Испытания двигателя ssme
Всего на орбитальной ступени МТКС «Спейс Шаттл» устанавливается 27,5—30 тыс. плиток и гибких панелей общей массой 7—8,5 т, что составляет 9—10% от «сухой» массы изделия. Выбор типа двигательной установки орбитальной ступени МТКС и последующая разработка кислородно-водород-ного двигателя SSME («Space Shuttle Main Engine») стали одним из важнейших этапов реализации программы «Спейс Шаттл». Контракт на создание этого ЖРД фирма «Rocketdyne», являвшаяся подразделением корпорации «Rockwell International», получила летом 1971 г. Уникальность двигателя SSME заключается в его соответствии различным технико-эксплуатационным требованиям, ранее не предъявлявшимся ни к одному из ракетных двигателей: — тяга в вакууме — 213 т; — широкий диапазон дросселирования тяги; — ресурс — 55 полетов (или 7,5 ч общей наработки); — низкие затраты на обслуживание и ремонт. Высокие энергетические характеристики двигателя SSME были достигнуты путем выбора замкнутой схемы работы изделия с дожиганием газогенераторного газа и существенного по сравнению с другими криогенными ЖРД повышения давления в камере сгорания до 204 кг/см2 (у двигателей J-2 тягой 102 т и RL-10A-3 тягой 7,5 т этот параметр составляет 55 и 32 кг/см2 соответственно).
<<<Назад Страница 43 Далее>>>
<<<Назад Страница 44 Далее>>>
Спейс Шаттл. Справочные данные: жидкостный ракетный двигатель SSME (базовая модель) Разработчик— «Rocketdyne». Применение — орбитальная ступень МТКС «Спейс Шаттл». Начало эксплуатации 1981 г. «Сухая» масса— 3,18 т. Длина — 4,24 м. Максимальный диаметр — 2,39 м. Окислитель — жидкий кислород, расход компонента 408 кг/с. Горючее — жидкий водород, расход компонента 68 кг/с. Соотношение компонентов— 6:1. Турбонасосный агрегат окислителя: — масра — 261 кг; — мощность — 17,9 МВт; — скорость вращения — 28500 об/мин; — давление подачи — 292,5 атм. Турбонасосный агрегат горючего: — масса — 351,1 кг; — мощность — 46,23 МВт; — скорость вращения — 34 800 об/мин; — давление подачи — 415 атм. Камера сгорания: — давление — 204 атм; — температура — 3300 °С; — материалы — нержавеющая сталь и медный сплав NARloy-Z; — охлаждение — регенеративное, горючим. Степень расширения сопла— 77,5:1. Удельный импульс (в вакууме) — 452,9 с. Тяга — 170,2 т (на уровне моря), 213,4 т (в вакууме). Диапазон дросселирования тяги — 65—109%. Продолжительность работы— 520 с (номинальная), 761с (максимальная). В целях снижения эксплуатационных затрат для двигателя SSME была принята блочная компоновка: большинство основных агрегатов ЖРД представляют собой съемные элементы конструкции, доступ к которым не требует демонтажа других узлов. Такой подход дает возможность не только быстро проводить контрольные проверки и текущее обслуживание изделия, но и оперативно менять отказавшие элементы, причем не снимая ЖРД с орбитальной ступени. Другой особенностью двигателя является его автономность в составе всей силовой установки. Функции контроля и управления работой каждого из трех ЖРД осуществляются отдельными контроллерами, смонтированными непосредственно на изделиях. Роль этого устройства особенно важна при возникновении нештатной ситуации, когда в автоматическом режиме будет производиться останов отказавшего двигателя (два других ЖРД должны обеспечить аварийное прекращение полета орбитальной ступени). Блочная компоновка двигателя SSME позволяет также с минимальными затратами осуществлять различные доработки изделия. В 1983 г. NASA утвердило десятилетнюю программу поэтапной модернизации основной двигательной установки МТКС «Спейс Шаттл». В рамках этого проекта, начальная стоимость которого была определена в 1 млрд долл., к 2001 г. было создано четыре модификации двигателя SSME. Так, например, модель «В1оск-1», эксплуатация которой началась в 1995 г., оснащалась усовершенствованными теплообменником канала отвода окислителя, коллектором газогенераторного газа и, самое главное, новым высоконапорным ТНА окислителя. По итогам первых лет эксплуатации МТКС износоустойчивость последнего элемента оказалась весьма низкой — этот агрегат требовал серьезного ремонта уже после трех полетов. Модель «Вlоск-2А», используемая с 1998 г., отличается от предшествующих ЖРД большим диаметром критического сечения сопла, что позволяет несколько снизить температуру и давление в камере сгорания. Летом 2001 г. состоялся запуск МТКС с двигателем модели «Вlоск-2», которая оснащается новым ТНА горючего. Усовершенствованный агрегат характеризуется литым корпусом (при изготовлении прежнего использовалась сварка), единой сборкой вала с крыльчаткой, керамическими подшипниками и т.п., что в общем позволило примерно вдвое увеличить ресурс ТНА. Кроме того, NASA изучает возможности создания модели Block-З с новой «рубашкой» охлаждения сопла. В настоящее время в ЖРД применяется наборное сопло из 1080 спаянных трубок, новый вариант предполагает использование цельной оболочки с фрезерованными каналами. В целом за всю историю программы «Спейс Шаттл» было изготовлено 106 двигателей SSME, средняя стоимость которых оценивается в 40 млн долл. В начале 2002 г. NASA приняло решение о закупке еще трех изделий. Дополнительный заказ был оформлен в рамках нового соглашения с фирмой «Rocketdyne» о текущем обслуживании и контрольных испытаниях маршевых ЖРД орбитальной ступени. Стоимость заключенного пятилетнего контракта составила 1,14 млрд долл. Составной частью двигательной установки орбитальной ступени является подвесной топливный отсек, обеспечивающий работу маршевых ЖРД практически до достижения первой космической скорости. Отделение ПТО происходит на высоте 110 км примерно на 530 с полета (вкл. 24), довыведение ОС на рабочую орбиту производится двигателями системы орбитального маневрирования. Подвесной топливный отсек — самый крупный элемент МТКС, его длина составляет 46,9 м, а диаметр — 8,4 м. Конструктивно ПТО, спроектированный фирмой «Martin Marietta Manned Space Systems» из алюминиевых сплавов, состоит из бака окислителя высотой 16,6 м, межбакового отсека и бака горючего высотой 29,5 м. Расположенный вверху бак окислителя емкостью 559 м3 рассчитан на размещение 625,85 т жидкого кислорода при температуре -183 °С, бак горючего емкостью 1514 м3 вмещает 104,31 т жидкого водорода при температуре -253 °С. Также топливный отсек используется в качестве основного несущего элемента МТКС, на котором крепятся орбитальная ступень и твердотопливные ускорители. В межбаковом отсеке помимо различного приборного оборудования установлена силовая балка, воспринимающая нагрузку от тяги ТТУ (нижние узлы крепления обеспечивают фиксацию ускорителей лишь в поперечной, плоскости). Для монтажа орбитальной ступени используется три узла крепления: один передний на верхнем шпангоуте бака горючего и два хвостовых на че-тырехопорной раме, передающей нагрузки на силовые лонжероны и нижний шпангоут того же бака. За годы эксплуатации МТКС подвесной топливный отсек, как и многие ее элементы, претерпел различные доработки, направленные в основном на облегчение конструкции. Уже при подготовке к третьему полету МТКС было решено отказаться от покраски баков, что позволило снизить его массу с 35,4 т до 34 т. В 1983 г. компания «Martin Marietta», ныне входящая в состав корпорации «Lockheed Martin», изготовила облегченную модель LWT (Lightweight Tank) массой 29,9 т. Более существенное снижение массы конструкции отсека (до 26,3 т) было достигнуто за счет использования алю-миний-литиевого сплава Weldalite 2195, обладающего по сравнению с прежним материалом меньшей (на 5%) плотностью и большей (на 30%) прочностью. Эта модель бака с обозначением SLWT (Super Lightweight Tank) впервые была применена в 1998 г. Стоимость изготовления ПТО — единственного неспасаемого элемента МТКС — в конце 1990-х годов оценивалась в 30 и 33,5 млн долл. для моделей LWT и SLWT соответственно. Разработанные корпорацией «Thiokol» для МТКС «Спейс Шаттл» ускорители SRB (Solid Rocket Booster) являются самыми крупными твердотопливными блоками, доведенными до стадии эксплуатации. Другой особенностью программы создания ТТУ стало то, что они предназначались для пилотируемой транспортной системы; все прежние запуски американских аппаратов с человеком на борту осуществлялись жидкостными ракетами. Требование многоразового применения ускорителей (с ресурсом до 20 полетов) еще более осложнило их проектирование. Поэтому для решения последней задачи была предложена отработанная схема парашютной посадки на воду. Каждый из ускорителей комплектуется носовым конусом, приборным отсеком, твердотопливным двигателем SRM (Solid Rocket Motor) и хвостовой юбкой. В носовом конусе находится парашютная система и комплект из четырех РДТТ тягой по Ют, предназначенных для увода ускорителя от МТКС после разделения. Электронное оборудование, установленное в приборном отсеке, инициирует и выполняет контроль за такими операциями, как включение двигателя, его отделение и развертывание парашютов. Кроме того, в отсеке размещены элементы систем передачи телеметрической информации, самоликвидации и радиомаяк для служб спасения после приводнения. На внешней обшивке отсека установлен передний узел крепления ТТУ к подвесному топливному отсеку. Хвостовая юбка с четырьмя опорами является силовой конструкцией, обеспечивающей вертикальное положение МТКС на пусковой платформе. Расположенное в ней электронное оборудование осуществляет прием и исполнение команд, поступающих непосредственно от БЦВМ орбитальной ступени. Одной из основных задач этой аппаратуры является управление вектором тяги двигателя. Две гидравлические установки поворота сопла приводятся в действие от турбин, работающих на гидразинном горючем. На внешней поверхности юбки, как и на приборном отсеке, смонтирован комплект РДТТ увода ускорителя. Корпус двигателя SRM изготавливается из 11 стальных секций, технологически объединенных в четыре сборки: переднюю, две центральных и хвостовую. Центральные сборки идентичны и допускают взаимозаменяемость при монтаже РДТТ. Ускорители снаряжаются топливом ТР-Н1148, ранняя модификация которого была создана компанией «Thiokol» для РДТТ первой ступени баллистической ракеты «Посейдон С-3». В состав топлива ТР-Н1148 входит окислитель— перхлорат аммония (69,7% по массе), горючее — алюминий (16%), связующее — полимер полибутадиена, акриловой кислоты и акрилонитрила (12%) с эпоксидной смолой (2%) и катализатор — окись железа (0,3%). Для регулирования тягой ТТУ в топливном заряде проложен профилированный канал горения. В верхней части передней сборки РДТТ, где установлены воспламенители, канал имеет звездообразное сечение, ниже он круглой формы. В остальных сборках канал представляет собой сочетание цилиндра и усеченных конусов — профиль канала подбирался исходя из требуемого закона изменения тяги в полете.
Твердотопливный
ускоритель: 1 — носовой конус, 2 —
тормозной парашют, 3 — верхний блок РДТТ
увода ускорителя, 4 — основной парашют,
5 — нижний блок РДТТ увода ТТУ, 6 —
поворачиваемое сопло, 7 — хвостовая
юбка с опорами МТКС, 8 — хомут нижнего
узла крепления ТТУ к ПТО, 9 — верхний
узел крепления ТТУ, 10 — отсек электронного
оборудования, 11 — передняя юбка
Твердотопливные ускорители, в доли секунды выходящие на максимальный уровень тяги (около 1500 т), обеспечивают старт МТКС «Спейс Шаттл». Запуск ТТУ, после чего взлет становится неизбежным, производится после включения маршевых ЖРД орбитальной ступени. Достаточно продолжительная (в 6,6 с) задержка необходима для последних проверок работы основной двигательной установки ОС. В целях снижения аэродинамических нагрузок на 50-й секунде полета тяга ускорителей снижается примерно на треть. Общая продолжительность работы изделия в составе МТКС составляет 124 с. Отделение ТТУ происходит на высоте 45 км при скорости 1,3 км/с (вкл. 23). Продолжая движение по баллистической траектории, ускорители поднимаются на высоту 66 км, после чего начинается их спуск. На высоте 4,8 км производится выброс вытяжного парашюта, который обеспечивает раскрытие тормозного диаметром 3,5 м. Три основных купола диаметром 41 м раскрываются после отстрела на высоте 3 км носового конуса, который спускается на тормозном парашюте. На заключительном этапе спуска вертикальная скорость ускорителей составляет 95 км/ч; перегрузки при ударе о воду, достигающие 20 g, воспринимаются хвостовой юбкой (выступающая за срез юбки часть сопла отстреливается незадолго до приводнения). При каждом запуске МТКС в зоне падения ускорителей дежурят два спасательных судна. После подхода к несколько затонувшему ТТУ (плавучесть изделия обеспечивает воздух находящийся внутри двигателя) сначала производится извлечение из воды отстреленных при приводнении основных парашютов, которые наматываются на барабаны, расположенные в средней части палубы корабля. Затем с помощью кормового крана осуществляется подъем на борт носового конуса массой 2,2 т. Основную часть работы с ускорителем выполняют ныряльщики, которые на глубине примерно 33 м устанавливают заглушку в сопло РДТТ. После этого через шланг, соединенный с заглушкой, в камеру нагнетается воздух, который вытесняет находящуюся в ней воду. За счет этого ТТУ переводится в горизонтальное положение и начинается его буксировка к мысу Канаверал (вкл. 25). В зависимости от погодных условий поисково-спасательные работы длятся 1—4 дня; район падения удален от места старта примерно на 230 км. Разобранные ускорители доставляются на предприятие фирмы «Thiokob, где каждая из секций РДТТ проходит очистку и детальный контроль. Заливка топлива производится во вновь состыкованные сборки, в которых могут использоваться секции и от других ТТУ. Окончательный монтаж ускорителей осуществляется непосредственно на пусковой платформе МТКС в Центре Кеннеди. Разработка ускорителей велась в сжатые сроки. Официальный контракт на их создание NASA подписало с фирмой «Thiokol» в конце 1973 г., первые же стендовые испытания опытного образца изделия состоялись летом 1977 г.Одновременно с подготовкой ТТУ к первым полетам специалисты фирмы «Thiokol» вели активные работы по улучшению их массово-энергетических характеристик, поскольку грузоподъемность созданной МТКС не соответствовала требуемым показателям. Уже при шестом запуске, состоявшемся в 1983 г., были применены образцы с облегченными на 1,8 т корпусами, что позволило увеличить массу полезного груза ОС на 320 кг. Начиная с восьмого полета (1983 г.) в составе МТКС стали эксплуатироваться ускорители модели НРМ (High Performance Motor), увеличившие грузоподъемность системы на 1,36 т. Это было достигнуто за счет снижения массы корпуса ТТУ примерно на 10 т, увеличения степени расширения сопла с 7,16 до 7,72 и прочих нововведений. Значительным доработкам ускорители подверглись после катастрофы МТКС при двадцать пятом полете в 1986 г. Именно из-за отказа одного из них (прогара стенки корпуса в стыке нижней и центральной сборки) произошел взрыв топливного отсека. (После проведенной модернизации твердотопливный двигатель ТТУ получил обозначение RSRM — Redesigned Solid Rocket Motor, а с 1995 г. — Reusable SRM.)
<<<Назад Страница 44 Далее>>>
<<<Назад Страница 45 Далее>>>
Спейс Шаттл. Справочные данные твердотоплевный двигатель RSRM Разработчик — «Thiokol». Применение— стартовые ускорители МТКС «Спейс Шаттл». Начало эксплуатации базовой модели -— 1981 г. Масса — 569,64 т. Длина — 38,47 м. Диаметр — 3,71 м. Материал корпуса — сталь D6AC с минимальной толщиной 1,16 см. Сопло: — длина — 4,54 м; — диаметр критического сечения — 1,37 м; — диаметр внешнего среза — 3,8 м; — степень расширения — 7,72; — материал — сталь D6AC, алюминий (сопловой насадок). Топливо — ТР-Н1148. Масса топлива — 501,75 т. Продолжительность работы — 124 с. Тяга в вакууме — 1175 т (средняя), 1507 т (максимальная). Удельный импульс в вакууме — 268 с. Давление — 45 атм (среднее), 62,1 атм (максимальное). После утраты «Челленджера» и гибели его экипажа стали высказываться сомнения в обоснованности сделанного в 1972 г. выбора в пользу твердотопливных ускорителей, поскольку в сравнении с жидкостными ракетными блоками они менее управляемы и надежны. Риск, связанный с применением РДТТ в составе пилотируемой транспортной системы, в полной мере осознавался и принимался руководством NASA. Поэтому на этапе конкурсных предложений по ТТУ агентство рассматривало только те проекты, которые отличались высоким уровнем надежности и безопасности. В этом отношении отданное компании «Thiokob предпочтение было оправдано: эта фирма обладала богатым опытом в создании и производстве РДТТ различных классов. По заказу военного ведомства ею было изготовлено около 3000 ступеней МБР «Минитмен» и 600 ступеней ракет «Посейдон», примерно 900 двигателей компании использовалось в программах NASA, причем без единого отказа. Важным решением по повышению безопасности экипажа МТКС считается отказ от выведения на ее борту грузов с криогенными разгонными блоками. В связи с чем NASA прекратило работы по двум модификациям ступени «Центавр» (позднее одна из них стала применяться в составе ракеты «Ти-тан-4»). Кроме того, были окончательно аннулированы планы создания многоразовых межорбитальных буксиров — помимо высокого технического риска подобные разработки требовали значительных финансовых средств. Длительный в 2,5 года перерыв в эксплуатации и снижение интенсивности полетов, приведшие к большой загруженности транспортной системы по правительственным программам, стали основанием для запрещения использования ее для выведения коммерческих спутников. (Запуски аппаратов, принадлежавших частным компаниям, стали осуществляться уже с пятого старта МТКС, а с 1988 г. предполагалось проводить аукционную распродажу объема отсека полезного груза ОС с начальной ценой в 74 млн долл. по курсу 1982 г.) Общее сокращение числа полетов системы сделало нерентабельным содержание ради единичных запусков на полярные орбиты стартовой площадки SLC-6 на базе Ванденберг; и в 1986—89 гг. была проведена поэтапная консервация основных сооружений этого комплекса стоимостью 3, 2 млрд долл. Вышеназванные директивы существенно снизили целевую эффективность МТКС «Спейс Шаттл». Планы улучшения энергетически^ характеристик системы, расширения диапазона достижимых орбит и зон обслуживания КА, получения дивидендов от выведения коммерческих грузов и т.п. оказались нереализованными. В итоге национальная программа исследования космоса с участием человека, ранее предусматривавшая использование многочисленных наземных и космических средств, оказалась напрямую зависимой только от возможностей орбитальных ступеней МТКС.
<<<Назад Страница 45 Далее>>>
<<<Назад Страница 46 Далее>>>
Спейс Шаттл. Вспомогательные бортовые комплексы и средства В начале 1970-х годов в связи с ограниченными объемами финансирования перспективных проектов планы создания орбитальной станции были отложены на неопределенное время. Поэтому МТКС «Спейс Шаттл» сразу же проектировалась как многофункциональное и универсальное средство многоцелевого назначения. Новую транспортную систему предполагалось использовать для выведения и орбитального обслуживания космических аппаратов, а также как автономную платформу для проведения научных и прикладных исследований. Тем самым изначально были предопределены высокая сложность, значительные эксплуатационные затраты и низкая эффективность МТКС при решении ряда задач. В частности, использование дорогостоящей пилотируемой системы для запуска КА теперь признается нерентабельным. После развертывания в течение первых 24—48 ч полета крупногабаритного спутника астронавты могли заниматься лишь исследованиями с помощью оборудования, размещенного в основном в кабине экипажа. Поэтому продолжительность большинства таких полетов составляла 4—6 суток. Уникальные возможности и высокая эффективность МТКС «Спейс Шаттл» были продемонстрированы в ходе целевых исследовательских полетов и при обслуживании спутников. Важным элементом орбитального корабля МТКС является дистанционный манипулятор, используемый как для развертывания КА, так и при операциях по обслуживанию или ремонту орбитальных объектов. Разработанный канадской фирмой «Spar Aerospace» трехзвенный манипулятор длиной 15,3м и массой 408 кг рассчитан на работы с грузами массой до 29,5 т. В транспортировочном состоянии манипулятор размещается вдоль левого борта отсека полезного груза. После развертывания на орбите он может управляться как в автоматическом режиме по командам бортового компьютера, так и вручную астронавтами с верхней палубы корабля, где имеются иллюминаторы, а также мониторы отображения видеосъемки телекамер, смонтированных на шарнирных узлах манипулятора. Весьма эффективно используется манипулятор в качестве мобильной платформы для астронавта, проводящего обслуживание космического объекта. В этом случае ноги астронавта фиксируются в специальных зажимах в концевой части «руки» ступени. При запланированных в ходе полета МТКС работах в открытом космосе на орбитальном корабле находятся три, а иногда четыре скафандра (если внекорабельная деятельность не предусматривается, то все равно на случай возникновения нештатных ситуаций на борту имеется два комплекта). Каждый скафандр, обеспечивающий жизнедеятельность астронавта в течение 7 часов, весит 117 кг. Постоянный комплект из двух скафандров размещается в шлюзовой камере, через которую астронавты выходят в открытый космос. Камера первой модификации диаметром 1,6 м и высотой 2,1 м монтировалась на средней палубе орбитального корабля. Начиная с 1997 г. стал применяться более вместительный шлюзовой блок высотой 4,5 м, который располагается уже в отсеке полезного груза ступени (его разработка была обусловлена большим объемом работ по строительству космической станции). Помимо различных инструментов в камере имеются выводы коммуникаций для проверки и заправки скафандров расходуемыми материалами (кислородом, водой и т.п.), а также для подзарядки системы электропитания. Для проведения научных исследований и экспериментов на борту орбитального корабля была создана универсальная лаборатория «Спейслэб» («Spacelab» — «Космическая лаборатория»), размещавшаяся в отсеке полезного груза. Основным элементом лаборатории, разработанной европейскими компаниями по соглашению между NASA и Европейским космическим агентством ESA, являлся герметизированный модуль длиной 7 м, соединенный с кабиной экипажа туннелем-лазом. Кроме того, в ее составе иногда применялись от одной до трех негерметичных платформ длиной 3 м. При максимально допустимой массе комплекса 14,5 т на экспериментальное оборудование отводилось 12—15%. Большинство полетов лаборатории «Спейслэб» проводилось по определенной тематике: медико-биологические исследования, астрономия, технологические эксперименты и т.п. В ряде случаев комплекс предоставлялся в преимущественное распоряжение организациям отдельных стран — Германии, являвшейся головной по программе «Спейслэб», и Японии. В 1983—1998 гг. было осуществлено 22 запуска МТКС «Спейс Шаттл» с этим универсальным исследовательским комплексом стоимостью около 1 млрд долл. В целях расширения возможностей по размещению целевого и технологического оборудования на элементной базеила-боратории «Спейслэб» были созданы герметизированные модули «Спейсхэб» («Spacehab» — «Космическое жилище»). Стандартный модуль данного типа, который также соединяется с кабиной корабля лазом, имеет массу около 5 т и длину 3 м; общий объем, предоставляемый для работы астронавтов и монтажа полезного груза массой 1,36 т, определяется 28,3 м3. Двойной модуль, собираемый из двух стандартных отсеков, допускает размещение оборудования массой до 2,72 т. Эксплуатация стандартного модуля «Спейсхэб» началась в 1993 г., а удлиненного — в 1996 г. В составе ОС они успешно используются и как лабораторные отсеки, и как дополнительные хранилища оборудования для обеспечения различных задач полета, например снабжения космической станции. Предполетной подготовкой модулей «Спейсхэб» по контрактам NASA занимается компания «Spacehab», выступившая в 1986 г. инициатором этого проекта. Начиная с 1992 г. для увеличения продолжительности космического полета орбитальные ступени стали оснащаться комплектом специального оборудования EDO (Extended Duration Orbiter), включающим в себя баки с жидким кислородом и водородом для топливных элементов системы энергоснабжения (баки устанавливаются в отсеке полезного груза), систему удаления углекислого газа из атмосферы кабины экипажа и дополнительные средства жизнеобеспечения астронавтов.
Двойной
модуль «Спейсхэб» и крупногабаритная
шлюзовая камера в отсеке полезного
груза
В результате возможности пребывания ОС в космосе были увеличены с исходных 9—10 суток до четырех недель, хотя столь длительные полеты не проводились и даже не планировались. Практически оправданными были признаны полеты в 16 суток с двухдневным запасом необходимых компонентов. Предусмотренный резерв был почти полностью израсходован в ходе полета корабля «Колумбия» в конце 1996 г., когда по погодным условиям посадка ОС неоднократно откладывалась; в результате продолжительность полета достигла рекордной величины: 17 суток 15 ч 53 мин.
<<<Назад Страница 46 Далее>>>
<<<Назад Страница 47 Далее>>>
Спейс Шаттл. Экономические аспекты программы Как уже отмечалось, важнейшими факторами, в значительной степени определявшими решения по программе «Спейс Шаттл», были ограниченный бюджет и сжатые сроки проведения работ. Тем не менее разработка МТКС продолжалась десять лёт, ее первый полет состоялся с трехлетней отсрочкой в 1981 г. Первоначальный бюджет программы (5,15 млрд долл.) был превышен на 30% и достиг 6,74 млрд долл. в ценах 1971 г. В ходе выполнения проектно-конструкторской части программы «Спейс Шаттл» компании «Rockwell» не удалось в полной мере обеспечить многие технико-эксплуатационные характеристики МТКС. Наибольшими расхождениями между проектными и реальными значениями отличаются экономические показатели созданной транспортной системы. Так, например, определенная в начале 1970-х годов стоимость изготовления одной орбитальной ступени в 250 млн долл. возросла до 2 млрд долл. (по курсу 1983 г.); затраты на производство двух ТТУ достигли 64 млн долл. (1983 г.), а стоимость их послеполетного обслуживания в конце 1990-х годов оценивалась в 25 млн долл. Высокие затраты на программу «Спейс Шаттл» предполагалось окупить за счет интенсивной эксплуатации МТКС, которая теоретическая была способна выводить грузы всех классов. В целях привлечения коммерческих заказчиков NASA, активно используя федеральные субсидии, существенно занижало расценки на использование МТКС — стоимость фрахта орбитального корабля более чем вдвое была ниже реальных затрат на проведение запуска системы. В результате такой дотационной политики, активно проводившейся еще до начала эксплуатации МТКС, график ее полетов был расписан на несколько лет вперед. Однако реальная продолжительность работ по предстартовому обслуживанию МТКС в несколько раз превысила ранее установленные 14 суток. По результатам эксплуатации системы в 1981—1983 гг. без учета данных по первым полетам кораблей «Колумбия» и «Челленджер», потребовавших дополнительных затрат, период подготовки транспортной системы к очередному запуску в среднем составил 116 суток, из которых 61 день заняли работы в корпусе обслуживания орбитальной ступени OPF, 12 дней в сборочном корпусе VAB и 43 дня на стартовой позиции. При выполнении этих работ больше всего тратится времени на проверку маршевых двигателей ОС и восстановительный ремонт ее теплозащиты. В количественном выражении трудозатраты на последнюю операцию в середине 1990-х годов определялись 17 000 чел.-ч. В результате стоимость проведения запуска МТКС возросла с ожидавшихся 75 млн долл. до 257 млн долл. (усредненная величина по первым 20 полетам в 1981—1985 гг.), а максимальная частота стартов снизилась до 9 полетов в год. До последней катастрофы «Колумбии» NASA ежегодно осуществляло пять-шесть полетов МТКС с плановым периодом подготовки к запуску в 88 суток (60 дней в корпусе OPF, 5 дней в корпусе VAB и 23 дня на стартовой площадке) и с общими трудозатратами в 500 000 чел.-ч. В целях снижения текущих затрат на программу NASA проводит политику объединения основных работ по обслуживанию МТКС в единую административно-исполнительную структуру. До 1984 г. предполетная подготовка системы осуществлялась непосредственно ее разработчиком — компанией «Rockwell», затем эти функции были переданы консорциуму во главе с компанией «Lockheed Martin». Каждый из участников консорциума был ответственен за отдельные виды работ: головной подрядчик — за обслуживание орбитальной ступени, фирма «Grumman» за обеспечение запуска, «Thiokol» — за подготовку топливного отсека и ТТУ, включая спасение последних, «Pan American» — за планирование операций, инженерно-техническое обеспечение и т.п. В 1996 г. большая часть работ по МТКС была передана одному коммерческому подряднику— фирме «United Space Alliance» (USA), созданной ,на паритетных началах корпорациями «Boeing» и «Lockheed Martin». В рамках первого шестилетнего контракта SFOC (Space Flight Operations Contract) стоимостью 7 млрд долл. фирма осуществляла не только наземное обслуживание транспортной системы, но и многие функции обеспечения полета ОС. За счет упрощения организационной структуры программы (ранее подобный объем работ выполнялся по более чем 80 отдельным контрактам) NASA экономит около 770 млн долл. в год. В качестве контрольной величины затрат на запуск транспортной системы были определены 400 млн долл. за превышение указанной суммы фирма USA штрафуется, а за экономию средств премируется. В 1999 и 2000 гг., когда было осуществлено 3 и 5 полетов МТКС, доходы фирмы USA со штатом сотрудников около 10 650 человек составили 1,46 и 1,66 млрд Долл. соответственно. Летом 2004 г. NASA пролонгировало контракт SFOC еще на два года с объемом работ на 3,6 млрд долл. В соответствии с достигнутыми договоренностями предусмотрено участие компании USA в подготовке к возобновлению запусков МТКС (ориентировочно летом 2005 г.). После истечения срока действия этого соглашения, вероятно, будет подписан последний контракт, который охватит и завершение полетов системы. Высокие эксплуатационные затраты существенно снизили Ффективность применения МТКС «Спейс Шаттл» при решении отдельных целевых задач, в частности по обслуживанию КА на орбите или возвращению их на Землю для ремонта и повторного запуска. За весь период эксплуатации с помощью ОС удалось спасти лишь пять отказавших спутников, два из которых для восстановительного ремонта были доставлены на Землю. Операции по орбитальному обслуживанию в настоящее время проводятся лишь со спутником-обсерваторией HST (вкл. 26). К 2004 г. было осуществлено четыре полета МТКС, полностью посвященных работам с этим уникальным аппаратом. В то же время следует отметить и другие обстоятельства, не связанные напрямую с МТКС. Жесткие бюджетные ограничения вынуждали как NASA, так и военные организации отказываться от разработки крупногабаритных многоцелевых аппаратов (в пользу создания меньших по массе и, соответственно, более дешевых спутников), орбитальное обслуживание которых становилось нерентабельным. Кроме того, снижению стоимости космических рбъектов способствовали новые промышленные технологии, использование типовых спутниковых платформ и увеличение объемов производства. Серьезные просчеты в планировании и экономической оценке работ по программе «Спейс Шаттл» были усугублены произошедшей в 1986 г. катастрофой «Челленджера», после которой эксплуатация МТКС прекратилась на 2,5 года. В результате этого вся космическая программа страны оказалась под угрозой срыва, так как в середине 1980-х годов промышленные компании, будучи не в состоянии конкурировать с субсидируемой правительством транспортной системой, были вынуждены прекратить производство одноразовых РН (хотя еще в 1984 г. правительство специальным законом разрешило частным фирмам проводить коммерческие запуски космических аппаратов). В сложившейся ситуация правительству и Конгрессу пришлось радикально пересмотреть всю государственную политику в области транспортных космических систем. Возникший кризис с запусками КА, в том числе решающих задачи национальной безопасности, показал необходимость наличия так называемого смешанного парка средств выведения, состоящего из МТКС и ракет-носителей. (Справедливости ради следует отметить, что еще до взрыва «Челленджера» данную концепцию выдвинули ВВС, озабоченные низкой интенсивностью полетов системы и возникавшими в связи с этим спорами с NASA о приоритетности запусков военных и гражданских объектов.) Утрата «Челленджера» также потребовала значительных ассигнований на постройку пятой орбитальной ступени «Ин-девор» («Endeavour» — «Стремление») и модернизацию МТКС с целью повышения ее надежности и безопасности. При этом затраты на доработку системы, достигшие 2,4 млрд долл., превысили стоимость изготовления нового корабля (1,8 млрд долл.). Расходы на модернизацию отдельных элементов МТКС составили следующие суммы: — маршевые двигатели — 1197 млн долл.; — твердотопливные ускорители — 508 млн долл.; — орбитальная ступень — 459 млн долл.; — подвесной топливный бак — 9 млн долл.; — прочее оборудование — 227 млн долл. В итоге по курсу 2000 г. общие затраты на программу «Спейс Шаттл» достигли 30 млрд долл.
<<<Назад Страница 47 Далее>>>
<<<Назад Страница 48 Далее>>>
Спейс Шаттл. Модернизация МТКС Несмотря на то что мероприятия по модернизации системы «Спейс Шаттл» велись постоянно, наиболее существенным доработкам МТКС подверглась после взрыва «Челленджера». В ходе их выполнения была усовершенствована конструкция ТТУ, особенно узлов крепления сборок и сопловой части. Свыше 200 изменений было внесено в конструкцию орбитальных ступеней, около 100 — в программные средства, маршевые двигатели SSME были улучшены по 35 позициям. Итогом проведенных в 1986—1988 гг. мероприятий стало снижение вероятности гибели экипажа МТКС до 0,0025, то есть в одном из 400 полетов. Однако последняя катастрофа опровергла все расчеты. При состоявшемся 16 января 2003 г. 113-м запуске МТКС отвалившийся от подвесного топливного отсека 800-граммовый кусок теплоизоляции решил судьбу «Колумбии», ее экипажа и всей программы в целом — при возвращении на Землю через образовавшийся в передней кромке левого крыла пробой проникла высокотемпературная плазма, которая разрушила силовую конструкцию корабля. До произошедшей катастрофы NASA готовило план мероприятий по продлению эксплуатации МТКС «Спейс Шаттл», как минимум, до 2020 г. После гибели «Колумбии» этот срок бнл сокращен до 2015 г. В январе 2004 г. агентство получило директиву прекратить полеты системы сразу же после окончания сборки Международной космической станции в 2010 г. Специально образованная комиссия занималась расследованием причин аварии в течение семи месяцев. В подготовленном ею отчете наряду с рекомендациями технического характера указывалась необходимость кардинальной реорганизации структур, отвечающих за безопасность пилотируемых полетов. По мнению членов комиссии, бюрократическая инертность и отсутствие взаимодействия между службами обеспечения запусков МТКС привели к тому, что за более чем двухнедельное пребывание ступени на орбите не было предпринято ни одного действия по выяснению степени ее повреждения (удар осколка теплоизоляции по кромке крыла был зафиксирован видеокамерой, и этот факт стал известен специалистам наземных служб уже на следующий день после старта). Более того, небольшие повреждения ОС и стартовых ускорителей отколовшимися фрагментами теплоизоляции топливного бака замечались и раньше. Но никаких практических работ по устранению этих аномалий также не проводилось. Таким образом, руководство программы «Спейс Шаттл» отчасти повторило ошибки, приведшие к взрыву «Челлендже-ра». И в том и в другом случае помимо технических недостатков отдельных элементов МТКС решающее значение при принятии решений имели стоимостные и временные факторы, а также политические соображения (тогда требовалось повысить оборачиваемость системы и снизить эксплуатационные расходы, сейчас приостановка полетов повлекла бы задержки с развертыванием Международной космической станции). Среди основных рекомендаций комиссии по доработке конструкции МТКС, которые должно выполнить NASA перед возобновлением ее полетов в 2005 г., были названы следующие: — устранить причины срыва теплоизоляции с ПТО; — повысить стойкость теплозащиты к ударным воздействиям, которые могут быть вызваны фрагментами собственной конструкции, орбитальными осколками других аппаратов, а также микрометеоритными частицами; — расширить возможности контроля за состоянием МТКС на всех этапах полета. Для этого NASA предполагает примерно вдвое увеличить количество наземных и воздушных средств слежения за системой, включая использование разведывательных спутников для оценки состояния теплозащитных покрытий ступени после выхода на орбиту. Кроме того, теперь манипулятор корабля будет оснащаться специальным насадком с телекамерой, которая позволит экипажу самостоятельно проводить осмотр теплозащиты; — осуществлять запуски МТКС только в светлое время суток; — разработать для экипажа средства ремонта теплозащитных покрытий на орбите; — продолжать модернизацию бортового оборудования МТКС для повышения надежности и безопасности. К наиболее приоритетным проектам последней рекомендации относятся: — улучшение системы диагностики состояния маршевых ЖРД орбитальной ступени. (Сначала двигатели SSME будут оснащаться устройствами контроля за уровнем вибраций высоконапорных ТНА; затем оптическими датчиками анализа отбрасываемого пламени и программными средствами, способными обрабатывать подобную информацию, прогнозировать дальнейшее развитие событий и выдавать команды либо на полный останов двигателя, либо на переключение его в безопасный режим работы, например путем дросселирования тяги. Ориентировочная стоимость этого проекта — 108 млн долл.); -г модернизация электронного оборудования орбитальных ступеней с целью облегчения работы экипажа. (Первым этапом этих мероприятий, общая стоимость которых может достичь 380 млн долл., стала замена на двух ОС («Атлантисе» и «Колумбии») приборных панелей командира корабля и пилота. Теперь вместо четырех электронно-лучевых мониторов и 32 механических индикаторов для отображения информации используются 11 цветных жидкокристаллических дисплеев, объединенных в единый комплекс MEDS (Multifunction Electronic Display System, — см. вкл. 27). В дальнейшем предполагается доработать систему предупреждения и сигнализации экипажа, что позволит астронавтам сосредоточиться на решении целевых задач полета.) В итоге, общие затраты на доработку МТКС до возобновления ее полетов составят около 1,5 млрд долл., а к завершению ее эксплуатации эта величина может возрасти до 2,2 млрд долл. В то же время многие специалисты высказывают сомнения в возможности окончания строительства Международной космической станции в 2010 г., поскольку для решения этой задачи потребуется 25—35 полетов МТКС. Поэтому после возникновения каких-либо проблем и приостановления эксплуатации системы потребуется увеличить интенсивность запусков, а это связано с большим риском. Для решения последней проблемы предлагается оснастить орбитальные ступени средствами проведения полетов в автоматическом режиме для снабжения МКС. Отсутствие астронавтов на борту существенно смягчит требования по безопасности и упростит предполетную подготовку системы. Возможность создания полностью автоматизированной системы управления МТКС на всех этапах полета, в том числе и при стыковке с орбитальной станцией, изучалась в рамках комплексной программы по продлению жизненного цикла транспортной системы до 2020 г. Другим проектом этой программы, результаты которого еще могут найти свое применение, является создание более мощных и надежных стартовых ускорителей. Еще в середине 1980-х компанией «Thiokob были изготовлены и успешно испытаны экспериментальные ТТУ с гра-фито-эпоксидными корпусами. Работы по этому проекту, предполагавшему увеличение грузоподъемности транспортной системы на 2 т, были прекращены после взрыва «Челленджера». Затем фирма «Thiokob сосредоточила свои усилия на создании пятисекционного ускорителя RSRB (Reusable Solid Rocket Booster). Расчеты показали, что использование дополнительной секции в сборке позволит увеличить среднюю тягу изделия с 1178 т до 1400 т, а время работы изделия до 128 с. В результате грузоподъемность МТКС возрастет примерно на 10 т. Вместе с тем будет существенно повышена и надежность системы, так как более мощные ТТУ обеспечат выведение корабля на низкую орбиту при одном отказавшем двигателе SSME, а это позволит затем совершить штатную посадку на территории США. Таким образом, при возникновении аварийной ситуации исключаются рискованные маневры для возвращения ступени на мыс Канаверал или сложная посадка на аэродромы в Испании или Африке. Первые стендовые испытания полномасштабного образца пятисекционного ТТУ компания «Thiokob успешно провела в октябре 2003 г., то есть уже после гибели «Колумбии». Однако шансы на дальнейшее продолжение работ невелики как вследствие неопределенности с перспективами программы, так и по финансовым соображениям (потребные затраты оцениваются в 1 млрд долл.). По тем же причинам к разряду футуристических можно отнести и проекты создания жидкостных крылатых ускорителей, способных самостоятельно возвращаться к месту старта— стоимость их разработки к 2010 г. может достичь 4—5 млрд долл. Итак, эпоха «Шаттлов» заканчивается. Подводя краткие итоги двадцатидвухлетней эксплуатации системы «Спейс Шаттл» можно отметить следующее. Большинство требований, поставленных перед проектантами, не были выполнены. МТКС получилась с недостаточно высокими энергетическими характеристиками и прискорбно низкими показателями надежности и безопасности. Исходная экономическая задача программы — резкое сокращение стоимости выведения грузов на околоземные орбиты — осталась попросту нерешенной. Затраты на обслуживание МТКС оказались столь высокими, что запуски большинства автоматических КА выгоднее производить ракетами-носителями.Но программу «Спейс Шаттл» нельзя рассматривать только как какой-то обособленный, пусть чрезвычайно сложный и дорогостоящий, проект. Создание МТКС «Спейс Шаттл» открыло новый путь развития космонавтики (в первую очередь американской), а всякое новое всегда грозит неудачами, потерями и бесценным опытом. В ходе реализации программы «Спейс Шаттл» удалось получить важные практические результаты для оценки целевой эффективности авиационно-космических систем данного типа. Широкие возможности применения орбитальных ступеней МТКС были продемонстрированы при выполнении непродолжительных исследований научного и прикладного характера. Это было достигнуто за счет повторного использования уникального лабораторного оборудования, а также непосредственного участия в проведении экспериментов спе-циалистов-ученых. Транспортная система позволяет выполнять на орбите широкий спектр работ, включая ремонт и спасение спутников. Однако по ряду причин, частично связанных с изменением подходов к разработке и эксплуатации космических средств (снижение массы и стоимости спутников, увеличение объемов их производства и т.п.), эти возможности не были реализованы в полной мере и с ожидавшимся экономическим эффектом. Накопленный в различных полетах опыт по сборке крупногабаритных конструкций нашел свое практическое применение в 1998 г., когда началось строительство Международной космической станции (вкл. 28). Таким образом, на исходе второго десятилетия эксплуатации МТКС «Спейс Шаттл» стала применяться по своему «прямому» (исходному) назначению: для развертывания и снабжения орбитальной станции. Теперь после многолетнего пребывания в качестве основного элемента национальной космической программы эта транспортная система будет решать в целом вспомогательные задачи. Но несмотря на изменение статуса, МТКС «Спейс Шаттл» сохранит свою значимость и необходимость еще некоторое время. В истории же она останется достойным воплощением целой эпохи и американской, и мировой космонавтики.
<<<Назад Страница 48 Далее>>>
<<<Назад Страница 49 Далее>>>
Программа NASP и ее развитие Низкая рентабельность МТКС «Спейс Шаттл» вынудила США активизировать исследования по более эффективному средству выведения КА. Наибольшую заинтересованность в этих работах проявляло Министерство обороны, так как новая транспортная система оказалась малопригодной для решения многих задач этого ведомства. (В целом за прошедший период эксплуатации МТКС было осуществлено лишь 11 полетов, полностью посвященных программам Министерства обороны. Но при этом следует отметить, что для выведения попутных грузов и проведения экспериментов в интересах различных военных организаций эта система используется достаточно часто.) Среди основных проблем, затруднявших использование МТКС «Спейс Шаттл» в военных целях, отмечаются следующие: — низкая оперативность применения из-за продолжительного периода предстартовой подготовки и загруженности системы по программам NASA; — высокий уровень уязвимости МТКС как в наземных условиях, так и при выполнении орбитального полета; — высокая (стоимость эксплуатации усугублялась необходимостью проведения дорогостоящих работ по ужесточению режима секретности и скрытности операций по подготовке и проведению полетов по военным программам; — отказ от запусков кораблей на полярные орбиты, активно используемых для решения разведывательных задач; — отказ от комплектации МТКС по соображениям безопасности экипажа криогенными разгонными блоками, что существенно ограничило возможности по выведению стационарных спутников тяжелого класса. Учитывая подобные обстоятельства (за исключением двух последних, явившихся следствиями катастрофы «Челлендже-ра»), ВВС еще в 1983 г. выступили с инициативой создания смешанного парка средств выведения, предусматривавшего наличие как МТКС, так и одноразовых ракет. С большим трудом руководству ВВС удалось убедить Конгресс и правительство в необходимости РН, по своей грузоподъемности сопоставимой с системой «Спейс Шаттл». Благодаря этому в 1984 г. была санкционирована разработка тяжелой ракеты «Титан-4», ставшей после ввода в Эксплуатацию в 1989 г. основным средством выведения спутников стратегического назначения. Ракета-носитель «Титан-4» в полном объеме заменила систему «Спейс Шаттл» по развертыванию спутников тяжелого класса, обеспечив при этом возможности выведения грузов на полярные орбиты с базы Ванденберг. Однако эксплуатация этой ракеты, как и МТКС, была связана с высокими производственными затратами. Стоимость запуска ракеты без верхней ступени в 1993 г. оценивалась в 200—250 млн долл., а в комплектации с разгонным блоком «Центавр» — 350— 400 млн долл. Таким образом, вопрос о сокращении стоимости выведения грузов по-прежнему оставался актуальным. Ситуация осложнялась планами развертывания многочисленной орбитальной группировки для перспективной системы противоракетной обороны, позднее получившей название «Стратегической оборонной инициативы» (СОИ). -Необходимый для реализации этой программы грузопоток в космос определялся несколькими тысячами спутников легкого и среднего класса. Причем для восполнения орбитальных систем на этапе эксплуатации требовалось обеспечить чрезвычайно высокую оперативность запуска новых аппаратов. Как МТКС «Спейс Шаттл», так и ракета «Титан-4» не могли соответствовать предъявляемым требованиям ни по эксплуатационным, ни по экономическим показателям. Только исходя из реально возможных объемов финансирования этапа развертывания орбитальной группировки системы ПРО стоимость выведения грузов в космос по сравнению с текущим уровнем необходимо было сократить в 7—10 раз. Ключом к решению задачи радикального снижения затрат на запуски КА представлялось использование полностью многоразовой одноступенчатой ТКС с текущими затратами, принятыми в авиационной технике. Большинство проводимых в 1980-х годах исследований были ориентированы на изучение возможностей создания ВКС, способного не только совершать гиперзвуковые полеты в верхних слоях атмосферы, но и выходить на околоземную орбиту. На основе предварительных изысканий в 1985 г. начались работы по комплексной программе NASP («National Aerospace Plane» — «Национальный воздушно-космический самолет»), к реализации которой были привлечены многочисленные военные организации во главе с ВВС и NASA. Программа, получившая статус так называемых «черных проектов», была полностью засекречена, поэтому о полученных в ходе ее реализации результатах, как, впрочем, и о ее исходных задачах, определенно судить крайне затруднительно. Тем не менее...