Космический корабль многоразового использования
Многора́зовый тра́нспортный косми́ческий кора́бль (МТКК) — пилотируемый космический корабль, конструкция которого предусматривает повторное использование всего корабля или его основных частей после возвращения из космического полёта. Иногда применяется название «Космический корабль многоразового использования».
В настоящее время только два государства обладают опытом создания и эксплуатации данного типа космических аппаратов: Россия и США. В США была построена целая серия больших космических кораблей многоразового использования «Спейс шаттл», в также проектировались меньшие X-20 Dyna Soar, NASP, VentureStar, в СССР и России — большой корабль «Буран» и проектировались меньшие «Спираль», «Заря», МАКС, «Клипер».
Космическая программа по использованию МТКК в России была свёрнута в связи с невозможностью дорогостоящей эксплуатацией данного типа аппаратов в сложившихся экономических условиях. В США шаттлы интенсивно используются, являясь одним из основных средств доставки крупногабаритных грузов и экипажей большой численности на МКС, хотя в связи с катастрофами шаттлов «Челленджер» (в 1986 году) и «Колумбия» (в 2003 году) их полёты приостановливались (на два года). Завершение эксплуатации шаттлов намечено на 2010 год.
Многие технологически развитые страны, в частности страны Евросоюза (в том числе ранее Франция, ФРГ, Великобритания), Япония, Китай, Индия проводили и проводят исследования направленные на создание собственных образцов космических систем многократного применения (Гермес, Хоуп, Зенгер-2, ХОТОЛ, ASSTS, RLV и т. д.).
Начало работ по созданию шаттлов было положено 5 января 1972 года, когда президент США Ричард Никсон утвердил эту программу НАСА. Но особую поддержку программе создания МТКК оказал Рональд Рейган, так как шаттлы были ключевым звеном программы «звёздных войн» — программы гонки вооружений в космосе. По расчётам экономистов, стоимость вывода в космос одной тонны груза при использовании шаттлов должна была быть низка, за счёт многократного использования дорогостоящего оборудования, с помощью шаттлов можно возвращать спутники с орбиты, осуществлять ремонт спутников в космосе, выводить в космос ядерное оружие.
На данный момент многими считается, что корабли многоразового использования не принесли планируемой выгоды, поскольку были недооценены эксплуатационные затраты. Однако подобные аппараты не являются тупиковым путём развития космонавтики и после создания более совершенных двигателей, материалов и технологий несомненно вытеснят одноразовые или частично спасаемые системы.
Отличительной особенностью космических кораблей многоразового использования в настоящее время является то, что для их запуска используются ракеты-носители — например в Советском Союзе это была «Энергия», которая по своей сути являлась ракетой-носителем особо тяжёлого класса, её использование для запуска орбитального корабля было вызвано расположением стартовой площадки в более высоких широтах по сравнению с американской системой. В США во время запуска «Шаттла» одновременно используются два твердотопливных ускорителя ( booster ) и двигатели самого орбитального корабля, криогенное топливо для которых черпается из внешнего бака. После выработки ресурса происходит отделение ускорителей, которые затем приводняются используя парашютную систему. Позднее отделяется внешний топливный бак и сгорает в плотных слоях атмосферы. Ускорители используются повторно, но имеют ограниченный ресурс. Советская ракета «Энергия» могла использоваться и для вывода на орбиту особо тяжёлых грузов (элементов космических станций, межпланетных кораблей и пр.) общим весом до 100 тонн.
Проектируются и МТКК с горизонтальным стартом, например по двухступенчатой схеме со сверхзвуковым или дозвуковым самолётом-носителем, который выводит космический аппарат на заданную точку (возможен длительный перелёт с дозаправкой в воздухе, к экваториальным областям земного шара, с более благоприятными условиями для запуска), поднимает его на определённую высоту, после чего происходит отделение МТКК и он выходит на опорную орбиту используя собственные двигатели. В частности по такой схеме создан суборбитальный космический самолёт ФАИ границей космического пространства. Одноступенчатая схема запуска, при которой воздушно-космический самолёт использует для запуска только собственные двигатели, без сбрасываемых ускорителей или внешних топливных баков (англ. SSTO — Single Stage To Orbit , одноступенчатый орбитальный корабль) большинством специалистов признается неосуществимой при современном уровне развития науки и техники. Преимущества такой схемы, в основном в эксплуатации, надёжности и времени подготовки к запуску, в настоящее время не перевешивают затрат на разработку гибридных ракетных двигателей, и сверхлёгких материалов, которые необходимы для создания такого аппарата.
Существуют также проекты многоразовых аппаратов с вертикальным взлётом и вертикальной посадкой на тяге двигателей. Наиболее разработанным (и прошедшим серию испытаний) из них является созданный в США аппарат «Delta Clipper».
Вновь разрабатываемые в США («Орион») и России (ППТС с ПТКНП («Русь»)) корабли планируются частично-многоразовыми.
Космический челнок
Многора́зовый тра́нспортный косми́ческий кора́бль (МТКК) — пилотируемый космический корабль, конструкция которого предусматривает повторное использование всего корабля или его основных частей после возвращения из космического полёта. Иногда применяется название «Космический корабль многоразового использования».
В настоящее время только два государства обладают опытом создания и эксплуатации данного типа космических аппаратов: Россия и США. В США была построена целая серия больших космических кораблей многоразового использования «Спейс шаттл», в также проектировались меньшие X-20 Dyna Soar, NASP, VentureStar, в СССР и России — большой корабль «Буран» и проектировались меньшие «Спираль», «Заря», МАКС, «Клипер».
Космическая программа по использованию МТКК в России была свёрнута в связи с невозможностью дорогостоящей эксплуатацией данного типа аппаратов в сложившихся экономических условиях. В США шаттлы интенсивно используются, являясь одним из основных средств доставки крупногабаритных грузов и экипажей большой численности на МКС, хотя в связи с катастрофами шаттлов «Челленджер» (в 1986 году) и «Колумбия» (в 2003 году) их полёты приостановливались (на два года). Завершение эксплуатации шаттлов намечено на 2010 год.
Многие технологически развитые страны, в частности страны Евросоюза (в том числе ранее Франция, ФРГ, Великобритания), Япония, Китай, Индия проводили и проводят исследования направленные на создание собственных образцов космических систем многократного применения (Гермес, Хоуп, Зенгер-2, ХОТОЛ, ASSTS, RLV и т. д.).
Начало работ по созданию шаттлов было положено 5 января 1972 года, когда президент США Ричард Никсон утвердил эту программу НАСА. Но особую поддержку программе создания МТКК оказал Рональд Рейган, так как шаттлы были ключевым звеном программы «звёздных войн» — программы гонки вооружений в космосе. По расчётам экономистов, стоимость вывода в космос одной тонны груза при использовании шаттлов должна была быть низка, за счёт многократного использования дорогостоящего оборудования, с помощью шаттлов можно возвращать спутники с орбиты, осуществлять ремонт спутников в космосе, выводить в космос ядерное оружие.
На данный момент многими считается, что корабли многоразового использования не принесли планируемой выгоды, поскольку были недооценены эксплуатационные затраты. Однако подобные аппараты не являются тупиковым путём развития космонавтики и после создания более совершенных двигателей, материалов и технологий несомненно вытеснят одноразовые или частично спасаемые системы.
Отличительной особенностью космических кораблей многоразового использования в настоящее время является то, что для их запуска используются ракеты-носители — например в Советском Союзе это была «Энергия», которая по своей сути являлась ракетой-носителем особо тяжёлого класса, её использование для запуска орбитального корабля было вызвано расположением стартовой площадки в более высоких широтах по сравнению с американской системой. В США во время запуска «Шаттла» одновременно используются два твердотопливных ускорителя ( booster ) и двигатели самого орбитального корабля, криогенное топливо для которых черпается из внешнего бака. После выработки ресурса происходит отделение ускорителей, которые затем приводняются используя парашютную систему. Позднее отделяется внешний топливный бак и сгорает в плотных слоях атмосферы. Ускорители используются повторно, но имеют ограниченный ресурс. Советская ракета «Энергия» могла использоваться и для вывода на орбиту особо тяжёлых грузов (элементов космических станций, межпланетных кораблей и пр.) общим весом до 100 тонн.
Проектируются и МТКК с горизонтальным стартом, например по двухступенчатой схеме со сверхзвуковым или дозвуковым самолётом-носителем, который выводит космический аппарат на заданную точку (возможен длительный перелёт с дозаправкой в воздухе, к экваториальным областям земного шара, с более благоприятными условиями для запуска), поднимает его на определённую высоту, после чего происходит отделение МТКК и он выходит на опорную орбиту используя собственные двигатели. В частности по такой схеме создан суборбитальный космический самолёт ФАИ границей космического пространства. Одноступенчатая схема запуска, при которой воздушно-космический самолёт использует для запуска только собственные двигатели, без сбрасываемых ускорителей или внешних топливных баков (англ. SSTO — Single Stage To Orbit , одноступенчатый орбитальный корабль) большинством специалистов признается неосуществимой при современном уровне развития науки и техники. Преимущества такой схемы, в основном в эксплуатации, надёжности и времени подготовки к запуску, в настоящее время не перевешивают затрат на разработку гибридных ракетных двигателей, и сверхлёгких материалов, которые необходимы для создания такого аппарата.
Существуют также проекты многоразовых аппаратов с вертикальным взлётом и вертикальной посадкой на тяге двигателей. Наиболее разработанным (и прошедшим серию испытаний) из них является созданный в США аппарат «Delta Clipper».
Вновь разрабатываемые в США («Орион») и России (ППТС с ПТКНП («Русь»)) корабли планируются частично-многоразовыми.
Многоразовые космические корабли
Под многоразовым космическим кораблём подразумевается такой аппарат, конструкция которого позволяет повторно использовать весь корабль или его основные части. Первым опытом в этой сфере стал «космический челнок» Space Shuttle. Затем задачу создания аналогичного аппарата поставили советским учёным, в результате чего появился «Буран».
В обеих странах проектируют и другие аппараты. На данный момент самым заметным примером проектов такого типа является частично многоразовый Falcon 9 от компании SpaceX с возвращаемой первой ступенью.
Сегодня поговорим о том, зачем подобные проекты разрабатывали, как они показали себя с точки зрения эффективности и какие перспективы у этого направления космонавтики.
История космических челноков началась в 1967 году, до первого пилотируемого полёта по программе «Аполлон». 30 октября 1968 года НАСА обратилось к американским космическим компаниям с предложением проработать многоразовую космическую систему с целью снижения затрат на каждый пуск и на каждый килограмм полезного груза, выведенного на орбиту.
Правительству предложили несколько проектов, но каждый из них стоил не менее пяти миллиардов долларов США, так что Ричард Никсон отверг их. Планы у НАСА были крайне амбициозные: проект подразумевал работу орбитальной станции, на которую, и с которой, челноки постоянно возили бы полезные грузы. Также челноки должны были запускать и возвращать спутники с орбиты, обслуживать и ремонтировать спутники на орбите, проводить пилотируемые миссии.
Финальные требования к кораблю выглядели так:
- Грузовой отсек 4,5х18,2 метра
- Возможность горизонтального маневра на 2000 км (маневр самолета в горизонтальной плоскости)
- Грузоподъёмность 30 тонн на низкую околоземную орбиту, 18 тонн на полярную орбиту
Решением стало создание шаттла, инвестиции в который должны были окупиться благодаря выводу на орбиту спутников на коммерческой основе. Для успеха проекта было важно максимально снизить стоимость вывода каждого килограмма груза на орбиту. В 1969 году создатель проекта говорил о снижении стоимости до 40-100 американских долларов за килограмм, в то время как для Сатурн-V этот показатель составлял 2000 долларов.
Для запуска в космос шаттлы использовали два твердотопливных ракетных ускорителя и три собственных маршевых двигателя. Твердотопливные ракетные ускорители отделялись на высоте 45 километров, затем приводнялись в океан, ремонтировались и использовались повторно. Главные двигатели используют жидкий водород и кислород в подвесном топливном баке, который отбрасывался на высоте 113 километров, после чего частично сгорал в атмосфере.
Первым прототипом «Спейс Шаттла» стал «Энтерпрайз», названный так в честь корабля из сериала «Звёздный путь». Корабль проверяли на аэродинамичность и тестировали на способность приземлиться при планировании. В космос первым отправилась «Колумбия» 12 апреля 1981 года. Фактически это тоже был испытательный пуск, хотя при этом на борту находился экипаж в составе двух астронавтов: командира Джона Янга и пилота Роберта Криппена. Тогда всё сложилось удачно. К сожалению, именно этот шаттл потерпел крушение в 2003 году с семью членами экипажа, на 28 пуске. Такая же судьба была у «Челленджера» — он выдержал 9 пусков, а на десятом — потерпел крушение. 7 членов экипажа погибли.
Хотя НАСА в 1985 году планировали по 24 запуска ежегодно, за 30 лет использования шаттлов они взлетали и вернулись 135 раз. Два из них — неудачно. Рекордсменом по количеству пусков стал шаттл «Дискавери» — он пережил 39 стартов. «Атлантис» выдержал 33 пуска, «Колумбия» — 28, «Индевор» — 25 и «Челленджер» — 10.
Шаттлы «Дискавери», «Атлантис» и «Индевор» использовались для доставки грузов на Международную космическую станцию и на станцию «Мир».
Стоимость доставки грузов на орбиту в случае со Спейс шаттлами оказалась самой высокой за всю историю космонавтики. Каждый пуск стоил от 500 миллионов до 1,3 миллиардов долларов, каждый килограмм — от 13 до 17 тысяч долларов. Для сравнения, одноразовая ракета-носитель «Союз» способна выводить в космос грузы по цене от 4 242 до 11 265 долларов за килограмм. Программа «Спейс Шаттл» планировалась как самоокупаемая, но в итоге стала одной из самых убыточных
Последний полёт по программе «Спейс Шаттл» состоялся в 2011 году. 21 июля того года на Землю вернулся «Атлантис». Последняя посадка «Атлантиса» ознаменовала собой конец целой эпохи. Подробно о том, что планировали, и что получилось в программе «Спейс Шаттл», читайте в этой статье .
В СССР решили, что характеристики «Спейс шаттла» позволяют похищать с орбиты советские спутники или целую космическую станцию: челнок мог выводить на орбиту 29,5 тонн груза, а спускать — 14,5 тонн. С учётом планов в 60 пусков в год это 1770 тонн ежегодно, хотя на тот момент США не отправляли в космос и 150 тонн за год. Спускать предполагалось 820 тонн в год, хотя обычно с орбиты ничего не спускалось. Чертежи и фото шаттла позволяли предположить, что американский корабль может с помощью ядерных боеприпасов атаковать СССР из любой точки околоземного пространства, находясь вне зоны радиовидимости.
Для защиты от возможного нападения на станциях «Салют» и «Алмаз» установили модернизированную автоматическую 23-миллиметровую пушку НР-23. А чтобы не отставать от американских братьев в военнизированном космосе, в Союзе начали разработку орбитального корабля-ракетоплана многоразовой космической системы «Буран» .
Разработка многоразовой космической системы началась в апреле 1973 года. Сама идея имела множество сторонников и противников. Руководитель института Минобороны по военному космосу подстраховался и сделал сразу два отчёта — в пользу и против программы, и оба эти отчёта оказались на столе Д. Ф. Устинова, Министра обороны СССР. Он связался с Валентином Глушко, ответственным за программу, но тот отправил на встречу вместо себя своего сотрудника в «Энергомаше» — Валерия Бурдакова. После разговора на тему военных возможностей «Спейс Шаттла» и советского аналога, Устинов подготовил решение, по которому разработка многоразового космического корабля получила самый высокий приоритет. За создание корабля принялось созданное для этих целей НПО «Молния».
Задачами «Бурана» по плану Минобороны СССР были: противодействие мероприятиям вероятного противника по расширению использования космического пространства в военных целях, решение задач в интересах обороны, народного хозяйства и науки, проведение военно-прикладных исследований и экспериментов с использованием оружия на известных и новых физических принципах, а также выведение на орбиту, обслуживание и возвращение на землю космических аппаратов, космонавтов и грузов.
В отличие от НАСА, которое рискнуло экипажем во время первого пилотируемого полёта шаттла, свой первый полёт «Буран» совершил в автоматическом режиме с помощью бортового компьютера на базе IBM System/370. 15 ноября 1988 года состоялся пуск, ракета-носитель «Энергия» вывела космический корабль на околоземную орбиту с космодрома Байконур. Корабль совершил два витка вокруг Земли и произвёл посадку на аэродроме «Юбилейный».
Во время посадки произошло происшествие, которое показало, насколько умной получилась автоматическая система. На высоте 11 километров корабль совершил резкий манёвр и описал петлю с разворотом на 180 градусов — то есть сел, зайдя с другого конца посадочной полосы. Это решение автоматика приняла после получения данных о штормовом ветре, чтобы зайти по наиболее выгодной траектории.
Автоматический режим был одним из главных отличий от шаттла. Кроме того, шаттлы садились с неработающим двигателем и не могли несколько раз заходить на посадку. Для спасения экипажа в «Буране» предусмотрели катапульту для первых двух пилотов. По сути конструкторы из СССР скопировали конфигурацию шаттлов, чего не отрицали, но сделали ряд крайне полезных нововведений с точки управления аппаратом и безопасности экипажа.
К сожалению, первый полёт «Бурана» стал последним . В 1990 году работу приостановили, а в 1993 — полностью закрыли.
Как иногда случается с предметами гордости нации, версия 2.01 «Байкал», которую хотели отправить в космос, гнил долгие годы на причале Химкинского водохранилища.
К истории вы могли прикоснуться в 2011 году. Более того, тогда от этой истории люди даже куски обшивки и теплозащитного покрытия могли оторвать . В том году корабль доставили из Химок в Жуковский, чтобы реставрировать и представить на МАКСе через пару лет.
