Три основных двигателя обеспечивают разгон корабля до скорости, близкой к орбитальной. Когда топливо выработано (это, по расчетам, должно было происходить на восьмой минуте полета), топливный отсек отделяется от корабля; поскольку он должен пройти через плотные слои атмосферы, его спасение не предусматривалось. В дальнейшем корабль использует двигатели системы орбитального маневрирования, обеспечивающие необходимую тягу для вывода на орбиту. Они же используются для межорбитальных переходов и торможения при сходе с орбиты при посадке.
Для отработки захода на посадку и приземления была разработана программа ALT. Именно под эту программу был построен первый «шаттл». Интересно, что первоначально он должен был называться «Конституция», однако «по многочисленным просьбам трудящихся» было выбрано название «Энтерпрайз», в честь звездолета из сериала «Звездный путь» («Star Track»). В начале 1977 года «Энтерпрайз», он же OV-101 по классификации НАСА, был передан фирмой «Рокуэлл» для испытаний.
Первые полеты
15 февраля 1977 года «Энтерпрайз», водруженный на самолет-носитель, в роли которого выступал «Боинг-747», впервые проехался по рулежной дорожке, а спустя три дня поднялся в воздух. С 18 февраля по 2 марта были совершены пять полетов без отделения от самолета-носителя и без экипажа в кабине «шаттла», затем еще три испытания, в ходе которых в «Энтерпрайзе» находились пилоты, следившие за показаниями приборов. В первый свободный полет «шаттл» отправился 12 августа. На высоте 7,3 км он отделился от «Боинга», а спустя 5 мин 21 сек пилоты Фред Хейз (опытный астронавт, участвовавший в том числе и в лунной программе) и Гордон Фуллертон посадили его на расположенную на дне высохшего озера полосу.
После окончания испытаний НАСА планировало отправить «Энтерпрайз» в космос, однако от этих планов пришлось отказаться - переоборудование OV-101 в «боевой» корабль обошлось бы неоправданно дорого. «Энтерпрайз» был частично разобран, его компоненты использовались на других «шаттлах». В дальнейшем «Энтерпрайз» был превращен в выставочный экспонат и ныне демонстрируется в Национальном институте космоса.
Испытания «Энтерпрайза» показали, что «шаттл» вполне успешно может летать в атмосфере и приземляться в режиме планирования на землю. Впрочем, почивать на лаврах было рано. Восьмимесячные вибрационные испытания в Центре космических полетов в Хантсвилле показали, что конструкция «шаттла» во многих местах нуждается в усилении. И это при том, что на «Энтерпрайзе» отсутствовала большая часть исследовательского оборудования и, самое главное, термоизоляционная обшивка - элемент конструкции, доставивший очень много проблем создателям «челноков».
«Колумбия» готовится в космос
Меж тем фирма «Рокуэлл» полным ходом строила еще один «шаттл» - второй по порядковому номеру (OV-102) и первый, которому предстояло отправиться в космос. Он был назван «Колумбия» - в честь корабля капитана Роберта Грея, в 1792 году исследовавшего внутренние воды Британской Колумбии, которые ныне примыкают к штатам США Орегон и Вашингтон. 25 марта 1979 года «Колумбия» была доставлена в космический центр имени Кеннеди, на острове Меррит в штате Флорида, находящийся недалеко от мыса Канаверал.
Начиналась непосредственная подготовка к старту, который был назначен на этот же, 1979 год. Но его пришлось отложить на два года, из-за уже упоминавшихся недостатков теплозащиты орбитального корабля, а также из-за отказов основных двигателей. Работы по установке теплозащитного покрытия были в основном завершены в конце ноября 1980 года. 24 ноября «Колумбия» была переведена из монтажно-испытательного корпуса в корпус вертикальной сборки VАВ (Vert^al Assembly Building). На следующий день корабль был подвешен в вертикальном положении, а 26 ноября состыкован с внешним топливным баком и твердотопливными ускорителями.
В декабре 1980 года специалисты НАСА приступили к проверке собранной МТКС. 29 декабря она, проделав путь длиной в 5,5 км, была доставлена на стартовую площадку 39А. 22 января была проведена пробная заправка топливного бака кислородом и водородом. Через пять дней топливо было слито. Бак и магистрали выдержали проверку на герметичность, однако снова подвела теплозащита - было обнаружено отклеивание теплоизоляционных плиток на площади более 8 м2. При заполнении топливом, охлажденным до экстремально низких температур (кислород - минус 183°C, водород - минус 253°C), не выдержали внутренних напряжений тонкий слой грунта, покрывавший алюминиевую поверхность топливного бака, и клеевой состав, на котором к корпусу крепились термопанели.
20 февраля 1981 года непосредственно на стартовой площадке были проведены испытания трех основных двигателей МТКС. 56,7 м3 жидкого водорода и 212 м3 кислорода сгорели за 20 секунд. Испытания были признаны успешными. Опасения снова вызывала термозащита - на примерно ста плитках были обнаружены небольшие трещины и щербины, однако в целом она выдержала запуск двигателей.
Работы по устранению неисправностей и доработке «Колумбии» продолжались. После очередного переноса старт был назначен на 10 апреля. 6 апреля в 4 часа 30 минут начался обратный предстартовый отсчет. В день старта подготовка к полету шла без проблем, астронавты заняли свои места в кабине. С мыса Канаверал велась прямая телетрансляция, на стартовой площадке присутствовал президент Рейган. Но за 20 минут до старта произошел сбой в программном обеспечении. Старт «Колумбии» снова был отложен...
* * *
Устройство «шаттла»
Перед тем как наконец-то «отправить» «Колумбию» в первый полет, остановимся подробнее на устройстве «шаттла». Собственно космический корабль, который выводится МТКС на орбиту, представляет собой гиперзвуковой летательный аппарат с низкорасположенным дельтовидным крылом с двойной стреловидностью передней кромки и с вертикальным оперением обычной схемы. Такая схема была выбрана для обеспечения компромисса между большими углами атаки при гиперзвуковой скорости и достаточно высоким аэродинамическим качеством при дозвуковом полете. «Шаттл» имеет длину 37,2 м, размах крыльев 23,8 м, высоту по килю 17,3 м, сухую массу 68 т, посадочную массу с полезной нагрузкой 86,1 т.
Жилой отсек корабля - двухпалубный, рассчитанный в штатном режиме на семерых астронавтов. В случае необходимости, например, при расширенной программе полета либо при выполнении спасательных операций, экипаж «шаттла» мог составить десять человек. Впрочем, лишь однажды, в 1985 году, на борту «Челленджера» находились восемь астронавтов, обычно в экипаж входили пять-семь человек.
В кабине «шаттла» расположены пульт управления полетом, кухня, санитарный отсек, рабочие и спальные места астронавтов, шлюзовая камера и др. Система жизнеобеспечения корабля поддерживает в отсеке общим объемом 75 м3 давление 760 мм рт.ст. и температуру 18-26,5оС и работает в так называемом «открытом» режиме, то есть без регенерации воздуха и воды. Это, с одной стороны, не позволяло «шаттлу» находиться в космосе более 30 суток, но, с другой, установка системы регенерации привела бы к существенному увеличению веса и потребляемой кораблем электроэнергии. Запас кислорода в жидком виде (51 кг) хранится в двух баках кислородно-водородных топливных элементов, азота (78 кг) - в газообразном состоянии в четырех баллонах. Для удаления углекислого газа служат патроны с гидроксидом лития. В отсеке полезной нагрузки хранится запас сжатых газов (25 кг кислорода), который рассчитан на поддержание в кабине экипажа давления 42,5 мм рт.ст. в течение 165 мин при разгерметизации корабля в момент старта или вскоре после него.
Для перехода из кабины экипажа в отсек полезной нагрузки служит шлюзовая камера диаметром 1,6 м и высотой 2,1 м. Грузовая камера «шаттла», расположенная в средней части фюзеляжа, имеет длину 18,3 м, диаметр 4,6 м, общий объем 340 м3. В камере поддерживается постоянная температура 23,8оС. В нижней ее части, под полом, находится система электропитания, а на левом борту установлен манипулятор длиной 15,3 м, управляемый из кабины экипажа (при необходимости можно было установить и второй манипулятор на правом борту). Кроме того, в отсеке на шпангоутах закреплены прожекторы, которые позволяют создать достаточный уровень освещенности для выполнения любых операций.
Теплозащиту «шаттла» обеспечивают четыре вида изоляционного покрытия. Самые теплонагруженные места - носок фюзеляжа и передняя кромка крыла, которые при входе в атмосферу разогреваются до 1430°С, защищены многослойным углерод-углеродным композиционным материалом. Нижняя поверхность корабля, нагревающаяся до температуры от 650 до 1260°С, закрыта плитками на основе кварцевого волокна (2000 шт.), верхняя и боковые поверхности (разогрев 320-650°С) - из практически такого же материала, но меньшей толщины (7000 шт.). И, наконец, там, где нагрев не превышает 370°С, применяется теплозащита, представляющая собой войлок толщиной 4,1-10,2 мм с нанесенной белой силиконовой резиной. Теплозащита первого, самого термоустойчивого типа занимает 3,5% (38 м2) площади поверхности «шаттла», второго - 43,2% (475 м2), третьего - 25,6% (281 м2) и четвертого - 27,7% (304 м2). Общий вес покрытия всех четырех типов составляет 7164 кг.
Основная двигательная установка «челнока» - три однокамерных кислородно-водородных двигателя SSME (Space Shuttle main engine - «главный двигатель космического челнока»; фирма-производитель «Рокетдайн» обозначала их RS-25) с номинальной тягой 170 тонн на уровне моря и 213 тонн в пустоте. Масса каждого двигателя - 3177 кг, высота - 4,24 м, диаметр - 2,4 м. SSME работали в экстремальных условиях - температура в камере сгорания достигает 3300°C, поэтому после каждого полета они снимались для осмотра и замены всех необходимых компонентов. Двигатель, согласно спецификации, должен был выдерживать 55 включений, максимальное время одного включения - 825 секунд, общий ресурс работы - 7,5 часов.
Помимо основных двигателей, на «шаттлах» устанавливалась двигательная установка маневрирования и ориентации. Она состояла из двух двигателей маневрирования и 44 (38 основных и 6 вспомогательных) ориентации, работавших на высококипящих компонентах: горючее - монометилгидразин, окислитель - оксид азота (IV). Эти двигатели были объединены в три двигательных установки - носовую (14 основных и 2 вспомогательных ориентации) и две кормовых (по одному двигателю маневрирования, 12 основных и 2 вспомогательных ориентации).
Электричеством «шаттл» снабжается от трех кислородноводородных топливных элементов, запасы которых обычно рассчитаны на 10-14 суток полета, с возможностью установки дополнительных емкостей. И здесь конструкторам пришлось пожертвовать продолжительностью полета в пользу упрощения конструкции и уменьшения ее веса - на «шаттле» нет солнечных батарей, и всю необходимую энергию он берет с собой с Земли.
Система управления, навигации и наведения орбитального корабля - это целый комплекс приборов, основными из которых являются: три инерциальных измерительных блока, радионавигационная система «Такан», скоростные гироскопы, три блока акселерометров, два радиовысотомера, два командных авиагоризонта, барометрические высотомеры, четыре датчика воздушных параметров и др.
Основой системы навигации и управления «шаттла» являются четыре бортовых компьютера. Соединенные между собой, они обрабатывают информацию, поступающую от системы навигации, наведения и управления, и передают команды на систему управления полетом. Система бортовых компьютеров создавалась с условием обеспечения нормального полета в случае отказа двух любых своих элементов. Именно поэтому бортовых ЭВМ четыре, они работают синхронно, параллельно обрабатывая одни и те же задачи. Компьютеры постоянно сравнивают свои собственные вычисления с результатами трех других, что позволяет выделить из всей четверки машин ту, которая дает сбои. Кроме того, на «шаттле» была установлена и пятая ЭВМ, резервная. Этот компьютер, другого производителя и с иным программным обеспечением, был предусмотрен на случай, если в программах основных ЭВМ окажется серьезная ошибка, не выявленная при наземных и летных испытаниях.
Статья была опубликована в мартовском номере "Наука и техника" за 2013 год.
