«Спейслэб»

Вверху. Открытая секционная платформа блока «Спейслэб», на которой могут быть установлены крупные приборы, предназначенные для проведения экспериментов непосредственно в космическом пространстве и контролируемые из лабораторного отсека, летной палубы «Орбитера» или с Земли.

Представители НАСА и промышленности, занимающиеся планированием операций «Шаттла», предполагали использовать его не только для выполнения функций «космического грузовика», заменяющего одноразовые ракеты-носители, но и для налаживания космического производства. Эксперименты, проведенные во время полетов корабля «Аполлон» на Луну, по программе «Аполлон» - «Союз» в 1975 г. и на станции «Скайлэб», показали, что невесомость, возникающая при полете космических аппаратов, создает благоприятные условия для ряда технологических процессов. Среди таких производственных процессов выращивание кристаллов высокой чистоты для электронных приборов, получение сверхпрочных сплавов металлов и фармацевтических препаратов высокой чистоты, например вакцин.

Потенциальные производственные возможности, продемонстрированные в экспериментах по программам «Аполлон» и «Скайлэб», вряд ли могли быть реализованы без космической лаборатории. Бюджетные ограничения не позволили НАСА разработать такой лаборатории. НАСА обратилось к Западной Европе, где предложение было поддержано, и консорциум из десяти стран дал согласие разработать лабораторный комплекс «Спейслэб».

«Спейслэб» проектировался с учетом размеров грузового отсека «Орбитера» и весовых ограничений. На начальном этапе он будет использоваться как присоединенный полезный груз, а в дальнейшем может стать свободно летающей лабораторией и оставаться на орбите в промежутках между полетами «Шаттла».

14 августа 1973 г. НАСА и Европейское космическое агентство, представляющее консорциум, подписали меморандум взаимопонимания, предусматривающий разработку лаборатории «Спейслэб» с начальной стоимостью около 500 млн. долл.

Внизу. Технический персонал проводит работы с прототипом оборудования в лабораторном отсеке блока «Спейслэб». В космосе трое ученых смогут работать в герметизированной лаборатории в обычной одежде.

Летная комплектация Типовые варианты летной комплектации в грузовом отсеке Вверху. Удлиненный герметизированный отсек длиной 5,4 м соединен с отсеком экипажа «Орбитера» гибким тоннелем длиной 4,6 м. Эта сборка занимает более половины грузового отсека длиной 18,3 м. В свободных объемах могут быть размещены крупногабаритные приборы или антенны. В центре. Базовый герметизированный отсек длиной 2,7 м и гибкий тоннель занимают половину грузового отсека. Силовая электрическая сеть связывает отсек с тремя секциями открытой платформы длиной 8,9 м для размещения экспериментального оборудования. Внизу. В грузовом отсеке размещается до пяти секций открытой платформы с экспериментальным оборудованием массой 5400 кг. Круглый выступ на передней секции - герметизированный терморегулируемый контейнер для размещения вспомогательного служебного оборудования для проведения экспериментов, например вычислительных машин и блока распределения электроэнергии.

«Спейслэб» состоит из двух частей: одна из них представляет собой герметизированный цилиндрический технологический модуль, другая - открытую платформу, на которой могут быть установлены блоки научных приборов.

Герметизированный модуль состоит из двух отсеков, каждый длиной 2,7 м и диаметром 4,06 м. Один из этих отсеков, базовый, включает оборудование системы жизнеобеспечения, аппаратуру для обработки информации и рабочее помещение. Другой отсек - полностью лабораторный. При совместной сборке оба отсека образуют лабораторный отсек длиной 6,9 м вместе с торцевыми выпуклыми днищами. Базовый отсек может функционировать отдельно.

Открытая платформа также состоит из секций длиной по 2,9 м. В грузовом отсеке может быть установлено до пяти таких секций, причем возможны различные комбинации отсеков герметизированного модуля и секций открытой платформы. При первом полете «Шаттл» - «Спейслэб» («Спейслэб-1») планировалось вывести лабораторный отсек и одну секцию открытой платформы. Этот полет первоначально предполагалось осуществить во второй половине 1982 г., однако в связи с задержками работ по программе «Шаттл» он был перенесен на более поздний срок. В полетах лаборатории «Спейслэб» будет участвовать экипаж из шести человек: командира, пилота, двух специалистов по операциям, подготовленных по программе для астронавтов, и двух специалистов по полезному грузу с ограниченной подготовкой по программе для астронавтов.

От Европейского космического агентства в программе «Спейслэб» участвуют Австрия, Бельгия, Дания, Франция, ФРГ, Италия, Нидерланды, Испания, Швейцария и Великобритания. Головным разработчиком выбрана западногерманская фирма VFW-«Фоккер»/ERNO (г. Бремен), причем ФРГ вкладывает наибольшую долю средств. Руководство программой осуществляет Европейский центр космических исследований и технологии (ESTEC) в Ноордвейке (Нидерланды).

Во время первых двух полетов лаборатории «Спейслэб» планируется провести более 50 научных экспериментов, в том числе 37 экспериментов в лаборатории «Спейслэб-1» (24 европейских и 13 американских). Лаборатория «Спейслэб-2» будет содержать только секции открытой платформы с установленными на них астрономическими, астрофизическими и метеорологическими приборами. Полет лаборатории «Спейслэб-3», запланированный в интересах многих заказчиков, назначен на апрель 1984 г. Комплекс будет состоять из герметизированного модуля, составленного из двух отсеков (большой модуль), и открытой платформы с оборудованием для производства материалов и научных экспериментов.

Вверху. «Энтерпрайз» отделяется от самолета-носителя «Боинг-747» при испытаниях захода на посадку и посадки 12 октября 1977 г. На верхней поверхности фюзеляжа самолета-носителя видны узлы крепления, а на концах стабилизатора - дополнительные кили площадью 18,6 м2 для повышения путевой устойчивости.

Значение программы «Спейслэб» не только в том, что лаборатория является важным полезным грузом, но и в том, что она дает возможность странам Западной Европы участвовать в пилотируемых космических полетах. Из двух специалистов по полезному грузу, которые будут находиться на борту «Спейслэб-1», один будет европеец, другой американец.

В начале эксплуатации корабля «Шаттл» и лаборатории «Спейслэб» специалистами по операциям будут ученые-астронавты, которые в течение ряда лет состоят в отряде астронавтов. Новая группа астронавтов корабля «Шаттл» начала тренировки в 1978 г. Из 8000 лиц, подавших заявления, было отобрано 35 человек, включая 6 женщин. В конце концов новые астронавты заменят астронавтов старшего поколения в качестве пилотов и специалистов по операциям.

«Энтерпрайз» и «Колумбия»

Испытания первого «Орбитера», названного «Энтерпрайз», были начаты Центром летных исследований Драйдена на базе ВВС Эдвардс в феврале 1977 г.

Испытания проводились с целью проверки систем «Орбитера» и оценки его летных характеристик в нижних слоях атмосферы. Программа началась рулежными испытаниями, при которых «Орбитер» был установлен на фюзеляже реактивного транспортного самолета «Боинг-747». Затем последовала серия беспилотных и пилотируемых летных испытаний в связке с самолетом-носителем от взлета до посадки. Во время этих испытаний тщательно проверялась работа аэродинамических органов управления «Орбитера» - элевонов на крыльях, подфюзеляжного щитка и воздушных тормозов на верхней секции руля направления.

Пилотируемые испытания в свободном полете начались 12 августа 1977 г. Астронавты Ф. Хейз и К. Фуллертон пилотировали 75-тонный планер по U-образной трассе после его отделения на высоте около 7000 м от самолета «Боинг-747» и успешно совершили посадку. Обоих астронавтов удивила быстрота реакции «Орбитера». В управлении он напоминал истребитель.

Еще четыре испытания в свободном полете подтвердили результаты первого - характеристики «Орбитера» в нижних слоях атмосферы соответствовали данным испытаний в аэродинамических трубах. О характеристиках в верхних слоях атмосферы при гиперзвуковых скоростях предстояло судить только по результатам орбитальных летных испытаний. Испытания захода на посадку и посадки на авиабазе Эдвардс были завершены 26 октября 1977 г.

После этого «Энтерпрайз» был отправлен на самолете-носителе «Боинг-747» в Центр космических полетов им. Маршалла (г. Хантсвилл, шт. Алабама) для вибрационных испытаний конструкции в течение восьми месяцев. После подтверждения летной годности конструкции аппарат был доставлен 10 апреля 1979 г. на самолете «Боинг-747» в Центр космических полетов им. Кеннеди.

1 мая 1979 г. «Энтерпрайз» в сборе с внешним баком и твердотопливными ускорителями выкатили из здания сборки на подвижной стартовой платформе.

Вверху. Декабрь 1977 г. Европейское космическое агентство (ЕСА) представляет специалистов по полезному грузу, кандидатов на первый полет лаборатории «Спейслэб». Слева направо: Ф Малерба (Италия), У. Мерболд (ФРГ), У. Оккелс (Нидерланды), К. Николье (Швейцария).

«Шаттл» вместе с платформой общим весом более 5000 т был перевезен на расстояние 5,6 км к стартовой позиции № 39А 2700-тонным дизель-электрическим транспортером. Эта тяжеловесная машина, созданная для транспортировки полной сборки комплекса «Сатурн»- «Аполлон» на стартовую площадку, а также две стартовые площадки были приспособлены для корабля «Шаттл».

«Энтерпрайз» был установлен на площадке в стартовом положении. Таким он предстал перед тысячами восхищенных зрителей - ширококрылая птица, приютившаяся между гигантским топливным баком и ракетными ускорителями. Пробная транспортировка была проведена с целью проверки клиренсов, особенно в модифицированном здании вертикальной сборки, для последующей перевозки «Колумбии» (так был назван «Орбитер-102», который предназначался для запуска при первом орбитальном полете «Шаттла»).

«Колумбия» была доставлена из Калифорнии 24 марта 1979 г. на самолете «Боинг-747». Она была отбуксирована в недавно построенный комплекс обслуживания «Орбитера» для подготовки к старту. Основными подготовительными операциями были монтаж трех ракетных двигателей в хвостовой части и завершение установки системы теплозащиты, которая частично была произведена на заводе.

«Спейслэб» 1 Система наведения приборов (например, телескопа). 2 Контейнеры с барием. 3 Вытяжная штанга (например, для крепления магнитометров для геологических исследований). 4 Ускоритель электронов. 5 Система радиолокационного исследования малоизученных слоев атмосферы в диапазоне высот 35-120 км над поверхностью Земли. 6 Секция открытой платформы длиной 2,9 м и шириной 4,06 м. 7 Развертываемые элементы. 8 Передаточно-связующая система. 9 Пульты управления, дисплеи и средства обработки информации. 10 Тоннель 11 Герметизированный модуль из двух отсеков длиной 2,7 м и диаметром 4,06 м каждый. 12 Смотровое окно и шлюзовая камера для научных целей. «Спейслэб» является вкладом ЕСА в программу космической транспортной системы НАСА. Максимальная масса лаборатории 11 340 кг, включая оборудование для проведения экспериментов. На рисунке показан полезный груз, предназначенный для исследований атмосферы и физики космоса.

«Спейслэб» - первая в мире космическая лаборатория многоразового использования - размещена в грузовом отсеке «Шаттла» и жестко связана с ним. Ученые в обычной одежде переходят в неё через шлюзовую камеру и гибкий тоннель, соединенные со средней палубой кабины экипажа. Когда космический самолёт возвращается на Землю, лаборатория может быть извлечена и заменена другой, оснащенной новым оборудованием для проведения экспериментов.

Система теплозащиты (тепловое экранирование) в основном состоит из 30 922 плиток, изготовленных из кварцевого волокна. Все плитки имеют разную форму, близкую к прямоугольнику со средними размерами сторон 15,2 и 20,3 см. Плитки приклеиваются к верхней и нижней поверхностям аппарата. Носок фюзеляжа и передние кромки крыла, подвергаемые наибольшему нагреву, защищены углерод-углеродным материалом. Для защиты створок грузового отсека, нижней задней поверхности фюзеляжа и верхней задней поверхности крыла применяется войлочная теплоизоляция «Номекс» (Nomex). Каждая плитка спрофилирована в точном соответствии с формой поверхности «Орбитера». После приклеивания плиток к обшивке аппарата из легкого сплава были проведены испытания на отрыв с целью проверки прочности соединения. Плитки, не выдержавшие испытания, заменялись новыми, подвергнутыми процессу уплотнения, повышавшему прочность соединения в 2-4 раза. Поверхность плиток была обработана кварцево-аммиачной суспензией и дважды термически обработана в течение 24 ч. Такому процессу уплотнения были подвергнуты около 4 500 плиток.

Затем с помощью вулканизатора, работающего при комнатной температуре, уплотненные плитки прикрепляются к обшивке «намертво», как считают эксперты фирмы «Рокуэлл». Однако процесс испытаний плиток удлинил еще на несколько месяцев и без того нарушенный график подготовки «Колумбии».

Три водородно-кислородных ракетных двигателя с номинальной тягой в вакууме по 213 000 кгс первоначально определяли темп работ над «Шаттлом». Трудности их разработки вызвали почти двухлетнее отставание от графика подготовки пуска. Двигатели имеют наивысшие из всех известных НАСА давление в камере сгорания и удельный импульс и могут дросселироваться в диапазоне 50-109% номинальной тяги.

Создавая двигатель, более мощный, чем предыдущие, фирма «Рокетдайн» столкнулась с многими проблемами разработки фактически нового двигателя, несмотря на 15-летний опыт отработки технологии. Проблемы и задержки создания двигателя привели к росту стоимости и отклонению от графика подготовки программы «Шаттл» - «Спейслэб».

В год одобрения проекта, т.е. в 1972 г., первый пилотируемый орбитальный испытательный полет планировался на март 1978 г. Пришлось решить целый ряд проблем по двигателю и тепловой защите, прежде чем в начале 1981 г. НАСА утвердило дату запуска 10 апреля. Однако в этот день за 20 мин до старта произошло рассогласование по времени на 40 мс между четырьмя основными бортовыми вычислительными машинами, что привело к дополнительной отсрочке запуска. Неполадка была быстро обнаружена и устранена, и 12 апреля в 7 ч утра по восточному поясному времени корабль «Колумбия» поднялся со стартовой позиции № 39А Центра космических полетов им. Кеннеди под действием суммарной тяги почти в 3000 тс, создаваемой тремя основными ЖРД и двумя твердотопливными ускорителями. Отделение ускорителей и внешнего бака прошло нормально (ускорители приводнились в океане в хорошем состоянии на расстоянии около 240 км от места старта), двигатели орбитального маневрирования вывели «Орбитер» на круговую орбиту высотой 240 км.

Командир корабля «Колумбия» Дж. Янг и пилот капитан Р. Криппен с похвалой отзывались о характеристиках корабля на орбите. Единственная существенная неполадка в этом полете была обнаружена после раскрытия створок грузового отсека и радиаторов - на гондолах двигателей орбитального маневрирования в нескольких местах не оказалось теплозащитных плиток. Проведя тщательный анализ, специалисты НАСА пришли к убеждению, что места отсутствия плиток не являются критическими с точки зрения тепловых нагрузок при входе в атмосферу. Во всяком случае, правильность этого вывода была подтверждена тем, что корабль «Колумбия» 14 апреля совершил благополучный вход в атмосферу, начав полет с орбитальной скоростью, соответствующей числу Маха, равному 25, и покрыв расстояние около 8150 км до касания посадочной полосы № 23 на высохшем озере Роджерс авиабазы Эдвардс (шт. Калифорния). С момента старта полет продолжался 54 ч 22 мин.

Вверху. Летная палуба корабля «Колумбия». Слева кресло командира, отделенное от кресла пилота панелью вычислительной машины управления полетом и навигационной аппаратуры. Органы ручного управления полетом находятся перед каждым креслом. На электронно-лучевых трубках отображается информация от вычислительной машины. Справа. Некоторые теплозащитные плитки «Орбитера» имеют электрическую связь с бортовыми чувствительными элементами, которые измеряют температуру и давление во время полета. На рисунке показана подготовка места приклеивания плитки с датчиком на поверхности корабля «Колумбия».

Oсновной двигатель 1 Низконапорный (бустерный) турбонасосный агрегат (ТНА) горючего. 2 Высоконапорный (основной) ТНЛ горючего. 3 Главный клапан горючего. 4 Клапан регулирования охлаждения. 5 Трубки охлаждения сопла. 6 Камера сгорания. 7 Клапан газогенератора. 8 Газогенератор. 9 Магистраль горячего газа. 10 Распылительная голов камеры сгорания. 11 Бустерный ТНА окислителя. 12 Основной ТНА окислителя. 13 Главный клапан окислителя. 14 Клапан газогенератора. 15 Газогенератор. Поступление жидкого водорода (горючее) и жидкого кислорода (окислитель) из внешнего бака «Шаттла» задерживают клапаны, расположенные на «Орбитере» перед бустерными ТНА. Перед запуском клапаны открываются и компоненты топлива поступают через бустерные и основные ТНА к главным клапанам. В контуре окислителя система заполняется до клапанов газогенератора. Криогенные компоненты топлива выдерживаются в трубопроводах достаточно долго, чтобы охладить двигатель и достичь состояния жидкой фазы компонентов в отдельных системах. В циклограмме запуска контуры водорода и кислорода работают почти одновременно. Водородный контур. Открывается главный клапан горючего, и водород поступает в контур охлаждения через трубки сопла и в основную камеру сгорания через трубопроводы подачи рабочего тела. Часть водорода из контура охлаждения направляется через клапан регулирования охлаждения в газогенератор для сжигания и охлаждения его стенок, другая (газифицированная в тракте охлаждения основной камеры сгорания) расходуется на привод бустерного ТНА. Кислородный контур. Открывается главный клапан окислителя, и жидкий кислород поступает через два ТНА к распылительной головке камеры сгорания и через клапаны газогенераторов к газогенераторам. Из основного ТНА окислителя кислород отбирается на привод турбины бустерного ТНА. Сгорание. Процесс начинается искровым зажиганием в газогенераторах и камере сгорания. Работая при соотношении компонентов менее одной части кислорода на одну часть водорода, газогенераторы вырабатывают обогащенный водородом пар, который приводит в действие два основных ТНА, перед тем как попасть в магистраль горячего газа. Поступая в распылительную головку камеры, пар смешивается с дополнительным количеством жидкого кислорода, поступающего из основного ТНА окислителя, и сгорает. Процесс сгорания заканчивается при соотношении компонентов, составляющем шесть частей кислорода на одну часть водорода.

Слева. Устройство для перемещения человека в космосе, сконструированное фирмой «Мартин-Мариетта» для выполнения астронавтами операций за бортом корабля «Шаттл». Оно массой 109 кг и оснащено двигателями системы перемещения и автостабилизации тягой 0,68 кгс с питанием от сдвоенных баллонов азота, размещенных в задней части устройства. С помощью органов ручного управления производится управление по крену, тангажу и рысканию (правая рука).

По программе летных испытаний состоялось еще три экспериментальных полета корабля «Колумбия»: второй полет (12-14 ноября 1981 г.) с экипажем в составе Дж. Энгла и Р. Трули; третий полет (22-30 марта 1982 г.) с экипажем в составе Дж. Лусма и К. Фуллертона; четвертый полет (27 июня - 4 июля 1982 г.) с экипажем в составе Т. Маттингли и Г. Хартсфилда. С пятого полета (11 -16 ноября 1982 г.), в котором экипаж состоял из четырех человек (В. Брандт, Р. Овермайер, Дж. Аллен, У. Ленуар), начались эксплуатационные полеты корабля «Спейс Шаттл».

Вверху. Астронавт-исследователь Р. Седдон работает в макете кухни корабля «Шаттл».

Кроме основного космодрома в Центре космических полетов им. Кеннеди, на модификацию которого применительно к «Шаттлу» после программы «Аполлон» было израсходовано более 240 млн. долл., сооружен отдельный комплекс на базе ВВС Ванденберг (шт. Калифорния) для запусков корабля на полярные орбиты с целью выполнения военных операций. Из планируемых 60 пусков в год 40 пусков будет проводить НАСА и 20 - ВВС.

Операции НАСА, включая полеты с блоком «Спейслэб», будут осуществляться на основе прямой оплаты.

Кроме того, НАСА предоставляет возможность запусков малых автономных полезных грузов массой до 100 кг и максимальным объемом 0,15 м³ для индивидуальных потребителей, лабораторий и университетов. Размер платы составляет около 7000 долл. за 0,1 м³ полезного груза. С середины 1979 г. были оплачены 281 таких спутника.

Санкционировано изготовление четырех летных образцов корабля «Шаттл». Кроме «Колумбии» это «Челленджер» (образец 099), «Дискавери» (103) и «Атлантис» (104), повторяющие названия знаменитых исследовательских судов. Космический корабль «Энтерпрайз» будет служить испытательным стендом и для полетов не предназначен.