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

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:
Несбывшиеся надежды: что планировали и что получилось в программе «Спейс Шаттл»
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).
Несбывшиеся надежды: что планировали и что получилось в программе «Спейс Шаттл»
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.
Несбывшиеся надежды: что планировали и что получилось в программе «Спейс Шаттл»
Экономические расчеты. Обратите внимание, что если убрать «новые спутники» (нижняя треть таблицы), то шаттлы становятся экономически невыгодными.
Несбывшиеся надежды: что планировали и что получилось в программе «Спейс Шаттл»
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:

  • Доставка грузов различного типа (спутники, разгонные блоки, сегменты МКС).
  • Возможность ремонта спутников на низкой околоземной орбите.
  • Возможность возврата спутников на Землю.
  • Возможность отправить в полёт до восьми человек.
  • Реализована многоразовость.
  • Реализована принципиально новая компоновка космического корабля.
  • Возможность горизонтального маневра.
  • Большой грузовой отсек.
  • Стоимость и время разработки уложились в сроки, обещанные президенту Никсону в 1971 году.
  • Не достигнутые цели и провалы:

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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».
  • 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.
  • Грузоподъемность шаттлов оказалась на пять тонн ниже требуемой спецификациями (24,4 вместо 30)
  • Большие возможности горизонтального маневра никогда не применялись в реальности из-за того, что шаттл не летал на полярные орбиты.
  • Возврат спутников с орбиты прекратился в 1996 году. С орбиты было возвращено всего пять спутников.
  • Ремонт спутников тоже оказался слабо востребован. Всего было отремонтировано пять спутников (правда, Хаббл обслуживали пять раз).
  • 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.
  • То, что шаттл всегда летал пилотируемым, подвергало риску людей без необходимости — для рутинного запуска спутников хватало автоматики.
  • 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.
  • 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.
  • Новые системы управления и надкалиберные обтекатели позволили запускать большие спутники на одноразовых ракетах.
  • 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.

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • «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):

  • Ray A. Williamson «Developing the Space Shuttle»
  • T.A. Heppenheimer «The Space Shuttle Decision»
  • Стоимость килограмма на орбиту (в вики зачем-то выкинули из хорошей таблицы)
  • Информация по спутникам, которые чинили и возвращали шаттлы.
  • За картинки спасибо группе «Энциклопедия военной авиации» ВК.
  • Для навигации: посты по тегу «Облегчение доступа в космос»