Процесс проектирования космического челнока - Space Shuttle design process

Ранние концепции космических шаттлов США

Перед высадкой Аполлона-11 на Луну в 1969 году НАСА начало исследования конструкции космического челнока еще в октябре 1968 года. Первые исследования были обозначены как «Фаза A», а в июне 1970 года - «Фаза B», которые были более подробными и конкретными. Основное предполагаемое использование космического шаттла заключалось в поддержке будущей космической станции , перевозке минимального экипажа из четырех человек и около 20 000 фунтов (9 100 кг) груза, а также возможности быстрого развертывания для будущих полетов.

Два дизайна вышли на первое место. Один из них был разработан инженерами Центра пилотируемых космических полетов и особенно поддержан Джорджем Мюллером . Это была двухступенчатая система с дельтовидным крылом, и в целом сложная. Попытка повторного упрощения была предпринята в форме DC-3 , разработанного Максимом Фэджетом , который разработал капсулу Mercury среди других транспортных средств. Были также предложены многочисленные предложения от различных коммерческих компаний, но в целом они остались на второй план, поскольку каждая лаборатория НАСА настаивала на своей собственной версии.

Все это происходило среди других команд НАСА, предлагавших широкий спектр миссий после Аполлона, некоторые из которых стоили бы столько же, сколько Аполлон или больше. Поскольку каждый из этих проектов боролся за финансирование, бюджет НАСА в то же время был сильно ограничен. Три из них были в конечном итоге представлены вице-президенту Агнью в 1969 году. Проект шаттла поднялся на вершину во многом благодаря неустанной кампании его сторонников. К 1970 году шаттл был выбран в качестве одного из основных проектов краткосрочного периода после Аполлона.

Когда возник вопрос о финансировании программы, возникли опасения, что проект может быть отменен. Это привело к попытке заинтересовать ВВС США в использовании шаттла и для своих миссий. Военно-воздушные силы проявили умеренный интерес, но потребовали гораздо более крупную машину, намного превышающую первоначальные концепты. Чтобы снизить затраты на разработку полученных конструкций, были добавлены ускорители, был принят одноразовый топливный бак, а также было внесено множество других изменений, которые значительно снизили возможность повторного использования и значительно увеличили транспортные и эксплуатационные расходы. С помощью ВВС система появилась в рабочем виде.

Процесс принятия решений

В 1969 году вице-президент Соединенных Штатов Спиро Агнью возглавил Национальный совет по аэронавтике и космосу , который обсудил варианты развития космической деятельности человека после Аполлона . Рекомендации Совета сильно повлияют на решения администрации . Совет рассмотрел четыре основных варианта:

Основываясь на рекомендации Космического совета, президент Никсон принял решение использовать вариант инфраструктуры на низкой околоземной орбите . Эта программа в основном состояла из строительства космической станции , а также разработки космического челнока . Однако ограничения финансирования не позволили продолжить разработку обеих программ одновременно. НАСА сначала решило разработать программу « Спейс шаттл» , а затем планировало использовать шаттл для строительства и обслуживания космической станции.

Споры о дизайне челнока

Оригинальная североамериканская конструкция треугольного крыла Rockwell Shuttle , 1969 год: полностью многоразовое, с пилотируемым ускорителем обратного хода
В концепции DC-3 Максима Фагета использовались обычные прямые крылья.

Во время ранних исследований шаттлов велись дебаты по поводу оптимальной конструкции шаттла, которая наилучшим образом уравновешивала возможности, стоимость разработки и эксплуатационные расходы. Первоначально предпочтение отдавалось полностью многоразовой конструкции. Речь идет о очень большом крылатом пилотируемом ускорителе, который будет нести меньший крылатый пилотируемый орбитальный аппарат. Ракета-носитель поднимала орбитальный аппарат на определенную высоту и скорость, а затем отделялась. 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 и приземлится горизонтально на взлетно-посадочной полосе. Идея заключалась в том, что полная возможность повторного использования будет способствовать снижению эксплуатационных расходов.

Однако дальнейшие исследования показали, что для поднятия орбитального корабля с желаемой полезной нагрузкой требовалась огромная ракета-носитель. В космических и авиационных системах стоимость тесно связана с весом, поэтому это означает, что общая стоимость транспортного средства будет очень высокой. И ракета-носитель, и орбитальный аппарат будут иметь ракетные двигатели, реактивные двигатели для использования в атмосфере, а также отдельные системы подачи топлива и управления для каждого режима движения. Кроме того, одновременно велись дискуссии о том, сколько средств будет доступно для разработки программы.

Другим конкурирующим подходом было поддержание производственной линии Saturn V и использование его большой полезной нагрузки для запуска космической станции с небольшим количеством полезных нагрузок, а не с множеством меньших полезных нагрузок шаттла. Связанная концепция заключалась в обслуживании космической станции с использованием ВВС Titan III-M для запуска более крупной капсулы Gemini , называемой « Big Gemini », или меньшей «планерной» версии шаттла без главных двигателей и размером 15 футов на 30 футов. (4,6 м × 9,1 м) отсек полезной нагрузки.

Сторонники шаттла ответили, что при достаточном количестве запусков многоразовая система будет иметь меньшую общую стоимость, чем одноразовые ракеты. Если разделить общие затраты на программу на определенное количество запусков, высокая частота запусков шаттла приведет к более низким затратам перед запуском. Это, в свою очередь, сделало бы шаттл конкурентоспособным по стоимости с пусковыми установками одноразового использования или превзошел их. В некоторых теоретических исследованиях упоминается 55 запусков шаттлов в год; однако выбранный окончательный дизайн не поддерживал такую ​​скорость запуска. В частности, максимальная скорость производства внешних резервуаров была ограничена до 24 резервуаров в год на сборочном предприятии НАСА в Мишуде .

Комбинированные требования к космической станции и полезной нагрузке ВВС были недостаточны для достижения желаемой скорости запуска шаттлов. Таким образом, план состоял в том, что все будущие космические запуски США - космические станции, военно-воздушные силы, коммерческие спутники и научные исследования - будут использовать только космические шаттлы. Большинство других одноразовых бустеров будет снято с производства.

В конечном итоге от многоразового бустера отказались из-за нескольких факторов: высокой цены (в сочетании с ограниченным финансированием), технической сложности и риска разработки. Вместо этого была выбрана частично (не полностью) многоразовая конструкция, в которой внешний топливный бак выбрасывался при каждом запуске, а ракеты-носители и орбитальный аппарат шаттла были отремонтированы для повторного использования.

Первоначально орбитальный аппарат должен был нести собственное жидкое топливо . Однако исследования показали, что перенос топлива во внешнем баке позволял иметь больший отсек для полезной нагрузки в гораздо меньших по размеру кораблях. Это также означало выбрасывать танк после каждого запуска, но это была относительно небольшая часть эксплуатационных расходов.

В более ранних проектах предполагалось, что крылатый орбитальный аппарат также будет иметь реактивные двигатели, помогающие маневрировать в атмосфере после повторного входа в него. Однако НАСА в конечном итоге выбрало планирующий орбитальный аппарат, частично основываясь на опыте предыдущих ракетно-планирующих аппаратов, таких как X-15 и подъемные тела . Отказ от реактивных двигателей и их топлива снизит сложность и увеличит полезную нагрузку .

Еще одним решением был размер экипажа. Некоторые говорили, что шаттл не должен перевозить более четырех человек, максимум из которых можно было использовать катапультные кресла . Командир, пилот, специалист миссии , и специалист по полезной нагрузке были достаточными для любой миссии. НАСА рассчитывало, что в качестве специалистов по полезной нагрузке будет задействовано больше участников космических полетов , поэтому разработало транспортное средство, чтобы перевозить больше.

Последние оставшиеся споры касались природы ускорителей. НАСА изучило четыре решения этой проблемы: разработка существующей нижней ступени Сатурна, простых жидкостных двигателей с питанием от давления новой конструкции, большой одиночной твердотопливной ракеты или двух (или более) меньших. Инженеры Центра космических полетов НАСА им. Маршалла (где руководили разработкой Saturn V) были особенно обеспокоены надежностью твердотопливных ракет для пилотируемых полетов.

Участие ВВС

В середине 1960-х годов у ВВС США были отменены оба основных пилотируемых космических проекта, X-20 Dyna-Soar и Manned Orbiting Laboratory . Это продемонстрировало необходимость сотрудничества с НАСА для вывода на орбиту военных астронавтов. В свою очередь, обслуживая потребности ВВС, «Шаттл» стал поистине национальной системой, несущей как военную, так и гражданскую полезную нагрузку.

НАСА запросило поддержку ВВС для шаттла. После Шестидневной войны и советского вторжения в Чехословакию, выявившие ограничения в сети спутниковой разведки Соединенных Штатов , 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. В ВВС также надеялись, что шаттл сможет найти советские спутники и быстро приземлиться. Таким образом, он желал иметь возможность приземлиться в точке старта Ванденберга после одной орбиты, несмотря на то, что Земля вращается на 1000 миль ниже орбитальной траектории. Это требовало большего размера треугольного крыла, чем более ранний простой шаттл DC-3. Однако НАСА также желало увеличения маневренности, поскольку дальнейшие исследования показали, что конструкция шаттла DC-3 имеет ограничения, которые изначально не предполагались. В период с 1959 по 1970 год военно-воздушные силы выполнили более 200 спутниковых разведывательных миссий, и большой объем боевой нагрузки военных был бы ценным для того, чтобы сделать шаттл более экономичным.

Несмотря на потенциальные выгоды для ВВС, военные были удовлетворены их одноразовыми ускорителями и не нуждались в шаттле так сильно, как НАСА. Поскольку космическому агентству требовалась внешняя поддержка, Министерство обороны (DoD) и Национальное разведывательное управление (NRO) получили основной контроль над процессом проектирования. Например, НАСА планировало грузовой отсек размером 40 на 12 футов (12,2 на 3,7 м), но NRO определило отсек размером 60 на 15 футов (18,3 на 4,6 м), поскольку ожидало, что будущие разведывательные спутники станут больше. Когда Faget снова предложил грузовой отсек шириной 12 футов (3,7 м), военные почти сразу же настояли на сохранении ширины 15 футов (4,6 м). ВВС также получили эквивалент использования одного из шаттлов бесплатно, несмотря на то, что не заплатили за разработку или строительство шаттла. В обмен на уступки НАСА в марте 1971 года ВВС дали показания перед космическим комитетом Сената от имени шаттла.

В качестве еще одного стимула для использования военными шаттла Конгресс, как сообщается, сообщил Министерству обороны, что не будет платить за спутники, не предназначенные для размещения в грузовом отсеке шаттла. Хотя NRO не модернизировала существующие спутники для шаттла, аппарат сохранил возможность забирать с орбиты большие грузы, такие как KH-9 HEXAGON, для ремонта, и агентство изучало возможность пополнения запасов спутника в космосе.

Военно-воздушные силы планировали иметь собственный флот шаттлов и перестроили отдельный стартовый комплекс, первоначально созданный на основе отмененной программы пилотируемой орбитальной лаборатории в Ванденберге, под названием Space Launch Complex Six (SLC-6) . Однако по разным причинам, в значительной степени из-за потери космического корабля " Челленджер" 28 января 1986 года, работа над SLC-6 в конечном итоге была прекращена, запуски шаттлов из этого места никогда не производились. SLC-6 был в конечном счете используется для запуска Lockheed Martin -Встроенного Athena запуск расходного транспортных средств, которые включали успешную IKONOS коммерческого спутник наблюдения Земли в сентябре 1999 года перед тем , как перенастроить еще раз для обработки нового поколения Boeing Delta IV «s. Первый запуск Delta IV Heavy с SLC-6 произошел в июне 2006 года, запустив NROL-22, секретный спутник Национального разведывательного управления США (NRO).

Окончательный дизайн

Окончательная конструкция полу-многоразового использования с одноразовым внешним топливным баком и восстанавливаемыми твердотопливными ракетными ускорителями.

В то время как НАСА, вероятно, выбрало бы жидкие ускорители, если бы оно полностью контролировало конструкцию, Управление управления и бюджета настаивало на менее дорогих твердотельных ускорителях из-за их более низких прогнозируемых затрат на разработку. В то время как конструкция ускорителя на жидком топливе обеспечивала лучшую производительность, более низкие затраты на полет, меньшее воздействие на окружающую среду и меньший риск разработки, твердые ускорители рассматривались как требующие меньшего финансирования для разработки в то время, когда в программе Shuttle было много различных элементов, конкурирующих за ограниченную разработку. средства. Окончательная конструкция была выбрана как крылатый орбитальный аппарат с тремя жидкостными двигателями , большим одноразовым внешним баком, в котором хранилось жидкое топливо для этих двигателей, и двумя многоразовыми твердотопливными ракетными ускорителями .

Весной 1972 года Lockheed Aircraft , McDonnell Douglas , Grumman и North American Rockwell представили предложения по созданию шаттла. Отборочная группа НАСА посчитала шаттл Lockheed слишком сложным и дорогим, а у компании не было опыта создания пилотируемых космических кораблей. McDonnell Douglas's был слишком дорогим и имел технические проблемы. У Груммана был отличный дизайн, который к тому же казался слишком дорогим. Шаттл North American имел самую низкую стоимость и был наиболее реалистичным прогнозом стоимости, его конструкция была самой простой для текущего обслуживания, а авария Apollo 13 с участием командно-сервисного модуля North American продемонстрировала его опыт работы с отказами электрической системы. НАСА объявило о своем выборе Северной Америки 26 июля 1972 года.

Программа Space Shuttle используется HAL / S язык программирования. Первым использованным микропроцессором был 8088, а затем 80386 . Компьютером авионики орбитального корабля шаттла был IBM AP-101 .

Ретроспектива через три десятилетия

Смотрите также: Критика программы Space Shuttle и вывода на пенсию Space Shuttle
Ранняя концепция обслуживания космического корабля "Шаттл"

Мнения об уроках «Шаттла» расходятся. Она была разработана с первоначальной стоимости разработки и оценки времени , отведенного для президента Ричарда М. Никсона в 1971 году, по цене $ US 6744000000 в 1971 долларов по сравнению с первоначальной оценкой $ 5,15 млрд долларов . Однако эксплуатационные расходы, скорость полета, грузоподъемность и надежность оказались другими, чем ожидалось.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки