« Спейс Шаттл» — вышедшая из эксплуатации низкоорбитальная космическая система частично многоразового использования , эксплуатировавшаяся с 1981 по 2011 год Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства США (НАСА) в рамках программы «Спейс шаттл» . Официальное название ее программы было «Космическая транспортная система» (STS), взятое из плана 1969 года по созданию системы многоразовых космических кораблей, где это был единственный объект, финансируемый для разработки. [7]
Первый ( STS-1 ) из четырех орбитальных испытательных полетов состоялся в 1981 году, а эксплуатационные полеты ( STS-5 ) начались в 1982 году. С 1981 по 2011 год было построено пять полных орбитальных кораблей «Спейс Шаттл», которые совершили в общей сложности 135 миссий. Они стартовали из Космического центра Кеннеди (KSC) во Флориде . Оперативные миссии запускали многочисленные спутники , межпланетные зонды и космический телескоп «Хаббл» (HST), проводили научные эксперименты на орбите, участвовали в программе «Шаттл- Мир» с Россией, участвовали в строительстве и обслуживании Международной космической станции (МКС). Общее время полета космического корабля "Шаттл" составило 1323 дня. [8]
Компоненты космического корабля "Шаттл" включают в себя орбитальный аппарат (OV) с тремя сгруппированными главными двигателями Rocketdyne RS-25 , парой восстанавливаемых твердотопливных ракетных ускорителей (SRB) и одноразовым внешним баком (ET), содержащим жидкий водород и жидкий кислород . Спейс шаттл был запущен вертикально , как обычная ракета, при этом два SRB работали параллельно с тремя основными двигателями орбитального корабля , которые питались от инопланетянина. SRB были сброшены до того, как корабль достиг орбиты, в то время как основные двигатели продолжали работать, а ET был сброшен после отключения основного двигателя и непосредственно перед выходом на орбиту , в котором использовались два двигателя системы орбитального маневрирования (OMS) орбитального аппарата. По завершении миссии орбитальный аппарат запустил свою СУО, чтобы сойти с орбиты и снова войти в атмосферу . Орбитальный аппарат был защищен во время входа в атмосферу плитками системы тепловой защиты , и он скользил как космический самолет к посадке на взлетно-посадочной полосе, обычно к посадочной площадке шаттла в KSC, Флорида, или к озеру Роджерс-Драй на базе ВВС Эдвардс , Калифорния. Если приземление произошло в Эдвардсе, орбитальный аппарат доставлялся обратно в KSC на самолете-челноке (SCA), специально модифицированном Боинге 747 , предназначенном для перевозки шаттла над ним.
Первый орбитальный аппарат, «Энтерпрайз» , был построен в 1976 году и использовался в испытаниях на заход и посадку (ALT), но не имел орбитальных возможностей. Первоначально были построены четыре полностью работоспособных орбитальных корабля: «Колумбия» , «Челленджер» , «Дискавери » и «Атлантис» . Из них два погибли в результате аварий миссии: «Челленджер» в 1986 году и «Колумбия» в 2003 году , в результате чего погибло в общей сложности 14 астронавтов. Пятый действующий (и шестой в целом) орбитальный аппарат «Индевор » был построен в 1991 году на замену «Челленджера» . Три уцелевших корабля были выведены из эксплуатации после последнего полета «Атлантиса » 21 июля 2011 года. США полагались на российский космический корабль «Союз» для перевозки астронавтов на МКС от последнего полета «Шаттла» до запуска Crew Dragon Demo-2. миссия в мае 2020 года. [9]
В конце 1930-х годов правительство Германии запустило проект «Американский бомбардировщик», и идеей Ойгена Зангера совместно с математиком Ирен Бредт была крылатая ракета под названием «Зильберфогель» (по-немецки «серебряная птица»). [10] В 1950-х годах ВВС США предложили использовать многоразовый пилотируемый планер для выполнения военных операций, таких как разведка, спутниковая атака и применение оружия класса «воздух-земля». В конце 1950-х годов ВВС приступили к разработке частично многоразового самолета X-20 Dyna-Soar . ВВС сотрудничали с НАСА над Dyna-Soar и начали обучение шести пилотов в июне 1961 года. Рост затрат на разработку и установление приоритетов проекта Gemini привели к отмене программы Dyna-Soar в декабре 1963 года. В дополнение к Dyna - Соар, ВВС в 1957 году провели исследование, чтобы проверить возможность использования многоразовых ускорителей. Это стало основой для аэрокосмического самолета , полностью многоразового космического корабля, который никогда не разрабатывался после начальной стадии проектирования в 1962–1963 годах. [11] : 162–163.
Начиная с начала 1950-х годов НАСА и ВВС сотрудничали в разработке несущих тел для испытаний самолетов, которые в основном создавали подъемную силу за счет фюзеляжей, а не крыльев, и испытывали NASA M2-F1 , Northrop M2-F2 , Northrop M2-F3 , Northrop HL. -10 , Мартин Мариетта X-24A и Мартин Мариетта X-24B . В рамках программы проверялись аэродинамические характеристики, которые позже будут включены в конструкцию космического челнока, включая посадку без двигателя с большой высоты и скорости. [12] : 142 [13] : 16–18
24 сентября 1966 года, когда космическая программа «Аполлон» приближалась к завершению проектирования, НАСА и ВВС опубликовали совместное исследование, в котором был сделан вывод, что для удовлетворения их будущих потребностей требуется новый корабль и что система частичного повторного использования будет наиболее экономически выгодной. эффективное решение. [11] : 164 Глава Управления пилотируемых космических полетов НАСА Джордж Мюллер объявил о плане многоразового шаттла 10 августа 1968 года. НАСА выпустило запрос предложений (RFP) на проекты комплексного запуска и повторного запуска. входной корабль (ILRV), который позже станет космическим шаттлом. Вместо того, чтобы заключить контракт на основе первоначальных предложений, НАСА объявило о поэтапном подходе к заключению контрактов и разработке космических кораблей; Фаза A представляла собой запрос на исследования, проводимые конкурирующими аэрокосмическими компаниями, Фаза B представляла собой конкуренцию между двумя подрядчиками за конкретный контракт, Фаза C включала разработку деталей компонентов космического корабля, а Фаза D заключалась в производстве космического корабля. [14] [13] : 19–22
В декабре 1968 года НАСА создало Целевую группу по космическим шаттлам для определения оптимальной конструкции многоразового космического корабля и заключило контракты на исследования с компаниями General Dynamics , Lockheed , McDonnell Douglas и North American Rockwell . В июле 1969 года рабочая группа по космическим шаттлам опубликовала отчет, в котором определялось, что шаттл будет поддерживать краткосрочные пилотируемые миссии и космическую станцию, а также возможности запуска, обслуживания и возврата спутников. В отчете также созданы три класса будущего шаттла многоразового использования: класс I будет иметь многоразовый орбитальный аппарат, установленный на одноразовых ускорителях, класс II будет использовать несколько одноразовых ракетных двигателей и один топливный бак (полутораступенчатый) и класс III. будет иметь как многоразовый орбитальный аппарат, так и многоразовый ускоритель. В сентябре 1969 года Космическая целевая группа под руководством вице-президента Спиро Агнью выпустила доклад, призывающий к разработке космического корабля-челнока для доставки людей и грузов на низкую околоземную орбиту (НОО), а также космического буксира для переброски между орбитами и Луной, а также многоразовый ядерный разгонный блок для путешествий в дальний космос. [11] : 163–166 [7]
После публикации отчета целевой группы космического корабля «Шаттл» многие аэрокосмические инженеры отдали предпочтение полностью многоразовой конструкции класса III из-за предполагаемой экономии затрат на оборудование. Макс Фагет , инженер НАСА, работавший над разработкой капсулы «Меркурий» , запатентовал конструкцию двухступенчатой полностью восстанавливаемой системы с орбитальным аппаратом с прямым крылом, установленным на более крупной ракете-носителе с прямым крылом. [15] [16] Лаборатория динамики полета ВВС утверждала, что конструкция с прямым крылом не сможет выдержать высокие термические и аэродинамические нагрузки во время входа в атмосферу и не обеспечит необходимую дальность полета. Кроме того, ВВС требовалась большая грузоподъемность, чем позволяла конструкция Фаджета. В январе 1971 года руководство НАСА и ВВС решило, что многоразовый орбитальный аппарат с треугольным крылом, установленный на одноразовом топливном баке, будет оптимальной конструкцией для космического корабля "Шаттл". [11] : 166
После того как НАСА и ВВС установили потребность в многоразовом космическом корабле большой грузоподъемности, они определили требования к проектированию своих соответствующих служб. Военно-воздушные силы рассчитывали использовать космический шаттл для запуска больших спутников и требовали, чтобы он был способен поднимать 29 000 кг (65 000 фунтов) на восточную НОО или 18 000 кг (40 000 фунтов) на полярную орбиту . Проекты спутников также требовали, чтобы космический шаттл имел отсек для полезной нагрузки размером 4,6 на 18 м (15 на 60 футов). НАСА провело оценку двигателей F-1 и J-2 ракет «Сатурн» и определило, что они недостаточны для требований космического корабля «Шаттл»; в июле 1971 года она заключила с Rocketdyne контракт на начало разработки двигателя RS-25 . [11] : 165–170
НАСА рассмотрело 29 потенциальных проектов космического корабля "Шаттл" и решило, что следует использовать конструкцию с двумя боковыми ускорителями, причем ускорители должны быть многоразовыми для снижения затрат. [11] : 167 НАСА и ВВС решили использовать твердотопливные ускорители из-за более низких затрат и простоты их восстановления для повторного использования после приземления в океане. В январе 1972 года президент Ричард Никсон одобрил проект «Шаттл», а в марте НАСА приняло решение по его окончательному проекту. За разработку главного двигателя космического корабля шаттла (SSME) отвечала Rocketdyne, контракт был заключен в июле 1971 года, а обновленные спецификации SSME были представлены Rocketdyne в апреле того же года. [17] В августе того же года НАСА заключило контракт на постройку орбитального аппарата с компанией North American Rockwell. В августе 1973 года был заключен контракт на поставку внешнего бака с компанией Martin Marietta , а в ноябре на контракт на твердотопливный ускоритель с компанией Morton Thiokol . [11] : 170–173.
4 июня 1974 года компания «Роквелл» начала строительство первого орбитального аппарата OV-101, который позже будет называться « Энтерпрайз» . «Энтерпрайз» разрабатывался как испытательный автомобиль и не включал в себя двигатели и тепловую защиту. Строительство было завершено 17 сентября 1976 года, и «Энтерпрайз» был переведен на базу ВВС Эдвардс для начала испытаний. [11] : 173 [18] Роквелл сконструировал образец для испытаний главной двигательной установки (MPTA)-098 , который представлял собой структурную ферму, прикрепленную к ET с тремя прикрепленными двигателями RS-25. Он был испытан в Национальной лаборатории космических технологий (NSTL), чтобы гарантировать, что двигатели могут безопасно работать по профилю запуска. [19] : II-163 Rockwell провела испытания на механическую и термическую нагрузку на объекте структурных испытаний (STA)-099, чтобы определить влияние аэродинамических и термических напряжений во время запуска и входа в атмосферу. [19] : I-415
Начало разработки главного двигателя космического корабля шаттла RS-25 было отложено на девять месяцев, поскольку Pratt & Whitney оспорила контракт, выданный Rocketdyne. Первый двигатель был завершен в марте 1975 года после проблем с разработкой первого дроссельного двигателя многоразового использования. Во время испытаний двигателя у РС-25 произошли многочисленные отказы сопел, а также поломки лопаток турбины. Несмотря на проблемы во время испытаний, в мае 1978 года НАСА заказало девять двигателей RS-25, необходимых для трех строящихся орбитальных аппаратов. [11] : 174–175.
НАСА столкнулось со значительными задержками в разработке системы тепловой защиты космического корабля "Шаттл" . Предыдущий космический корабль НАСА использовал абляционные тепловые экраны, но их нельзя было использовать повторно. НАСА решило использовать керамическую плитку для тепловой защиты, поскольку тогда шаттл можно будет построить из легкого алюминия , а плитки можно будет заменять по отдельности по мере необходимости. Строительство началось на « Колумбии» 27 марта 1975 года и было доставлено в KSC 25 марта 1979 года . быть установлен. Однако многие изначально установленные плитки пришлось заменить, и на установку потребовалось два года, прежде чем Колумбия смогла полететь. [13] : 46–48
5 января 1979 года НАСА запустило второй орбитальный аппарат. Позже в том же месяце Rockwell начал переоборудовать STA-099 в OV-099, позже названный Challenger . 29 января 1979 года НАСА заказало два дополнительных орбитальных аппарата, OV-103 и OV-104, которые получили названия Discovery и Atlantis . Строительство OV-105, позже названного «Индевор» , началось в феврале 1982 года, но НАСА решило ограничить флот «Спейс Шаттл» четырьмя орбитальными аппаратами в 1983 году. После потери « Челленджера » НАСА возобновило производство « Индевора » в сентябре 1987 года . [13] :52 –53
После прибытия на авиабазу Эдвардс « Энтерпрайз» прошел летные испытания на самолете-челноке , Боинге 747, который был модифицирован для перевозки орбитального аппарата. В феврале 1977 года «Энтерпрайз» начал испытания на заход на посадку и посадку (ALT) и совершил полеты в неволе, где он оставался прикрепленным к самолету-челноку на время полета. 12 августа 1977 года «Энтерпрайз» провел свое первое испытание на планирование, во время которого он отделился от самолета-носителя и приземлился на авиабазе Эдвардс. [11] : 173–174 После четырех дополнительных полетов 13 марта 1978 года «Энтерпрайз» был переведен в Центр космических полетов Маршалла (MSFC). «Энтерпрайз» прошел испытания на вибрацию в ходе испытания на вертикальную вибрацию земли Mated, где он был прикреплен к внешнему резервуару. и твердотопливные ракетные ускорители и подвергались вибрации для имитации напряжений при запуске. В апреле 1979 года «Энтерпрайз» был доставлен в КСК, где к нему прикрепили подвесной бак и твердотопливные ракетные ускорители, и перевели в LC-39 . После установки на стартовую площадку «Спейс шаттл» использовался для проверки правильности расположения оборудования стартового комплекса. «Энтерпрайз» был доставлен обратно в Калифорнию в августе 1979 года, а позже участвовал в разработке SLC-6 на авиабазе Ванденберг в 1984 году . [13] : 40–41.
24 ноября 1980 года «Колумбия» была соединена с внешним баком и твердотопливными ускорителями и 29 декабря переведена в LC - 39 . НАСА впервые осуществило первый полет космического корабля с экипажем. [19] : III-24 12 апреля 1981 года впервые был запущен космический челнок, пилотируемый Джоном Янгом и Робертом Криппеном . Во время двухдневной миссии Янг и Криппен проверили оборудование на борту шаттла и обнаружили, что несколько керамических плиток упали с верхнего борта «Колумбии » . [20] : 277–278 НАСА координировало действия с ВВС по использованию спутников для получения изображений нижней части Колумбии и установило, что повреждений нет. [20] : 335–337 Колумбия снова вошла в атмосферу и приземлилась на авиабазе Эдвардс 14 апреля. [19] : III-24
НАСА провело три дополнительных испытательных полета с Колумбией в 1981 и 1982 годах. 4 июля 1982 года STS-4 , пилотируемый Кеном Мэттингли и Генри Хартсфилдом , приземлился на бетонную взлетно-посадочную полосу на авиабазе Эдвардс. Президент Рональд Рейган и его жена Нэнси встретились с командой и произнесли речь. После STS-4 НАСА объявило о работоспособности своей космической транспортной системы (STS). [11] : 178–179 [21]
Спейс Шаттл был первым действующим орбитальным космическим кораблем, предназначенным для повторного использования . Каждый орбитальный корабль космического корабля "Шаттл" был рассчитан на прогнозируемый срок службы в 100 запусков или десять лет эксплуатационного срока, хотя позже он был продлен. [22] : 11 При запуске он состоял из орбитального корабля , на котором находились экипаж и полезная нагрузка, внешнего бака (ET) и двух твердотопливных ракетных ускорителей (SRB). [2] : 363
Ответственность за компоненты «Шаттла» была распределена между несколькими полевыми центрами НАСА. KSC отвечал за запуск, посадку и разворот на экваториальных орбитах (единственный профиль орбиты, фактически используемый в программе). ВВС США на базе ВВС Ванденберг отвечали за запуск, посадку и разворот на полярных орбитах (хотя это никогда не использовалось). Космический центр Джонсона ( ОАО) служил центральной точкой для всех операций «Шаттла», а MSFC отвечал за главные двигатели, внешний бак и твердотопливные ракетные ускорители. Космический центр Джона К. Стенниса проводил испытания главных двигателей, а Центр космических полетов Годдарда управлял глобальной сетью слежения. [23]
Орбитальный аппарат имел элементы конструкции и возможности как ракеты, так и самолета, что позволяло ему запускаться вертикально, а затем приземляться как планер. [2] : 365 Трехсекционный фюзеляж обеспечивал поддержку боевого отделения, грузового отсека, поверхностей полета и двигателей. В задней части орбитального корабля находились главные двигатели космического корабля шаттла (SSME), которые обеспечивали тягу во время запуска, а также систему орбитального маневрирования (OMS), которая позволяла орбитальному аппарату достигать, изменять и покидать свою орбиту после выхода в космос. Его двойные треугольные крылья имели длину 18 м (60 футов) и стреловидность 81° по внутренней передней кромке и 45° по внешней передней кромке. Каждое крыло имело внутренний и внешний элевоны для обеспечения управления полетом при входе в атмосферу, а также закрылок, расположенный между крыльями под двигателями для управления шагом . Вертикальный стабилизатор орбитального корабля был отклонен назад на 45° и содержал руль направления , который мог разделяться и действовать как тормоз скорости . [2] : 382–389 Вертикальный стабилизатор также содержал двухсекционную тормозную парашютную систему для замедления орбитального корабля после приземления. На орбитальном аппарате использовалось убирающееся шасси с носовой стойкой и двумя основными стойками шасси, каждая из которых имела по две шины. Основные стойки шасси содержали по два тормозных агрегата, носовая — электрогидравлический рулевой механизм. [2] : 408–411.
Экипаж космического корабля менялся в зависимости от миссии. Они прошли тщательное тестирование и обучение, чтобы соответствовать квалификационным требованиям, предъявляемым к их должностям. Экипаж был разделен на три категории: пилоты, специалисты по полетам и специалисты по полезной нагрузке. Пилоты были разделены на две роли: командиры космических шаттлов и пилоты космических шаттлов. [24] В испытательных полетах участвовало только два участника: командир и пилот, которые оба были квалифицированными пилотами, способными летать и посадить орбитальный аппарат. Операции на орбите, такие как эксперименты, развертывание полезной нагрузки и выходы в открытый космос, проводились в основном специалистами миссии, которые были специально обучены для предполагаемых миссий и систем. В начале программы «Спейс шаттл» НАСА летало со специалистами по полезной нагрузке, которые обычно были системными специалистами, работавшими в компании, оплачивающей развертывание или эксплуатацию полезной нагрузки. Последний специалист по полезной нагрузке, Грегори Б. Джарвис , летал на STS-51-L , а будущие непилоты были назначены специалистами миссии. Астронавт летал в качестве бортинженера с экипажем как на STS-51-C, так и на STS-51-J, чтобы служить военным представителем полезной нагрузки Национального разведывательного управления . В экипаже космического шаттла обычно было семь астронавтов, а на STS-61-A летало восемь. [19] : III-21
Отсек экипажа состоял из трех палуб и был герметичной обитаемой зоной во всех миссиях космических шаттлов. Кабина экипажа состояла из двух мест для командира и пилота, а также дополнительных двух-четырех мест для членов экипажа. Средняя палуба располагалась под кабиной экипажа, где располагались камбуз и койки экипажа, а также три или четыре сиденья для членов экипажа. На средней палубе находился шлюзовой шлюз, который мог поддерживать двух астронавтов во время выхода в открытый космос (EVA), а также иметь доступ к герметичным исследовательским модулям. Под средней палубой находился отсек для оборудования, в котором хранились системы экологического контроля и управления отходами. [13] : 60–62 [2] : 365–369
В первых четырех миссиях «Шаттла» астронавты носили модифицированные высотные скафандры ВВС США, которые включали в себя шлем полного давления во время подъема и спуска. Начиная с пятого полета, STS-5 , и до гибели «Челленджера » экипаж носил цельные светло-голубые летные костюмы из номекса и шлемы парциального давления. После катастрофы «Челленджера» члены экипажа носили стартовый костюм (LES), версию высотных скафандров с частичным давлением и шлемом. В 1994 году LES был заменен усовершенствованным спасательным костюмом полного давления (ACES), который повысил безопасность космонавтов в чрезвычайной ситуации. Первоначально Колумбия установила модифицированные кресла с нулевым катапультированием SR-71 для ALT и первых четырех миссий, но они были отключены после STS-4 и удалены после STS-9 . [2] : 370–371.
Кабина экипажа представляла собой верхний уровень боевого отсека и содержала органы управления полетом орбитального корабля. Командир сидел на переднем левом сиденье, а пилот – на переднем правом, при этом для дополнительных членов экипажа было предусмотрено от двух до четырех дополнительных мест. Приборные панели содержали более 2100 дисплеев и органов управления, а командир и пилот были оснащены проекционным дисплеем (HUD) и вращательным ручным контроллером (RHC) для подвеса двигателей во время полета с двигателем и управления орбитальным аппаратом во время полета без двигателя. Оба сиденья также имели органы управления рулем направления , позволяющие управлять рулем направления в полете и управлять носовым колесом на земле. [2] : 369–372 Первоначально на орбитальных кораблях была установлена многофункциональная система ЭЛТ- дисплея (MCDS) для отображения и управления полетной информацией. MCDS отображала полетную информацию на сиденьях командира и пилота, а также на кормовом сиденье, а также контролировала данные на HUD. В 1998 году «Атлантис» был модернизирован с помощью многофункциональной электронной системы отображения (MEDS), которая представляла собой модернизацию стеклянной кабины летных приборов, заменившую восемь дисплеев MCDS на 11 многофункциональных цветных цифровых экранов. MEDS был впервые запущен в мае 2000 года на STS-98 , и другие орбитальные аппараты были модернизированы до него. В кормовой части кабины экипажа находились окна, выходящие в отсек полезной нагрузки, а также правый центр управления для управления системой дистанционного манипулятора во время грузовых операций. Кроме того, в кормовой части кабины экипажа были мониторы кабельного телевидения для просмотра грузового отсека. [2] : 372–376.
На средней палубе располагались складские помещения для оборудования экипажа, спальная зона, камбуз, медицинское оборудование и пункты гигиены для экипажа. Экипаж использовал модульные рундуки для хранения оборудования, которые можно было масштабировать в зависимости от потребностей, а также стационарно установленные напольные отсеки. На средней палубе был люк по левому борту, который экипаж использовал для входа и выхода на Земле. [19] : II–26–33
Воздушный шлюз — это конструкция, позволяющая перемещаться между двумя пространствами с разными компонентами газа, условиями или давлениями. Продолжая тему конструкции средней палубы, каждый орбитальный аппарат изначально был установлен с внутренним шлюзовым затвором в средней палубе. Внутренний шлюзовой шлюз был установлен в качестве внешнего шлюзового шлюза в отсеке полезной нагрузки на кораблях «Дискавери» , «Атлантис » и «Индевор» для улучшения стыковки с «Миром » и МКС , а также со стыковочной системой орбитального корабля . [19] : II–26–33 Модуль шлюзовой камеры может быть установлен в среднем отсеке или подсоединен к нему, но в отсеке полезной нагрузки. [25] : 81 Благодаря внутреннему цилиндрическому объему диаметром 1,60 метра (5 футов 3 дюйма) и длине 2,11 метра (6 футов 11 дюймов) он может вместить двух скафандров-космонавтов. Он имеет два D-образных люка длиной (диаметром) 1,02 м (40 дюймов) и шириной 0,91 м (36 дюймов). [25] : 82
Орбитальный аппарат был оснащен системой авионики для предоставления информации и управления во время полета в атмосфере. Его комплект авионики включал три системы посадки с микроволновым сканирующим лучом , три гироскопа , три TACAN , три акселерометра , два радиолокационных высотомера , два барометрических высотомера , три указателя ориентации , два указателя Маха и два транспондера режима C. Во время входа в атмосферу экипаж задействовал два датчика воздушных данных , когда они двигались со скоростью менее 5 Маха. Орбитальный аппарат имел три инерциальных измерительных блока (IMU), которые он использовал для наведения и навигации на всех этапах полета. Орбитальный аппарат содержит два звездных трекера для выравнивания IMU на орбите. Звездные трекеры развертываются на орбите и могут автоматически или вручную выравниваться по звезде. В 1991 году НАСА начало модернизировать инерциальные измерительные блоки инерциальной навигационной системой (ИНС), которая обеспечивала более точную информацию о местоположении. В 1993 году НАСА впервые запустило GPS- приемник на борту STS-51 . В 1997 году компания Honeywell начала разработку интегрированной системы GPS/INS для замены систем IMU, INS и TACAN, которые впервые поднялись в воздух на STS-118 в августе 2007 года . [2] : 402–403.
Находясь на орбите, экипаж в основном общался с помощью одной из четырех радиостанций S-диапазона , которые обеспечивали как голосовую связь, так и передачу данных. Две радиостанции S-диапазона были приемопередатчиками с фазовой модуляцией и могли передавать и принимать информацию. Два других радиоприемника S-диапазона представляли собой передатчики с частотной модуляцией и использовались для передачи данных в НАСА. Поскольку радиостанции S-диапазона могут работать только в пределах прямой видимости , НАСА использовало спутниковую систему слежения и ретрансляции данных , а также наземные станции сети слежения и сбора данных космических кораблей для связи с орбитальным аппаратом на всей его орбите. Кроме того, орбитальный аппарат разместил за пределами грузового отсека широкополосную радиостанцию Ku - диапазона , которую также можно было использовать в качестве радара встречи. Орбитальный аппарат также был оборудован двумя УВЧ- радиостанциями для связи с авиадиспетчерской службой и астронавтами, проводящими выход в открытый космос. [2] : 403–404.
Дистанционная система управления космического корабля "Шаттл" полностью зависела от его главного компьютера - системы обработки данных (DPS). DPS контролировал органы управления полетом и двигатели на орбитальном аппарате, а также ET и SRB во время запуска. DPS состоял из пяти компьютеров общего назначения (GPC), двух блоков массовой памяти на магнитной ленте (MMU) и связанных с ними датчиков для мониторинга компонентов космического корабля "Шаттл". [2] : 232–233 Первоначальным используемым GPC был IBM AP-101B , в котором использовался отдельный центральный процессор (ЦП) и процессор ввода-вывода (IOP), а также энергонезависимая твердотельная память . С 1991 по 1993 год орбитальные аппараты были модернизированы до AP-101S, что позволило улучшить память и вычислительные возможности, а также уменьшить объем и вес компьютеров за счет объединения ЦП и IOP в единый блок. На четыре GPC была установлена система программного обеспечения первичной авионики (PASS), которая представляла собой специальное программное обеспечение для космических кораблей, обеспечивающее управление на всех этапах полета. Во время подъема, маневрирования, входа в атмосферу и приземления четыре PASS GPC работали одинаково, обеспечивая четырехкратное резервирование и проверяя свои результаты на ошибки. В случае программной ошибки, приводившей к ошибочным отчетам от четырех GPC PASS, пятый GPC запускал резервную систему полета, которая использовала другую программу и могла управлять космическим кораблем во время подъема, орбиты и входа в атмосферу, но не могла поддерживать вся миссия. Пять GPC были разделены на три отдельных отсека на средней палубе, чтобы обеспечить резервирование в случае отказа охлаждающего вентилятора. После выхода на орбиту экипаж переключит некоторые функции GPC с наведения, навигации и управления (GNC) на управление системами (SM) и полезную нагрузку (PL) для поддержки оперативной миссии. [2] : 405–408 «Спейс шаттл» не запускался, если его полет будет длиться с декабря по январь, поскольку его полетное программное обеспечение потребовало бы перезагрузки компьютеров орбитального корабля при смене года. В 2007 году инженеры НАСА разработали решение, позволяющее полетам космических шаттлов пересечь границу конца года. [26]
В миссиях «Спейс Шаттл» обычно использовался портативный компьютер общей поддержки (PGSC), который мог интегрироваться с компьютерами и коммуникационным комплексом орбитального корабля, а также отслеживать научные данные и данные о полезной нагрузке. Ранние миссии принесли с собой Grid Compass , один из первых портативных компьютеров, получивший название PGSC, но более поздние миссии принесли с собой ноутбуки Apple и Intel . [2] : 408 [27]
Отсек полезной нагрузки занимал большую часть фюзеляжа орбитального корабля и обеспечивал грузовое пространство для полезной нагрузки космического корабля "Шаттл". Он имел длину 18 м (60 футов) и ширину 4,6 м (15 футов) и мог вмещать цилиндрическую полезную нагрузку диаметром до 4,6 м (15 футов). Две двери отсека для полезной нагрузки шарнирно закреплены по обе стороны отсека и обеспечивают относительно герметичное уплотнение для защиты полезной нагрузки от нагрева во время запуска и входа в атмосферу. Полезная нагрузка крепилась в грузовом отсеке к точкам крепления на лонжеронах . Двери отсека полезной нагрузки выполняли дополнительную функцию радиаторов тепла орбитального корабля и открывались при достижении орбиты для отвода тепла. [13] : 62–64
Орбитальный аппарат может использоваться в сочетании с различными дополнительными компонентами в зависимости от миссии. Сюда входили орбитальные лаборатории, [19] : II-304, 319 ускорители для запуска полезной нагрузки дальше в космос, [19] : II-326, система дистанционного манипулятора (RMS), [19] : II-40 и, опционально, поддон EDO для продлить продолжительность миссии. [19] : II-86 Чтобы ограничить расход топлива во время пристыковки орбитального корабля к МКС, была разработана система передачи энергии от станции к шаттлу (SSPTS), предназначенная для преобразования и передачи энергии станции на орбитальный корабль. [19] : II-87–88 SSPTS впервые использовался на STS-118 и был установлен на Discovery и Endeavour . [19] : III-366–368.
Система дистанционного манипулятора (RMS), также известная как Canadarm, представляла собой механическую руку, прикрепленную к грузовому отсеку. Его можно будет использовать для захвата и манипулирования полезной нагрузкой, а также в качестве мобильной платформы для астронавтов, осуществляющих выход в открытый космос. RMS был построен канадской компанией Spar Aerospace и управлялся астронавтом, находящимся в кабине экипажа орбитального корабля, через окна и систему видеонаблюдения. RMS допускала шесть степеней свободы и имела шесть суставов, расположенных в трех точках вдоль руки. Первоначальный RMS мог развертывать или извлекать полезную нагрузку до 29 000 кг (65 000 фунтов), которая позже была увеличена до 270 000 кг (586 000 фунтов). [2] : 384–385.
Модуль Spacelab представлял собой финансируемую Европой лабораторию под давлением, которая размещалась внутри отсека полезной нагрузки и позволяла проводить научные исследования на орбите. Модуль Spacelab содержал два сегмента длиной 2,7 м (9 футов), которые были установлены в кормовой части отсека полезной нагрузки для поддержания центра тяжести во время полета. Астронавты вошли в модуль Spacelab через туннель длиной 2,7 или 5,8 м (8,72 или 18,88 футов), который соединялся с шлюзом. Оборудование Spacelab в основном хранилось на поддонах, которые обеспечивали хранение как экспериментов, так и компьютерного и силового оборудования. [2] : 434–435 Оборудование Spacelab совершило 28 полетов в течение 1999 года и изучало такие предметы, как астрономия, микрогравитация, радар и науки о жизни. Оборудование Spacelab также поддерживало такие миссии, как обслуживание космического телескопа Хаббла (HST) и пополнение запасов космической станции. Модуль Spacelab тестировался на STS-2 и STS-3, а первая полноценная миссия состоялась на STS-9. [28]
Три двигателя РС-25, также известные как главные двигатели космического челнока (SSME), были установлены на хвостовой части фюзеляжа орбитального корабля по треугольной схеме. Сопла двигателя могли поворачиваться на ±10,5° по тангажу и на ±8,5° по рысканью во время подъема, чтобы изменить направление своей тяги для управления шаттлом. Многоразовые двигатели из титанового сплава были независимы от орбитального корабля и должны были сниматься и заменяться между полетами. РС-25 представляет собой криогенный двигатель со ступенчатым циклом сгорания, в котором использовались жидкий кислород и водород и который имел более высокое давление в камере, чем любая предыдущая ракета на жидком топливе. Оригинальная основная камера сгорания работала при максимальном давлении 226,5 бар (3285 фунтов на квадратный дюйм). Сопло двигателя имеет высоту 287 см (113 дюймов) и внутренний диаметр 229 см (90,3 дюйма). Сопло охлаждается 1080 внутренними линиями, несущими жидкий водород, и термически защищено изоляционным и абляционным материалом. [19] : II–177–183
Двигатели РС-25 имели ряд усовершенствований, направленных на повышение надежности и мощности. В ходе программы разработки Rocketdyne определила, что двигатель способен безопасно и надежно работать при тяге 104% от первоначально заданной тяги. Чтобы значения тяги двигателя соответствовали предыдущей документации и программному обеспечению, НАСА сохранило первоначально указанную тягу на уровне 100%, но заставило RS-25 работать на более высокой тяге. Версии модернизации РС-25 обозначались как Block I и Block II. Уровень тяги 109% был достигнут с помощью двигателей Block II в 2001 году, что снизило давление в камере до 207,5 бар (3010 фунтов на квадратный дюйм), поскольку у них была большая площадь горловины . Обычный максимальный газ составлял 104 процента, при этом для прерывания миссии использовались 106 или 109 процентов. [13] : 106–107.
Система орбитального маневрирования (OMS) состояла из двух установленных в кормовой части двигателей AJ10-190 и соответствующих топливных баков. В двигателях AJ10 использовался монометилгидразин (ММГ), окисленный четырехокисью азота (N 2 O 4 ). Капсулы содержали максимум 2140 кг (4718 фунтов) MMH и 3526 кг (7773 фунта) N 2 O 4 . Двигатели OMS использовались после отключения основного двигателя (MECO) при выведении на орбиту. На протяжении всего полета они использовались для изменения орбиты, а также для спуска с орбиты перед входом в атмосферу. Каждый двигатель OMS производил тягу 27 080 Н (6 087 фунтов силы), а вся система могла обеспечивать изменение скорости 305 м / с (1000 футов / с) . [19] : II–80
Орбитальный аппарат был защищен от нагрева во время входа в атмосферу системой тепловой защиты (TPS) - защитным слоем, впитывающим тепло вокруг орбитального аппарата. В отличие от предыдущих космических кораблей США, которые использовали абляционные тепловые экраны, возможность повторного использования орбитального аппарата требовала многоцелевого теплового экрана. [13] : 72–73 Во время входа в атмосферу TPS испытал температуру до 1600 ° C (3000 ° F), но ему пришлось поддерживать температуру алюминиевой оболочки орбитального корабля ниже 180 ° C (350 ° F). TPS в основном состоял из четырех типов плиток. Носовой обтекатель и передние кромки крыльев выдерживали температуру выше 1300 ° C (2300 ° F) и были защищены усиленными углеродно-углеродными плитками (RCC). Более толстые плитки RCC были разработаны и установлены в 1998 году для предотвращения повреждений от микрометеороидов и орбитального мусора , и были дополнительно улучшены после повреждений RCC, вызванных катастрофой в Колумбии . Начиная с STS-114 , орбитальные аппараты были оснащены системой обнаружения удара по передней кромке крыла, чтобы предупредить экипаж о любых потенциальных повреждениях. [19] : II–112–113 Вся нижняя часть орбитального корабля, а также другие наиболее горячие поверхности были защищены плитками высокотемпературной многоразовой поверхностной изоляции, изготовленной из кварцевых волокон , покрытых боросиликатным стеклом , которые удерживают тепло в воздухе. карманы и перенаправил его наружу. Области верхних частей орбитального корабля были покрыты плитками белой низкотемпературной многоразовой поверхностной изоляции аналогичного состава, которая обеспечивала защиту при температурах ниже 650 ° C (1200 ° F). Дверцы отсека полезной нагрузки и части верхних поверхностей крыла были покрыты многоразовой изоляцией из войлока Nomex или бета-тканью , поскольку температура там оставалась ниже 370 ° C (700 ° F). [2] : 395
Внешний бак (ET) космического корабля «Шаттл» был самой большой [ необходимы разъяснения ] частью ракеты [ нужна ссылка ] и нес в себе топливо для главных двигателей космического корабля «Шаттл», а также соединял орбитальный корабль с твердотопливными ракетными ускорителями. Инопланетянин имел высоту 47 м (153,8 фута) и диаметр 8,4 м (27,6 фута) и содержал отдельные резервуары для жидкого кислорода и жидкого водорода. Баллон с жидким кислородом располагался в носовой части инопланетянина и имел высоту 15 м (49,3 фута). Резервуар с жидким водородом составлял большую часть инопланетянина и имел высоту 29 м (96,7 футов). Орбитальный корабль был прикреплен к инопланетянину с помощью двух шлангокабелей, которые содержали пять топливных и два электрических шлангокабеля, а также носовые и кормовые конструктивные элементы. Внешняя часть инопланетянина была покрыта оранжевой пеной, нанесенной распылением, чтобы позволить ему пережить жару при подъеме [2] : 421–422 и предотвратить образование льда из-за криогенного топлива. [29]
Инопланетянин обеспечивал топливо для главных двигателей космического корабля от старта до отключения главного двигателя. Инопланетянин отделялся от орбитального корабля через 18 секунд после выключения двигателя и мог запускаться автоматически или вручную. Во время отделения орбитальный аппарат втянул свои пуповины, а пуповины были запечатаны, чтобы предотвратить попадание излишков топлива в орбитальный аппарат. После того, как болты, прикрепленные к креплениям конструкции, были срезаны, инопланетянин отделился от орбитального корабля. Во время отделения газообразный кислород был выпущен из носа, чтобы заставить инопланетянина упасть, гарантируя, что он разобьется при входе в атмосферу. Инопланетянин был единственным основным компонентом системы «Спейс шаттл», который не использовался повторно, и он должен был путешествовать по баллистической траектории в Индийский или Тихий океан. [2] : 422
Для первых двух миссий, STS-1 и STS-2 , инопланетянин был покрыт 270 кг (595 фунтов) белой огнестойкой латексной краской для обеспечения защиты от повреждений от ультрафиолетового излучения. Дальнейшие исследования показали, что сама оранжевая пена была достаточно защищена, и начиная с STS-3, ET больше не был покрыт латексной краской. [19] : II-210 Легкий танк (LWT) впервые поднялся в воздух на STS-6, что снизило вес танка на 4700 кг (10300 фунтов). Вес LWT был уменьшен за счет удаления компонентов из водородного бака и уменьшения толщины некоторых панелей обшивки. [2] : 422 В 1998 году на STS-91 впервые поднялся в воздух сверхлёгкий инопланетянин (SLWT) . В SLWT использовался алюминиево-литиевый сплав 2195, который был на 40% прочнее и на 10% менее плотным, чем его предшественник, алюминиево-литиевый сплав 2219. SLWT весил на 3400 кг (7500 фунтов) меньше, чем LWT, что позволяло космическому шаттлу доставлять тяжелые элементы на орбиту МКС с большим наклонением. [2] : 423–424.
Твердотопливные ракетные ускорители (SRB) обеспечивали 71,4% тяги космического корабля "Шаттл" во время старта и подъема и были самыми большими твердотопливными двигателями, когда-либо летавшими. [5] Каждый SRB имел высоту 45 м (149,2 фута) и ширину 3,7 м (12,2 фута), весил 68 000 кг (150 000 фунтов) и имел стальную внешнюю поверхность толщиной примерно 13 мм (0,5 дюйма). Вспомогательными компонентами SRB были твердотопливный двигатель, носовой обтекатель и сопло ракеты. Твердотопливный двигатель составлял большую часть конструкции СРБ. Его корпус состоял из 11 стальных секций, составлявших четыре основных сегмента. В носовом обтекателе размещались двигатели переднего отделения и парашютные системы, которые использовались при подъеме. Сопла ракеты могли поворачиваться на угол до 8°, что позволяло осуществлять регулировку в полете. [2] : 425–429.
Каждый ракетный двигатель был заправлен в общей сложности 500 000 кг (1 106 640 фунтов) твердого ракетного топлива ( APCP + PBAN ) и объединен в цехе сборки автомобилей (VAB) в KSC. [2] : 425–426 Помимо обеспечения тяги на первом этапе запуска, SRB обеспечивали структурную поддержку орбитального корабля и инопланетян, поскольку они были единственной системой, которая была подключена к мобильной пусковой платформе (MLP). [2] : 427 На момент запуска SRB были готовы к Т-5 минутам, и их можно было зажечь электрическим способом только после того, как двигатели RS-25 загорелись и работали без проблем. [2] : 428 Каждый из них обеспечивал тягу 12 500 кН (2 800 000 фунтов силы), которая позже была увеличена до 13 300 кН (3 000 000 фунтов силы), начиная с STS-8 . [2] : 425 После израсходования топлива SRB были сброшены примерно через две минуты после запуска на высоте примерно 46 км (150 000 футов). После отделения они раскрыли тормозной и основной парашюты, приземлились в океане и были подняты экипажами на борт кораблей MV Freedom Star и MV Liberty Star . [2] : 430 После того, как их вернули на мыс Канаверал, их почистили и разобрали. Затем ракетный двигатель, воспламенитель и сопло были отправлены в Тиокол для ремонта и повторного использования в последующих полетах. [13] : 124
За время существования программы SRB претерпели несколько изменений. В STS-6 и STS-7 использовались SRB, которые были на 2300 кг (5000 фунтов) легче, чем корпуса стандартного веса, из-за стенок, которые были на 0,10 мм (0,004 дюйма) тоньше, но были признаны слишком тонкими. В последующих полетах до STS-26 использовались кейсы, которые были на 0,076 мм (0,003 дюйма) тоньше кейсов стандартного веса, что позволило сэкономить 1800 кг (4000 фунтов). После катастрофы Challenger в результате выхода из строя уплотнительного кольца при низкой температуре конструкция SRB была изменена, чтобы обеспечить постоянное уплотнение независимо от температуры окружающей среды. [2] : 425–426.
Работа космического корабля «Шаттл» поддерживалась транспортными средствами и инфраструктурой, которые облегчали его транспортировку, строительство и доступ для экипажа. Гусеничные транспортеры доставили МЛП и «Спейс Шаттл» от ВАБ к космодрому. [30] Самолеты -челноки (SCA) представляли собой два модифицированных Боинга 747 , которые могли нести на спине орбитальный аппарат. Оригинальный SCA (N905NA) впервые поднялся в воздух в 1975 году и использовался для ALT и переправки орбитального аппарата с авиабазы Эдвардс на KSC во всех миссиях до 1991 года. Второй SCA (N911NA) был приобретен в 1988 году и впервые использовался. перевезти Endeavour с завода в KSC. После вывода из эксплуатации космического корабля "Шаттл" N905NA был выставлен на обозрение в АО, а N911NA - в аэропорту Joe Davies Heritage Airpark в Палмдейле, Калифорния . [19] : I-377–391 [31] Транспортное средство для перевозки экипажа (CTV) представляло собой модифицированный реактивный мостик в аэропорту , который использовался, чтобы помочь астронавтам покинуть орбитальный корабль после приземления, где они должны были пройти медицинский осмотр после полета. [32] «Астрован » доставил астронавтов из кают экипажа в оперативно-контрольном здании на стартовую площадку в день запуска. [33] Железная дорога НАСА состояла из трех локомотивов, которые перевозили сегменты SRB от железной дороги восточного побережья Флориды в Титусвилле до KSC. [34]
Подготовку «Шаттла» к запуску осуществляли в первую очередь в ВАБ КНЦ. СРБ были собраны и прикреплены к внешнему баку на МЛП. Орбитальный аппарат был подготовлен на Центре подготовки орбитальных аппаратов (ОПФ) и передан в VAB, где с помощью крана его перевернули в вертикальное положение и состыковали с внешним баком. [13] : 132–133 После того, как вся стопка была собрана, MLP был перенесен на 5,6 км (3,5 мили) к стартовому комплексу 39 одним из гусеничных транспортеров . [13] : 137 После того, как космический челнок прибудет на одну из двух стартовых площадок, он соединится с фиксированными и ротационными служебными структурами, которые обеспечат возможности обслуживания, установку полезной нагрузки и транспортировку экипажа. [13] : 139–141 Экипаж был доставлен на стартовую площадку в часы Т-3 и вошел в орбитальный аппарат, который закрылся в часы Т-2. [19] : III–8 Жидкий кислород и водород были загружены во внешний резервуар через шлангокабели, прикрепленные к орбитальному аппарату, что началось в Т-5 часов 35 минут. В Т-3 часа 45 минут была завершена быстрая заправка водородом, а через 15 минут последовала заправка кислородного баллона. Оба бака медленно заполнялись до запуска по мере испарения кислорода и водорода. [19] : II–186
Критерии принятия решения о запуске учитывали осадки, температуру, облачность, прогноз молний, ветер и влажность. [35] Космический челнок не запускался в условиях, когда в него могла ударить молния , поскольку его выхлопной шлейф мог вызвать молнию, обеспечивая путь тока к земле после запуска, который произошел на Аполлоне-12 . [36] : 239 В «Правиле наковальни» НАСА для запуска шаттла говорится, что облако-наковальня не может появиться на расстоянии 19 км (10 морских миль). [37] Специалист по погоде при запуске шаттла следил за условиями до тех пор, пока не было объявлено окончательное решение о прекращении запуска. Помимо погоды на стартовой площадке, условия должны были быть приемлемыми на одной из площадок трансатлантической аварийной посадки и в зоне восстановления SRB. [35] [38]
Экипаж миссии и персонал Центра управления запуском (LCC) выполняли проверки систем на протяжении всего обратного отсчета. Два встроенных перерыва на Т-20 минут и Т-9 минут предусматривали запланированные перерывы для решения любых проблем и дополнительной подготовки. [19] : III–8 После встроенной задержки на Т-9 минутах обратный отсчет автоматически контролировался устройством управления наземным запуском (GLS) в LCC, которое останавливало обратный отсчет, если обнаруживало критическую проблему с каким-либо из Бортовые системы космического корабля "Шаттл". [38] В Т-3 минуты 45 секунд двигатели начали проводить испытания подвески, которые завершились через Т-2 минуты 15 секунд. Наземная система обработки запуска передала управление ГЦП орбитального корабля через Т-31 секунду. На Т-16 секунде GPC вооружили SRB, система шумоподавления (SPS) начала заливать траншеи MLP и SRB 1 100 000 л (300 000 галлонов США) воды, чтобы защитить орбитальный аппарат от повреждений акустической энергией и выхлопами ракет. отраженный от траншеи пламени и МЛП при взлете. [39] [40] В Т-10 секунд под каждым колоколом двигателя активировались водородные воспламенители, чтобы подавить застоявшийся газ внутри конусов перед воспламенением. Если эти газы не сгорят, это может привести к отключению бортовых датчиков и создать возможность возникновения избыточного давления и взрыва автомобиля на этапе воспламенения. Предохранительные клапаны водородного бака открылись через Т-9,5 секунды при подготовке к запуску двигателя. [19] : II–186
Начиная с Т-6,6 секунды, главные двигатели запускались последовательно с интервалом в 120 миллисекунд. Все три двигателя RS-25 должны были достичь 90% номинальной тяги к Т-3 секундам, в противном случае GPC инициировали бы отмену RSLS . Если все три двигателя показали номинальную производительность через Т-3 секунды, им была дана команда на подвес в конфигурации взлета, и была подана команда на активацию SRB для зажигания в Т-0. [41] Между Т-6,6 и Т-3 секундами, когда двигатели RS-25 работали, но SRB все еще были прикреплены болтами к площадке, смещение тяги привело бы к тангажу космического корабля "Шаттл" вниз на 650 мм (25,5 дюйма). на кончике внешнего бака; 3-секундная задержка позволила штабелю вернуться почти в вертикальное положение перед воспламенением SRB. Это движение получило прозвище «тванг». В момент Т-0 восемь хрупких гаек , удерживающих SRB на площадке, были взорваны, последние шлангокабели были отсоединены, SSME получила команду на 100% дроссельную заслонку, и SRB воспламенились. [42] [43] К Т+0,23 секунды SRB создали достаточную тягу для начала старта и достигли максимального давления в камере к Т+0,6 секунды. [44] [19] : II–186 В Т-0 АО « Центр управления полетами» принял на себя управление полетом от LCC. [19] : III–9
В момент Т+4 секунды, когда космический шаттл достиг высоты 22 метра (73 фута), двигатели РС-25 дросселировались до 104,5%. Примерно через Т+7 секунд космический шаттл перевернулся в положение головой вниз на высоте 110 метров (350 футов), что уменьшило аэродинамическое напряжение и обеспечило улучшенную связь и навигационную ориентацию. Примерно через 20–30 секунд подъема и на высоте 2700 метров (9000 футов) двигатели RS-25 были дросселированы до 65–72%, чтобы уменьшить максимальные аэродинамические силы при Max Q. [19] : III–8–9 Кроме того, форма топлива SRB была разработана так, чтобы вызывать уменьшение тяги во время Max Q. [2] : 427 GPC могли динамически управлять дроссельной заслонкой двигателей RS-25 на основе по итогам деятельности СРО. [19] : II–187
Примерно через Т+123 секунды и на высоте 46 000 метров (150 000 футов) пиротехнические крепления выпустили SRB, которые достигли апогея 67 000 метров (220 000 футов) перед прыжком с парашютом в Атлантический океан . «Спейс шаттл» продолжил подъем, используя только двигатели РС-25. В более ранних миссиях космический челнок оставался в ориентации «головой вниз», чтобы поддерживать связь со станцией слежения на Бермудских островах , но в более поздних миссиях, начиная с STS-87 , в Т+6 минут для связи с Группировка спутников слежения и ретрансляции данных . Двигатели РС-25 были дросселированы на Т+7 минут 30 секунд, чтобы ограничить ускорение машины до 3 g . За 6 секунд до отключения главного двигателя (MECO), которое произошло в Т+8 минут 30 секунд, двигатели РС-25 были снижены до 67%. GPC контролировали разделение инопланетян и сливали оставшиеся жидкие кислород и водород, чтобы предотвратить выделение газа на орбите. Инопланетянин продолжил движение по баллистической траектории и развалился при входе в атмосферу, а несколько небольших обломков приземлились в Индийском или Тихом океане. [19] : III–9–10
В ранних миссиях для выхода на орбиту использовалось два запуска СУО; первый выстрел поднял апогей, а второй сделал орбиту круговой. В миссиях после STS-38 использовались двигатели РС-25 для достижения оптимального апогея и двигатели OMS для вращения орбиты. Высота и наклонение орбиты зависели от миссии, а орбиты космического челнока варьировались от 220 до 620 км (от 120 до 335 морских миль). [19] : III–10
Тип миссии, которая была назначена космическому шаттлу, определял тип орбиты, на которую он вышел. Первоначальный проект многоразового космического корабля «Шаттл» предусматривал создание все более дешевой стартовой платформы для развертывания коммерческих и правительственных спутников. Ранние миссии обычно доставляли спутники, что определяло тип орбиты, на которую выйдет орбитальный аппарат. После катастрофы «Челленджера» многие коммерческие полезные нагрузки были переведены на одноразовые коммерческие ракеты, такие как « Дельта II» . [19] : III–108, 123 В то время как более поздние миссии все еще запускали коммерческие полезные нагрузки, задания Спейс Шаттлов обычно были направлены на научные полезные нагрузки, такие как космический телескоп Хаббл , [19] : III–148 Spacelab, [2] : 434–435 и космический корабль Галилео . [19] : III–140 Начиная с STS-71 , орбитальный корабль проводил стыковки с орбитальной станцией «Мир» . [19] : III–224 В последнее десятилетие своей эксплуатации «Спейс Шаттл» использовался для строительства Международной космической станции . [19] : III–264 Большинство миссий предполагало пребывание на орбите от нескольких дней до двух недель, хотя более длительные миссии были возможны с помощью поддона орбитального аппарата увеличенной продолжительности . [19] : III–86 17-дневный 15-часовой полет STS-80 был самой продолжительной миссией космического корабля "Шаттл". [19] : III–238
Примерно за четыре часа до схода с орбиты экипаж начал подготовку орбитального корабля к входу в атмосферу, закрыв дверцы полезной нагрузки, излучая избыточное тепло и убрав антенну Ku-диапазона. Орбитальный аппарат перевернулся в перевернутое положение хвостом вперед и начал 2–4-минутное горение OMS примерно за 20 минут до того, как снова вошел в атмосферу. Орбитальный аппарат переориентировался в положение носом вперед с углом атаки 40 °, а форсунки системы управления прямой реакцией (RCS) были опорожнены от топлива и отключены перед входом в атмосферу. Вход орбитального корабля был определен как начавшийся на высоте 120 км (400 000 футов), когда он двигался со скоростью примерно 25 Маха. Вход орбитального корабля контролировался GPC, которые следовали заданному плану угла атаки, чтобы предотвратить небезопасный нагрев ТЭЦ. Во время входа в атмосферу скорость орбитального аппарата регулировалась путем изменения величины создаваемого сопротивления, которое контролировалось с помощью угла атаки, а также угла крена. Последний можно было использовать для управления сопротивлением без изменения угла атаки. Для контроля азимута при крене была выполнена серия реверсов [c] . [45] Кормовые реактивные двигатели RCS орбитального корабля были отключены, поскольку его элероны, рули высоты и руль направления начали действовать в нижних слоях атмосферы. На высоте 46 км (150 000 футов) орбитальный аппарат открыл тормоз на вертикальном стабилизаторе. За 8 минут 44 секунды до приземления экипаж развернул бортовые зонды и начал снижать угол атаки до 36°. [19] : III–12 Максимальное качество планирования / аэродинамическое качество орбитального аппарата значительно менялось в зависимости от скорости: от 1,3 на гиперзвуковых скоростях до 4,9 на дозвуковых скоростях. [19] : II–1 Орбитальный аппарат подлетел к одному из двух конусов выравнивания курса, расположенных в 48 км (30 миль) от каждого конца осевой линии взлетно-посадочной полосы, где он совершил последние повороты, чтобы рассеять избыточную энергию перед сближением. и посадка. После того, как орбитальный аппарат начал двигаться на дозвуковой скорости, экипаж взял на себя ручное управление полетом. [19] : III–13
Фаза захода на посадку и приземления началась, когда орбитальный аппарат находился на высоте 3000 м (10 000 футов) и двигался со скоростью 150 м/с (300 узлов). Орбитальный аппарат следовал по глиссаде -20° или -18° и снижался со скоростью примерно 51 м/с (167 футов/с). Для поддержания постоянной скорости использовался тормоз скорости, и экипаж начал предварительный маневр до глиссады -1,5 ° на высоте 610 м (2000 футов). Шасси было выпущено за 10 секунд до приземления, когда орбитальный аппарат находился на высоте 91 м (300 футов) и двигался со скоростью 150 м/с (288 узлов). Последний маневр развальцовки снизил скорость снижения орбитального корабля до 0,9 м/с (3 фута/с), при этом приземление произошло на скорости 100–150 м/с (195–295 узлов), в зависимости от веса орбитального корабля. После того, как шасси приземлилось, экипаж выдвинул тормозной парашют из вертикального стабилизатора и начал торможение колес, когда орбитальный аппарат двигался со скоростью менее 72 м / с (140 узлов). После того как колеса орбитального корабля остановились, экипаж отключил компоненты полета и приготовился к выходу. [19] : III–13
Основной площадкой приземления космического корабля "Шаттл" была площадка для посадки шаттла в KSC, где произошло 78 из 133 успешных приземлений. В случае неблагоприятных условий приземления Шаттл мог отложить посадку или приземлиться в другом месте. Основным запасным вариантом была авиабаза Эдвардс, на которой было совершено 54 посадки. [19] : III–18–20 STS-3 приземлился в космической гавани Уайт-Сэндс в Нью-Мексико и потребовал обширной последующей обработки после воздействия богатого гипсом песка, часть которого была обнаружена в обломках Колумбии после STS-107 . [19] : III–28 Приземления на запасных аэродромах потребовали, чтобы самолет-носитель доставил орбитальный аппарат обратно на мыс Канаверал . [19] : III–13
Помимо заранее запланированных посадочных аэродромов, было 85 согласованных площадок для аварийной посадки , которые будут использоваться в различных сценариях прерывания полета, причем 58 из них расположены в других странах. Места посадки были выбраны с учетом политических отношений, благоприятной погоды, взлетно-посадочной полосы длиной не менее 2300 м (7500 футов) и оборудования TACAN или DME . Кроме того, поскольку на орбитальном корабле были только радиостанции УВЧ, международные станции, оснащенные только радиостанциями УКВ, не смогли бы напрямую связаться с экипажем. Объекты на восточном побережье США были запланированы для прерывания посадки на восточном побережье, а несколько площадок в Европе и Африке были запланированы на случай прерывания трансокеанской посадки. Помещения были подготовлены с оборудованием и персоналом на случай аварийной посадки шаттла, но так и не использовались. [19] : III–19
После приземления к орбитальному аппарату подошли наземные экипажи для проверки безопасности. Команды, использующие автономные дыхательные аппараты, проверили наличие водорода , гидразина , монометилгидразина, четырехокиси азота и аммиака , чтобы убедиться в безопасности зоны приземления. [46] Кондиционирование воздуха и фреоновые линии были подключены для охлаждения экипажа и оборудования и рассеивания избыточного тепла при входе в атмосферу. [19] : III-13 Летный хирург поднялся на борт орбитального корабля и провел медицинский осмотр экипажа перед высадкой. После того, как орбитальный аппарат был закреплен, его отбуксировали на ОБТК для проверки, ремонта и подготовки к следующей миссии. [46]
Спейс Шаттл совершил полет с 12 апреля 1981 г., [19] : III–24 по 21 июля 2011 г. [19] : III–398. За время программы «Спейс Шаттл» совершил 135 полетов, [19] : III–398 из которых 133 благополучно вернулись. [19] : III–80, 304 На протяжении всего своего существования «Спейс Шаттл» использовался для проведения научных исследований, [19] : III–188 для коммерческого использования, [19] : III–66 для военных целей, [19] : III–68 и научной полезной нагрузки, [19] : III–148 и участвовал в строительстве и эксплуатации космического корабля «Мир» [19] : III–216 и МКС. [19] : III–264 За время своего существования «Спейс Шаттл» служил единственным транспортным средством в США для запуска астронавтов, замены которому не было до запуска Crew Dragon Demo-2 30 мая 2020 года. [47]
Общий бюджет НАСА программы «Спейс Шаттл» оценивается в 221 миллиард долларов (в долларах 2012 года). [19] : III-488 Разработчики космического корабля «Шаттл» выступали за возможность повторного использования как меру экономии, что привело к более высоким затратам на разработку при предполагаемой более низкой стоимости запуска. Во время проектирования космического корабля «Шаттл» предложения фазы B были не такими дешевыми, как предполагалось в первоначальных оценках фазы A; Менеджер программы «Спейс Шаттл» Роберт Томпсон признал, что снижение стоимости за фунт не было основной целью дальнейших этапов проектирования, поскольку другие технические требования не могли быть удовлетворены за счет снижения затрат. [19] : III-489-490 По оценкам разработки, сделанным в 1972 году, стоимость фунта полезной нагрузки составляла всего 1109 долларов США (в 2012 году) за фунт, но фактическая стоимость полезной нагрузки, не включая затраты на исследования и разработки стоимость космического корабля «Шаттл» составляла 37 207 долларов (в 2012 году) за фунт. [19] : III-491 Затраты на запуск варьировались на протяжении всей программы и зависели от скорости полетов, а также от исследований, разработок и расследований на протяжении всей программы «Спейс Шаттл». В 1982 году НАСА опубликовало оценку в 260 миллионов долларов (в 2012 году) за один полет, основанную на прогнозе о 24 полетах в год в течение десятилетия. Стоимость одного запуска с 1995 по 2002 год, когда орбитальные аппараты и МКС не строились и не проводились восстановительные работы после потери экипажа, составляла 806 миллионов долларов. В 1999 году НАСА опубликовало исследование, в котором пришло к выводу, что затраты составят 576 миллионов долларов (в 2012 году) при семи запусках в год. В 2009 году НАСА определило, что стоимость добавления одного запуска в год составляет 252 миллиона долларов (в 2012 году), что указывает на то, что большая часть затрат программы «Спейс Шаттл» приходится на круглогодичный персонал и операции, которые продолжаются независимо от скорости запуска. С учетом всего бюджета программы «Спейс Шаттл» стоимость одного запуска составила 1,642 миллиарда долларов (в 2012 году). [19] : III-490
28 января 1986 года STS-51-L распался через 73 секунды после запуска из-за отказа правого SRB, в результате чего погибли все семь астронавтов на борту «Челленджера» . Катастрофа была вызвана повреждением при низких температурах уплотнительного кольца, критически важного уплотнения, используемого между сегментами корпуса SRB. Выход из строя уплотнительного кольца позволил горячим дымовым газам выйти из-под секций ускорителя и прожечь соседний инопланетянин, что привело к серии катастрофических событий, которые привели к распаду орбитального корабля. [48] : 71 Неоднократные предупреждения инженеров-конструкторов, выражающих обеспокоенность по поводу отсутствия доказательств безопасности уплотнительных колец при температуре ниже 53 °F (12 °C), были проигнорированы менеджерами НАСА. [48] : 148
1 февраля 2003 года «Колумбия» распалась при входе в атмосферу, в результате чего погибли все семь членов экипажа STS-107 из-за повреждения углеродно -углеродной передней кромки крыла, нанесенного во время запуска. Инженеры наземного управления сделали три отдельных запроса на изображения высокого разрешения, сделанные Министерством обороны, которые позволили бы понять масштабы ущерба, в то время как главный инженер НАСА TPS потребовал, чтобы астронавтам на борту « Колумбии» разрешили покинуть корабль, чтобы осмотреть повреждения. Менеджеры НАСА вмешались, чтобы остановить получение изображений орбитального аппарата Министерством обороны, и отклонили запрос на выход в открытый космос, [19] : III–323 [49] , и, таким образом, осуществимость сценариев ремонта или спасения астронавтов с помощью « Атлантиды » не рассматривалась руководством НАСА. в то время. [50]
Частичная возможность повторного использования космического корабля "Шаттл" была одним из основных требований к конструкции во время его первоначальной разработки. [11] : 164 Технические решения, которые потребовали возвращения и повторного использования орбитального аппарата, сократили возможности полезной нагрузки при каждом запуске. Первоначальное намерение состояло в том, чтобы компенсировать меньшую полезную нагрузку за счет снижения затрат на запуск и высокой частоты запусков. Однако фактические затраты на запуск космического корабля «Шаттл» оказались выше, чем первоначально прогнозировалось, и «Спейс шаттл» не выполнял запланированных 24 миссий в год, как первоначально прогнозировало НАСА. [51] [19] : III–489–490
Первоначально «Спейс шаттл» задумывался как ракета-носитель для развертывания спутников, для чего он в основном использовался в миссиях до катастрофы « Челленджера» . Цены НАСА, которые были ниже себестоимости, были ниже, чем у одноразовых ракет-носителей; намерение заключалось в том, чтобы большой объем миссий космических шаттлов компенсировал ранние финансовые потери. Совершенствование одноразовых ракет-носителей и переход от коммерческой полезной нагрузки на космических кораблях "Шаттл" привели к тому, что одноразовые ракеты-носители стали основным вариантом развертывания спутников. [19] : III–109–112 Ключевым заказчиком космического корабля «Шаттл» было Национальное разведывательное управление (NRO), отвечающее за спутники-шпионы. Существование связи NRO было засекречено до 1993 года, а секретное рассмотрение требований к полезной нагрузке NRO привело к отсутствию прозрачности в программе. Предлагаемая программа «Шаттл-Кентавр» , отмененная после катастрофы «Челленджера », вывела бы космический корабль за пределы его эксплуатационных возможностей. [52]
Фатальные катастрофы «Челленджера» и «Колумбии» продемонстрировали риски безопасности космического корабля «Шаттл», которые могли привести к гибели экипажа. Конструкция космического самолета орбитального корабля ограничивала варианты прерывания, поскольку сценарии прерывания требовали управляемого полета орбитального корабля на взлетно-посадочную полосу или предоставления экипажу возможности выйти индивидуально, а не варианты аварийного выхода на космических капсулах « Аполлон » и «Союз» . [53] Ранние анализы безопасности, рекламируемые инженерами и руководством НАСА, предсказывали, что вероятность катастрофического отказа, приводящего к гибели экипажа, варьируется от 1 на 100 запусков до 1 на 100 000 запусков. [54] [55] После потери двух миссий «Спейс Шаттл» риски для первоначальных миссий были переоценены, и вероятность катастрофической потери корабля и экипажа оказалась столь же высокой, как 1 из 9. [56] Руководство НАСА впоследствии подверглось критике за то, что оно согласилось на повышенный риск для экипажа в обмен на более высокие темпы выполнения миссий. В отчетах « Челленджера» и «Колумбии» объяснялось, что культура НАСА не смогла обеспечить безопасность экипажа, поскольку не оценивала объективно потенциальные риски миссий. [55] [57] : 195–203
О прекращении использования космического корабля "Шаттл" было объявлено в январе 2004 года. [19] : III-347 Президент Джордж Буш объявил о своем видении освоения космоса , в котором содержится призыв к выводу из эксплуатации космического корабля "Шаттл" после завершения строительства МКС. [58] [59] Чтобы обеспечить правильную сборку МКС, участвующие партнеры определили необходимость в 16 оставшихся миссиях по сборке в марте 2006 года. [19] : III-349 В октябре 2006 года была одобрена еще одна миссия по обслуживанию космического телескопа Хаббл . [ 19] : III-352 Первоначально STS-134 должен был стать последней миссией космического корабля "Шаттл". Однако катастрофа «Колумбии» привела к тому, что дополнительные орбитальные аппараты были подготовлены к запуску в случае необходимости в случае спасательной миссии. Поскольку «Атлантис» готовился к последнему запуску по мере необходимости, в сентябре 2010 года было принято решение, что он будет летать как STS-135 с экипажем из четырех человек, который сможет остаться на МКС в случае чрезвычайной ситуации. [19] : III-355 STS-135 был запущен 8 июля 2011 г. и приземлился на KSC 21 июля 2011 г. в 5:57 утра по восточному времени (09:57 UTC). [19] : III-398 С тех пор и до запуска Crew Dragon Demo-2 30 мая 2020 года США запускали своих астронавтов на борту российского космического корабля «Союз». [60]
После последнего полета каждого орбитального аппарата он обрабатывался, чтобы сделать его безопасным для демонстрации. Используемые системы OMS и RCS представляли основную опасность из-за токсичного гиперголического топлива , и большинство их компонентов были окончательно удалены, чтобы предотвратить любое опасное выделение газа. [19] : III-443 «Атлантис» выставлен в комплексе для посетителей Космического центра Кеннеди , Флорида, [19] : III-456 «Дискавери» выставлен в Центре Удвар-Хейзи , Вирджиния, [19] : III-451 «Индевор» выставлен на обозрение в Калифорнийском научном центре в Лос-Анджелесе, [19] : III-457 и «Энтерпрайз» выставлены в Музее морского, воздушного и космического пространства «Бесстрашный» в Нью-Йорке. [19] : III-464 Компоненты орбитальных аппаратов были переданы ВВС США, программе МКС, а также правительствам России и Канады. Двигатели были сняты для использования в системе космического запуска , а запасные сопла РС-25 были прикреплены для демонстрации. [19] : III-445
Подобные космические корабли
Текущий предел посадочной полезной нагрузки шаттла составляет 14 400 кг (31 700 фунтов). Это значение относится к полезной нагрузке, предназначенной для посадки.
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )