Процесс проектирования космического корабля "Шаттл"
Перед Аполлона-11 посадкой на Луну в 1969 году НАСА начало исследования конструкции космических кораблей еще в октябре 1968 года. Первые исследования были обозначены как «Фаза А», а в июне 1970 года — «Фаза Б», которые были более подробными и конкретными. Основным предполагаемым использованием космического челнока фазы А была поддержка будущей космической станции , перевозка минимального экипажа из четырех человек и около 20 000 фунтов (9 100 кг) груза, а также возможность быстрого разворота для будущих полетов с более крупной полезной нагрузкой, такой как Модули космической станции поднимаются «Сатурном-5» .
Два проекта стали лидерами. Один из них был разработан инженерами Центра пилотируемых космических полетов и особенно поддержан Джорджем Мюллером . Это была двухступенчатая система с треугольным космическим кораблем, и в целом сложная. Попытка повторного упрощения была предпринята в виде DC-3 , разработанного Максимом Фаже , который разработал капсулу Mercury среди других транспортных средств. Также предлагались многочисленные предложения от различных коммерческих компаний, но они, как правило, отошли на второй план, поскольку каждая лаборатория НАСА настаивала на своей собственной версии.
Все это происходило среди других команд НАСА, предлагающих широкий спектр миссий после Аполлона, некоторые из которых будут стоить столько же, сколько и Аполлон, а то и больше. [ нужна ссылка ] Поскольку каждый из этих проектов боролся за финансирование, бюджет НАСА в то же время был серьезно ограничен. В конечном итоге три из них были представлены вице-президенту США Спиро Агнью в 1969 году. Проект шаттла поднялся на вершину во многом благодаря неустанной кампании его сторонников. [ нужна ссылка ] К 1970 году шаттл был выбран в качестве единственного крупного проекта на краткосрочную перспективу после Аполлона.
Когда финансирование программы оказалось под вопросом, возникли опасения, что проект может быть отменен. Это стало особенно актуальным, когда стало ясно, что Сатурн-5 больше не будет производиться, а это означало, что полезную нагрузку на орбиту необходимо было увеличить как по массе - вплоть до 60 600 фунтов (27 500 кг), так и по размеру, чтобы дополнить ее тяжелый вес. Возможности подъема, необходимые для запланированных межпланетных зондов и модулей космических станций, а это означало, что на этапе B требовался более крупный и дорогой аппарат. Поэтому НАСА попыталось заинтересовать ВВС США и ряд других клиентов в использовании шаттла для своих миссий. также. Чтобы снизить затраты на разработку предложенных конструкций, были добавлены ускорители, был принят одноразовый топливный бак и было внесено множество других изменений, которые значительно снизили возможность повторного использования и значительно увеличили стоимость машины и ее эксплуатацию.
Процесс принятия решений
[ редактировать ]В 1969 году вице-президент США Спиро Агнью возглавил Национальный совет по аэронавтике и исследованию космического пространства , который обсуждал деятельности после Аполлона варианты пилотируемой космической . [1] Рекомендации Совета сильно повлияют на решения администрации . Совет рассмотрел четыре основных варианта:
- Человеческая миссия на Марс
- Последующая лунная программа
- Программа низкоорбитальной инфраструктуры
- Прекращение пилотируемой космической деятельности
По рекомендации Космического совета президент Никсон принял решение использовать вариант низкоорбитальной инфраструктуры. Эта программа в основном состояла из строительства космической станции , а также разработки космического корабля "Шаттл" . Однако ограничения финансирования не позволили продолжить разработку обеих программ одновременно. НАСА решило сначала разработать программу «Спейс шаттл» , а затем планировало использовать шаттл для строительства и обслуживания космической станции.
Дебаты о дизайне шаттла
[ редактировать ]Во время первых исследований шаттла велись дебаты по поводу оптимальной конструкции шаттла, которая наилучшим образом сочетала бы возможности, стоимость разработки и эксплуатационные расходы. Первоначально предпочтение отдавалось полностью многоразовой конструкции. Это включало очень большую крылатую ракету-носитель с экипажем , которая могла бы нести меньший по размеру крылатый орбитальный корабль с экипажем. Ракета-носитель поднимет орбитальный аппарат на определенную высоту и скорость, а затем отделится. Ракета-носитель вернется и приземлится горизонтально, в то время как орбитальный аппарат продолжит движение на низкую околоземную орбиту . После завершения своей миссии крылатый орбитальный аппарат снова войдет в атмосферу и приземлится горизонтально на взлетно-посадочной полосе. Идея заключалась в том, что полное повторное использование будет способствовать снижению эксплуатационных расходов.
Однако дальнейшие исследования показали, что для подъема орбитального корабля с желаемой полезной нагрузкой необходим огромный ускоритель. В космических и авиационных системах стоимость тесно связана с массой, поэтому общая стоимость транспортного средства будет очень высокой. И ракета-носитель, и орбитальный корабль будут иметь ракетные двигатели и реактивные двигатели для использования в атмосфере, а также отдельные системы топлива и управления для каждого режима движения. Кроме того, одновременно велись дискуссии о том, какой объем финансирования будет выделен на разработку программы.
Другой конкурирующий подход заключался в сохранении производственной линии «Сатурн-5» и использовании ее большой грузоподъемности для запуска космической станции с небольшим количеством полезных нагрузок, а не с множеством меньших по размеру полезных нагрузок шаттлов. ВВС Сопутствующей концепцией было обслуживание космической станции с использованием корабля Titan III-M для запуска более крупной капсулы Gemini , названной « Big Gemini », или меньшей «планерной» версии шаттла без главных двигателей и с ракетой размером 15 × 30 футов. (4,6 м × 9,1 м) отсек полезной нагрузки.
Сторонники шаттла ответили, что при достаточном количестве запусков общая стоимость многоразовой системы будет ниже, чем одноразовых ракет. Если разделить общие затраты программы на заданное количество запусков, высокая скорость запусков шаттлов приведет к снижению предстартовых затрат. Это, в свою очередь, сделает шаттл конкурентоспособным по стоимости или превосходящим одноразовые пусковые установки. В некоторых теоретических исследованиях упоминается 55 запусков шаттлов в год; однако окончательный выбранный дизайн не поддерживал такую скорость запуска. В частности, максимальная скорость производства внешних резервуаров НАСА была ограничена 24 резервуарами в год на сборочном заводе в Мишуде .
Объединенные требования к полезной нагрузке космической станции и ВВС были недостаточными для достижения желаемой скорости запуска шаттлов. Поэтому планировалось, что все будущие космические запуски США — космические станции, ВВС, коммерческие спутники и научные исследования — будут использовать только «Спейс Шаттл». Большинство других расходных ускорителей будут сняты с производства.
В конечном итоге от многоразового ускорителя отказались по нескольким причинам: высокая цена (в сочетании с ограниченным финансированием), техническая сложность и риск разработки. Вместо этого была выбрана частично (не полностью) многоразовая конструкция, в которой внешний бак с топливом выбрасывался при каждом запуске, а ракеты-носители и орбитальный корабль шаттла ремонтировались для повторного использования.
Первоначально орбитальный аппарат должен был нести собственное жидкое топливо . Однако исследования показали, что размещение топлива во внешнем баке позволило увеличить отсек для полезной нагрузки на гораздо меньшем по размеру корабле. Это также подразумевало выбрасывание танка после каждого пуска, но это была сравнительно небольшая часть эксплуатационных расходов.
Более ранние конструкции предполагали, что крылатый орбитальный аппарат также будет иметь реактивные двигатели для облегчения маневрирования в атмосфере после повторного входа. Однако НАСА в конечном итоге выбрало планирующий орбитальный аппарат, частично основываясь на опыте предыдущих ракетно-планирующих аппаратов, таких как X-15 , и несущих тел . Отказ от реактивных двигателей и топлива для них уменьшит сложность и увеличит полезную нагрузку .
Другим решением стал размер экипажа. Некоторые говорили, что шаттл не должен перевозить более четырех человек, то есть максимум, на котором можно использовать катапультные кресла . командира, пилота, специалиста по полету и специалиста по полезной нагрузке Для выполнения любой миссии было достаточно . НАСА рассчитывало перевозить больше участников космических полетов в качестве специалистов по полезной нагрузке, поэтому спроектировало корабль так, чтобы он мог перевозить больше людей. [2]
Последние оставшиеся дебаты касались природы усилителей. НАСА рассмотрело четыре решения этой проблемы: развитие существующей нижней ступени Сатурна, простых жидкотопливных двигателей новой конструкции с питанием под давлением, большой одиночной твердотопливной ракеты или двух (или более) меньших по размеру. НАСА Инженеры Центра космических полетов имени Маршалла (где велась разработка Сатурна-5) были особенно обеспокоены надежностью твердотопливных ракет для полетов с экипажем.
Участие ВВС
[ редактировать ]В середине 1960-х годов ВВС США отменили оба своих крупных пилотируемых космических проекта — X-20 Dyna-Soar и пилотируемую орбитальную лабораторию . Это продемонстрировало необходимость сотрудничества с НАСА для вывода на орбиту военных астронавтов и полезной нагрузки. В период с 1959 по 1970 год ВВС запустили более 200 спутниковых разведывательных миссий, а большой объем полезной нагрузки военных будет полезен для повышения экономичности шаттла. [3] : 213–216 В свою очередь, удовлетворяя потребности ВВС, «Шаттл» стал поистине национальной системой, несущей всю военную, а также гражданскую полезную нагрузку. [4]
НАСА обратилось за поддержкой ВВС для шаттла. После того, как Шестидневная война и советское вторжение в Чехословакию США выявили ограничения в сети спутниковой разведки , участие ВВС подчеркнуло возможность запуска спутников-шпионов на юг, на полярную орбиту с авиабазы Ванденберг . Это требовало более высоких энергий, чем для орбит с меньшим наклонением. Однако, чтобы иметь возможность вернуться на Землю после одного витка, несмотря на то, что Земля вращается на 1000 миль под орбитальной траекторией, требовалось треугольное крыло большего размера, чем у более раннего простого шаттла «DC-3». Кроме того, конфигурация с прямым крылом, которую предпочитал Макс Фаже, потребовала бы, чтобы корабль пролетел в свалке большую часть входа в атмосферу, и возникли бы проблемы во время прерывания запуска, что не нравилось НАСА. [5] Распространено заблуждение, что треугольное крыло было создано исключительно по требованию ВВС США, однако это всего лишь миф.
Несмотря на потенциальные выгоды для ВВС, военные были удовлетворены одноразовыми ускорителями и имели меньшую потребность в шаттле, чем НАСА. Поскольку космическому агентству требовалась внешняя поддержка, Министерство обороны (DoD) и Национальное разведывательное управление основной контроль над процессом проектирования получили (NRO). Например, НАСА планировало грузовой отсек размером 40 на 15 футов (12,2 на 4,6 м), но NRO указало отсек размером 60 на 15 футов (18,3 на 4,6 м), поскольку ожидало, что будущие разведывательные спутники станут больше. Когда Faget снова предложил отсек полезной нагрузки шириной 12 футов (3,7 м), военные почти сразу же настояли на сохранении ширины 15 футов (4,6 м). [ нужна ссылка ] Военно-воздушные силы также получили эквивалент использования одного из шаттлов бесплатно, несмотря на то, что они не платили за разработку или строительство шаттла. В обмен на уступки НАСА ВВС дали показания Сенатскому космическому комитету от имени шаттла в марте 1971 года. [3] : 216, 232–234 [6]
В качестве еще одного стимула для военных использовать шаттл, как сообщается, Конгресс сообщил Министерству обороны, что не будет платить за спутники, которые не предназначены для размещения в грузовом отсеке шаттла. [7] Хотя NRO не перепроектировало существующие спутники для шаттла, аппарат сохранил возможность поднимать с орбиты крупные грузы, такие как KH-9 HEXAGON, для ремонта, а агентство изучало возможность пополнения запасов спутника в космосе. [8]
Потенциальное использование шаттла в военных целях, включая возможность его использования для проверки соблюдения Советским Союзом договора ОСВ-2 , вероятно, заставило президента Джимми Картера не отменить шаттл в 1979 и 1980 годах, когда программа отставала от графика на годы и стоила сотни миллионов долларов. долларов сверх бюджета. [9] ВВС планировали иметь собственный парк шаттлов и перестроить отдельную стартовую установку, первоначально созданную на основе отмененной программы пилотируемой орбитальной лаборатории в Ванденберге, под названием « Шесть космический стартовый комплекс» (SLC-6) . Однако по разным причинам, во многом из-за гибели космического корабля " Челленджер" 28 января 1986 года, работы над SLC-6 в конечном итоге были прекращены, и запусков шаттлов из этого места так и не произошло. SLC-6 в конечном итоге использовался для запуска компанией Lockheed Martin , построенных одноразовых ракет-носителей Athena , включая успешный IKONOS коммерческий спутник наблюдения Земли в сентябре 1999 года, а затем был снова переконфигурирован для работы с самолетами Boeing Delta IV нового поколения . Первый запуск тяжелого корабля Delta IV с SLC-6 произошел в июне 2006 года, когда был запущен NROL-22, засекреченный спутник Национального разведывательного управления США (NRO).
Окончательный дизайн
[ редактировать ]Хотя НАСА, вероятно, выбрало бы жидкостные ускорители, если бы оно имело полный контроль над конструкцией, Управление управления и бюджета настаивало на менее дорогих твердотопливных ускорителях из-за более низких прогнозируемых затрат на их разработку. [3] : 416–423 [10] В то время как конструкция ракеты-носителя на жидком топливе обеспечивала более высокие характеристики, более низкие затраты на полет, меньшее воздействие на окружающую среду и меньшие риски при разработке, считалось, что твердотопливные ускорители требуют меньшего финансирования для разработки в то время, когда в программе «Шаттл» было много различных элементов, конкурирующих за ограниченную разработку. средства. Окончательный проект, который был выбран, представлял собой крылатый орбитальный аппарат с тремя жидкостными двигателями , большим одноразовым внешним баком , в котором содержалось жидкое топливо для этих двигателей, и двумя твердотопливными ракетными ускорителями многоразового использования .
Весной 1972 года компании Lockheed Aircraft , McDonnell Douglas , Grumman и North American Rockwell представили предложения по созданию шаттла. Отборочная группа НАСА посчитала, что шаттл Локхид слишком сложен и дорог, а у компании нет опыта создания пилотируемых космических кораблей. Ресторан McDonnell Douglas был слишком дорогим и имел технические проблемы. У Grumman был отличный дизайн, который к тому же казался слишком дорогим. Шаттл North American имел самую низкую стоимость и наиболее реалистичные прогнозы затрат, его конструкция была самой простой для текущего обслуживания, а авария Аполлона-13 North American с участием командно-сервисного модуля продемонстрировала его опыт работы с отказами электрических систем. НАСА объявило о своем выборе Северной Америки 26 июля 1972 года. [3] : 429–432
В программе «Спейс шаттл» использовался язык программирования HAL/S . [11] Первым использованным микропроцессором был 8088 , а затем 80386 . Компьютер авионики орбитального корабля «Спейс шаттл» назывался IBM AP-101 .
Ретроспекция
[ редактировать ]Мнения по поводу уроков Шаттла расходятся. Он был разработан с учетом первоначальной оценки стоимости и времени разработки, предоставленной президенту Ричарду М. Никсону в 1971 году. [12] стоимостью миллиарда долларов 6,744 в долларах 1971 года (что эквивалентно 38,9 миллиарда долларов в 2023 году) [13] против первоначальной оценки в 5,15 миллиарда долларов. [14] Однако эксплуатационные расходы, скорость полета, грузоподъемность и надежность оказались другими, чем ожидалось. [12]
См. также
[ редактировать ]- Буран (космический корабль)
- Одноступенчатый на орбиту
- Режимы прерывания космического корабля "Шаттл"
- Программа «Спейс шаттл»
- Процесс проектирования космического корабля SpaceX
- Изучал конструкции космических кораблей.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Отчет Космической оперативной группы, 1969 год» . НАСА . Архивировано из оригинала 24 декабря 2018 года . Проверено 6 августа 2009 г.
- ^ Пинкус, Уолтер (5 марта 1986 г.). «Попытка НАСА отправить «Гражданина» в космос обогнала полностью «рабочий» шаттл» . Вашингтон Пост . ISSN 0190-8286 . Архивировано из оригинала 2 августа 2017 года . Проверено 14 июля 2020 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Хеппенхаймер, Т.А. (1998). Решение о космическом корабле . НАСА. Архивировано из оригинала 7 ноября 2019 года . Проверено 12 июля 2017 г.
- ^ Дэй, Дуэйн А. (11 января 2010 г.). «Большой Черный и новая птица: NRO и первые космические челноки» . Космический обзор . Архивировано из оригинала 29 сентября 2018 года.
- ^ «Отчет Комиссии по расследованию несчастного случая в Колумбии: Том 6, стр. 224» . Октябрь 2003 года.
- ^ Дэй, Дуэйн А. (20 ноября 2006 г.). «Привидения и индейка» . Космический обзор . Архивировано из оригинала 15 марта 2019 года.
- ^ Олдридж, Эдвард. К. «Пит» младший (ок. 1989). Гарантированный доступ: «Бюрократическая космическая война» (PDF) (Технический отчет). Архивировано (PDF) оригинала 28 октября 2022 г. Проверено 17 сентября 2012 г.
- ^ Дэй, Дуэйн (13 февраля 2017 г.). «Black Ops и шаттл (часть 1)» . Космический обзор . Архивировано из оригинала 10 марта 2019 года . Проверено 27 февраля 2017 г.
- ^ Бергер, Эрик (14 июля 2016 г.). «Тайна холодной войны: почему Джимми Картер спас космический шаттл?» . Арс Техника . Архивировано из оригинала 19 мая 2022 года . Проверено 2 февраля 2023 г.
- ^ Грумман Аэроспейс Корпорейшн ; Компания Боинг (15 марта 1972 г.). Определение программы системы космических шаттлов — расширение фазы B — итоговый отчет (PDF) (технический отчет). НАСА . hdl : 2060/19740022195 . НАСА-CR-134338. Архивировано (PDF) из оригинала 5 апреля 2023 г.
- ^ Литл, П.Дж. (15 августа 1981 г.). «Текущее состояние компилятора HAL/S на компьютере Modcomp Classic 7870». В Рензетти, Северная Каролина (ред.). Отчет о ходе работы в области телекоммуникаций и сбора данных 42-64 (PDF) (Технический отчет). Лаборатория реактивного движения , НАСА . п. 232. HDL : 2060/19810022557 . НАСА-CR-164695. Архивировано (PDF) из оригинала 1 августа 2023 г. Проверено 1 августа 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Общественные слушания Совета по расследованию несчастных случаев в Колумбии». Отчет Колумбийского совета по расследованию происшествий (PDF) (технический отчет). Том. VI. Хьюстон, Техас (опубликовано в октябре 2003 г.). 23 апреля 2003 г., стр. 219–245. Архивировано (PDF) из оригинала 11 мая 2023 г.
- ^ Джонстон, Луи; Уильямсон, Сэмюэл Х. (2023). «Какой тогда был ВВП США?» . Измерительная ценность . Проверено 30 ноября 2023 г. США Показатели дефлятора валового внутреннего продукта соответствуют серии MeasuringWorth .
- ^ Уэйд, Марк. «Шаттл» . Astronautix.com . Архивировано из оригинала 12 июля 2016 года . Проверено 12 ноября 2017 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]Внешние ссылки
[ редактировать ]- Статья о космическом шаттле Astronautix
- НАСА: Решение о космическом шаттле
- ВВЕДЕНИЕ В БУДУЩИЕ ПЛАНЫ ПО ЗАПУСКАМ СРЕДСТВ [1963–2001 гг.], М. Линдроос.
- 10 космических кораблей, которые никогда не летали (Lockheed Starclipper, Chrysler SERV, Phase B Shuttles, Rockwell C-1057, Shuttle C, боевой самолет воздушного базирования (ALSV), Hermes, Buran, Shuttle II, Lockheed Martin VentureStar)