Многоразовые космические корабли Спейс-Шаттл и Буран



В данной работе рассматриваются многоразовые космические корабли Спейс‑Шаттл (США) и Буран (СССР), сравниваются их технические характеристики, анализируются цели и задачи создания данных космических аппаратов, а также принимаются во внимание перспективы их развития.

Ключевые слова: космический корабль, многоразовый космический аппарат, Спейс-Шаттл, Буран, космонавтика

12 апреля 1961 года началась история пилотируемой космонавтики, ведь именно в этот день советский летчик-космонавт Юрий Гагарин совершил свой первый космический полет, который продлился 108 минут и навсегда вошел в историю освоения космоса. После легендарного полета Гагарина Ю. А. пилотируемая космонавтика активно развивалась, в результате чего стали возможны не только единичные краткосрочные полеты, но и постоянное пребывание экипажей космонавтов на орбите.

Создание космического корабля многоразового использования стало важным шагом для человечества в освоении космоса, поскольку появилась возможность с помощью шаттлов выполнять принципиально новые задачи, которые вставали перед учеными и военными.

При планировании космической деятельности на 1970-е гг. руководство NАSА было обеспокоено высокой стоимостью полетов в космос. По расчетам специалистов NАSА запуск многоразовых кораблей можно было осуществлять каждую неделю, в следствие чего стоимость запуска значительно снижалась и составляла 10 млн долларов (оказалась выше в 50 раз, около 450 млн долл).

В конце 60-х годов в США начали разрабатывать многоразовый транспортный космический корабль (МТКК). После того как было предложено и рассмотрено несколько конструкций, в начале 70-х годов выбор пал на вариант с частичной многоразовостью, который получил название «Спейс Шаттл» (Space Shuttle). На разработку данного МТКК потребовалось более 10 лет [3].

В США космические корабли многоразового использования проектировались в рамках программы NASA «Космическая транспортная система». Всего было создано четыре таких космических корабля: Колумбия (англ. Columbia, в честь Христофора Колумба), Дискавери (англ. Discovery, «открытие»), Челленджер (англ. Challenger, «бросающий вызов») и Атлантис (англ. Atlantis, «Атлантида»). 12 апреля 1981 года первый шаттл совершил свой первый старт, который был приурочен к юбилею полета Гагарина Ю. А. Именно эту дату по праву можно считать отправной точкой в истории многоразовых космических кораблей. Однако после трагедии, произошедшей с «Челленджером» в 1986г. был построен пятый орбитальный самолет, который получил название Индевер (Endeavour, «стремление»). Новый аппарат был запущен в мае 1992 года.

Разработкой МТКК заинтересовались в СССР. Советские военные опасались, что с помощью такого сверхоружия американцы смогут нанести ядерный удар из космических глубин или похитить советские космические аппараты, однако, следует отметить, что шаттл создавался лишь для доставки на орбиту элементов системы ПРО (противоракетной обороны). В СССР стали задумываться над созданием отечественного корабля, который служил бы как военным (противодействие возможной агрессии со стороны США, нанесение контрударов), так и мирным целям (проведение научных работ, доставка грузов на орбиту и их возвращение на Землю).

В Советском Союзе работы по разработке тяжелой транспортно-космической системы с многоразовым орбитальным кораблем начались в 1974 г. Ведущим предприятием по созданию МТКК, аналогичного американскому кораблю «Спейс Шаттл», выступало Научно-производственное объединение «Энергия», под руководством Глушко В. П. (д.т.н., академик АН СССР). Работы по созданию программы «Энергия-Буран» были начаты в 1976 году.

15 ноября 1988 г. космический корабль «Буран» совершил свой первый и единственный полет в космическое пространство. Запуск системы «Энергия- Буран» был произведен с космодрома Байконур. Полет продлился 205 минут. Совершив два витка вокруг Земли, корабль произвел посадку на специально оборудованном аэродроме «Юбилейный» на Байконуре. Полет осуществлялся в автоматическом режиме с использованием бортового компьютера и бортового программного обеспечения. Следует отметить, что американский челнок совершал заключительную стадию посадки в режиме ручного управления [4].

По словам Валерия Бурдакова (д.т.н.), советского и российского учёного в области авиационно-космического машиностроения и энергетики, в середине 1970-х годов отставание СССР от США оценивалось в 15 лет. Советским ученым не хватало опыта работы с большими массами жидкого водорода, не было многоразовых жидкостных ракетных двигателей, крылатых космических аппаратов.

В 1970-е гг. советская экономика все больше отставала от экономики развитых стран по техническому и технологическому уровню, показателям эффективности, и, что более важно, СССР утрачивал преимущества в темпах экономического роста.

Сказывалась и сложная иерархическая система, где наиболее компетентным считался не исследователь, а высшее должностное лицо. Кроме того, наука была оторвана от ВУЗов и предприятий. Ни в какое сравнение с Западом не шла продолжительность цикла «наука — производство»: в 1970-х годах производственный цикл в СССР составлял 17,5, в то время как в США — 6‑8 лет [10].

Необходимо также подчеркнуть отсутствие комплексного подхода к развитию космических средств и механизмов использования результатов, чрезмерная политизация, произвольное определение сроков выполнения космических проектов и, как следствие, их многократные переносы. Все это не способствовало совершенствованию космической деятельности и внедрению научных методов управления.

МТКК представляет собой летательный аппарат (ЛА), который состоит из разгонной ступени и воздушно-космического самолета (ВКС). Разгонная ступень (например, ракета-носитель) выводит ВКС на орбиту искусственного спутника земли. ВКС (орбитальная ступень) совершает требуемые операции в космическом пространстве и возвращается на Землю.

«Орбитальная ступень выполнена по аэродинамической схеме моноплана-бесхвостки с низкорасположенным дельтавидным крылом с двойной стреловидностью передней кромки и с вертикальным оперением обычной схемы. Для управления в атмосфере используются двухсекционный руль направления на киле (здесь же воздушный тормоз), элевоны на задней кромке крыла и балансировочный щиток под хвостовой частью фюзеляжа. Шасси убирающееся, трёхстоечное, с носовым колесом» [16].

Американский корабль «Спейс Шаттл» — «это, фактически, снабженный ускорителями орбитальный самолет» [8, c. 75]. Данный корабль оснащен тремя маршевыми кислородно-водородными жидкостными ракетными двигателями (ЖРД), которые крепятся к внешнему топливному баку, где содержится запас горючего (жидкий водород) и окислителя (жидкий кислород). Два разгонных ракетных двигателя твердого топлива (РДТТ) крепятся на внешнем топливном баке, а в корпусах РДТТ находится твердый топливный заряд, в результате горения которого создается сила тяги.

Для того, чтобы преодолеть гравитацию при вертикальном старте МТКК «Спейс Шаттл» необходимо создать силу тяги, которая обеспечивается одновременной работой РДТТ и маршевых ЖРД корабля, которые используют топливо из внешнего топливного бака. После того как топливо будет израсходовано, разгонные РДТТ отделятся от внешнего топливного бака, а затем с помощью парашюта, расположенного под носовым обтекателем разгонной ступени, приводнятся в определенной точке. После того, как маршевые двигатели отработают топливо из внешнего бака, затем происходит разделение МТКК и бака, который далее движется по баллистической траектории и падает в установленном районе Атлантического океана. «Спейс Шаттл» оснащен специальной двигательной установкой для маневрирования на орбите, которая состоит из двух ЖРД, работающих на самовоспламеняющихся компонентах топлива (горючее — монометилгидразин, окислитель — четырехокись азота). Благодаря данной установке завершается вывод аппарата на орбиту. Следовательно, «Спейс Шаттл» имеет два компонента, которые могут быть использованы повторно — орбитальный корабль и разгонные РДТТ. Для обшивки и каркаса МТКК «Спейс Шаттл» применялся алюминиевый сплав с мощной теплозащитой из композиционных материалов, таких как «углерод-углерод», кварцевое волокно, специальный войлочный материал и др. [8].

Можно заметить, что корабль «Буран» внешне похож на американский «Шаттл». Советский МТКК «построен по схеме самолета типа «бесхвостка» с треугольным крылом переменной стреловидности, имеет аэродинамические органы управления, работающие при посадке после возвращения в плотные слои атмосферы — руль направления и элевоны. Он был способен совершать управляемый спуск в атмосфере с боковым маневром до 2000 километров» [11, c. 164].

Для того, чтобы обеспечить вертикальный старт «Бурана» используется ракета-носитель «Энергия», состоящая из двух ступеней (первая ступень: четыре ракетных блока, оснащенные кислородно-керосиновыми ЖРД; вторая ступень: четыре кислородно-водородных ЖРД). При старте системы работают как двигатели первой, так и второй ступеней. После того, как топливо из блоков первой ступени будет отработано, они попарно отделятся, после чего разделяются и совершают управляемый спуск в атмосфере. Затем, когда в расчетной точке промежуточной орбиты (суборбиты) будет достигнута заданная скорость, «Буран» отделится от второй ступени. На суборбите запускается маршевый двигатель корабля, после чего он поднимается на промежуточную орбиту, а затем на круговую опорную орбиту. В то время как вторая ступень ракеты-носителя продолжает полет по баллистической траектории и падает в определенном районе Тихого океана [8].

Во время полета в атмосфере управление космическим кораблем обеспечивалось рулем направления, элевонами и щитками (при заходе на посадку). Кроме того, в крыле находятся четыре воздушно-реактивных двигателя (ВРД), которые выдвигаются при заходе на посадку.

Как и в случае с американским челноком, советский корабль имел специальное теплозащитное покрытие. В зависимости от места установки применялось покрытие двух видов: плитки на основе супертонкого кварцевого волокна и гибкие элементы высокотемпературных органических волокон. На кромке крыла и носовом коке, наиболее теплонапряженных участках, применялся конструкционный материал на основе углерода. Суммарное количество плиток, покрывающих наружную поверхность «Бурана», превышает 39 тысяч [12].

Несмотря на внешнее сходство «Шаттла» и «Бурана», отметим некоторые различия данных аппаратов. Так, например, американский челнок совершает посадку по более крутой траектории, в то время как «Буран» — по более наклонной. Поскольку при крутой посадке конструкция испытывает большие напряжения, обшивка «Шаттла» была усилена специальными сплавами из титана, что несколько утяжеляет конструкцию, «Буран» же сделан из алюминиевых сплавов. Кроме того, следует отметить, что советский аппарат способен осуществлять полёт в беспилотном режиме и приземляться автономно, в то время как «Шаттл» совершает посадку только в режиме ручного управления.

Отметим, что экипаж советского корабля мог включать в себя до 10 человек, «Шаттл» мог разместить семерых. Также, «Буран» мог провести на орбите около 30 суток, в отличие от американского челнока, продолжительность полета которого не превышала 17 суток. Для транспортировки «Бурана» ОКБ им. О. К. Антонова разработало самолет Ан‑225 «Мрия», для той же цели в Америке использовался Boeing-747.

Одним из главных отличий между советским и американским проектами является тот факт, что работа «Шаттла» осуществляется на собственных двигателях при использовании бака с топливом, прикрепленного к нему. Отметим, что данный вариант имеет определенные недостатки. Так, «использование собственных двигателей в качестве маршевых требует значительного увеличения их мощности, что существенно осложняет конструкцию, размер агрегатов и их вес, и создает при этом ряд эксплуатационных проблем, например, обеспечение безопасности» [2, с. 58].

В случае с советским кораблем, «Энергия» — отдельная самостоятельная ракета, которая используется для выводa на орбиту полезной нагрузки, т. е. многоразового космического корабля «Буран». Основу ракеты-носителя «Энергия» составляет вторая ступень. На ней установлено четыре ЖРД, топливом для которых являются водород (горючее) и кислород (окислитель). Решение об использовании ракеты-носителя позволило избежать некоторых технологических проблем, как, например, «размещение мощных ракетных двигателей за пределами космического аппарата и усовершенствование системы подачи топлива в ракете-носителе» [2, с. 58].

Рассмотрим сферу применения многоразовых воздушно-космических аппаратов. Во-первых, МТКК может использоваться как средство для развертывания на орбите военных космических систем нового поколения и их регулярного технического обслуживания. Кроме того, данный корабль может применяться в военной сфере для решения различных задач, как, например, «инспекции, захвата или уничтожения вражеских орбитальных аппаратов, технического обслуживания собственных космических аппаратов на орбите, текущего или аварийного ремонта, дозаправки топливом, ввода в оперативное использование резервных аппаратов, ведения оперативной разведки и испытания экспериментальных образцов оружия в космосе» [12, с. 453].

Отметим также, что многоразовые космические аппараты могут выступать инструментами для решения земных задач. Например, создание глобальной системы спутниковой радио- и телевизионной связи, проведение метеорологических, геодезических, картографических работ и т. д.

Огромный вклад космические челноки внесли в осуществлении проекта Международной космической станции (МКС). Американские шаттлы доставили на орбиту некоторые модули будущей станции (МТКК «Атлантис» доставил модуль «Рассвет»). Также, шаттлы осуществляли доставку оборудования и материалов, сборку и снабжение МКС, доставку и установку магнитного альфа-спектрометра (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS). МТКК «Дискавери» доставил на орбиту космический телескоп «Хаббл», впоследствии участвовал в двух экспедициях по его обслуживанию наряду с другими аппаратами («Индевор», «Колумбия» и «Атлантис»).

Сравним многоразовые и одноразовые космические корабли. Логично предположить, что удобнее не строить каждый раз новый носитель, а раз за разом использовать одно и то же устройство. Налицо значительная экономия ресурсов и решение экологических проблем, в частности — уменьшение загрязненности околоземного пространства техническим мусором. Однако отметим, что главным недостатком шаттла была его цена. Стоимость одного запуска обходилась американским налогоплательщикам в 450 млн долларов. Для сравнения, цена запуска одноразового «Союза» — 35–40 млн долларов.

При возращении на Землю, из-за своей конструкции одноразовый «Союз» падает под действием силы тяжести, в корабле растут перегрузки, а сам корабль начинает нагреваться из-за трения о воздух. Шаттл тоже нагревается, но его траектория вхождения в атмосферу более пологая. Процесс растянут во времени, поэтому перегрузки значительно ниже, чем в «Союзе», да и температура на корпусе тоже ниже.

По словам космонавта С. Шарипова, время работы «Союза» может составлять 230 суток, в то время как «Шаттла» — 16. МТКК может доставлять на орбиту большие грузы и возвращать их обратно. С финансовой точки зрения наш корабль намного эффективнее. Каждый старт американского корабля обходится минимум в полмиллиарда долларов, в то время как наш — не дороже 50 миллионов (в 10 раз дешевле) [21].

С завершением программы США «Спейс-Шаттл» в 2004 г. разработки в данной области не прекратились. Разрабатываются новые программы, такие как Lynx — суборбитальный аппарат с горизонтальными стартом и посадкой (отличный от предыдущих моделей), «Jupiter» — аппарат, который выводится на орбиту при помощи модуля Exoliner (грузового аппарата-ускорителя). Помимо этого, возник проект X-37B — аппарат, который имеет некоторое сходство с «Спейс-Шаттлом», но несколько доработанный и усовершенствованный [2].

Новый космический корабль «Орион» продолжит обслуживать международную космическую станцию (МКС). Кроме того, на основе элементов МТКК «Шаттл» ожидается появление новой ракеты-носителя — «Арес-1», которая будет выводить на орбиту корабль «Орион» с экипажем на борту, а после 2018 г. будет представлена ракета-носитель «Арес-5» для вывода на низкую околоземную орбиту носителя массой свыше 100 т [5].

Отметим, что в данный момент разрабатываются проекты МТКК с вертикальными взлетом и посадкой на тяге двигателей. В качестве примера можно привести американский аппарат «Delta Clipper», который уже прошел серию испытаний.

Касательно ситуации в нашей стране, в связи с распадом СССР и нарастающими экономическими проблемами, руководство страны приняло решение о приостановке работы по программе «Энергия-Буран» (1990 г.), а далее и о ее закрытии (1993 г.). В итоге, было создано три МТКК (третий не достроен), еще два планировалось построить [4].

В настоящий момент рассматриваются варианты создания универсальной возвращаемой первой ступени с возможностью использования для различных космических кораблей. С помощью этой ступени на опорную орбиту будут доставляться 7–60 т полезной нагрузки [15].

Необходимость развития новейших летательных аппаратов связана с экологическими проблемами окружающей среды и загрязнения космического пространства «космическим мусором». С этой целью российские ученые запустили в массовую разработку эскизный проект «Многоразовая ракетно-космическая система первого этапа» (МРКС-1).

Также, в России разрабатываются такие аппараты, как ракета-носитель «Ангара», многоразовый пилотируемый космический корабль «Федерация», ракета-носитель среднего класса «Феникс».

По мнению научного руководителя Института космической политики Ивана Моисеева, вопрос создания многоразового космического корабля в ближайшие десятилетия не станет актуальным: «Нет задач, под которые понадобится такая система, по крайней мере в этом веке. Сейчас многоразовые корабли нет смысла делать из-за слишком больших капитальных вложений для старта проекта» [22].

Генеральный конструктор РКК «Энергия» Виталий Лопота считает, что судьбу проекта решит экономическая составляющая. «Многоразовые ракеты, как и корабли, имеют смысл, если будут дешевыми. Услуги ракеты всегда стоили 20–30 % от стоимости миссии в целом, — констатирует Лопота. — Сейчас мы делаем только перспективные компоненты ракет, но не перспективные носители для космических кораблей. Создание новой ракеты, конечно, актуально, если хотим летать в космос».

«Многоразовые системы, конечно, интересны. Вопрос только в том — как скоро они станут основным трендом. Экономическая выгода от их использования, и я уже это говорил, пока неочевидна. Но мы работаем и в этом направлении», — заявил Игорь Комаров, глава «Роскосмоса».

Создание многоразовых космических кораблей и ракет-носителей стало следующим шагом землян в развитии космической техники. Это сделало возможным не тратить ресурсы на изготовление каждой новой ракеты-носителя или нового корабля взамен отлетавшего. Таким образом, эксплуатационные затраты ощутимо снижались за счет уменьшения на порядки количества многоразовых кораблей и ракет-носителей, а также создать задел для следующего шага — создания одноступенчатых многоразовых кораблей.

Для советской космонавтики создание многоразового орбитального пилотируемого корабля «Буран» сталo важнейшим достижением. При создании орбитального корабля были реализованы новые технические идеи, применены современные элементная база и конструкционные материалы, широко внедрены достижения электронной техники.

В заключении важно отметить, что в конечном виде МТКК представлял собой принципиально новый для космонавтики летательный аппарат, объединяющий в себе весь накопленный опыт ракетно-космической и авиационной техники. Однако, несмотря на то, что так и не удалось использовать весь потенциал данного аппарата, системы и технологии, использованные при создании космической системы «Спейс Шаттл» и «Энергия-Буран», так же, как и «Спейс Шаттл» могут применяться и в современных космических проектах и совершить еще один важный шаг в освоении космического пространства.

Литература:

1. Андреева Т. В., Рожкина Н. Р., Рымарчук А. А. Российские космические полеты — сегодня и завтра // Решетневские чтения — Красноярск: Сибирский государственный аэрокосмический университет. — 2011. — С. 675–676.
2. Бабинова Е. О., Становова О. А., науч. рук. Кольга В. В. О перспективах развития многоразовых космических кораблей // Актуальные проблемы авиации и космонавтики — Красноярск: Сибирский государственный аэрокосмический университет им. акад. М. Ф. Решетнева. — 2015. — С. 57–59.
3. Бобков В. Н., Сыромятников В. С. Космические корабли — М.: Знание, 1984. — 112 с.
4. Бобылева А. Г., Гаврин Д. А. Создание и эксплуатация космического корабля «Буран»: итоги и значение // Актуальные проблемы авиации и космонавтики — Красноярск: Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева. — 2010. — С. 355–356.
5. Витковский А. В. Калмыков А. П. Перспективы развития многоразовых космических транспортных систем // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. — 2011. –С. 292–293.
6. Герасютин C. А. Программа Спейс Шаттл завершена // Земля и вселенная. — М.: Федеральное государственное унитарное предприятие «Академический научно-издательский, производственно-полиграфический и книгораспространительский центр «Наука», 2012. — С. 20–35.
7. Гребенщиков В. П. Как сделать Супер Шаттл — Калуга, 2017.
8. Егер С. М., Матвеенко А. М., Шаталов И. А. Основы авиационной техники: Учебник — М.: Машиностроение, 2003. — 720 с.
9. Зюбанов Ю. А. Пилотируемый космический объект // Встник МГЛУ. Серия: Общественные науки. — М.: Московский государственный лингвистический университет, 2008. — С. 110–118.
10. Кудров В. М. Мировая экономика. — М.: Юстицинформ, 2009. — 512 с.
11. Мусский С. А. 100 великих чудес техники. — М.: Вече, 2006. — 432 с.
12. Первушин А. И. Битва за звезды-2. Космическое противостояние (часть I). — М.: ООО «Издательство ACT», 2004–499 с.
13. Сахаров А. Н. Новейшая история России: учебник / Сахаров А. Н., Боханов А. Н., Шестаков В. А.; ред. Сахаров А. Н. — М.: Проспект, 2012. — 480 с.
14. Сыров А. От легендарной посадки «Бурана» К Новым Высотам В Ракетно-Космической Деятельности // Родина. — М.: Редакция «Российской газеты». — 2013. –С. 154–155.
15. Тетерина Н. В., Кревина Т. Е. Возвращение к использованию многоразовых космических кораблей // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. — 2012. –С. 276–277.
16. Иванов А. «Буран» и «Шаттл»: такие разные близнецы // Военное обозрение. URL: https://topwar.ru/37901-buran-i-shattl-takie-raznye-bliznecy.html (Дата обращения: 20.08.2017)
17. Шалашников И. Популярный звездочет — Спб: Accent, 2013–180 с.
18. Научно-технический энциклопедический словарь // Энциклопедии & Словари. URL: http://enc-dic.com/sciencetech (Дата обращения: 20.08.2017)
19. История шаттла Буран // Мир Знаний. URL: http://mir-znaniy.com/istoriya-shattla-buran/ (Дата обращения: 27.09.2017)
20. Конец эпохи «Шаттлов»: почему «Союз» жив, а «Атлантис» уже нет. URL: https://republic.ru/future (Дата обращения: 27.09.2017)
21. Космические диалоги // Солдаты Росии. URL: http://soldatru.ru/ (Дата обращения: 28.09.2017)
22. Многоразовые космические корабли возвращаются // Известия. URL: https://iz.ru/news/506923 (Дата обращения: 28.09.2017)