля «Шаттл». Фото: НАСА
На старте тяга создавалась тремя главными двигателями RS-25 со ступенчатым циклом сгорания, работающими на смеси жидкого водорода и жидкого кислорода, разработанными компанией Pratt & Whitney Rocketdyne (позднее Aerojet Rocketdyne). Топливо подавалось из внешнего бака. Тяга одного двигателя РС-25 на уровне моря составляла около 1800 кН, а в безвоздушном пространстве — 2100 кН. Дополнительную тягу обеспечивали два боковых твердотопливных ускорителя.
Двигатели RS-25 в настоящее время используются на ракете SLS. Фото: НАСА
Стоит также отметить, что орбитальный аппарат был оснащен комплектами двигателей коррекции положения RCS (Reaction Control System) — всего 44 единицы — и двумя двигателями OMS (Orbital Maneuvering System) для орбитального маневрирования. Обе системы работали на топливе из гиперголического монометилгидразина и закиси азота (N₂O₄).

Программа «Спейс шаттл»  завершилась в июле 2011 года. Atlantis доставил экипаж из четырех человек на Международную космическую станцию. Миссия STS-135 стала кульминацией многолетней программы США по запуску космических кораблей многоразового использования. Помимо вопросов безопасности, особое внимание было уделено растущей стоимости программы.

Советская система «Энергия-Буран»

Во время холодной войны Соединенные Штаты конкурировали с Советским Союзом на политическом, военном и технологическом уровнях. Там, где НАСА увидело возможность более дешевого запуска экипажей и грузов в космос, СССР увидели угрозу своего доминирования в космической сфере. В 1976 году в ответ на программу Штатов была запущена собственная программа многоразовой транспортной системы — «Энергия-Буран». 

Космический корабль «Буран» на борту Ан-225, представленный в 1989 году в парижском аэропорту Ле Бурже во время Международного авиационно-космического салона. Фото: Wikimedia Commons

Разработкой системы занимались советские предприятия — НПО «Энергия» и НПО «Молния». Главным отличием от американского космического корабля «Шаттл» были двигательные установки. У американского корабля тяга создавалась двумя твердотопливными боковыми ускорителями, прикрепленными к внутреннему баку, и тремя орбитальными двигателями РС-25 с ступенчатым сжиганием топлива, работавшими на жидком водороде и жидком кислороде, которые брались из вышеупомянутого бака.

В случае с «Энергией-Бураном» орбитальный аппарат вывел на орбиту мощный одноразовый ракетоноситель «Энергия». Система высотой около 59 м и диаметром около 20 м состояла из основной ступени, которая приводилась в действие группой из четырех однокамерных двигателей РД-0120, работающих на смеси жидкого водорода и жидкого кислорода. К сегменту присоединились 4 ускорителя, уже работающих на жидком топливе. Каждый из них был оснащен одним двигателем РД-170 на топливе РП-1 и жидким кислородом с четырьмя камерами сгорания.

В ноябре 1988 года ракета «Энергия» запустила космический челнок в беспилотный испытательный полет. Совершив два витка вокруг Земли, орбитальный аппарат мягко приземлился на Землю.

Советский Союз решил закрыть программу, поскольку ее стоимость оказалась слишком высокой. По данным портала Russianspaceweb.com, стоимость выведения 20 тонн груза с использованием системы «Энергия-Буран» оценивалась в 270 млн рублей. На сайте сравнили эти затраты со стоимостью запуска ракеты «Протон» в то время — 5,5 млн рублей. 

Тем не менее, «Буран» и американский космический корабль «Шаттл» были в некоторых отношениях схожи, например, визуально.
Сравнение «Энергии-Буран» со «Спейс Шаттлом». Фото: Википедия
Предполагалось, что советский орбитальный аппарат длиной около 37 м и весом около 105 т сможет вывести в космос полезную нагрузку массой до 30 т. Аналогичные возможности были у системы НАСА.