HL -42 был предложенной увеличенной версией многоразового пилотируемого космического самолета HL-20 , который разрабатывался с 1983 по 1991 год в исследовательском центре Лэнгли НАСА, но так и не был запущен в эксплуатацию. Как и HL-20 («Horizontal Lander 20»), HL-42 должен был быть запущен на низкую околоземную орбиту, установленный на двухступенчатой одноразовой ракете. В конце миссии он должен был вернуться в атмосферу и спланировать на взлетно-посадочную полосу.
HL-42 был предложен в качестве одного из возможных преемников Space Shuttle в исследовании NASA Access to Space Study 1994 года. Однако для дальнейшей разработки была выбрана другая альтернатива — одноступенчатая орбитальная конструкция, и работа над HL-42 была прекращена.
В начале 1980-х годов политика NASA состояла в том, чтобы продвигать использование Space Shuttle для почти всех гражданских и военных запусков; только тогда, с еженедельными запусками миссий Shuttle, программа Space Shuttle стала бы экономически выгодной. Однако катастрофа Challenger в 1986 году заставила пересмотреть свои взгляды, и в последующие годы многие исследования пытались наметить путь вперед, не достигнув никакого консенсуса, за исключением растущего ощущения, что «быстрее, лучше, дешевле» было бы хорошей идеей. Также были разногласия по поводу конструкции (и, конечно, цели) предлагаемой космической станции Freedom .
Наконец, когда в январе 1993 года президент Клинтон впервые вступил в должность, новый администратор НАСА Дэниел Голдин поручил провести масштабное исследование, которое сократило бы множество возможностей до трех четко определенных вариантов систем запуска. [1]
В ноябре 1993 года, когда это исследование еще продолжалось, было достигнуто соглашение с Россией о разработке проекта Freedom для Международной космической станции , поэтому для эксплуатации космической станции авторам исследования было сказано проектировать для «худшего случая»: предположим, что станция с четырьмя людьми, такая как Freedom , была бы построена и обслуживалась исключительно США, но размещена на орбите Мир с наклонением 51,6 градуса (существенное изменение, поскольку это было бы сложнее достичь с мыса Канаверал и уменьшило бы полезную нагрузку шаттла на одну треть). [a] [2] : 7 С другой стороны, новая эра сотрудничества с Россией облегчила бы покупку и использование перспективных российских двигателей первой ступени семейства РД-170 / РД-180 и инновационного трехкомпонентного РД-701 .
Управление по развитию космических систем НАСА опубликовало это исследование Access to Space в январе 1994 года; оно оказало большое влияние на космическую политику на оставшуюся часть десятилетия. Целью исследования было внедрение нового оборудования для запуска с 2005 года, когда нынешние шаттлы приближались к выходу на пенсию, и его использование до 2030 года. Каждая из трех групп экспертов наметила возможный путь вперед: [3] [4]
Вариант 1 был самым консервативным, он состоял из постепенных обновлений существующего флота шаттлов и возможного строительства еще нескольких шаттлов с использованием более легких и прочных материалов. Значительно улучшенная авионика могла бы сделать беспилотные, автономные операции практичными и желательными для некоторых миссий. [4] : 8–23
Вариант 2, немного более авантюрный и ориентированный на экономию и эффективность, включал бы новые транспортные средства, но только небольшие улучшения существующих материалов и методов. Команда 2 планировала использовать только технологии, которые, как ожидалось, будут легко доступны в 1997 году, и иметь новое оборудование, готовое к эксплуатации в 2005 году.
Все ракеты-носители будут одноразовыми в рекомендуемой версии Варианта 2. Delta II будет сохранена; Atlas II будет модернизирована с помощью российского двигателя РД-180; а тяжелые Titan IV и Shuttle будут заменены новой тяжелой ракетой-носителем (использующей двигатели РД-180 и верхнюю ступень с двигателем J-2S ), которая будет поддерживать все операции космической станции, используя либо одноразовый беспилотный автоматический транспортный корабль (для груза), либо многоразовый космоплан HL-42 (для экипажа). [4] : 24–39
Вариант 3 был амбициозным, но команда 3 чувствовала, что пришло время для нового поколения больших, полностью повторно используемых одноступенчатых орбитальных (SSTO) пусковых установок. Они были впечатлены выпуском McDonnell Douglas DC-X в апреле 1993 года и его центральной философией радикально упрощенных «операций, подобных операциям авиакомпаний». Действительно, они завершили свою часть исследования этим выделенным курсивом кредо: Суть в следующем: работоспособность не должна быть просто целью; она должна быть движущей силой дизайна. [3] [4] : 40–58
Команда 3 исследовала несколько альтернатив с воздушно-реактивным двигателем и горизонтальным взлетом, основываясь на опыте проекта Rockwell X-30 (NASP), но пришла к выводу, что будущее за полностью ракетной конструкцией SSTO с вертикальным взлетом и горизонтальной посадкой. Их эталонный проект использовал предложенные, но не построенные российские трехкомпонентные двигатели РД-704 , небольшие крылья и цилиндрический фюзеляж с центральным грузовым отсеком в стиле шаттла. Он мог перевозить грузы или пассажиров, но в обоих случаях операция была бы полностью автоматизирована. [4] : 48 Команда подсчитала, что первый действующий аппарат может быть поставлен в 2007 году, а флот из четырех самолетов будет готов взять на себя все операции Delta, Atlas и Shuttle к 2011 году. [4] : 53
Этот окончательный проект очень напоминал демонстратор передовых технологий X-2000, предложенный в августе 1993 года группой из Центра космических полетов имени Маршалла при НАСА. [5]
После анализа в исследовании был выбран вариант 3: «Принять разработку передовой технологии, полностью многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя для вывода на орбиту в качестве цели Агентства». [4] : 72 «Она имеет наибольший потенциал для снижения ежегодных эксплуатационных расходов, а также расходов на жизненный цикл... она поставила бы США в чрезвычайно выгодное положение относительно международной конкуренции и позволила бы США выйти на уровень запуска следующего поколения». [4] : 69
Что касается коммерческих запусков спутников, то считалось, что даже вариант 2 будет с трудом конкурировать с Ariane 4 и Ariane 5 , которые были определены как «самые эффективные из иностранных систем». «Вариант 3, с другой стороны, снизит стоимость запуска настолько резко, что промышленность США сможет предложить более низкую цену, чем все конкуренты. США, вероятно, захватят и снова будут доминировать на международном рынке запуска спутников в течение значительного периода времени, используя эти уникальные передовые технологические транспортные средства». [4] : 68
Вариант 3 был признан представляющим «умеренный или высокий технический риск», но он «был сочтен управляемым из-за 4–5-летней фазы технологического созревания, которая позволит разработать и продемонстрировать необходимые технологии по крайней мере на уровне 6-й готовности технологий (проверенном в их операционной среде)». [4] : 68
После того, как было принято решение сосредоточиться на SSTO, NASA потеряло интерес к HL-42 и, по сути, ко всей концепции запуска пилотируемого космического самолета на одноразовой пусковой установке. Последние исследования HL-20, проведенные в исследовательском центре NASA в Лэнгли, были проведены в 1991 году и не были продолжены.
NASA теперь забрало DC-X у Пентагона и переименовало его в DC-XA Clipper Graham . [6] Также были начаты два новых проекта в качестве демонстраторов технологий: Orbital Sciences X-34 [7] и Lockheed Martin X-33 . После того, как технология была бы доказана, следующим шагом стал бы VentureStar , коммерческий космический самолет SSTO.
Однако «4–5-летняя фаза созревания технологий» провалилась. DC-XA был отменен в 1996 году после того, как прототип был сильно поврежден в результате аварии при посадке, а X-34 и X-33 были отменены в 2001 году из-за разногласий и технических трудностей. Работа над VentureStar также прекратилась в 2001 году, фактически положив конец продвижению к SSTO. [8]
Команда 2 пришла к своим выводам после исчерпывающего изучения многих возможностей, начав с 84 семейств транспортных средств, сузив их до 28, затем до четырех, из которых три включали пилотируемый космоплан HL-42. [4] : 24 Их окончательная подробная рекомендация (вариант 2D в исследовании) была следующей:
Тяжелая пусковая установка могла бы нести:
На этом этапе ATV представлял собой короткий, приземистый орбитальный буксир без места для хранения, похожий на секцию служебного модуля более позднего эксплуатируемого автоматического транспортного корабля ЕКА . [10] Этот буксир мог бы приводить в движение:
Командам было сказано предположить, что поддержание станции класса Freedom с четырьмя людьми потребует 70 тонн поднимаемого груза каждый год. В варианте 2 большая часть этого будет выполнена в пяти миссиях ATV (три PLM и два ULC). [4] : 29 Отходы для утилизации будут загружены в ATV/PLM или ATV/ULC, которые затем сойдут с орбиты и сгорят при входе в атмосферу. При необходимости ATV также может спускать с орбиты целые поврежденные или устаревшие модули или конструкции космической станции.
Система запуска была нацелена на экономичность и эффективность, с использованием общих компонентов (двигатели РД-180, верхняя ступень Centaur) по возможности. ATV был бы предоставлен за счет Европы в обмен на некоторое использование космической станции; таким экономически эффективным способом ЕКА могло бы сохранить опору в космосе после отмены программы Columbus в 1991 году. [4] : 32 Даже обтекатель запуска ATV был заимствован у Titan IV. [4] : 36
Потребуется шесть новых транспортных средств или «элементов программы»:
Примечательно, что многие рекомендации Варианта 2 были реализованы в последующие годы, несмотря на то, что этот вариант не был выбран. Три из предложенных новых транспортных средств были построены и широко использовались. [b]
Команда 2 много думала над вопросом о спускаемой массе , грузе, который должен был быть безопасно возвращен на Землю (в основном оборудование и завершенные эксперименты). Это не представляло проблемы для вариантов 1 и 3; шаттл мог легко перевозить спускаемую массу, например, в многоцелевом логистическом модуле (MPLM) в своем грузовом отсеке, и VentureStar имел бы похожую систему. Однако в варианте 2D вся спускаемая масса должна была бы перевозиться в HL-42, который должен был бы быть больше HL-20, чтобы обеспечить некоторую грузоподъемность и места для экипажа. Но какая вместимость (объем и масса) потребовалась бы на практике?
Поскольку Freedom существовала пока только на бумаге, было трудно оценить это, поскольку не было никакого практического опыта. Российские космические станции почти не отправляли возвращаемую массу, поскольку одноразовые грузовые модули Progress были спроектированы так, чтобы сгорать при входе в атмосферу, а тесные трехместные модули возвращения Soyuz имели мало свободного места. [c] Но Freedom и программа ISS были гораздо более амбициозными и предусматривали регулярный возврат крупных биологических и особенно промышленных пользовательских экспериментов.
Многие из этих экспериментов будут помещены в громоздкую Международную стандартную стойку полезной нагрузки (ISPR) МКС, слишком большую даже для того, чтобы пройти через стыковочный узел зонда и стыковочного узла «Прогресс» или «Союз» . Чтобы загрузить хотя бы один ISPR, HL-42 понадобится стыковочный узел того же размера, что и порты Common Berthing Mechanism размером 1300 мм (51 дюйм) , которые в конечном итоге соединят модули станции, произведенные в США. И сколько ISPR нужно будет разместить в каждом полете?
Первоначально командам была дана базовая цифра в 58 тонн возвращаемой массы в год (по сравнению с 70 тоннами возвращаемой массы), и это создало бы серьезную проблему для Варианта 2: «Однако центральным вопросом, связанным с доступом в космос, является возвращаемая масса». [4] : 28 Оглядываясь назад, можно сказать, что 58 тонн кажутся неоправданно большими, и действительно, непосредственный анализ Исследовательского центра Лэнгли (LaRC) показал, что их можно сократить до 30 тонн «благоразумным возвратом запасных частей, систем пользователя и экипажа».
Это все еще было неудобно большим для Варианта 2, поэтому LaRC снова взялся за работу и определил, что, отдавая приоритет экспериментам пользователей и отбрасывая почти все остальное, что больше не использовалось, ежегодную массу вниз можно сократить до 10 тонн или примерно 15% от массы вверх. Эта цифра была использована для расчета требуемого размера HL-42. [4] : 28
Учитывая три миссии по смене экипажа в год, каждая должна нести от трех до четырех тонн груза. Команда 2 подсчитала, что это можно сделать, увеличив конструкцию HL-20 в 1,42 раза, что по совпадению дало ей длину 42 фута (и название HL-42). Общая масса экипажа и груза была установлена на уровне 4,2 тонны. [4] : 31
Базовый годовой грузовой манифест будет выглядеть следующим образом:
В ходе нисходящего движения этот манифест вернет 78 шкафчиков на средней палубе, все костюмы для внекорабельной деятельности и примерно 65 процентов пользовательских герметичных стоек (ISPR). [4] : 28
Согласно рис. 19, HL-42 будет нести один или два ISPR во время обычных восходящих полетов, но схемы его внутреннего расположения показывают размещение трех. [11] : 10
Система была разработана гибкой. Если бы опыт выявил необходимость в дополнительной массе приземления в некоторые моменты, можно было бы запланировать дополнительные полеты HL-42 или изменить последовательность. Поскольку все три аппарата использовали одну и ту же новую тяжелую пусковую установку, это вызвало бы минимальное нарушение процесса запуска.
Команда 2 прекрасно понимала, что их минимальное обеспечение массы приземления может вызвать критику: «Приемлемость этого уровня возврата (примерно 15 процентов от доставленной массы) представляет собой проблему, которую следует рассмотреть в окончательном сценарии логистики космической станции Freedom». [4] : 28 Однако более поздний опыт МКС показал, что это не было бы проблемой.
Грузоподъемность HL-42 была примерно такой же, как и у более позднего беспилотного SpaceX Dragon , и в течение как минимум пяти лет после вывода из эксплуатации шаттла в июле 2011 года Dragon был единственным кораблем, способным перевозить значительную массу спускаемого груза с МКС. [12] Фактические показатели массы спускаемого груза для его первых четырех миссий Commercial Resupply Services CRS-1 - CRS-4 составили 0,9 тонны, 1,4 тонны, 1,6 тонны и 1,5 тонны за три года с 2012 по 2014 год. Это говорит о том, что у HL-42 действительно была бы достаточная грузоподъемность, особенно при трех полетах в год. [d] Это также обеспечило бы спускаемому грузу более мягкий полет, чем у Dragon (торможение 1,5 g по сравнению с 3,5 g у Dragon) и гораздо более удобную посадку на взлетно-посадочную полосу (в отличие от приводнения Dragon в Тихом океане).
После катастрофы Challenger в 1986 году было признано, что Shuttle недостаточно безопасен. Исследование оценило его текущую «выживаемость экипажа» в 0,98. [e] Одной из целей исследования было увеличить этот показатель до 0,999. [4] : 4
Однако, несмотря на изучение множества возможных усовершенствований шаттла вплоть до 2030 года, команда 1 не смогла найти практичного способа обеспечения спасения экипажа. Единственным эффективным способом сделать всю систему значительно безопаснее было бы обновить авионику шаттла и обеспечить автономную работу, чтобы избежать риска для жизни в миссиях, которые по сути были просто доставкой грузов: «Предоставление дополнительных возможностей спасения экипажа не рекомендовалось из-за стоимости, веса и воздействия на центр тяжести, а также технических рисков. Было выявлено несколько способов дальнейшего снижения затрат и повышения безопасности полетов. Одним из них является беспилотный орбитальный аппарат, который позволил бы увеличить частоту полетов без ущерба для безопасности людей...». [4] : 23 Однако, даже если бы половина миссий была беспилотной, это уменьшило бы риск только вдвое и увеличило бы «выживаемость» до 0,99, что все еще на порядок хуже целевого показателя 0,999.
Общий принцип повышения безопасности путем разделения экипажа и груза (не подвергая риску жизни во время грузовых миссий) уже изучался NASA в течение нескольких лет до исследования, и Вариант 2 был разработан таким образом с самого начала. HL-42 будет летать только тогда, когда необходима ротация экипажа. Это также означало, что оборудование, предназначенное только для груза (ATV, PLM, ULC), не должно было быть оценено человеком, что делало всю систему дешевле. [4] : 28
Будучи намного меньше, чем Шаттл, HL-42 мог быть установлен на его пусковой установке, так что на стартовой площадке и в течение первой минуты полета простая система аварийного покидания (LES) могла бы «обеспечить мощный импульс тяги для быстрого удаления HL-42 от катастрофического события с ускорителем» и позволить ему спланировать обратно на взлетно-посадочную полосу около стартовой площадки. [4] : 32 [f]
Чтобы справиться с «катастрофическим событием» в течение следующих нескольких минут полета, можно будет оснастить пусковой адаптер (между задней частью HL-42 и верхней частью второй ступени ракеты-носителя) более мощными твердотопливными ракетными двигателями, чтобы обеспечить ускорение и аварийное прекращение полета с возвратом на стартовую площадку (RTLS).
Если авария произойдет за пределами дальности RTLS, LES вытолкнет HL-42 и будет сброшен, а сам HL-42 спланирует обратно в нижние слои атмосферы. Если поблизости не окажется подходящих длинных взлетно-посадочных полос (возможно, даже в крупных коммерческих аэропортах), он раскроет парашюты и приземлится в океане. Поскольку все маневренные двигатели в самом HL-42 используют нетоксичное метановое топливо и жидкий кислород (а не токсичное гиперголическое топливо шаттла), не будет необходимости в процедуре «безопасности» взлетно-посадочной полосы после любой из этих аварийных посадок, и будет меньше опасности при аварийной посадке.
HL-42 пережил бы обстоятельства, которые уничтожили шаттлы Challenger в 1986 году и Columbia в 2003 году. В 1986 году LES вытащил бы его из зоны взрыва ускорителя; а на вершине своей пусковой установки он оказался бы в безопасности, вдали от падающих обломков, которые смертельно повредили теплоизоляцию Columbia .
Эти соображения привели к выводу, что команда 2 достигла цели безопасности с HL-42: «Повышение безопасности экипажа (вероятности выживания экипажа) по крайней мере до 0,999 по сравнению с 0,98 у космического челнока было достигнуто или превышено новыми транспортными средствами вариантов 2 и 3». [4] : 67
HL-42 косвенно опирался на три десятилетия опыта в области космических самолетов с подъемным корпусом , но в основном зависел от своего непосредственного предшественника HL-20. Команда 2 описала предысторию своего проекта следующим образом: «Проект HL-42 напрямую вытекает из концепции транспортного средства с подъемным корпусом HL-20, изучаемой с 1983 года в Исследовательском центре Лэнгли. Он представляет собой 42-процентное размерное увеличение HL-20 и сохраняет ключевые конструктивные и эксплуатационные особенности проекта HL-20. Применимая база данных проекта HL-20 включает обширные исследования аэродинамики, моделирования полета и аварийного прекращения полета, а также человеческие факторы, а также результаты контрактных исследований с Rockwell, Lockheed и Boeing по определению эффективного проектирования производства и эксплуатации». [4] : 30
Вариант 2 был основан на технологиях, доступных для практического использования в 1997 году, поэтому в HL-42 использовались многие из тех же материалов, что и в шаттле; он имел структурный каркас из алюминиевого сплава и очень похожую систему тепловой защиты .
Структурным ядром HL-42 была цилиндрическая алюминиевая герметичная кабина с двумя люками доступа: большим сзади для стыковки с космической станцией после сброса пускового адаптера (и для горизонтальной загрузки груза перед запуском) и гораздо меньшим люком на крыше кабины для доступа экипажа в вертикальном положении на стартовой площадке (и в качестве альтернативного выхода после приземления, особенно после парашютирования для аварийного приводнения в океане). Алюминиевые рамы простирались с обеих сторон этого прочного цилиндрического ядра, чтобы поддерживать остальную часть конструкции.
Вся нижняя поверхность подъемного корпуса была защищена от тепла при входе в атмосферу плитками из закаленной уникусной волокнистой изоляции ( TUFI ), более прочной и ударопрочной версией плиток HRSI Шаттла ; модернизированные плитки TUFI начали использоваться в 1996 году. Эти плитки, матово-черные, как и на Шаттле, были прикреплены непосредственно к многокомпонентной титановой термостойкой оболочке, установленной на алюминиевых рамах. [g]
Верхняя поверхность обшивки, подвергавшаяся воздействию гораздо более низких температур, была сделана из алюминиевых сотовых панелей, которые можно было снять, чтобы обеспечить доступ к негерметичным отсекам оборудования между шпангоутами. Верхняя поверхность обшивки была покрыта той же изолирующей белой тканью ( AFRSI , Nomex Advanced Felt Reusable Surface Insulation), что и верхние поверхности Shuttle.
Ласты были полностью изготовлены из титана, причем как плитки TUFI (в более горячих зонах), так и ткань AFRSI (в более холодных зонах) были непосредственно прикреплены к обшивке.
Самые горячие области — носовая часть и передние кромки килей — были изготовлены из армированного углерод-углеродного материала , как и на Шаттле.
Орбитальные двигательные установки HL-42 внешне напоминали двигатели шаттла, только в меньших масштабах. Сзади, по одному с каждой стороны люка доступа, располагались два двигателя системы орбитального маневрирования шаттла (OMS), которые использовались для корректировки орбиты, сближения с другими космическими аппаратами и, наконец, схода с орбиты. Полностью заправленная OMS могла дать HL-42 общее изменение скорости ( delta- v ) в 290 м/с, что аналогично показателю 300 м/с для шаттла.
Система управления реакцией (RCS) также была в принципе похожа на систему Shuttle, систему небольших ракетных двигателей для управления положением HL-42 по тангажу, крену и рысканию, используя то же топливо, что и OMS. Это означало, что в случае отказа двигателя OMS оставшееся топливо можно было отправить через соединительный элемент в обращенные назад двигатели RCS для завершения аварийного схода с орбиты. [16]
Однако между Shuttle и HL-42 было одно важное различие: тип топлива. Shuttle использовал токсичный и гиперголический монометилгидразин (MMH) и тетраоксид диазота (N 2 O 4 ) как для OMS, так и для RCS. В соответствии с новым принципом работы в стиле авиакомпаний «быстрее, лучше, дешевле», Team 2 решила перейти на метан (CH 4 ) и жидкий кислород как для OMS, так и для RCS. [4] : 31 Хотя они нетоксичны и гораздо проще в обращении, это был шаг в неизвестность, так как в 1994 году едва ли еще велась какая-либо работа над двигателями на метане-жидком кислороде . Поэтому это было указано как четвертая из пяти задач передовой разработки, требуемых для варианта 2. [4] : 35
Как и HL-20, HL-42 имел семь подвижных поверхностей управления: элевон на каждом боковом киле, цельноповоротный центральный руль между килями и четыре закрылка корпуса (два на нижней поверхности сзади и два на верхней поверхности между рулем и килями). По сравнению с Шаттлом, HL-42 гораздо больше полагался на два нижних закрылка корпуса для управления тангажем и креном, особенно на средних этапах входа в атмосферу с высоким динамическим давлением и большим углом атаки. В этом отношении HL-20 и HL-42 находились на полпути между Шаттлом и такими аппаратами, как более поздний ESA IXV , у которого было два нижних закрылка корпуса и не было других поверхностей управления. [4] : 31
На самых ранних стадиях входа в атмосферу HL-42, как и Shuttle, полностью полагался на RCS для управления ориентацией. В случае Shuttle, по мере того как окружающий воздух становился плотнее и динамические давления увеличивались, элероны на внешних задних кромках крыльев сначала захватывали воздушный поток и брали на себя управление креном от RCS. Затем, немного позже, элевоны на внутренних задних кромках брали на себя управление тангажом. (Единственный задний закрылок корпуса Shuttle был менее важен для управления ориентацией, действуя только как триммер тангажа и для защиты сопел основного двигателя от тепла при входе в атмосферу.) [16]
В случае HL-42 элевоны на боковых плавниках были слишком близко к корпусу, чтобы встретить устойчивый поток воздуха на этом этапе, поэтому вместо этого в дело вступали два нижних закрылка корпуса, которые двигались вместе для управления тангажом и дифференцированно для крена. Однако для Shuttle и HL-42 RCS контролировала рыскание до гораздо более позднего этапа снижения, поскольку большой угол атаки все еще защищал руль направления от потока воздуха. [h] [18] : 4
Наконец, как для Shuttle, так и для HL-42, когда скорость полета опускалась ниже 3,5 Маха при более плотном воздухе и меньшем угле атаки, руль направления начинал встречаться с потоком воздуха и брал на себя управление рысканием от RCS. С этого момента и до посадки HL-42 вел себя скорее как обычный самолет, управляемый в основном элевонами и рулем направления, с некоторым управлением креном от нижних закрылков корпуса. Двигаясь вместе на более низких скоростях, верхние закрылки корпуса также могли помогать элевонам в управлении тангажем (на более высоких скоростях они были бы вне воздушного потока и неэффективны). После приземления верхние закрылки корпуса будут выдвинуты вместе с нижними закрылками корпуса, чтобы служить воздушными тормозами. [18] : 4
Все семь поверхностей управления HL-42 приводились в движение электромеханическими приводами, а не гидравлическими, как на Shuttle. Колеса (обычная трехколесная ходовая часть типа Shuttle) также опускались электромеханически, а не гидравлически, как на Shuttle. Это стало результатом преднамеренного изменения в политике проектирования: Исследовательский центр Лэнгли решил не использовать гидравлические системы на HL-20, а вместо этого использовать электромеханические приводы, и HL-42 следовал тому же принципу. [4] : 31
Шаттл был спроектирован с тремя независимыми гидравлическими системами, каждая из которых нагнеталась турбонасосом, приводимым в действие ВСУ, работающей на токсичном гидразине. Эти системы включались только во время запуска, входа в атмосферу и посадки и были разработаны для подачи большого количества энергии в течение короткого времени. Они также могли справляться с пиками спроса на мощность, превышающую нормальную в три раза, длящимися одну или две секунды (например, при быстром перемещении всех поверхностей управления при опускании колес). [19]
Однако в последующие десятилетия некоторые инженеры космических аппаратов считали гидравлическую систему излишне сложной, ненадежной и трудной в обслуживании. [i] Даже Команда 1 в своем списке возможных усовершенствований Шаттла рекомендовала заменить некоторые или все гидравлические системы на электромеханические. Одной из их причин было упрощение наземной обработки путем удаления токсичного гидразинового топлива ВСУ, и это хорошо вписывалось в новую политику эксплуатации в стиле авиакомпаний. [4] : 11, 17
Однако теперь электрическая система HL-42 должна была справляться с большими и непредсказуемыми скачками потребления энергии во время посадки. [j] Поэтому она была спроектирована с двумя источниками питания. Нормальное базовое питание обеспечивалось водородно-кислородными топливными элементами , как на орбитальном шаттле; но HL-42 также имел перезаряжаемые серебряно-цинковые батареи для обеспечения резервного питания в течение коротких периодов очень высокого потребления. (Это была та же комбинация источников питания, которая использовалась на Apollo CSM .) [4] : 31
Команда 2 признала, что необходимо будет провести дальнейшую разработку этой двухисточниковой электрической системы, в частности, процедур включения и выключения резервного питания. Поэтому они сделали это второй из пяти требуемых задач расширенной разработки: «... приводы и их системы управления и переключения электрической мощности должны быть зрелыми, с акцентом на системы электроснабжения». [4] : 35
Электронное оборудование значительно продвинулось вперед за два десятилетия с момента первого планирования Shuttle, и HL-42 был разработан для максимального использования этих достижений. Он мог проверить себя при запуске, а затем автономно выполнить всю миссию, ориентируясь по GPS и непрерывно контролируя свое состояние. «Значительная часть операций миссии будет выполняться с помощью автоматических систем. Запуск, подъем, операции на орбите, вход и посадка автоматизированы и не требуют вмешательства экипажа, что снижает стоимость за счет устранения основных требований к помещениям и обучению экипажа. ... Наземное управление бортовыми системами будет сокращено за счет автоматизации и управления состоянием бортового транспортного средства. Управление траекторией и навигацией сокращено за счет использования системы глобального позиционирования». [4] : 33
Автономная работа была серьезным отходом от философии Apollo и Shuttle, которые были разработаны как пилотируемые транспортные средства. Управление полетом, наведение и навигация уже были автоматизированы в других самолетах, но «управление состоянием бортового транспортного средства» было бы более сложной задачей; практический опыт космических полетов показал, что основная часть работы пилота заключалась в принятии решения о том, какие сигналы тревоги или комбинации сигналов тревоги можно было бы безопасно или временно игнорировать, а какие требовали срочных действий, учитывая общую ситуацию. [k] Теперь эти решения должны были быть прописаны в программном обеспечении. Тестирование и отладка этого программного обеспечения были бы сложной задачей, учитывая, что возможности для реальных летных испытаний были бы крайне ограничены (часами или, для запуска и возвращения, даже минутами в год). [l]
Устаревание авионики принесет другие проблемы. Хотя может показаться логичным обновлять электронику каждые пять-десять лет, все программное обеспечение затем придется перепроверять на новом более быстром оборудовании, что приведет к эксплуатационным задержкам и расходам, которые могут перевесить преимущества лучшего оборудования. [м]
Команда 2 хорошо знала обо всем этом и выбрала авионику и программное обеспечение в качестве первой из пяти требуемых задач расширенной разработки: «системы авионики, которые могут быть модернизированы, программное обеспечение, которое автоматически генерируется и проверяется, и управление работоспособностью функций в полете». [4] : 35
В начале 1990-х годов среди некоторых инженеров начало формироваться ощущение, что культура NASA стала слишком бюрократической, с большим количеством бумажной работы и слишком большим количеством менеджеров среднего звена, и что лучшие результаты могут быть получены с помощью упрощенного подхода «Skunk Works» . Две из исследовательских групп разделяли это чувство: «Команды Вариантов 2 и 3 рекомендовали оптимизированный подход к управлению и контрактам, смоделированный по образцу Lockheed «Skunk Works», который характеризуется меньшим, но преданным и совместно расположенным государственным надзором, более эффективной внутренней организацией подрядчиков, быстрым прототипированием и преемственностью команды от проектирования до полета». [4] : 61
Другие команды NASA также разделяли это чувство. Когда группа оценки DC-X проинформировала Дэна Голдина о проекте DC-X 1 марта 1994 года, всего через несколько недель после публикации резюме исследования, они рекомендовали тот же подход для дальнейшей разработки DC-X. DC-X был построен McDonnell Douglas, поэтому «быстрое управление» никоим образом не ограничивалось Lockheed. [24]
Команда 2 в частности надеялась на значительную экономию средств от этого подхода. «Разработка HL-42 ... могла бы использовать подход типа «Skunk Works». Этот подход успешно использовался в крупных военных программах, таких как Hercules, U-2 и SR-71. В исследовании, проведенном по системе полезной нагрузки HL-20 Исследовательским центром Лэнгли и Lockheed, было установлено, что значительная экономия может быть достигнута с помощью этого подхода. Основываясь на этих результатах, новый подход для HL-42 ... мог бы дать сокращение до 40–45 процентов в общих оценках затрат на разработку и производство космического корабля по сравнению с традиционными оценками «бизнеса как обычно». [4] : 35
Команда 2 охарактеризовала разработку «Skunk Works» как включающую: «жесткие требования, единый орган управления, небольшой технический персонал, клиенты на месте, инспекции подрядчиков, ограниченный внешний доступ, своевременное финансирование, отчеты только по важной работе, простой выпуск чертежей, быстрое прототипирование и т. д.» [4] : 36
В ходе рутинных операций HL-42 будет доставлен на один из трех OPF в Космическом центре Кеннеди (KSC) для подготовки и загрузки. Он будет доставлен в состоянии готовности к полету; все процедуры тестирования и проверки, которые дублируют те, которые уже выполнены на заводе, будут исключены.
После загрузки его полетным грузом он переместится в VAB для поворота в вертикальное положение и стыковки со второй ступенью в верхней части тяжелой пусковой установки. После этого он проверит себя, используя свои автономные системы «с минимальным временем персонала и в одну-две смены». [4] : 32, 33 Затем весь штабель будет перемещен на одну из двух площадок стартового комплекса 39, как и в случае с шаттлом. Точно такая же процедура будет использоваться для грузовых запусков с использованием ATV.
Для наземных операций Shuttle соотношение вспомогательного персонала к тем, кто фактически работал на транспортном средстве (соотношение «не касаться-к-касаться») составляло шесть к одному. Для HL-42 команда 2 надеялась сократить это соотношение до трех к одному, что более типично для коммерческих авиакомпаний, таким образом, вдвое сократив не только зарплаты, но и расходы на проживание. [4] : 34
KSC будет управлять всеми запусками, передавая управление небольшому (10–12 пультов) центру управления полетами в Космическом центре имени Джонсона в Хьюстоне, как только HL-42 отделится от второй ступени ракеты-носителя. «Автономные системы, которые нацелили ускоритель на точку разделения, передадут управление автономной системе орбитального корабля. Эта система рассчитает орбитальный выход и направит корабль в эту позицию. Затем корабль перейдет к следующей предопределенной фазе миссии. Эта последовательность будет продолжаться до тех пор, пока все события миссии не будут завершены. Наземные мониторы будут иметь возможность завершить любую фазу и повторно инициализировать автономную систему полета с новыми инструкциями». [4] : 34
Поскольку «экипаж» теперь будет состоять только из пассажиров, обучение может быть значительно упрощено и полностью основано на моделировании. «Все обучение будет проводиться в центральном моделирующем центре. Учебные центры должны копировать центры управления полетом для мониторинга полета. Учебные центры будут использоваться для проверки предполетных анализов. Основной режим обучения будет компьютерным. Не потребуется никаких движущихся, неподвижных или летающих воздушных судов». [4] : 34, 35
Однако все эти подробные планы были отложены, когда в 1994 году был выбран вариант SSTO.
К 2001 году стало очевидно, что вариант 3 SSTO будет слишком сложным на практике (по крайней мере, учитывая финансирование, которое Конгресс был готов выделить), и X-33, X-34 и VentureStar были отменены в том же году. Вариант 1, существенно модернизирующий систему Shuttle, также был отклонен. Исследование убедительно показало, что это не может быть экономически эффективным: «... очевидно, что основная экономия средств, намеченная как цель этого исследования, накапливается только в архитектурах, использующих новые транспортные средства». [4] : 65 Также оказалось нецелесообразным повысить «выживаемость экипажа» Shuttle выше текущих 0,98 или 0,99: вариант 1 «не улучшил существенно текущий анализ безопасности экипажа». [4] : 67 Таким образом, существующие орбитальные аппараты не будут существенно модернизированы, и к 2004 году было решено, что «выполнив свою задачу, космический челнок будет выведен из эксплуатации после завершения сборки МКС, запланированной на конец десятилетия». [25]
На практике, таким образом, в конечном итоге был реализован только Вариант 2, хотя и не полностью. Delta II была сохранена. Atlas II был модернизирован с помощью российского двигателя РД-180 и полетел как Atlas III в 2000 году. Дорогой Titan IV был снят с эксплуатации в 2005 году и заменен новой тяжелой ракетой-носителем, представленной в 2004 году, хотя эта новая ракета-носитель должна была быть Delta IV Heavy (26 тонн на орбиту Мира ), а не более мощной версией с тремя двигателями РД-180 (38 тонн на орбиту Мира ), предложенной для системы Варианта 2. С этими модернизациями семейства Atlas и Delta продолжали бы запускать американские беспилотные космические аппараты в течение некоторого времени; а ESA ATV (запущенный на европейской Ariane 5 ) был бы готов взять на себя доставку грузов на Международную космическую станцию за три года до того, как Shuttle был бы снят с эксплуатации.
Однако ни один из этих кораблей не сможет доставлять экипаж на МКС и обратно.
Несмотря на то, что проблема обеспечения доступа экипажа после шаттла к МКС становилась все более актуальной, НАСА не возвращалось к варианту 2, сочетающему пилотируемый космоплан с одноразовой пусковой установкой. Предложенная «спасательная шлюпка» космической станции X-38 , хотя и внешне похожая на HL-20, должна была перевозиться в качестве груза в грузовом отсеке шаттла и использоваться один раз или не использоваться вообще; даже это было отменено в 2002 году. С другой стороны, военный Boeing X-37 , хотя и эксплуатировался с 2010 года, был намного меньше (5 тонн при запуске), не имел экипажа и никогда не предназначался для поддержки операций космической станции.
НАСА смогло отклонить все три варианта доступа экипажа МКС после посадки «Шаттла», представленные в исследовании, поскольку недавно стал доступен четвертый вариант: использование инфраструктуры российской программы «Союз» для всех видов транспортировки экипажа, возможность, которая не рассматривалась в исследовании.
В 1993 году, пока создавалось исследование «Доступ к космосу», несколько событий произошли в быстрой последовательности, что привело к значительному расширению сотрудничества России с НАСА. [n] В результате, статус российского сотрудничества все еще был неопределенным, когда исследование писалось с января 1993 года по январь 1994 года. Техническое задание позволяло авторам использовать российские компании в качестве поставщиков оборудования (в частности, двигателей); но они должны были планировать «наихудший случай» и не полагаться на Роскосмос, недавно созданное Российское федеральное космическое агентство , в вопросах финансирования или услуг. [o] Поэтому в исследовании предполагалось, что доступ экипажа будет предоставлен только США, Европой, Канадой и Японией, первоначальным консорциумом космической станции « Фридом», как это было в январе 1993 года, когда исследование было заказано. [p]
Первоначально «Союз-Прогресс» не считался надежным: «С самого начала возникли проблемы с участием России. Высокопоставленные российские правительственные чиновники давали много обещаний... Большинство из них не были выполнены. ... Способность России предоставить достаточное количество космических кораблей « Союз » и «реактивных» космических кораблей « Прогресс » также была поставлена под сомнение. Финансирование российской космической программы находилось под серьезным давлением...» [26] : 3
Однако в течение следующих нескольких лет доверие американцев к «Союзу-Прогрессу» неуклонно росло. России удалось сохранить «Мир» в эксплуатации, а амбициозная программа «Шаттл-Мир» (1994–98) увенчалась успехом. К июлю 2000 года первые три модуля МКС (два из них, «Заря» и «Звезда» , построены Россией) были в эксплуатации, а после того, как «Мир» был сведен с орбиты 23 марта 2001 года, все ресурсы системы «Союз-Прогресс» были доступны для поддержки операций МКС. Полагаться исключительно на «Союз-Прогресс» для доступа экипажа на МКС больше не казалось слишком рискованным.
К моменту отмены программы X-33 SSTO в марте 2001 года НАСА уже не чувствовало давления, связанного с необходимостью быстрой разработки полностью американского транспортного средства для экипажа, просто чтобы обеспечить доступ к МКС после вывода из эксплуатации шаттлов; российский «Союз» теперь мог это обеспечить, по крайней мере в краткосрочной перспективе. Что касается долгосрочной перспективы, НАСА работало над новой инициативой, ориентированной на многоразовые транспортные средства.
В феврале 2001 года была официально учреждена Инициатива по запуску космических аппаратов (SLI, также известная как программа 2-го поколения многоразовых пусковых аппаратов (RLV)), целью которой было радикальное снижение стоимости доступа в космос. Для этого потребовались бы новаторские новые технологии, а также коммерциализация и конкуренция в пусковом бизнесе. «Сегодня передача потребностей NASA в космических перевозках коммерческим пусковым аппаратам остается ключевой целью усилий NASA в области космических перевозок». [27]
SLI был гораздо менее структурирован, чем Access to Space Study с его тремя четко определенными альтернативами. SLI должен был начаться с «Сотни концепций»; затем «В течение первых двух лет программы ряд мероприятий по снижению риска и обзоров этапов постепенно сузят жизнеспособные многоразовые космические транспортные системы до двух или трех кандидатов». Надежды были велики: «С новыми технологиями и операциями ... стоимость доставки полезной нагрузки резко снизится с сегодняшней цены в 10 000 долларов за фунт». [27]
Однако всем было ясно, что возможность повторного использования может быть достигнута только после нескольких технических прорывов; и NASA должно будет обеспечить эти прорывы за счет правительства. Никто не представил эту позицию более четко, чем Иван Бекей, уважаемый бывший директор NASA, в его влиятельных показаниях в Конгрессе 11 апреля 2000 года, которые помогли решить судьбу X-33. Это отношение можно было бы суммировать как «Либо передовые, либо никакие». Бекей убедительно утверждал, что, поскольку вся цель программы X-33 заключалась в разработке и демонстрации новых технологий, ее создание без новаторских, но сложных композитных водородных баков «имеет мало смысла с технической точки зрения». [8] [28]
Эти исследовательские приоритеты объясняют, почему программы HL-20 и HL-42 так и не были возрождены NASA. Если даже SSTO X-33 (с его двигателем Aerospike и инновационной цельнометаллической системой тепловой защиты) считался недостаточно передовым без композитного бака, то у HL-20 и HL-42 было еще меньше шансов быть построенными за государственные деньги:
В этих обстоятельствах не было никаких шансов, что НАСА будет заниматься их дальнейшей разработкой.
Однако коммерческие космические транспортные компании могли бы свободно разрабатывать проекты HL-20 и HL-42, если бы они этого хотели; NASA теперь приветствовало коммерческое участие. Но компании, делающие это, рисковали столкнуться с конкуренцией со стороны самой SLI. Если бы финансируемые NASA исследования действительно создавали прорывные технологии с затратами на запуск в размере 1000 долларов за фунт (десятикратное снижение), то космические самолеты с одноразовыми пусковыми установками никогда не смогли бы быть конкурентоспособными.
К 2004 году стало очевидно, что НАСА никогда не получит достаточного финансирования для высокорискованной и высокодоходной программы, которую пропагандировал Беки: «хорошо финансируемые параллельные разработки компонентов», так что если некоторые направления развития потерпят неудачу, что неизбежно произойдет, то одно из них все равно может преуспеть и принести огромную выгоду — возможно, даже сократив затраты до всего лишь 100 долларов за фунт. [28] Конгресс не только не хотел предоставлять финансирование, но и управление такими программами также оказалось неожиданно сложным, как продемонстрировали X-33 и X-34.
Соответственно, в марте 2004 года НАСА отказалось от этого направления развития. «НАСА не планирует развивать новые возможности транспортировки с Земли на орбиту, за исключением случаев, когда это необходимо для поддержки уникальных исследовательских нужд, таких как те, которые могут быть удовлетворены с помощью тяжелого транспортного средства. Бюджет прекращает Инициативу по запуску космических аппаратов...» [25]
Собственные программы NASA по созданию новых космических аппаратов теперь будут сосредоточены только на исследованиях за пределами низкой околоземной орбиты: программа Constellation и, в конечном итоге, тяжелая космическая пусковая система и Orion (которая будет разработана в первую очередь для полетов за пределы низкой околоземной орбиты, хотя при необходимости ее можно будет использовать в качестве «Союза» для поддержки МКС).
Теперь, когда не было никакой перспективы радикального прорыва, финансируемого NASA, который бы сократил стоимость запуска на один (или даже два) порядка, для коммерческих предприятий открылся путь к разработке более традиционных идей, которые NASA отвергало в течение десятилетия как «недостаточно передовые», среди них HL-20 и HL-42. Теперь идея, которая просто вдвое сократила стоимость, имела хорошие шансы на успех и даже прибыльность.
В 2006 году Джим Бенсон (основавший SpaceDev в 1997 году) лицензировал конструкцию HL-20 для использования в проекте Dream Chaser . В отличие от HL-42, Dream Chaser не требовалось доставлять три или четыре тонны груза обратно на Землю, поэтому он мог вернуться к меньшему размеру HL-20. Он был достаточно легким, чтобы его можно было разместить на ракете-носителе класса Atlas, и в 2007 году было достигнуто соглашение с United Launch Alliance об использовании Atlas V в качестве первой ракеты-носителя Dream Chaser. [29] [30]
Именно эта комбинация в январе 2016 года наконец-то выиграла контракт с NASA на шесть запусков коммерческих услуг по снабжению .
