Space Shuttle — это отставная, частично многоразовая низкоорбитальная космическая система, эксплуатируемая с 1981 по 2011 год Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) в рамках программы Space Shuttle . Официальное название программы — Space Transportation System (STS), взятое из плана 1969 года, возглавляемого вице-президентом США Спиро Агню, по системе многоразовых космических кораблей, где это был единственный пункт, финансируемый для разработки. [7] : 163–166 [8] [9]
Первый ( STS-1 ) из четырех орбитальных испытательных полетов состоялся в 1981 году, что привело к эксплуатационным полетам ( STS-5 ), начавшимся в 1982 году. Пять полных орбитальных транспортных средств Space Shuttle были построены и летали в общей сложности в 135 миссиях с 1981 по 2011 год. Они стартовали из Космического центра Кеннеди (KSC) во Флориде . Эксплуатационные миссии запустили многочисленные спутники , межпланетные зонды и космический телескоп Хаббл (HST), проводили научные эксперименты на орбите, участвовали в программе Shuttle- Mir с Россией и участвовали в строительстве и обслуживании Международной космической станции (МКС). Общее время миссии флота Space Shuttle составило 1323 дня. [10]
Компоненты Space Shuttle включают в себя Orbiter Vehicle (OV) с тремя кластерными главными двигателями Rocketdyne RS-25 , парой возвращаемых твердотопливных ракетных ускорителей (SRB) и расходуемым внешним баком (ET), содержащим жидкий водород и жидкий кислород . Space Shuttle запускался вертикально , как обычная ракета, с двумя SRB, работающими параллельно с тремя главными двигателями орбитального аппарата , которые заправлялись топливом от ET. SRB были сброшены до того, как аппарат достиг орбиты, в то время как главные двигатели продолжали работать, а ET был сброшен после отключения главного двигателя и непосредственно перед выходом на орбиту , который использовал два двигателя орбитальной системы маневрирования (OMS) орбитального аппарата. По завершении миссии орбитальный аппарат запустил свой OMS, 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 космоплан к месту посадки на взлетно-посадочной полосе, обычно к посадочному комплексу шаттла в KSC, Флорида, или к Rogers Dry Lake на авиабазе Эдвардс , Калифорния. Если посадка происходила в Эдвардсе, орбитальный аппарат возвращался к KSC на борту Shuttle Carrier Aircraft (SCA), специально модифицированного Boeing 747, предназначенного для перевозки шаттла над ним.
Первый орбитальный аппарат, Enterprise , был построен в 1976 году и использовался в испытаниях по сближению и посадке (ALT), но не имел орбитальных возможностей. Первоначально было построено четыре полностью работоспособных орбитальных аппарата: Columbia , Challenger , Discovery и Atlantis . Из них два были потеряны в результате несчастных случаев во время миссии: Challenger в 1986 году и Columbia в 2003 году , в результате чего погибло в общей сложности 14 астронавтов. Пятый действующий (и шестой в общей сложности) орбитальный аппарат, Endeavour , был построен в 1991 году для замены Challenger . Три сохранившихся действующих аппарата были выведены из эксплуатации после последнего полета Atlantis 21 июля 2011 года. США полагались на российский космический корабль «Союз» для перевозки астронавтов на МКС с последнего полета шаттла до запуска миссии Crew Dragon Demo-2 в мае 2020 года. [11]
В конце 1930-х годов правительство Германии запустило проект « Amerikabomber », и идея Ойгена Зангера совместно с математиком Ирен Бредт представляла собой крылатую ракету под названием Silbervogel (по-немецки «серебряная птица»). [12] 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 начали разработку частично многоразового X-20 Dyna-Soar . Военно-воздушные силы сотрудничали с NASA по проекту Dyna-Soar и начали подготовку шести пилотов в июне 1961 года. Рост расходов на разработку и приоритетность проекта Gemini привели к отмене программы Dyna-Soar в декабре 1963 года. В дополнение к Dyna-Soar Военно-воздушные силы провели исследование в 1957 году, чтобы проверить осуществимость многоразовых ускорителей. Это стало основой для аэрокосмического самолета , полностью многоразового космического корабля, который так и не был разработан после начальной стадии проектирования в 1962–1963 годах. [7] : 162–163
Начиная с начала 1950-х годов, NASA и ВВС сотрудничали в разработке подъемных тел для испытания самолетов, которые в первую очередь создавали подъемную силу за счет своих фюзеляжей, а не крыльев, и испытали NASA M2-F1 , Northrop M2-F2 , Northrop M2-F3 , Northrop HL-10 , Martin Marietta X-24A и Martin Marietta X-24B . Программа проверяла аэродинамические характеристики, которые позже будут включены в конструкцию Space Shuttle, включая безмоторную посадку с большой высоты и скорости. [13] : 142 [14] : 16–18
24 сентября 1966 года, когда космическая программа «Аполлон» приближалась к завершению проектирования, НАСА и ВВС опубликовали совместное исследование, в котором пришли к выводу, что для удовлетворения их будущих потребностей требуется новый корабль, и что частично многоразовая система будет наиболее экономически эффективным решением. [7] : 164 Глава Управления пилотируемых космических полетов НАСА Джордж Мюллер объявил о плане создания многоразового шаттла 10 августа 1968 года. 30 октября 1968 года НАСА опубликовало запрос предложений (RFP) на разработку интегрального пускового и возвращаемого транспортного средства (ILRV). [15] Вместо того чтобы заключать контракт на основе первоначальных предложений, НАСА объявило о поэтапном подходе к контрактованию и разработке космического шаттла; Фаза A была запросом на исследования, выполненные конкурирующими аэрокосмическими компаниями, Фаза B была конкурсом между двумя подрядчиками на конкретный контракт, Фаза C включала проектирование деталей компонентов космического корабля, а Фаза D была производством космического корабля. [16] [14] : 19–22
В декабре 1968 года NASA создало целевую группу Space Shuttle для определения оптимальной конструкции многоразового космического корабля и выдало контракты на исследования компаниям General Dynamics , Lockheed , McDonnell Douglas и North American Rockwell . В июле 1969 года целевая группа Space Shuttle опубликовала отчет, в котором определила, что Shuttle будет поддерживать краткосрочные пилотируемые миссии и космическую станцию, а также возможности запуска, обслуживания и извлечения спутников. В отчете также были созданы три класса будущих многоразовых шаттлов: Class I будет иметь многоразовый орбитальный аппарат, установленный на одноразовых ускорителях, Class II будет использовать несколько одноразовых ракетных двигателей и один топливный бак (ступень-и-полтора), а Class III будет иметь как многоразовый орбитальный аппарат, так и многоразовый ускоритель. В сентябре 1969 года Космическая целевая группа под руководством вице-президента США Спиро Агню опубликовала доклад, призывающий к разработке космического челнока для доставки людей и грузов на низкую околоземную орбиту (НОО), а также космического буксира для перелетов между орбитами и Луной и многоразовой ядерной верхней ступени для путешествий в дальний космос. [7] : 163–166 [8]
После публикации отчета Space Shuttle Task Group многие инженеры аэрокосмической отрасли отдали предпочтение конструкции Class III, полностью многоразового использования, из-за предполагаемой экономии затрат на оборудование. Макс Фаже , инженер НАСА, работавший над проектированием капсулы Mercury , запатентовал конструкцию двухступенчатой полностью возвращаемой системы с прямым крылом орбитального аппарата, установленного на более крупном прямокрылом ускорителе. [17] [18] Лаборатория динамики полета ВВС утверждала, что конструкция с прямым крылом не сможет выдержать высокие тепловые и аэродинамические нагрузки во время входа в атмосферу и не обеспечит требуемую дальность полета. Кроме того, ВВС требовали большую грузоподъемность, чем позволяла конструкция Фаже. В январе 1971 года руководство НАСА и ВВС решило, что многоразовый дельта-крыло орбитального аппарата, установленный на одноразовом топливном баке, будет оптимальной конструкцией для Space Shuttle. [7] : 166
После того, как они установили необходимость в многоразовом, тяжелом космическом корабле, НАСА и ВВС определили требования к конструкции своих соответствующих служб. ВВС ожидали использовать Space Shuttle для запуска больших спутников и требовали, чтобы он был способен поднимать 29 000 кг (65 000 фунтов) на восточную низкую околоземную орбиту или 18 000 кг (40 000 фунтов) на полярную орбиту . Проекты спутников также требовали, чтобы Space Shuttle имел грузовой отсек размером 4,6 на 18 м (15 на 60 футов). НАСА оценило двигатели F-1 и J-2 с ракет Saturn и определило, что они недостаточны для требований Space Shuttle; в июле 1971 года оно выдало контракт Rocketdyne на начало разработки двигателя RS-25 . [7] : 165–170
NASA рассмотрело 29 потенциальных проектов для Space Shuttle и определило, что следует использовать проект с двумя боковыми ускорителями, а ускорители должны быть многоразовыми для снижения затрат. [7] : 167 NASA и ВВС решили использовать твердотопливные ускорители из-за более низкой стоимости и простоты их восстановления для повторного использования после приземления в океане. В январе 1972 года президент Ричард Никсон одобрил Shuttle, и в марте NASA приняло решение о его окончательном проекте. Разработка главного двигателя Space Shuttle (SSME) оставалась обязанностью Rocketdyne, и контракт был выдан в июле 1971 года, а обновленные спецификации SSME были представлены Rocketdyne в апреле того же года. [19] В августе того же года NASA заключило контракт на строительство орбитального аппарата с North American Rockwell. В августе 1973 года контракт на внешний бак был заключен с Martin Marietta , а в ноябре контракт на твердотопливный ракетный ускоритель — с Morton Thiokol . [7] : 170–173
4 июня 1974 года Rockwell начал строительство первого орбитального аппарата OV-101, названного Constitution, позже переименованного в Enterprise . Enterprise был разработан как испытательный аппарат и не включал двигатели или теплозащиту. Строительство было завершено 17 сентября 1976 года, и Enterprise был перемещен на базу ВВС Эдвардс для начала испытаний. [7] : 173 [20] Rockwell построил Main Propulsion Test Article (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 убедиться, что двигатели могут безопасно работать по профилю запуска. [21] : II-163 Rockwell провел механические и термические испытания на прочность Structural Test Article (STA)-099, чтобы определить влияние аэродинамических и термических напряжений во время запуска и входа в атмосферу. [21] : I-415
Начало разработки главного двигателя космического челнока RS-25 было отложено на девять месяцев, пока Pratt & Whitney оспаривала контракт, выданный Rocketdyne. Первый двигатель был завершен в марте 1975 года после проблем с разработкой первого дросселируемого многоразового двигателя. Во время испытаний двигателя у RS-25 произошло несколько отказов сопел, а также сломались лопатки турбины. Несмотря на проблемы во время испытаний, NASA заказало девять двигателей RS-25, необходимых для трех строящихся орбитальных аппаратов в мае 1978 года. [7] : 174–175
NASA столкнулось со значительными задержками в разработке системы тепловой защиты космического челнока . Предыдущие космические корабли NASA использовали абляционные тепловые экраны, но их нельзя было использовать повторно. NASA решило использовать керамическую плитку для тепловой защиты, поскольку шаттл можно было построить из легкого алюминия , а плитки можно было заменять по отдельности по мере необходимости. Строительство Columbia началось 27 марта 1975 года, и он был доставлен в KSC 25 марта 1979 года. [7] : 175–177 На момент прибытия в KSC на Columbia все еще оставалось установить 6000 из 30 000 плиток. Однако многие из плиток, которые были изначально установлены, пришлось заменить, что потребовало двух лет установки, прежде чем Columbia смогла полететь. [14] : 46–48
5 января 1979 года НАСА ввело в эксплуатацию второй орбитальный аппарат. Позже в том же месяце Роквелл 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 были названы Discovery и Atlantis . Строительство OV-105, позже названного Endeavour , началось в феврале 1982 года, но в 1983 году НАСА решило ограничить флот Space Shuttle четырьмя орбитальными аппаратами. После потери Challenger НАСА возобновило производство Endeavour в сентябре 1987 года. [14] : 52–53
После прибытия на авиабазу Эдвардс Enterprise прошел летные испытания с самолетом-носителем шаттла , Boeing 747, модифицированным для перевозки орбитального аппарата. В феврале 1977 года Enterprise начал испытания на заход на посадку и посадку (ALT) и прошел полеты с привязью, где он оставался прикрепленным к самолету-носителю шаттла на протяжении всего полета. 12 августа 1977 года Enterprise провел свой первый тест на планирование, где он отсоединился от самолета-носителя шаттла и приземлился на авиабазе Эдвардс. [7] : 173–174 После четырех дополнительных полетов Enterprise был перемещен в Космический центр им. Маршалла (MSFC) 13 марта 1978 года. Enterprise прошел испытания на вибрацию в ходе испытания на вибрацию при сочленении с вертикальным грунтом, где он был прикреплен к внешнему баку и твердотопливным ракетным ускорителям и подвергался вибрациям для имитации напряжений запуска. В апреле 1979 года Enterprise был доставлен в KSC, где он был прикреплен к внешнему баку и твердотопливным ракетным ускорителям, и перемещен в LC-39 . После установки на стартовой площадке Space Shuttle использовался для проверки правильного позиционирования оборудования стартового комплекса. Enterprise был доставлен обратно в Калифорнию в августе 1979 года и позже использовался при разработке SLC -6 на авиабазе Ванденберг в 1984 году. [14] : 40–41
24 ноября 1980 года Columbia была состыкована с внешним баком и твердотопливными ракетными ускорителями, а 29 декабря была перемещена в LC-39. [21] : III-22 Первая миссия Space Shuttle, STS-1 , стала первым пилотируемым полетом космического корабля для NASA. [21] : III-24 12 апреля 1981 года Space Shuttle был запущен в первый раз, и его пилотировали Джон Янг и Роберт Криппен . Во время двухдневной миссии Янг и Криппен проверили оборудование на борту шаттла и обнаружили, что несколько керамических плиток отвалились от верхней стороны Columbia . [ 22] : 277–278 NASA координировало свои действия с ВВС, чтобы использовать спутники для получения изображений нижней части Columbia , и определило, что повреждений нет. [22] : 335–337 Колумбия вошла в атмосферу и приземлилась на авиабазе Эдвардс 14 апреля. [21] : III-24
NASA провело три дополнительных испытательных полета с Columbia в 1981 и 1982 годах. 4 июля 1982 года STS-4 , пилотируемый Кеном Мэттингли и Генри Хартсфилдом , приземлился на бетонной взлетно-посадочной полосе на авиабазе Эдвардс. Президент Рональд Рейган и его жена Нэнси встретились с экипажем и выступили с речью. После STS-4 NASA объявило о запуске своей космической транспортной системы (STS). [7] : 178–179 [23]
Space Shuttle был первым действующим орбитальным космическим аппаратом, разработанным для повторного использования . Каждый орбитальный аппарат Space Shuttle был разработан для прогнозируемого срока службы в 100 запусков или десяти лет эксплуатации, хотя позже этот срок был продлен. [24] : 11 При запуске он состоял из орбитального аппарата , который содержал экипаж и полезную нагрузку, внешнего бака (ET) и двух твердотопливных ракетных ускорителей (SRB). [2] : 363
Ответственность за компоненты Space Shuttle была распределена между несколькими полевыми центрами NASA. KSC отвечал за запуск, посадку и разворотные операции для экваториальных орбит (единственный профиль орбиты, фактически использовавшийся в программе). Военно-воздушные силы США на авиабазе Ванденберг отвечали за запуск, посадку и разворотные операции для полярных орбит (хотя это никогда не использовалось). Космический центр Джонсона (JSC) служил центральной точкой для всех операций Shuttle, а MSFC отвечал за основные двигатели, внешний бак и твердотопливные ракетные ускорители. Космический центр Джона К. Стенниса занимался испытаниями основных двигателей, а Центр космических полетов Годдарда управлял глобальной сетью слежения. [25]
Орбитальный аппарат имел элементы конструкции и возможности как ракеты, так и самолета, что позволяло ему взлетать вертикально и приземляться как планер. [2] : 365 Его трехсекционный фюзеляж обеспечивал поддержку отсека экипажа, грузового отсека, поверхностей полета и двигателей. Задняя часть орбитального аппарата содержала главные двигатели космического челнока (SSME), которые обеспечивали тягу во время запуска, а также систему орбитального маневрирования (OMS), которая позволяла орбитальному аппарату достигать, изменять и выходить с орбиты после выхода в космос. Его двухтреугольные крылья имели длину 18 м (60 футов) и были стреловидны на 81° по внутренней передней кромке и на 45° по внешней передней кромке. Каждое крыло имело внутренний и внешний элевоны для обеспечения управления полетом во время входа в атмосферу, а также закрылок, расположенный между крыльями, под двигателями, для управления тангажом . Вертикальный стабилизатор орбитального аппарата был стреловиден назад на 45° и содержал руль направления , который мог разделяться, чтобы действовать как тормоз скорости . [2] : 382–389 Вертикальный стабилизатор также содержал двухкомпонентную систему парашютного торможения для замедления орбитального аппарата после приземления. Орбитальный аппарат использовал убирающееся шасси с носовой стойкой и двумя основными стойками шасси, каждая из которых содержала по две шины. Основная стойка шасси содержала по два тормозных узла, а носовая стойка шасси содержала электрогидравлический рулевой механизм. [2] : 408–411
Экипаж Space Shuttle менялся в зависимости от миссии. Они проходили тщательное тестирование и обучение, чтобы соответствовать квалификационным требованиям для своих ролей. Экипаж был разделен на три категории: пилоты, специалисты по полетам и специалисты по полезной нагрузке. Пилоты далее делились на две роли: командиры космических челноков и пилоты космических челноков. [26] В испытательных полетах участвовало всего два члена, командир и пилот, которые оба были квалифицированными пилотами, которые могли управлять и приземлять 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 своих предполагаемых миссий и систем. В начале программы Space Shuttle NASA летало со специалистами по полезной нагрузке, которые, как правило, были системными специалистами, работавшими на компанию, оплачивающую развертывание или эксплуатацию полезной нагрузки. Последний специалист по полезной нагрузке, Грегори Б. Джарвис , летал на STS-51-L , и будущие непилоты были назначены специалистами миссии. Астронавт летал в качестве инженера по космическим полетам на STS-51-C и STS-51-J , чтобы служить военным представителем полезной нагрузки Национального разведывательного управления . Экипаж космического челнока обычно состоял из семи астронавтов, а на STS-61-A летало восемь. [21] : III-21
Отсек экипажа состоял из трех палуб и был герметичной, обитаемой зоной во всех миссиях Space Shuttle. Летная палуба состояла из двух сидений для командира и пилота, а также дополнительных двух-четырех сидений для членов экипажа. Средняя палуба была расположена под летной палубой и была местом, где были установлены камбуз и койки экипажа, а также три или четыре сиденья для членов экипажа. Средняя палуба содержала воздушный шлюз, который мог поддерживать двух астронавтов во время внекорабельной деятельности (EVA), а также доступ к герметичным исследовательским модулям. Отсек оборудования находился под средней палубой, в котором хранились системы контроля окружающей среды и управления отходами. [14] : 60–62 [2] : 365–369
В первых четырех миссиях шаттла астронавты носили модифицированные высотные скафандры полного давления ВВС США, которые включали шлем полного давления во время подъема и спуска. С пятого полета, STS-5 , до потери Challenger , экипаж носил цельные светло-голубые летные костюмы из номекса и шлемы частичного давления. После катастрофы Challenger члены экипажа носили Launch Entry Suit (LES), версию высотных скафандров с частичным давлением со шлемом. В 1994 году LES был заменен на Advanced Crew Escape Suit (ACES) полного давления, который повысил безопасность астронавтов в чрезвычайной ситуации. Первоначально Columbia имела модифицированные катапультные кресла SR-71 zero-zero, установленные для ALT и первых четырех миссий, но они были отключены после STS-4 и сняты после STS-9 . [2] : 370–371
Летная палуба была верхним уровнем отсека экипажа и содержала органы управления полетом для орбитального аппарата. Командир сидел на переднем левом сиденье, а пилот сидел на переднем правом сиденье, с двумя-четырьмя дополнительными сиденьями, установленными для дополнительных членов экипажа. Приборные панели содержали более 2100 дисплеев и органов управления, а командир и пилот были оба оснащены дисплеем на лобовом стекле (HUD) и вращающимся 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 , чтобы обеспечить движение руля направления в полете и управление носовым колесом на земле. [2] : 369–372 Первоначально орбитальные аппараты были оснащены многофункциональной системой отображения на ЭЛТ (MCDS) для отображения и управления полетной информацией. MCDS отображала полетную информацию на сиденьях командира и пилота, а также на заднем сиденье, а также управляла данными на HUD. В 1998 году Atlantis был модернизирован с помощью многофункциональной электронной системы отображения (MEDS), которая представляла собой стеклянную кабину , модернизированную для пилотских приборов, которая заменила восемь дисплеев MCDS на 11 многофункциональных цветных цифровых экранов. MEDS впервые была запущена в мае 2000 года на STS-101 , и другие орбитальные аппараты были модернизированы до нее. Кормовая часть полетной палубы содержала окна, выходящие в грузовой отсек, а также RHC для управления системой дистанционного манипулятора во время грузовых операций. Кроме того, кормовая часть полетной палубы имела мониторы для замкнутой телевизионной системы для просмотра грузового отсека. [2] : 372–376
Средняя палуба содержала хранилище оборудования экипажа, спальную зону, камбуз, медицинское оборудование и гигиенические станции для экипажа. Экипаж использовал модульные шкафчики для хранения оборудования, которое можно было масштабировать в зависимости от потребностей, а также постоянно установленные отсеки в полу. Средняя палуба содержала люк с левого борта, который экипаж использовал для входа и выхода во время пребывания на Земле. [21] : II–26–33
Шлюзовая камера — это конструкция, установленная для обеспечения перемещения между двумя пространствами с различными газовыми компонентами, условиями или давлениями. Продолжая структуру средней палубы, каждый орбитальный аппарат изначально был установлен с внутренним шлюзом в средней палубе. Внутренний шлюз был установлен как внешний шлюз в грузовом отсеке на Discovery , Atlantis и Endeavour для улучшения стыковки с Mir и МКС вместе с системой стыковки Orbiter . [21] : II–26–33 Модуль шлюза может быть установлен в среднем отсеке или подключен к нему, но в грузовом отсеке. [14] : 81 С внутренним цилиндрическим объемом диаметром 1,60 метра (5 футов 3 дюйма) и длиной 2,11 метра (6 футов 11 дюймов) он может вместить двух астронавтов в скафандрах. Он имеет два люка в форме буквы D длиной (диаметром) 1,02 м (40 дюймов) и шириной 0,91 м (36 дюймов). [14] : 82
Орбитальный аппарат был оснащен системой авионики для предоставления информации и управления во время атмосферного полета. Его комплект авионики содержал три системы посадки с микроволновым сканирующим лучом , три гироскопа , три TACAN , три акселерометра , два радиолокационных высотомера , два барометрических высотомера , три индикатора положения , два индикатора числа Маха и два транспондера режима C. Во время возвращения экипаж развернул два зонда воздушных данных , когда они двигались медленнее, чем 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 во время нахождения на орбите. Звездные трекеры развертываются во время нахождения на орбите и могут автоматически или вручную выравниваться по звезде. В 1991 году НАСА начало модернизировать инерциальные измерительные блоки с помощью инерциальной навигационной системы (INS), которая предоставляла более точную информацию о местоположении. В 1993 году NASA впервые запустило GPS- приемник на борту STS-51 . В 1997 году Honeywell начала разработку интегрированной GPS/INS для замены систем IMU, INS и TACAN, которые впервые были запущены на борту STS-118 в августе 2007 года. [2] : 402–403
Находясь на орбите, экипаж в основном общался с помощью одного из четырех радио S-диапазона , которые обеспечивали как голосовую, так и передачу данных. Два из радио S-диапазона были приемопередатчиками с фазовой модуляцией и могли передавать и принимать информацию. Два других радио S-диапазона были передатчиками с частотной модуляцией и использовались для передачи данных в NASA. Поскольку радиостанции S-диапазона могут работать только в пределах прямой видимости , NASA использовало наземные станции системы слежения и ретрансляции данных и сети слежения за космическими аппаратами и сбора данных для связи с орбитальным аппаратом по всей его орбите. Кроме того, орбитальный аппарат развернул широкополосную радиостанцию диапазона Ku из грузового отсека, которая также могла использоваться в качестве радара сближения. Орбитальный аппарат также был оснащен двумя радиостанциями UHF для связи с управлением воздушным движением и астронавтами , проводящими ВКД. [2] : 403–404
Система управления полетом по проводам космического челнока полностью зависела от его главного компьютера, Системы обработки данных (DPS). DPS управляла органами управления полетом и двигателями на орбитальном аппарате, а также ET и SRB во время запуска. DPS состояла из пяти компьютеров общего назначения (GPC), двух блоков памяти на магнитной ленте (MMU) и связанных с ними датчиков для контроля компонентов космического челнока. [2] : 232–233 Первоначально используемый GPC был IBM AP-101B , который использовал отдельный центральный процессор (CPU) и процессор ввода-вывода (IOP), а также энергонезависимую твердотельную память . С 1991 по 1993 год орбитальные аппараты были модернизированы до AP-101S, что улучшило память и возможности обработки, а также уменьшило объем и вес компьютеров за счет объединения CPU и IOP в один блок. Четыре GPC были загружены основной системой программного обеспечения авионики (PASS), которая была специфичным для Space Shuttle программным обеспечением, которое обеспечивало управление на всех этапах полета. Во время подъема, маневрирования, входа в атмосферу и посадки четыре PASS GPC функционировали одинаково, чтобы обеспечить четверное резервирование и проверяли свои результаты на наличие ошибок. В случае ошибки программного обеспечения, которая могла вызвать ошибочные отчеты от четырех PASS GPC, пятый GPC запускал резервную систему полета, которая использовала другую программу и могла управлять Space Shuttle во время подъема, орбиты и входа в атмосферу, но не могла поддерживать всю миссию. Пять GPC были разделены на три отдельных отсека в средней палубе, чтобы обеспечить резервирование в случае отказа вентилятора охлаждения. После достижения орбиты экипаж переключал некоторые функции GPC с наведения, навигации и контроля (GNC) на управление системами (SM) и полезной нагрузкой (PL) для поддержки оперативной миссии. [2] : 405–408 Space Shuttle не был запущен, если его полет должен был длиться с декабря по январь, поскольку его программное обеспечение полета потребовало бы перезагрузки компьютеров орбитального корабля при смене года. В 2007 году инженеры NASA разработали решение, чтобы полеты Space Shuttle могли пересекать границу конца года. [27]
Миссии Space Shuttle обычно приносили портативный компьютер общей поддержки (PGSC), который мог интегрироваться с компьютерами и комплектом связи орбитального корабля, а также контролировать научные и полезные данные. Ранние миссии приносили Grid Compass , один из первых ноутбуков, как PGSC, но более поздние миссии приносили ноутбуки Apple и Intel . [2] : 408 [28]
.jpg/1280px-STS132_Atlantis_undocking2_(cropped).jpg)
Отсек полезной нагрузки включал большую часть фюзеляжа орбитального корабля и обеспечивал грузовое пространство для полезных грузов космического челнока. Он был 18 м (60 футов) в длину и 4,6 м (15 футов) в ширину и мог вмещать цилиндрические полезные грузы диаметром до 4,6 м (15 футов). Две двери отсека полезной нагрузки навешивались по обе стороны отсека и обеспечивали относительно герметичное уплотнение для защиты полезных грузов от нагрева во время запуска и возвращения в атмосферу. Полезные грузы были закреплены в отсеке полезной нагрузки в точках крепления на лонжеронах . Двери отсека полезной нагрузки выполняли дополнительную функцию радиаторов для тепла орбитального корабля и открывались по достижении орбиты для отвода тепла. [14] : 62–64
Орбитальный аппарат мог использоваться совместно с различными дополнительными компонентами в зависимости от миссии. Это включало орбитальные лаборатории, [21] : II-304, 319 ускорители для запуска полезных грузов дальше в космос, [21] : II-326 система дистанционного манипулятора (RMS), [21] : II-40 и опционально поддон EDO для увеличения продолжительности миссии. [21] : II-86 Чтобы ограничить расход топлива, пока орбитальный аппарат был стыкован с МКС, была разработана система передачи энергии от станции к шаттлу (SSPTS) для преобразования и передачи энергии станции на орбитальный аппарат. [21] : II-87–88 SSPTS впервые была использована на STS-118 и была установлена на Discovery и Endeavour . [21] : III-366–368
Система дистанционного манипулятора (RMS), также известная как Canadarm, представляла собой механическую руку, прикрепленную к грузовому отсеку. Она могла использоваться для захвата и манипулирования полезными грузами, а также служить мобильной платформой для астронавтов, совершающих выход в открытый космос. RMS была построена канадской компанией Spar Aerospace и управлялась астронавтом внутри полетной палубы орбитального корабля с помощью окон и замкнутой телевизионной системы. RMS допускала шесть степеней свободы и имела шесть сочленений, расположенных в трех точках вдоль руки. Первоначальная RMS могла развертывать или извлекать полезные грузы весом до 29 000 кг (65 000 фунтов), который позже был улучшен до 270 000 кг (586 000 фунтов). [2] : 384–385
Модуль Spacelab был финансируемой Европой герметичной лабораторией, которая перевозилась внутри грузового отсека и позволяла проводить научные исследования на орбите. Модуль Spacelab содержал два сегмента по 2,7 м (9 футов), которые были установлены в кормовой части грузового отсека для поддержания центра тяжести во время полета. Астронавты входили в модуль Spacelab через туннель длиной 2,7 или 5,8 м (8,72 или 18,88 футов), который соединялся с воздушным шлюзом. Оборудование Spacelab в основном хранилось на поддонах, которые обеспечивали хранение как экспериментов, так и компьютерного и силового оборудования. [2] : 434–435 Оборудование Spacelab было запущено в 28 миссиях до 1999 года и изучало такие предметы, как астрономия, микрогравитация, радиолокация и науки о жизни. Оборудование Spacelab также поддерживало такие миссии, как обслуживание космического телескопа Хаббл (HST) и пополнение запасов космической станции. Модуль Spacelab был испытан на STS-2 и STS-3, а первая полноценная миссия состоялась на STS-9. [29]
Три двигателя RS-25, также известные как основные двигатели Space Shuttle (SSME), были установлены на хвостовой части фюзеляжа орбитального корабля в треугольной схеме. Сопла двигателей могли поворачиваться на ±10,5° по тангажу и на ±8,5° по рысканию во время подъема, чтобы изменять направление своей тяги для управления шаттлом. Многоразовые двигатели из титанового сплава были независимы от орбитального корабля и снимались и заменялись между полетами. RS-25 — это криогенный двигатель с циклом ступенчатого сгорания, который использовал жидкий кислород и водород и имел более высокое давление в камере, чем любая предыдущая ракета на жидком топливе. Первоначальная 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, по которым течет жидкий водород, и термически защищено изоляционным и абляционным материалом. [21] : II–177–183
Двигатели RS-25 имели несколько усовершенствований для повышения надежности и мощности. В ходе программы разработки Rocketdyne определила, что двигатель способен безопасно и надежно работать при 104% от первоначально указанной тяги. Чтобы сохранить значения тяги двигателя в соответствии с предыдущей документацией и программным обеспечением, NASA сохранило первоначально указанную тягу на уровне 100%, но заставило RS-25 работать с более высокой тягой. Модернизированные версии RS-25 были обозначены как Block I и Block II. Уровень тяги 109% был достигнут с двигателями Block II в 2001 году, что снизило давление в камере до 207,5 бар (3010 фунтов на кв. дюйм), поскольку он имел большую площадь горловины . Нормальный максимальный дроссель составлял 104 процента, при этом 106% или 109% использовались для прерывания миссии. [14] : 106–107
Система орбитального маневрирования (OMS) состояла из двух установленных на корме двигателей AJ10-190 и связанных с ними топливных баков. Двигатели AJ10 использовали монометилгидразин (MMH), окисленный тетраоксидом диазота (N 2 O 4 ). Гондолы несли максимум 2140 кг (4718 фунтов) MMH и 3526 кг (7773 фунта) N 2 O 4 . Двигатели OMS использовались после выключения основного двигателя (MECO) для выхода на орбиту. На протяжении всего полета они использовались для изменения орбиты, а также для увода с орбиты перед входом в атмосферу. Каждый двигатель OMS выдавал 27 080 Н (6087 фунтов силы) тяги, и вся система могла обеспечить изменение скорости на 305 м/с (1000 футов/с) . [21] : II–80
Орбитальный аппарат был защищен от тепла во время входа в атмосферу системой тепловой защиты (TPS), тепловым защитным слоем вокруг орбитального аппарата. В отличие от предыдущих американских космических аппаратов, которые использовали абляционные тепловые экраны, для повторного использования орбитального аппарата требовался многоразовый тепловой экран. [14] : 72–73 Во время входа в атмосферу TPS подвергался воздействию температур до 1600 °C (3000 °F), но должен был поддерживать температуру алюминиевой оболочки орбитального аппарата ниже 180 °C (350 °F). TPS в основном состоял из четырех типов плиток. Носовой конус и передние кромки крыльев подвергались воздействию температур выше 1300 °C (2300 °F) и были защищены армированными 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 усовершенствованы после повреждений RCC, вызванных катастрофой Columbia . Начиная с STS-114 , орбитальные аппараты были оснащены системой обнаружения удара передней кромки крыла, чтобы предупреждать экипаж о любых потенциальных повреждениях. [21] : II–112–113 Вся нижняя часть орбитального аппарата, а также другие самые горячие поверхности были защищены плитками высокотемпературной многоразовой поверхностной изоляции, изготовленными из покрытых боросиликатным стеклом кремниевых волокон, которые удерживали тепло в воздушных карманах и перенаправляли его наружу. Области на верхних частях орбитального аппарата были покрыты плитками белой низкотемпературной многоразовой поверхностной изоляции с аналогичным составом, которая обеспечивала защиту при температурах ниже 650 °C (1200 °F). Двери грузового отсека и части верхних поверхностей крыла были покрыты многоразовой поверхностной изоляцией из войлока Nomex или бета-тканью , поскольку температура там оставалась ниже 370 °C (700 °F). [2] : 395
Внешний бак космического челнока (ET) перевозил топливо для главных двигателей космического челнока и соединял орбитальный аппарат с твердотопливными ракетными ускорителями. ET был 47 м (153,8 фута) в высоту и 8,4 м (27,6 фута) в диаметре и содержал отдельные баки для жидкого кислорода и жидкого водорода. Бак с жидким кислородом размещался в носовой части ET и имел высоту 15 м (49,3 фута). Бак с жидким водородом составлял большую часть ET и имел высоту 29 м (96,7 фута). Орбитальный аппарат был прикреплен к ET двумя соединительными пластинами, которые содержали пять топливных и два электрических соединительных кабеля, а также передние и задние структурные крепления. Внешняя часть ET была покрыта оранжевой распыляемой пеной, чтобы позволить ему выдержать жару подъема. [2] : 421–422
ET обеспечивал топливом главные двигатели Space Shuttle с момента старта до выключения главного двигателя. ET отделялся от орбитального корабля через 18 секунд после выключения двигателя и мог запускаться автоматически или вручную. Во время отделения орбитальный корабль убирал свои соединительные пластины, а соединительные шнуры были запечатаны, чтобы предотвратить попадание избыточного топлива в орбитальный корабль. После того, как болты, прикрепленные к структурным креплениям, были срезаны, ET отделялся от орбитального корабля. Во время отделения газообразный кислород выпускался из носа, чтобы заставить ET кувыркаться, гарантируя, что он разрушится при входе в атмосферу. ET был единственным основным компонентом системы Space Shuttle, который не использовался повторно, и он должен был двигаться по баллистической траектории в Индийский или Тихий океан. [2] : 422
Для первых двух миссий, STS-1 и STS-2 , ET был покрыт 270 кг (595 фунтов) белой огнестойкой латексной краски для защиты от повреждений, вызванных ультрафиолетовым излучением. Дальнейшие исследования показали, что сама оранжевая пена была достаточно защищена, и ET больше не покрывался латексной краской, начиная с STS-3. [21] : II-210 Облегченный бак (LWT) был впервые поднят на STS-6, что уменьшило вес бака на 4700 кг (10 300 фунтов). Вес LWT был уменьшен за счет удаления компонентов из водородного бака и уменьшения толщины некоторых панелей обшивки. [2] : 422 В 1998 году сверхлегкий ET (SLWT) впервые поднялся в воздух на STS-91 . 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 челноку доставлять тяжелые элементы на высоконаклонную орбиту МКС. [2] : 423–424
Твердотопливные ракетные ускорители (SRB) обеспечивали 71,4% тяги Space Shuttle во время старта и подъема и были крупнейшими 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 часть толщиной приблизительно 13 мм (.5 дюйма). Субкомпонентами SRB были твердотопливный двигатель, носовой обтекатель и сопло ракеты. Твердотопливный двигатель составлял большую часть конструкции SRB. Его корпус состоял из 11 стальных секций, которые составляли его четыре основных сегмента. Носовой обтекатель вмещал передние двигатели разделения и парашютные системы, которые использовались во время восстановления. Сопла ракеты могли поворачиваться на карданный шарнир до 8°, что позволяло производить корректировки в полете. [2] : 425–429
Каждый из ракетных двигателей был заполнен в общей сложности 500 000 кг (1 106 640 фунтов) твердого ракетного топлива ( APCP + PBAN ) и соединен в здании сборки транспортных средств (VAB) в KSC. [2] : 425–426 Помимо обеспечения тяги на первом этапе запуска, SRB обеспечивали структурную поддержку орбитального корабля и ET, поскольку они были единственной системой, которая была подключена к мобильной пусковой платформе (MLP). [2] : 427 Во время запуска SRB были включены в момент времени T−5 и могли быть электрически включены только после того, как двигатели RS-25 зажглись и не имели проблем. [2] : 428 Каждый из них обеспечивал 12 500 кН (2 800 000 фунтов силы) тяги, которая позднее 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 около 46 км (150 000 футов). После разделения они развернули тормозной и основной парашюты, приземлились в океане и были подняты экипажами на борту кораблей MV Freedom Star и MV Liberty Star . [2] : 430 После возвращения на мыс Канаверал их очистили и разобрали. Ракетный двигатель, воспламенитель и сопло затем были отправлены в Thiokol для восстановления и повторного использования в последующих полетах. [14] : 124
SRB претерпели несколько изменений в течение всего срока службы программы. STS-6 и STS-7 использовали SRB на 2300 кг (5000 фунтов) легче из-за стенок, которые были на 0,10 мм (0,004 дюйма) тоньше, но были определены слишком тонкими для безопасного полета. Последующие полеты до STS-26 использовали корпуса, которые были на 0,076 мм (0,003 дюйма) тоньше стандартных корпусов, что уменьшило вес на 1800 кг (4000 фунтов). После катастрофы Challenger в результате отказа уплотнительного кольца при низкой температуре SRB были перепроектированы, чтобы обеспечить постоянное уплотнение независимо от температуры окружающей среды. [2] : 425–426
Эксплуатация Space Shuttle поддерживалась транспортными средствами и инфраструктурой, которые облегчали его транспортировку, строительство и доступ экипажа. Гусеничные транспортеры перевозили MLP и Space Shuttle из VAB на стартовую площадку. [30] Самолеты - носители Shuttle (SCA) представляли собой два модифицированных Boeing 747 , которые могли перевозить орбитальный аппарат на своей спине. Оригинальный SCA (N905NA) впервые поднялся в воздух в 1975 году и использовался для ALT и перегона орбитального аппарата с авиабазы Эдвардс в KSC во всех миссиях до 1991 года. Второй SCA (N911NA) был приобретен в 1988 году и впервые использовался для транспортировки Endeavour с завода в KSC. После вывода из эксплуатации Space Shuttle, N905NA был выставлен на обозрение в JSC, а N911NA был выставлен на обозрение в аэропарке Joe Davies Heritage Airpark в Палмдейле, Калифорния . [21] : I–377–391 [31] Транспортное средство для экипажа (CTV) было модифицированным реактивным трапом аэропорта, который использовался для помощи астронавтам при выходе из орбитального корабля после приземления, где они проходили послеполетные медицинские осмотры. [32] Astrovan перевозил астронавтов из жилых помещений экипажа в здании операций и проверок на стартовую площадку в день запуска. [33] Железная дорога НАСА состояла из трех локомотивов, которые перевозили сегменты SRB с железной дороги Флориды Восточного побережья в Тайтусвилле в KSC. [34]
Space Shuttle был подготовлен к запуску в первую очередь в VAB в KSC. SRB были собраны и прикреплены к внешнему баку на MLP. Орбитальный аппарат был подготовлен в Orbiter Processing Facility (OPF) и перемещен в VAB, где кран использовался для его поворота в вертикальное положение и соединения с внешним баком. [14] : 132–133 После того, как весь стек был собран, MLP был доставлен на 5,6 км (3,5 мили) к стартовому комплексу 39 одним из гусеничных транспортеров . [14] : 137 После того, как Space Shuttle прибыл на одну из двух стартовых площадок, он должен был подключиться к фиксированным и вращающимся сервисным конструкциям, которые обеспечивали возможности обслуживания, ввода полезной нагрузки и транспортировки экипажа. [14] : 139–141 Экипаж был доставлен на стартовую площадку в T−3 часа и вошел в орбитальный аппарат, который был закрыт в T−2 часа. [21] : III–8 Жидкий кислород и водород загружались во внешний бак через шлангокабели, которые были присоединены к орбитальному аппарату, что началось в T−5 часов 35 минут. В T−3 часа 45 минут быстрая заправка водородом была завершена, а через 15 минут последовала заправка кислородного бака. Оба бака медленно заполнялись до запуска, пока кислород и водород испарялись. [21] : II–186
Критерии запуска 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 спровоцировать молнию, обеспечив токовую траекторию к земле после запуска, что и произошло на Аполлоне-12 . [36] : 239 Правило НАСА «Наковальня» для запуска шаттла гласило, что облако «Наковальня» не может появиться на расстоянии менее 19 км (10 морских миль). [37] Метеоролог запуска шаттла следил за условиями до тех пор, пока не было объявлено окончательное решение об отмене запуска. В дополнение к погоде на месте запуска, условия должны были быть приемлемыми на одном из мест посадки Transatlantic Abort Landing и в зоне восстановления SRB. [35] [38]
Экипаж миссии и персонал Центра управления запуском (LCC) завершили проверки систем в течение обратного отсчета. Два встроенных удержания в T−20 минут и T−9 минут обеспечивали запланированные перерывы для решения любых проблем и дополнительной подготовки. [21] : III–8 После встроенного удержания в T−9 минут обратный отсчет автоматически контролировался наземным устройством последовательности запуска (GLS) в LCC, которое останавливало обратный отсчет, если обнаруживало критическую проблему с любой из бортовых систем космического челнока. [38] В T−3 минуты 45 секунд двигатели начали проводить испытания карданного подвеса, которые были завершены в T−2 минуты 15 секунд. Наземная система обработки запуска передала управление GPC орбитального корабля в T−31 секунду. В момент T−16 секунд GPCs активировали SRB, система подавления звука (SPS) начала поливать траншеи MLP и SRB 1 100 000 л (300 000 галлонов США) воды, чтобы защитить орбитальный аппарат от повреждения акустической энергией и выхлопными газами ракеты, отраженными от траншеи пламени и MLP во время старта. [39] [40] В момент T−10 секунд водородные воспламенители были активированы под каждым раструбом двигателя, чтобы подавить застойный газ внутри конусов перед воспламенением. Неспособность сжечь эти газы могла привести к срабатыванию бортовых датчиков и создать возможность избыточного давления и взрыва аппарата во время фазы зажигания. Предварительные клапаны водородного бака были открыты в момент T−9,5 секунд для подготовки к запуску двигателя. [21] : II–186
Начиная с T−6,6 секунд, основные двигатели последовательно зажигались с интервалом в 120 миллисекунд. Все три двигателя RS-25 должны были достичь 90% номинальной тяги к T−3 секундам, в противном случае GPC инициировали бы прерывание RSLS . Если все три двигателя показывали номинальную производительность к T−3 секундам, им давалась команда перейти на карданный подвес в конфигурацию взлета, и давалась команда на включение SRB для зажигания в T−0. [41] Между T−6,6 секундами и T−3 секундами, пока двигатели RS-25 работали, но SRB все еще были прикручены к площадке, смещенная тяга заставляла космический челнок опускаться на 650 мм (25,5 дюйма), измеренных на кончике внешнего бака; 3-секундная задержка позволяла стеку вернуться в почти вертикальное положение перед зажиганием SRB. Это движение было прозвано «звяканьем». В момент T−0 были взорваны восемь ломких гаек , удерживающих SRB на площадке, последние шлангокабели были отсоединены, SSME получили команду на 100% тягу, и SRB были зажжены. [42] [43] К моменту T+0,23 секунды SRB набрали достаточную тягу для начала взлета и достигли максимального давления в камере к моменту T+0,6 секунды. [44] [21] : II–186 В момент T−0 Центр управления полетами JSC принял на себя управление полетом из LCC. [21] : III–9
В момент времени T+4, когда Space Shuttle достиг высоты 22 метра (73 фута), двигатели RS-25 были сброшены до 104,5%. Примерно в момент времени T+7 секунд Space Shuttle перешел в положение «головой вниз» на высоте 110 метров (350 футов), что снизило аэродинамическое напряжение и обеспечило улучшенную ориентацию связи и навигации. Примерно через 20–30 секунд подъема и на высоте 2700 метров (9000 футов) двигатели RS-25 были сброшены до 65–72%, чтобы снизить максимальные аэродинамические силы при максимальном Q. [ 21] : III–8–9 Кроме того, форма топлива SRB была разработана таким образом, чтобы вызвать уменьшение тяги во время максимального Q. [2] : 427 GPC могли динамически управлять дросселем двигателей RS-25 на основе производительности SRB. [21] : II–187
Примерно в T+123 секунды и на высоте 46 000 метров (150 000 футов) пиротехнические крепления освободили SRB, которые достигли апогея 67 000 метров (220 000 футов) перед тем, как спуститься с парашютом в Атлантический океан . Спейс шаттл продолжил подъем, используя только двигатели RS-25. В более ранних миссиях шаттл оставался в ориентации «голова вниз» для поддержания связи со станцией слежения на Бермудских островах , но более поздние миссии, начиная с STS-87 , переходили в ориентацию «голова вверх» в T+6 минут для связи со спутниковой группировкой слежения и ретрансляции данных . Двигатели RS-25 были дросселированы в T+7 минут 30 секунд, чтобы ограничить ускорение корабля до 3 g . За 6 секунд до отключения основного двигателя (MECO), которое произошло в T+8 минут 30 секунд, двигатели RS-25 были дросселированы до 67%. GPC контролировали отделение ET и сбросили оставшийся жидкий кислород и водород, чтобы предотвратить дегазацию на орбите. ET продолжил движение по баллистической траектории и развалился во время входа в атмосферу, а некоторые небольшие части приземлились в Индийском или Тихом океане. [21] : III–9–10
Ранние миссии использовали два включения OMS для достижения орбиты; первое включение поднимало апогей, а второе делало орбиту круговой. Миссии после STS-38 использовали двигатели RS-25 для достижения оптимального апогея и использовали двигатели OMS для круговой орбиты. Высота и наклонение орбиты зависели от миссии, и орбиты Space Shuttle варьировались от 220 до 620 км (от 120 до 335 морских миль). [21] : III–10
Тип миссии, на которую был назначен космический челнок, диктовал тип орбиты, на которую он выходил. Первоначальный проект многоразового космического челнока предусматривал все более дешевую стартовую платформу для развертывания коммерческих и правительственных спутников. Ранние миссии обычно перегоняли спутники, что определяло тип орбиты, на которую выходил орбитальный аппарат. После катастрофы «Челленджера» многие коммерческие полезные нагрузки были перемещены на одноразовые коммерческие ракеты, такие как « Дельта II » . [21] : III–108, 123 В то время как более поздние миссии по-прежнему запускали коммерческие полезные нагрузки, задания «Спейс шаттл» были обычно направлены на научные полезные нагрузки, такие как космический телескоп «Хаббл» , [21] : III–148 , «Спейслэб», [2] : 434–435 и космический аппарат «Галилео» . [21] : III–140 Начиная с STS-71 , орбитальный аппарат проводил стыковки с космической станцией «Мир» . [21] : III–224 В последнее десятилетие своей работы космический челнок использовался для строительства Международной космической станции . [21] : III–264 Большинство миссий предполагали пребывание на орбите от нескольких дней до двух недель, хотя более длительные миссии были возможны с помощью платформы Extended Duration Orbiter . [21] : III–86 Миссия STS-80 продолжительностью 17 дней и 15 часов была самой продолжительной миссией космического челнока. [21] : III–238
Примерно за четыре часа до схода с орбиты экипаж начал готовить орбитальный аппарат к повторному входу в атмосферу, закрыв створки полезной нагрузки, излучая избыточное тепло и убирая антенну Ku-диапазона. Орбитальный аппарат переместился в перевернутую ориентацию хвостом вперед и начал 2–4-минутное горение OMS примерно за 20 минут до повторного входа в атмосферу. Орбитальный аппарат переориентировался в положение носом вперед с углом атаки 40°, а сопла системы управления прямой реакцией (RCS) были освобождены от топлива и отключены перед повторным входом в атмосферу. Возвращение орбитального аппарата было определено как начало на высоте 120 км (400 000 футов), когда он двигался со скоростью около 25 Махов. Возвращение орбитального аппарата контролировалось GPC, которые следовали заданному плану угла атаки для предотвращения небезопасного нагрева TPS. 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 управления азимутом во время крена была выполнена серия реверсов крена [c] . [45] Кормовые реактивные двигатели RCS орбитального аппарата были отключены, поскольку его элероны, рули высоты и руль направления стали эффективными в нижних слоях атмосферы. На высоте 46 км (150 000 футов) орбитальный аппарат открыл свой тормоз скорости на вертикальном стабилизаторе. За 8 минут 44 секунды до посадки экипаж развернул датчики воздушных данных и начал уменьшать угол атаки до 36°. [21] : III–12 Максимальное качество планирования / подъемной силы к лобовому сопротивлению орбитального аппарата значительно варьировалось в зависимости от скорости, от 1,3 на гиперзвуковых скоростях до 4,9 на дозвуковых скоростях. [21] : II–1 Орбитальный аппарат пролетел к одному из двух Конусов выравнивания курса, расположенных в 48 км (30 миль) от каждого конца центральной линии взлетно-посадочной полосы, где он сделал свои последние повороты, чтобы рассеять избыточную энергию перед заходом на посадку и посадкой. Как только орбитальный аппарат начал двигаться на дозвуковой скорости, экипаж взял на себя ручное управление полетом. [21] : III–13
Фаза подхода и посадки началась, когда орбитальный аппарат находился на высоте 3000 м (10 000 футов) и двигался со скоростью 150 м/с (300 узлов). Орбитальный аппарат следовал либо по глиссаде -20°, либо по глиссаде -18° и снижался со скоростью примерно 51 м/с (167 футов/с). Тормозной механизм использовался для поддержания постоянной скорости, а экипаж инициировал предварительный маневр на глиссаду -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). Финальный маневр снижения снизил скорость снижения орбитального аппарата до 0,9 м/с (3 фута/с), при этом приземление произошло на скорости 100–150 м/с (195–295 кН) в зависимости от веса орбитального аппарата. После того, как шасси коснулись земли, экипаж выпустил тормозной парашют из вертикального стабилизатора и начал торможение колес, когда орбитальный аппарат двигался медленнее 72 м/с (140 кН). После того, как колеса орбитального аппарата остановились, экипаж отключил компоненты полета и приготовился к выходу. [21] : III–13
Основным местом посадки Space Shuttle был Shuttle Landing Facility в KSC, где произошло 78 из 133 успешных посадок. В случае неблагоприятных условий посадки Shuttle мог отложить посадку или приземлиться в другом месте. Основным альтернативным местом была авиабаза Эдвардс, которая использовалась для 54 посадок. [21] : III–18–20 STS-3 приземлился в космическом порту Уайт-Сэндс в Нью-Мексико и потребовал обширной постобработки после воздействия богатого гипсом песка, часть которого была обнаружена в обломках Columbia после STS-107 . [21] : III–28 Посадки на альтернативных аэродромах требовали, чтобы самолет-носитель Shuttle Carrier доставил орбитальный аппарат обратно на мыс Канаверал . [21] : III–13
В дополнение к заранее запланированным аэродромам посадки, было 85 согласованных мест аварийной посадки для использования в различных сценариях прерывания, 58 из которых находились в других странах. Места посадки выбирались на основе политических отношений, благоприятной погоды, взлетно-посадочной полосы длиной не менее 2300 м (7500 футов) и оборудования TACAN или DME . Кроме того, поскольку на орбитальном аппарате были только радиостанции UHF, международные площадки, оборудованные только радиостанциями VHF, не могли напрямую связываться с экипажем. Объекты на восточном побережье США были запланированы для аварийных посадок на Восточном побережье, в то время как несколько площадок в Европе и Африке были запланированы на случай трансокеанской аварийной посадки. Объекты были подготовлены с оборудованием и персоналом на случай аварийной посадки шаттла, но так и не были использованы. [21] : III–19
После приземления наземные команды приблизились к орбитальному аппарату для проведения проверок безопасности. Команды, одетые в автономные дыхательные аппараты, проверили наличие водорода , гидразина , монометилгидразина, тетраоксида азота и аммиака , чтобы убедиться, что зона приземления безопасна. [46] Были подключены линии кондиционирования воздуха и фреона для охлаждения экипажа и оборудования, а также для рассеивания избыточного тепла от входа в атмосферу. [21] : III-13 Врач поднялся на борт орбитального аппарата и провел медицинский осмотр экипажа перед их высадкой. После того, как орбитальный аппарат был закреплен, его отбуксировали на OPF для проверки, ремонта и подготовки к следующей миссии. [46]
Space Shuttle летал с 12 апреля 1981 года [21] : III–24 по 21 июля 2011 года. [21] : III–398 За всю программу Space Shuttle совершил 135 миссий, [21] : III–398 из которых 133 благополучно вернулись. [21] : III–80, 304 За все время своего существования Space Shuttle использовался для проведения научных исследований, [21] : III–188 развертывания коммерческих, [21] : III–66 военных, [21] : III–68 и научных полезных нагрузок, [21] : III–148 и принимал участие в строительстве и эксплуатации станции «Мир» [21] : III–216 и МКС. [21] : III–264 За время своего существования космический челнок был единственным американским транспортным средством для запуска астронавтов, и до запуска Crew Dragon Demo-2 30 мая 2020 года ему не было замены. [47]
Общий бюджет NASA на программу Space Shuttle оценивается в 221 миллиард долларов (в долларах 2012 года). [21] : III−488 Разработчики Space Shuttle выступали за повторное использование как за меру экономии средств, что привело к более высоким затратам на разработку при предполагаемых более низких затратах на запуск. Во время проектирования Space Shuttle предложения по фазе B были не такими дешевыми, как указывали первоначальные оценки фазы A; менеджер программы Space Shuttle Роберт Томпсон признал, что снижение стоимости за фунт не было основной целью дальнейших этапов проектирования, поскольку другие технические требования не могли быть выполнены при сниженных затратах. [21] : III−489−490 Оценки разработки, сделанные в 1972 году, прогнозировали стоимость полезной нагрузки на фунт всего в 1109 долларов (в 2012 году) за фунт, но фактические затраты на полезную нагрузку, не включая затраты на исследования и разработки Space Shuttle, составили 37 207 долларов (в 2012 году) за фунт. [21] : III−491 Затраты на запуск варьировались на протяжении всей программы и зависели от частоты полетов, а также от исследований, разработок и расследований в течение всей программы Space Shuttle. В 1982 году NASA опубликовало оценку в 260 миллионов долларов (в 2012 году) за полет, которая была основана на прогнозе 24 полетов в год в течение десятилетия. Затраты на запуск с 1995 по 2002 год, когда орбитальные аппараты и МКС не строились и не проводились восстановительные работы после потери экипажа, составляли 806 миллионов долларов. NASA опубликовало исследование в 1999 году, в котором сделан вывод, что расходы составили $576 миллионов (в 2012 году) при семи запусках в год. В 2009 году NASA определило, что расходы на добавление одного запуска в год составили $252 миллиона (в 2012 году), что указывает на то, что большая часть расходов программы Space Shuttle приходится на круглогодичный персонал и операции, которые продолжаются независимо от частоты запусков. С учетом всего бюджета программы Space Shuttle расходы на запуск составили $1,642 миллиарда (в 2012 году). [21] : 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 Challenger . Катастрофа была вызвана низкотемпературным повреждением уплотнительного кольца, критически важного уплотнения, используемого между сегментами корпуса SRB. Отказ уплотнительного кольца позволил горячим газам сгорания вырваться из-под секций ускорителя и прожечь соседний ET, что привело к серии катастрофических событий, в результате которых орбитальный аппарат распался. [48] : 71 Неоднократные предупреждения инженеров-конструкторов, выражавших обеспокоенность по поводу отсутствия доказательств безопасности уплотнительных колец при температуре ниже 53 °F (12 °C), были проигнорированы менеджерами NASA. [48] : 148
1 февраля 2003 года Columbia распалась во время входа в атмосферу, в результате чего погибли все семь членов экипажа STS-107 из-за повреждения углерод-углеродной передней кромки крыла, полученного во время запуска. Инженеры наземного управления сделали три отдельных запроса на получение изображений высокого разрешения, сделанных Министерством обороны, которые могли бы дать представление о степени повреждений, в то время как главный инженер TPS NASA запросил, чтобы астронавтам на борту Columbia было разрешено покинуть корабль для осмотра повреждений. Менеджеры NASA вмешались, чтобы остановить съемку орбитального корабля Министерством обороны, и отклонили запрос на выход в открытый космос, [21] : III–323 [49] и, таким образом, осуществимость сценариев ремонта или спасения астронавтов с помощью Atlantis не рассматривалась руководством NASA в то время. [50]
Частичная возможность повторного использования космического челнока была одним из основных требований к конструкции во время его первоначальной разработки. [7] : 164 Технические решения, которые диктовали возвращение и повторное использование орбитального аппарата, снизили возможности полезной нагрузки на запуск. Первоначальным намерением было компенсировать эту меньшую полезную нагрузку за счет снижения затрат на запуск и высокой частоты запусков. Однако фактические затраты на запуск космического челнока оказались выше, чем изначально прогнозировалось, и космический челнок не совершил предполагаемых 24 миссий в год, как изначально предсказывало НАСА. [51] [21] : III–489–490
Space Shuttle изначально предназначался как ракета-носитель для запуска спутников, для чего он в основном использовался в миссиях до катастрофы Challenger . Цены NASA, которые были ниже себестоимости, были ниже, чем у одноразовых ракет-носителей; намерение состояло в том, что большой объем миссий Space Shuttle компенсирует ранние финансовые потери. Улучшение одноразовых ракет-носителей и переход от коммерческих полезных нагрузок на Space Shuttle привели к тому, что одноразовые ракеты-носители стали основным вариантом развертывания спутников. [21] : III–109–112 Ключевым заказчиком Space Shuttle было Национальное разведывательное управление (NRO), отвечающее за спутники-шпионы. Существование связи NRO было засекречено до 1993 года, а секретные соображения относительно требований NRO к полезной нагрузке привели к отсутствию прозрачности в программе. Предлагаемая программа Shuttle-Centaur , отмененная после катастрофы Challenger , вывела бы космический корабль за пределы его эксплуатационных возможностей. [52]
Катастрофы космических кораблей «Челленджер» и «Колумбия» продемонстрировали риски безопасности космических челноков, которые могли привести к потере экипажа. Конструкция космического корабля ограничивала возможности прерывания, поскольку сценарии прерывания требовали контролируемого полета орбитального корабля к взлетно-посадочной полосе или предоставления экипажу возможности покинуть корабль по отдельности, а не возможности прерывания эвакуации на космических капсулах «Аполлон» и «Союз» . [53] Ранние анализы безопасности, объявленные инженерами и руководством НАСА, предсказывали вероятность катастрофического отказа, приводящего к гибели экипажа, от 1 на 100 запусков до такой редкой, как 1 на 100 000. [54] [55] После потери двух миссий космических челноков риски для первоначальных миссий были переоценены, и вероятность катастрофической потери корабля и экипажа была признана равной 1 к 9. [56] Впоследствии руководство НАСА подверглось критике за принятие повышенного риска для экипажа в обмен на более высокие показатели миссий. В отчетах «Челленджера» и «Колумбии» объясняется, что культура НАСА не смогла обеспечить безопасность экипажа, поскольку не провела объективную оценку потенциальных рисков миссий. [55] [57] : 195–203
О завершении программы Space Shuttle было объявлено в январе 2004 года. [21] : III-347 Президент Джордж Буш-младший объявил о своем видении исследования космоса , в котором предусматривалось завершение программы Space Shuttle после завершения строительства МКС. [58] [59] Чтобы обеспечить надлежащую сборку МКС, в марте 2006 года партнеры-участники определили необходимость в 16 оставшихся сборочных миссиях. [21] : III-349 Одна дополнительная миссия по обслуживанию космического телескопа Хаббл была одобрена в октябре 2006 года. [21] : III-352 Первоначально STS-134 должна была стать последней миссией Space Shuttle. Однако катастрофа Columbia привела к необходимости запуска дополнительных орбитальных аппаратов в случае необходимости в случае спасательной миссии. Поскольку Atlantis готовился к последней миссии по запуску по мере необходимости, в сентябре 2010 года было принято решение, что он полетит как STS-135 с экипажем из четырех человек, который мог бы оставаться на МКС в случае чрезвычайной ситуации. [21] : III-355 STS-135 был запущен 8 июля 2011 года и приземлился в Центре Кеннеди 21 июля 2011 года в 5:57 утра по восточному времени (09:57 UTC). [21] : 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 был обработан, чтобы сделать его безопасным для показа. Системы OMS и RCS, которые использовались, представляли основную опасность из-за их токсичного гиперголического топлива , и большинство их компонентов были навсегда удалены, чтобы предотвратить любую опасную дегазацию. [21] : III-443 Atlantis экспонируется в комплексе посетителей Космического центра Кеннеди во Флориде, [21] : III-456 Discovery экспонируется в Центре Стивена Ф. Удвара-Хейзи в Вирджинии, [21] : III-451 Endeavour экспонируется в Калифорнийском научном центре в Лос-Анджелесе, [21] : III-457 и Enterprise экспонируются в Музее Intrepid в Нью-Йорке. [21] : III-464 Компоненты орбитальных аппаратов были переданы ВВС США, программе МКС и правительствам России и Канады. Двигатели были сняты для использования в системе Space Launch System , а запасные сопла RS-25 были прикреплены для демонстрационных целей. [21] : III-445
Похожие космические корабли
Текущий предел полезной нагрузки для посадки шаттла составляет 14 400 кг (31 700 фунтов). Это значение применяется к полезным нагрузкам, предназначенным для посадки.
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )