Спейс шаттл

Программа объединяла в одной системе функции ракеты-носителя, пилотируемого космического корабля и тяжёлого планёра. Многоразовая космическая система стартовала вертикально, работала на орбите как корабль и при возвращении на Землю садилась как самолёт^[1].

Система состояла из:

• Двух твердотопливных ракетных ускорителей, которые давали основную тягу на начальном участке выведения. Работали в течение примерно двух минут после запуска, на высоте около 45 км происходило их отделение. Ускорители приводнялись на парашютах в океан и после ремонта и заправки использовались вновь^[6]
• Внешнего топливного бака с жидкими водородом и кислородом. Бак также служил каркасом для соединения ускорителей с космическим кораблём. Бак отбрасывается примерно через 8,5 минут на высоте 113 км. Значительная его часть сгорала в атмосфере, остатки падали в океан^[1]
• Пилотируемого космического корабля (англ. Orbiter Vehicle, Orbiter) — аппарат выходил на околоземную орбиту, после завершения программы полёта возвращался на Землю и совершал посадку на взлётно-посадочную полосу^[7]

Профиль полёта включал вертикальный старт, отделение ускорителей, выведение на орбиту с помощью маршевых двигателей орбитального корабля и внешнего бака, работу на орбите и посадку в режиме планирования^[8].

После завершения программы «Аполлон» НАСА столкнулось с сокращением бюджета и необходимостью заново обосновать крупную пилотируемую программу на низкой околоземной орбите^[9]. В этих условиях многоразовая система стала рассматриваться как средство сохранить пилотируемые полёты, обеспечить обслуживание спутников и поддержать будущие орбитальные станции без возврата к масштабу расходов, связанных с лунной программой^[10].

Концепция шаттла опиралась не только на инженерные, но и на экономические аргументы. НАСА и привлечённые аналитики пытались показать, что при высокой частоте полётов многоразовая система сможет снизить стоимость вывода полезной нагрузки и заменить несколько типов одноразовых носителей, однако более поздние проверки Счётной палаты США показали, что многие исходные расчёты зависели от оптимистичных предпосылок о темпе запусков, эксплуатационных расходах и масштабе будущего спроса^[11].

К концу 1960-х и началу 1970-х годов в проектных исследованиях сосуществовали несколько основных направлений исследований^[8]:

• полностью многоразовые двухступенчатые схемы с крылатыми ступенями, обещавшие наилучшие показатели при очень высокой частоте полётов, но требовавшие чрезмерных первоначальных вложений;
• частично многоразовые варианты с орбитальным кораблём и внешними баками либо ускорителями, позволявшие сократить стоимость разработки за счёт отказа от полной повторной используемости первой ступени;
• уменьшенные орбитальные аппараты или планёры на одноразовых ракетах, которые рассматривались как более дешёвый способ сохранить пилотируемую космонавтику в условиях бюджетного давления.

Разработка шаттла в 1970—1972 годах стала поиском компромисса между техническими амбициями, ограниченным бюджетом и требованием получить систему, пригодную для широкого круга гражданских и военных задач^[10]. По мере того как полностью многоразовые схемы оказывались слишком дорогими и рискованными, НАСА переходило к архитектуре с многоразовым орбитальным кораблём и более дешёвыми элементами, которые можно было сделать частично либо полностью одноразовыми^[11].

В окончательную конфигурацию вошли орбитальный корабль с тремя маршевыми двигателями, одноразовый внешний бак и два многоразовых твердотопливных ускорителя^[12].

Основные контракты на выполнение подрядных работ были заключены в 1971—1973 годах, ключевыми подрядчиками стали^[2]:

• North American Rockwell — разработка орбитального корабля и общая интеграция системы
• Rocketdyne — разработка маршевых двигателей орбитального корабля
• Martin Marietta — разработка внешнего топливного бака
• Thiokol — разработка твердотопливных ускорителей
• Grumman и McDonnell Douglas — разработка отдельных подсистем и конструктивных элементов орбитального корабля

В 1977 году прошли лётные испытания прототипа шаттла «Энтерпрайз»^[13].

Министерство обороны США помогало НАСА отстаивать проект в бюджетных и межведомственных спорах, а взамен программа должна была учитывать требования военных заказчиков^[9].

В частности, ВВС США выдвинули три группы требований: размер грузового отсека, грузоподъёмность и боковой манёвр при возвращении. К началу 1971 года проектировщик и подрядчики ориентировались на грузовой отсек размером 18×4,5 метра и полезную нагрузку порядка 30 тонн^[9]. Эти требования способствовали выбору дельтовидного крыла и повлияли на аэродинамику орбитального корабля^[14].

• «Энтерпрайз» (OV-101) — тестовый корабль для отработки конструкторских решений и проведения испытаний. Строительство началось в 1974 году. Испытания прошли в 1977 году^[13].
• «Патфайндер» (OV-098) — макет челнока для отработки процедур транспортировки и технического обслуживания. Построен в 1977 году^[15].
• «Колумбия» (OV-102) — первый действующим многоразовым корабль. Строительство началось в марте 1975 года. В марте 1979 года передан Космическому центру НАСА. Погиб 1 февраля 2003 года^[16].
• «Челленджер» (OV-099) — второй действующий корабль. Передан НАСА в июле 1982 года. Погиб 28 января 1986 года^[17].
• «Дискавери» (OV-103) — третий действующий корабль. Передан НАСА в ноябре 1982 года^[18].
• «Атлантис» (OV-104) — четвёртый действующий корабль. Передан НАСА в апреле 1985 года^[19].
• «Индевор» (OV-105) — пятый действующий корабль. Построен взамен «Челленджера», принят в эксплуатацию в мае 1991 года^[20].
• «Индепенденс» (OV-100) — макет челнока. Построен в 1993 году в качестве музейного экспоната для демонстрационного комплекса Космического центра Кеннеди.

12 апреля 1981 года состоялся первый запуск по программе спейс шаттл^[21]. В 1981—2011 годах шаттлы применялись для выведения спутников, научных экспериментов, ремонта орбитальных аппаратов, экспедиций к станции «Мир» и сборки МКС^[2]. Эксплуатационный профиль программы объединял запуск тяжёлой полезной нагрузки, работу экипажа на орбите и возможность возврата части оборудования на Землю, что отличало шаттл от более ранних американских пилотируемых систем^[22].

Параметры орбиты шаттла определялись назначением миссии, массой груза и требованиями по наклонению, однако общий профиль полёта оставался сходным: вертикальный старт, выведение на опорную траекторию, при необходимости довыведение двигателями орбитального маневрирования и затем планирующее возвращение на посадочную полосу. Рабочий диапазон высот составлял примерно от 185 до 643 километров^[1].

Штатные наклонения запусков с Космического центра Кеннеди — 28,45°, 39°, 51,6° и 57°^[22]. На этапе спуска орбитальный корабль входил в атмосферу без тяги и завершал полёт как тяжёлый планёр, поэтому точность расчёта теплового и энергетического режима оставалась критически важной для безопасности^[23].

Шаттлы были рассчитаны на выведение спутников, лабораторных модулей, элементов станций и специализированной аппаратуры^[24]. В отличие от прежних американских пилотируемых кораблей, шаттл мог не только доставлять такой груз на орбиту, но и возвращать на Землю крупные полезные нагрузки и оборудование после обслуживания или экспериментов^[1].

В обзорном документе НАСА 1975 года расчётная грузоподъёмность системы оценивалась до 29,5 тонн при запуске с мыса Канаверал на орбиту с наклонением 28,5°; для орбит наибольшего наклонения при запусках с базы Ванденберг — примерно 14,5 тонн, а для полярных орбит — до 18 тонн^[24]. Самым тяжёлым космическим аппаратом, выведенным шаттлом, стала рентгеновская обсерватория Chandra массой около 25 тонн^[4]. Суммарная масса доставленных на орбиту грузов составила примерно 1 600 тонн^[25].

Состав экипажа и продолжительность полёта менялись в зависимости от задач миссии. В ранних эксплуатационных руководствах НАСА для шаттла типичная продолжительность миссии описывалась как несколько суток, но фактическая история программы показала значительно более широкий диапазон^[22].

Первые четыре полёта выполнялись экипажами из двух человек. Наибольший экипаж составил восемь астронавтов при полёте в космос (STS-61A) и при возвращении (STS-71). Кратчайшая миссия (STS-2) продолжалась 2 дня 6 часов 13 минут 12 секунд. Самая продолжительная (STS-80) — 17 дней 15 часов 53 минуты 18 секунд^[4].

В 1990-е годы программа шаттлов стала важной частью американо-российского космического сотрудничества. Шаттлы регулярно летали к орбитальной станции «Мир», выступая в качестве транспортной платформы и знаменуя переход от соперничества времён Холодной войны к совместным орбитальным проектам^[26].

За историю программы были потеряны два орбитальных корабля вместе с экипажами — «Челленджер» в 1986 году и «Колумбия» в 2003 году^[27][23]. Расследования обоих инцидентов стали основой для масштабных изменений в конструкции, процедурах контроля и оценке организационных рисков^[28][29].

«Челленджер» разбился 28 января 1986 года через 73 секунды после старта миссии STS-51L^[27]. В отчёте комиссии указывалось, что непосредственной причиной аварии стала потеря герметичности в стыке правого твердотопливного ускорителя, а также серьёзные недостатки в принятии инженерных и управленческих решений^[27].

После аварии полёты были прерваны более чем на два с половиной года. Возвращение к полётам состоялось в сентябре 1988 года с миссией STS-26^[28].

«Колумбия» была потеряна 1 февраля 2003 года при возвращении в атмосферу после миссии STS-107^[30]. Согласно выводам комиссии, расследовавшей инцидент, разрушение началось после того, как при запуске кусок пенной изоляции внешнего бака повредил теплозащиту левого крыла, что привело к разрушению конструкции при входе в атмосферу^[23].

Комиссия рассматривала происшествие не только как следствие физического повреждения, но и как результат организационных и культурных проблем в принятии решений внутри программы^[23]. Возвращение к полётам произошло только в июле 2005 года с миссией STS-114^[29].

После катастрофы «Челленджера» в систему было внесено более 200 изменений, включая переработку узлов твердотопливных ускорителей, новые средства аварийного покидания в некоторых режимах и обязательное применение герметичных скафандров при старте и посадке^[28].

После крушения «Колумбии» НАСА сосредоточилось на дополнительных процедурах инспекции теплозащиты, модернизации внешнего бака и разработке методов орбитального осмотра и ремонта^[29]. Независимые технические оценки подчёркивали критическую роль программного обеспечения, процедур верификации и организационной дисциплины для безопасности шаттлов^[31].

С инженерной точки зрения шаттл объединял пилотируемый орбитальный аппарат, внешний бак и возвращаемые твердотопливные ускорители^[7].

Два твердотопливных ускорителя обеспечивали основную тягу в первые две минуты полёта и затем отделялись для последующего приводнения и извлечения^[6]. Возможность их многоразового использования была одним из элементов экономической и технологической логики программы^[27].

Внешний бак был самым большим элементом всей системы и включал жидкого водорода и жидкого кислорода^[6].

Орбитальный корабль был единственным элементом системы, который выходил на орбиту и возвращался на взлётно-посадочную полосу^[1]. В нём размещались экипаж, полезная нагрузка, маршевые двигатели, двигатели орбитального маневрирования и элементы теплозащиты^[24][35]. При возвращении на Землю корабль входил в атмосферу, затем переходил к управляемому планированию. Посадка выполнялась без маршевой тяги^[35].

Американская программа шаттлов воспринималась в СССР не только как новый этап пилотируемой космонавтики, но и как проект с возможными военно-политическими последствиями^[9]. Именно в этом контексте в СССР была развёрнута собственная многоразовая программа «Энергия — Буран»^[37][26].

«Буран» совершил единственный космический полёт в автоматическом режиме 15 ноября 1988 года^[37].

По состоянию на 2011 год общая стоимость программы оценивалась в 209 млрд долларов^[38]. Стоимость постройки орбитального корабля составляла примерно 1,3—2 млрд долларов^[36]. К концу программы стоимость одного запуска составляла примерно 766 млн долларов^[39].

Программа шаттлов расширила спектр задач пилотируемой космонавтики: к орбитальным экспедициям добавились ремонт и возврат спутников, долговременные научные миссии, стыковки с орбитальными станциями и сборка МКС^[40][2]. Фактическая интенсивность полётов оказалась ниже ранних расчётов, а стоимость программы была существенно выше ожиданий 1970-х годов^[11][14]. Первоначальные ожидания относительно дешёвых и частых полётов реализованы не были^[11][10].

После завершения программы орбитальные корабли были переданы музеям^[3].