Несбывшиеся надежды: что планировали и что получилось в программе «Спейс Шаттл»

На днях случайно заметил, что уже пять раз в комментариях отвечал на вопрос о степени успешности программы «Спейс Шаттл». Такая регулярность вопросов требует полноценной статьи. В ней я попытаюсь ответить на вопросы:

• Какие цели ставила программа «Спейс Шаттл»?
• Что получилось в итоге?

Тема многоразовых носителей очень объемная, поэтому в этой статье я специально ограничиваюсь только этими вопросами.

Что планировали?

Идея многоразовых кораблей занимала умы ученых и инженеров в США ещё с 50-х годов. С одной стороны, жалко разбивать о землю сброшенные отработавшие ступени. С другой стороны, аппарат, сочетающий в себе свойства самолёта и космического корабля, будет в русле самолётной философии, где многоразовость естественна. Рождались различные проекты: X-20 Dyna Soar, Recoverable Orbital Launch System (позже Aerospaceplane). В шестидесятые годы эта достаточно незаметная деятельность продолжалась в тени программ «Джемини» и «Аполлон». В 1965 году, за два года до полёта «Сатурна-V», был создан подкомитет по технологиям многоразовых ракет-носителей при Координационном совете по воздушно-космическим операциям (в котором участвовали ВВС США и NASA). Результатом этой работы был документ, изданный в 1966 году, в котором говорилось о необходимости преодоления серьезных трудностей, но обещалось блестящее будущее для работы на околоземной орбите. У ВВС и NASA было различное видение системы и различные требования, поэтому вместо одного проекта были представлены идеи кораблей различной компоновки и степени многоразовости. После 1966 года NASA стало задумываться о создании орбитальной станции. Такая станция подразумевала необходимость доставки большого количества грузов на орбиту, что, в свою очередь, поднимало вопрос о стоимости такой доставки. В декабре 1968 года была создана рабочая группа, которая стала заниматься т.н. объединенным аппаратом запуска и посадки Integral Launch and Reentry Vehicle (ILRV). Отчет этой группы был представлен в июле 1969 года и утверждал, что ILRV должен уметь:

• Снабжать орбитальную станцию
• Запускать и возвращать с орбиты спутники
• Выводить на орбиту разгонные блоки и полезную нагрузку
• Выводить на орбиту топливо (для последующей заправки других аппаратов)
• Обслуживать и ремонтировать спутники на орбите
• Проводить короткие пилотируемые миссии

В отчете рассматривались три класса кораблей: многоразовый корабль «верхом» на одноразовой ракете-носителе, полутораступенчатый корабль («половинка» ступени — это баки или двигатели, которые сбрасываются в полёте) и двухступенчатый корабль, обе ступени которого многоразовые.
Параллельно, в феврале 1969 года президент Никсон создал рабочую группу, задачей которой было определение направления движения в освоении космоса. Результатом работы этой группы была рекомендация создания многоразового корабля, который мог бы:

• Стать фундаментальным улучшением существующей космической техники с точки зрения стоимости и объемов выводимого на орбиту
• Транспортировать людей, грузы, топливо, другие корабли, разгонные блоки и прочее на орбиту как самолёт — регулярно, дешево, часто и много.
• Быть универсальным для совместимости с широким спектром гражданских и военных полезных нагрузок.

Изначально инженеры двигались в направлении двухступенчатой полностью многоразовой системы: большой крылатый пилотируемый корабль нес на себе небольшой крылатый пилотируемый корабль, который уже выходил на орбиту:


Такая комбинация теоретически была самой дешевой в эксплуатации. Однако требование большой полезной нагрузки делало систему слишком большой (а, следовательно, и дорогой). К тому же военные хотели возможности горизонтального маневра в 3000 км для посадки на космодроме старта на первом витке с полярной орбиты, что ограничивало инженерные решения (например, становились невозможными прямые крылья).


Судя по подписи «high cross-range» (большой горизонтальный маневр) эта картинка нравилась военным

Итоговая компоновка очень сильно зависела от следующих требований:

• Размер и емкость грузового отсека
• Величина горизонтального маневра
• Двигатели (тип, тяга и другие параметры)
• Способ посадки (на двигателях или планированием)
• Используемые материалы

В итоге на слушаниях в Белом Доме и Конгрессе были приняты финальные требования:

• Грузовой отсек 4,5х18,2 м (15х60 футов)
• 30 тонн на низкую околоземную орбиту, 18 тонн на полярную орбиту
• Возможность горизонтального маневра на 2000 км

В районе 1970 года выяснилось, что на орбитальную станцию и шаттл одновременно денег не хватит. И станция, для которой шаттл должен был возить грузы, была отменена.
В то же время в инженерной среде царил ничем не сдерживаемый оптимизм. Опираясь на опыт эксплуатации экспериментальных ракетных самолётов (X-15), инженеры прогнозировали снижение стоимости килограмма на орбиту на два порядка (в сто раз). На симпозиуме, посвященном программе «Спейс Шаттл», который проходил в октябре 1969 года, «отец» шаттла Джордж Мюллер говорил:

«Наша цель — снизить стоимость килограмма на орбиту с $2000 для Сатурна-V до уровня $40-100 за килограмм. Этим мы откроем новую эру освоения космоса. Задачей на будущие недели и месяцы для этого симпозиума, для ВВС и NASA является обеспечение уверенности в том, что мы можем это сделать.»

Б.Е. Черток в четвертой части «Ракет и людей» приводит несколько другие цифры, но того же порядка:

Для различных вариантов на базе «Спейс шаттла» прогнозировалось достижение стоимости выведения в пределах от 90 до 330 долларов на килограмм. Более того, предполагалось, что «Спейс шаттл» второго поколения позволит снизить эти цифры до 33-66 долларов на килограмм.

По расчетам Мюллера запуск шаттла должен будет стоить $1-2,5 миллиона (сравните с $185 млн. для Сатурна-V).
Также были проведены достаточно серьезные экономические расчеты, которые показали, что для того, чтобы хотя бы сравняться по стоимости с ракетой-носителем «Титан-III» при прямом сравнении цен без учета дисконта, шаттлу нужно стартовать 28 раз в год. На фискальный 1971 год президент Никсон выделил $125 миллионов на производство одноразовых ракет-носителей, что составило 3,7% от бюджета NASA. Т.е., если бы шаттл уже был в 1971 году, то он бы сэкономил всего лишь 3,7 процента бюджета NASA. Ядерный физик Ральф Лапп (Ralph Lapp) посчитал, что за период 1964-1971 шаттл, если бы уже был, сэкономил бы 2,9% бюджета. Естественно, такие цифры не могли защитить шаттл, и NASA встало на скользкую дорожку игры с цифрами: «если бы была построена орбитальная станция, и если бы она нуждалась в миссии снабжения каждые две недели, то тогда бы шаттлы экономили миллиард долларов в год». Также продвигалась идея «с такими возможностями пуска полезные нагрузки станут дешевле, и их будет больше, чем сейчас, что ещё увеличит экономию». Только комбинация идей «шаттл будет летать часто и экономить деньги на каждом пуске» и «новые спутники для шаттла будут дешевле существующих для одноразовых ракет» смогла сделать шаттл экономически выгодным.


Экономические расчеты. Обратите внимание, что если убрать «новые спутники» (нижняя треть таблицы), то шаттлы становятся экономически невыгодными.


Экономические расчеты. Платим больше сейчас (левая часть) и выигрываем в будущем (правая заштрихованная часть).

Параллельно шли сложные политические игры с участием фирм-потенциальных производителей, ВВС, правительства и NASA. Например, NASA проиграло офису менеджмента и бюджета Исполнительного офиса Президента США битву за ускорители первой ступени. NASA хотело ускорители на ЖРД, но из-за того, что ускорители на РДТТ были дешевле в разработке, были выбраны последние. ВВС, которые добивались военных пилотируемых программ с X-20 и MOL, фактически получали военные миссии шаттла бесплатно в обмен на политическую поддержку NASA. Производство шаттлов намеренно размазывалось по всей стране между разными компаниями для экономического и политического эффекта.
В итоге этих сложных маневров, контракт на разработку системы «Спейс Шаттл» был подписан летом 1972 года. История производства и эксплуатация выходит за рамки этой статьи.

Что получили?

Сейчас, когда программа закончена, можно с достаточной точностью сказать, какие цели были достигнуты, а какие — нет.

Достигнутые цели:

1. Доставка грузов различного типа (спутники, разгонные блоки, сегменты МКС).
2. Возможность ремонта спутников на низкой околоземной орбите.
3. Возможность возврата спутников на Землю.
4. Возможность отправить в полёт до восьми человек.
5. Реализована многоразовость.
6. Реализована принципиально новая компоновка космического корабля.
7. Возможность горизонтального маневра.
8. Большой грузовой отсек.
9. Стоимость и время разработки уложились в сроки, обещанные президенту Никсону в 1971 году.

Не достигнутые цели и провалы:

1. Качественное облегчение доступа в космос. Вместо снижения цены за килограмм на два порядка, «Спейс Шаттл» стал одним из самых дорогих средств доставки спутников на орбиту.
2. Быстрая подготовка шаттлов между полётами. Вместо ожидаемого срока в две недели между полётами, шаттлы готовились к пуску месяцами. До катастрофы «Челленджера» рекорд между полётами составлял 54 дня, после «Челленджера» — 88 дней. За все годы эксплуатации шаттлов они запускались в среднем 4,5 раза в год вместо минимально допустимых по расчетам 28 раз в год.
3. Простота обслуживания. Выбранные технические решения были очень трудоемкими в обслуживании. Главные двигатели требовали демонтажа и много времени на сервис. Турбонасосные агрегаты двигателей первой модели требовали полной переборки и ремонта после каждого полёта. Плитки теплозащиты были уникальны — в каждое гнездо ставилась своя плитка. Всего плиток 35 000, к тому же, они могут быть потеряны или повреждены в полёте.
4. Замена всех одноразовых носителей. Шаттлы никогда не стартовали на полярные орбиты, что нужно в основном для разведывательных спутников. Велись подготовительные работы, но они были остановлены после катастрофы «Челленджера».
5. Надежный доступ в космос. Четыре орбитера означали, что катастрофа шаттла — это потеря четверти флота. После катастрофы полёты прекращались на годы. Также, шаттлы были печально известны постоянными переносами пусков.
6. Грузоподъемность шаттлов оказалась на пять тонн ниже требуемой спецификациями (24,4 вместо 30)
7. Большие возможности горизонтального маневра никогда не применялись в реальности из-за того, что шаттл не летал на полярные орбиты.
8. Возврат спутников с орбиты прекратился в 1996 году. С орбиты было возвращено всего пять спутников.
9. Ремонт спутников тоже оказался слабо востребован. Всего было отремонтировано пять спутников (правда, Хаббл обслуживали пять раз).
10. Принятые инженерные решения негативно влияли на надежность системы. На взлете и посадке были участки без шансов на спасение экипажа при аварии. Из-за этого погиб «Челленджер». Миссия STS-9 чуть не кончилась катастрофой из-за пожара в хвостовой части, который возник уже на посадочной полосе. Случись этот пожар минутой раньше, шаттл бы упал без шансов на спасение экипажа.
11. То, что шаттл всегда летал пилотируемым, подвергало риску людей без необходимости — для рутинного запуска спутников хватало автоматики.
12. Из-за низкой интенсивности эксплуатации шаттлы устарели морально раньше, чем физически. В 2011 году «Спейс Шаттл» был очень редким примером эксплуатации процессора 80386. Одноразовые носители можно было модернизировать постепенно новыми сериями.
13. Закрытие программы «Спейс Шаттл» наложилось на отмену программы «Созвездие», что привело к потере самостоятельного доступа в космос на многие годы, имиджевым потерям и необходимости покупать места на космических кораблях другой страны.
14. Новые системы управления и надкалиберные обтекатели позволили запускать большие спутники на одноразовых ракетах.
15. Шаттл держит печальный антирекорд среди космических систем по количеству погибших людей.

Программа «Спейс Шаттл» дала США уникальные возможности по работе в космосе, но, с точки зрения разницы «что хотели — что получили» приходится сделать вывод о том, что она не достигла своих целей.

Почему так получилось?

Специально подчеркиваю, что в этом пункте я высказываю свои соображения, возможно, какие-то из них неверны.

1. Шаттлы были результатом множества компромиссов между интересами нескольких больших организаций. Возможно, если бы был один человек или команда единомышленников, которые имели бы четкое видение системы, она могла получиться удачнее.
2. Требование «быть всем для всех» и заменить все одноразовые ракеты повысило стоимость и сложность системы. Универсальность при объединении разнородных требований приводит к усложнению, удорожанию, излишнему функционалу и худшей эффективности, чем специализация. Легко добавить будильник в мобильный телефон — динамик, часы, кнопки и электронные компоненты уже есть. Но летающая подводная лодка будет сложнее дороже и хуже специализированных самолёта и подлодки.
3. Сложность и стоимость системы растет с размером экспоненциально. Возможно, шаттл на 5-10 тонн полезной нагрузки (в 3-4 раза меньше реализованного) был бы более успешен. Их можно было бы построить больше, часть флота сделать беспилотными, сделать одноразовый модуль для повышения грузоподъемности редких более тяжелых миссий.
4. «Головокружение от успехов». Успешная реализация трёх программ последовательно увеличивающейся сложности могла вскружить головы инженерам и менеджерам. В самом деле, что пилотируемый первый пуск без беспилотной отработки, что отсутствие систем спасения экипажа на участках выведения/спуска говорят о некоторой самоуверенности.

Эй, а «Буран»?

Предвидя неизбежные сравнения, придется чуть-чуть сказать и про него. По «Бурану» нет статистики эксплуатации за много лет. С ним получилось в чем-то проще — его накрыло обломками развалившегося СССР, и нельзя сказать, была бы эта программа успешной. Первую часть этой программы — «сделать как у американцев» выполнили, а что было бы дальше — неизвестно.
А желающих устроить в комментах холивар «Что лучше?» прошу предварительно дать определение, что такое по-вашему «лучше». Потому что обе фразы «Буран имеет бОльший запас характеристической скорости (delta-V), чем Спейс Шаттл» и «Шаттл не сбрасывает дорогие маршевые двигатели со ступенью ракеты-носителя» верны.

Список источников (не учитывая википедии):

1. Ray A. Williamson «Developing the Space Shuttle»
2. T.A. Heppenheimer «The Space Shuttle Decision»
3. Стоимость килограмма на орбиту (в вики зачем-то выкинули из хорошей таблицы)
4. Информация по спутникам, которые чинили и возвращали шаттлы.
5. За картинки спасибо группе «Энциклопедия военной авиации» ВК.

Источник: habrahabr.ru/post/211891/