"Спейс Шаттл" стал самым большим и самым узнаваемым космическим кораблем. Но история его создания — это цепочка сплошных менеджерских факапов. Разработанный, чтобы радикально снизить стоимость космических полетов, он оказался в разы дороже обычных одноразовых ракет. Как американцы, в целом умеющие считать деньги, дошли до такого?
Идея шаттла зародилась в конце шестидесятых. На волне эйфории от успешных лунных экспедиций руководству НАСА виделись в ближайшем будущем орбитальные станции на сотни человек, лунные базы и экспедиции на Марс. Все это требовало доставки на орбиту тысяч тонн грузов, и использовать для этого одноразовые ракеты было бы безумным расточительством. Напрашивалось сделать челнок, который будет летать на орбиту и обратно с регулярностью авиалайнера.
Эскизный проект шаттла от General Dynamics и North American Aviation, 1969 год
Поначалу это виделось примерно так: две ступени, обе на водородном топливе, с маленькими крылышками. Первая ступень разгоняет связку примерно до трех километров в секунду, отделяется и входит в атмосферу. Примерно в 600 км к востоку от космодрома она тормозится до скорости обычного самолета, включает турбореактивные двигатели, летит обратно к космодрому и садится на полосу. Вторая ступень после отделения летит дальше и выходит на орбиту. Там она выгружает запускаемый спутник из грузового отсека, стыкуется к орбитальной станции или делает еще что-то нужное. Никаких внешних топливных баков и твердотопливных ускорителей.
Пепелац получался очень большой. Жидкий водород отличается малой плотностью (в 15 раз меньше, чем у воды) и для него нужны огромные баки. Поэтому первая ступень достигала 90 метров в длину, а вторая, орбитальная — около 60 метров (реально полетевший шаттл — всего 36 метров от носа до хвоста). Первая ступень получалась длиной с самые большие самолеты, вроде "Мрии" или Airbus A380, а по толщине вообще вне конкуренции. У первой ступени тоже был человек-пилот, поскольку автоматическая посадка была не по зубам тогдашним компьютерам.
По экономике получалось, что стоимость одного полета очень легко сделать в разы ниже, чем у одноразовых ракет. Гораздо сложнее будет отбить стоимость разработки (10-12 млрд долларов 1970 года — около 60 млрд современных). Для этого требовалось 40-50 полетов в год в течение 10-12 лет — рейсы в космос каждую неделю. В 1969 году все думали, что так и будет.
Эскизный проект Шаттла от Rockwell, 1969 год. Крылья уже треугольные.
Белый пушной зверь подкрался незаметно. На фоне войны во Вьетнаме, рецессии и успехов программы "Аполлон", показавшей, что Штаты в космосе круче СССР, конгресс стал урезать бюджет НАСА начиная с 1971 года. Лунные базы и экспедиция на Марс выкинули из программы, для шаттла осталась только работа по запуску спутников и снабжению орбитальной станции. Ни 12, ни даже 10 млрд долларов на разработку шаттла НАСА не дали, потребовав уложиться в 6. И осетра пришлось урезать.
Первой под нож пошла многоразовая первая ступень на водороде. Разработка 90-метрового гиперзвукового (входящего в атмосферу на скорости 11 000 км в час) самолета, очевидно, влетала в копеечку. Поэтому были рассмотрены варианты более компактных и дешевых в разработке первых ступеней: с твердотопливными двигателями, и “Big Dumb Booster” с керосиновыми двигателями с вытеснительной подачей топлива — без насосов. Такие двигатели дешевле и надежнее обычных ракетных двигателей, но менее эффективны. Для подачи топлива в бак приходилось наддувать инертный газ под давлением 20-30 атмосфер, поэтому топливные баки такой ракетной ступени приходилось делать прочнее и тяжелее.
Проекты твердотопливного и вытеснительного ускорителей шаттла
Дешевые варианты первой ступени исчерпывали топливо быстрее, чем дорогая водородная, поэтому надо было увеличивать топливные баки второй, орбитальной ступени. Разработчики поняли, что из-за неясности с первой ступенью им придется несколько раз перекраивать вторую ступень в сторону увеличения баков. При этом каждый раз надо пересчитывать аэродинамику, прочность конструкции, теплозащиту и прочее. Чтобы сэкономить на разработке, они предложили сделать внешний одноразовый топливный бак для орбитального самолета. Размеры такого бака можно менять без переделки всей конструкции, но стоимость каждого полета, понятно, немного выросла.
Орбитальный самолет избавился от внутренних баков, съежился с 60 до 36 метров и стал дешевле. Получив свободу в запасе топлива второй ступени, инженеры пересчитали общий расклад и получили, что скорость, на которой разделяются ступени, можно снизить с 3 до 2 км в секунду. То есть первая ступень становилась меньше, на треть легче и обходилась без теплозащиты. И твердотопливный, и вытеснительный ускорители имели прочный толстостенный корпус, позволяющий им просто падать в море с небольшим парашютом. Специальный буксир возвращал их к космодрому.
Дальше единую первую ступень разделили на два ускорителя по бокам от внешнего топливного бака второй ступени. Так ускорители стали меньше, дешевле в производстве и удобнее в обращении. Двигатели орбитального самолета решили включать на старте, а не перед разделением ступеней. Внешний топливный бак для этого еще подрос.
Слева: шаттл с крылатой керосиновой первой ступенью на основе первой ступени Сатурна-V (предложение Boeing 1970 года)
Посередине: шаттл с одним Big Dumb Booster с вытеснительной подачей керосина.
Справа: шаттл с двумя боковыми ускорителями и включением водородных двигателей на старте
Очередное урезание бюджета НАСА заставило отложить планы по орбитальной станции. Значит, для любых исследований на орбите астронавтам предстояло жить в шаттле днями и неделями. Ресурс системы жизнеобеспечения пришлось увеличить с 7 до 30 суток, и легче она от этого явно не стала.
Чтобы получить грузов на 40-50 полетов в год, НАСА решило перевести на шаттл не только свои и коммерческие спутники, но и военные. Кроме того, военным предложили войти в долю в разработке. Военные согласились, но выдвинули свои требования.
Во-первых, НАСА в свете урезания бюджета планировало грузовой отсек размером 12 на 3,6 метра и грузоподъемность 14, в крайнем случае 20 тонн. Военные потребовали грузовой отсек 18 на 4,5 метров и грузоподъемность 28 тонн, чтобы влезали переспективные большие разведспутники. Так шаттл стал больше и тяжелее в полтора раза, и совершенно зря: в реальности самые большие военные спутники (серия КН) были размером 10 на 3 метра.
Во-вторых, военные категорически потребовали использовать твердотопливные ускорители, а не жидкостные вытеснительные. Может быть, потому, что опыта в разработке больших вытеснительных двигателей не было ни у кого в мире, а твердотопливные ускорители ракеты Титан-3Е, с тягой в 40% от необходимой для шаттла, уже успешно летали. А может быть, потому, что фирма Morton Thiokol – производитель твердотопливных двигателей — щедро заносила и откатывала генералам.
Твердотопливные ускорители были самыми дешевыми в разработке, но плохи во всем остальном. Для повторного использования жидкостного ускорителя его достаточно промыть от остатков топлива, проверить и заправить. Твердотопливный ускоритель же разбирали (его стальной корпус состоял из отдельных секций, состыкованных между собой с резиновыми уплотнительными кольцами), и собирали обратно уже с 120-тонными блоками твердого топлива внутри. По деньгам это выходило сильно дороже промывки и заправки жидким топливом. В случае неполадки в полете жидкостный ускоритель можно выключить. Твердотопливный выключить нельзя. Это стоило жизни экипажу "Челленджера".
И в таком виде шаттл перешел от проектов к созданию реального железа.
(продолжение следует)
Источники:
http://history.nasa.gov/SP-4221/contents.htmhttp://www.armaghplanet.com/blog/10-shuttles-which-never-flew.html http://users.livejournal.com/-hellmaus-/165465.html
bbzhukov сделал это раньше и подробнее: http://bbzhukov.livejournal.com/90817.html
combinator30 опубликовал наше с ним обсуждение моей книги "От туманности до клетки". Он задал много замечательных вопросов, нашел массу ошибок и проверил на прочность многие мои выводы. В обсуждении родилась парочка новых идей, которые стоит добавить в переиздание.
yukka_ в БТР-батор
tnenergy в Вот это поворот
