Сходный по размерам с коммерческим авиалайнером DC-9, «Шаттл» по существу является самолетом с ракетными ускорителями, в котором воплощен ряд новых технических решений. Кроме космического самолета система выведения включает два твердотопливных ракетных ускорителя и большой топливный бак.
«Шаттл» стартует вертикально, причем жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), установленные на космическом самолете, и твердотопливные ускорители запускаются одновременно. На некоторой высоте ускорители отделяются и возвращаются для повторного использования. После отделения ускорителей космический самолет, называемый «Орбитер», с подвесным баком продолжает полет по расчетной траектории выведения. Незадолго до выхода на орбиту основные ЖРД отключаются, бак отделяется и не возвращается, являясь единственным одноразовым элементом системы.
Во время орбитального полета маневрирование космического самолета обеспечивается ракетными двигателями системы орбитального маневрирования («ОМС»), установленными в кормовой части фюзеляжа самолета. Ориентация самолета на орбите осуществляется двигателями малой тяги.
После выполнения космических операций двигатели «ОМС» сообщают космическому самолету тормозной импульс, он сходит с орбиты, совершает планирующий полет в атмосфере, покрывая расстояние примерно в одну пятую длины окружности земного шара, и совершает горизонтальную посадку в Центре космических полетов им. Кеннеди на аэродромной полосе длиной 5 км.
Космический самолет - самый тяжелый из когда-либо созданных планирующих аппаратов. Его сухой вес 68 т, он рассчитан на выведение полезных грузов массой до 29,5 т, размещаемых в грузовом отсеке длиной 18,3 м.
Такие характеристики космического самолета позволят разместить на нем создаваемую Европейским космическим агентством пилотируемую космическую лабораторию «Спейслэб» с открытой платформой для научных приборов. По мнению специалистов НАСА, «Спейс Шаттл» заменит все существующие американские ракеты-носители одноразового использования («Атлас-Центавр», «Дельта», «Титан-3С», «Титан-3-Центавр»), кроме ракеты «Скаут».
 Вверху. Космический корабль многоразового использования «Колумбия» перед первым полетом в космос установлен на позиции А стартового комплекса № 39 в Центре космических полетов им. Кеннеди 9 апреля 1981 г. Поворотная башня обслуживания отведена в сторону. |
 Азимуты пусков Пуски МТКК «Шаттл» будут производиться из Центра космических полетов им. Кеннеди (шт. Флорида) и с базы ВВС Ванденберг (шт. Калифорния). Из Центра космических полетов им. Кеннеди (красные трассы) полезный груз будет запускаться на приэкваториальные орбиты с наклонением 28,5-57°; с авиабазы Ванденберг (синие трассы) - на приполярные орбиты с наклонением 56-104°. Азимуты пусков ограничены во избежание падения бака или ускорителя на сушу и выбраны с учетом влияния вращения Земли. При пусках в восточном направлении сопутствующее вращение Земли позволяет вывести полезный груз массой до 29 500 кг. При пусках по крайне западному азимуту с авиабазы Ванденберг может быть выведен полезный груз массой лишь 14 500 кг. |
В перспективе предполагается использовать корабли типа «Шаттл» как транспортное средство для создания постоянно функционирующих космических станций.
Первые проекты
Первые проекты планеров с ракетными двигателями (ракетопланов) появились в Германии в 20-е годы (ст. 1). В то время европейскую техническую общественность охватила «ракетная лихорадка», романтические идеи межпланетных полетов. Эти идеи стимулировались и поддерживались широко освещаемыми в печати экспериментами Р. Годдарда в США, проектами К. Э. Циолковского в СССР и Г. Оберта в Германии1.
1Исследования и разработки в этой области, проведенные в СССР в 30-40-е годы, охарактеризованы в приложении, с. 269. Прим. ред.
Внизу. Первый старт МТКК «Спейс Шаттл», состоявшийся 12 апреля 1981 г. в 7 ч утра по восточному поясному времени с астронавтами Дж. Янгом и Р. Криппеном на борту. Хорошо видны ромбические скачки уплотнения в струях, истекающих из маршевых ЖРД, установленных на «Орбитере». Вверху. Исторический момент посадки корабля «Колумбия» 14 апреля 1982 г. на полосу № 23 Летно-исследовательского центра Драйдена на авиабазе Эдвардс. Разрезной руль направления работает как воздушный тормоз; посадочная скорость близка к расчетной 348 км/ч. |
В соответствии с Версальским договором в Германии было запрещено развитие артиллерии и военной авиации. Управление вооружений заинтересовалось перспективами ракетных экспериментов, проводимых частными лицами и отдельными группами.
В 1928 г. автогонщик-энтузиаст М. Валье установил ракетный двигатель на небольшой автомобиль фирмы «Опель». В том же году другой экспериментатор, Ф. Штаммер, пролетел 3/4 мили на легком планере, приводимом в движение упругим тросом и двумя небольшими ракетами.
В августе 1929 г. в Дессау в Германии поднялся в воздух гидросамолет «Юнкерс-33» с ракетными ускорителями. В сентябре того же года автомобильный магнат Ф. фон Опель совершил близ Франкфурта-на-Майне полет на планере с шестнадцатью твердотопливными ускорителями, покрыв расстояние около 1,5 км. Планер достиг скорости 153 км/ч и находился в воздухе в течение 75 с.
В середине 30-х годов фон Браун занимался исследованиями возможности применения ракетных двигателей на самолетах. В то же время Управление вооружений приняло к разработке ракетный двигатель для баллистического снаряда. Проходили испытания два самолета с ракетными двигателями. Один из них, «Хейнкель-176», стал первым в мире ракетопланом, рассчитанным на установившийся полет.
Впоследствии авиация перешла на более надежные и экономичные воздушно-реактивные двигатели, а ракетные двигатели стали применять на управляемых снарядах.
Группа Брауна создала баллистическую ракету «Фау-2» (А-4) и разработала проект двухступенчатой ракеты А-9/А-10, способной пересечь Атлантический океан. Вторая ступень, А-9, была снабжена крыльями для увеличения дальности полета. Ракета предназначалась для обстрела Нью-Йорка фугасным боевым зарядом массой 1 т. Хотя такая трансатлантическая ракета никогда не была создана, сама идея представляла первый вариант ракетного крылатого аппарата.
Более сложный и претенциозный проект был предложен в 1938-1942 гг. инженером из Вены Э. Зенгером и его помощником, математиком И. Бредт. Они разработали приближенную математическую модель бомбардировщика длиной 28 м с размахом крыла 15 м и полной массой 100 т, включая топливо, бомбовую нагрузку и летчика. Этот аппарат должен был получать начальный разгон с помощью наземной ракетной тележки, а затем, используя собственные ракетные двигатели, подниматься на высоту более 160 км и разгоняться до конечной скорости 6 км/с. Согласно расчетам, аппарат должен был совершать планирующий вход обратно в атмосферу по пологой траектории, чтобы рикошетировать подобно плоскому камню, скользящему по поверхности воды. После отражения аппарат будет снижаться и затем снова отражаться - каждый раз все на меньшей высоте. На пятом рикошете аппарат будет находиться на расстоянии 12 300 км от стартовой позиции, а на девятом - 15 800 км. На высоте 40 км аппарат переходит на режим планирования с непрерывным снижением. Предполагалось, что аппарат будет совершать посадку со скоростью 145 км/ч на расстоянии в половину длины окружности земного шара от стартовой позиции. Во время одного из своих погружений он сбросит 300 кг бомб.
| Справа. Модель аппарата ВВС США Х-20 («Дайна Сор») испытывается в гиперзвуковой аэродинамической трубе. Эта попытка создать «космический планер» многоразового использования, который благодаря своим аэродинамическим свойствам способен возвратиться на базу, была прекращена в 1963 г. |  |
Аппарат Зенгера - Бредт стал известен под названием «антиподный бомбардировщик». Однако за счет увеличения тяги в активном полете он мог бы достичь глобальной дальности и совершать посадку в районе стартовой позиции, став, таким образом, орбитальным бомбардировщиком. Подобный вариант, в котором планер, разогнавшийся с помощью ракетного двигателя, погружался в атмосферу и совершал трансокеанский планирующий полет, был предложен в 1949 г. Цянь Сюэ-сенем в Калифорнийском технологическом институте. Это предложение было сформулировано как идея межконтинентальной пассажирской ракеты.
Оказавшийся в руках союзников после победы над Германией проект Зенгера - Бредт не был реализован, а предложение Цянь Сюэ-сеня послужило прообразом проекта ВВС США «Дайна Сор» (англ. Dyna Soar - Dynamic Ascent and Soaring Flight - динамический набор высоты и планирование). Позднее известный под индексом Х-20 аппарат «Дайна Сор» представлял собой планер длиной 10,7 м с небольшим треугольным крылом, плоской нижней поверхностью, двухкилевым вертикальным оперением на концах крыла и скругленным носком. Он должен был запускаться на орбиту ракетой-носителем «Титан-3», входить в атмосферу после ракетодинамического маневра торможения, совершать планирующий полет и горизонтальную посадку.
Начатая в 1958 г. программа «Дайна Сор», была прекращена в 1963 г. как лишняя в свете программы пилотируемых космических кораблей НАСА. Будучи по существу гиперзвуковым планером, аппарат «Дайна Сор» стал прототипом более поздних экспериментальных бескрылых самолетов, так называемых «несущих корпусов», которые заняли определенное место в эволюционном процессе, который привел к созданию системы «Шаттл».
Форма несущего корпуса обеспечивает создание подъемной силы без крыльев. Исключение или уменьшение поверхности крыльев на планере, рассчитанном на вход в атмосферу, считалось необходимым для снижения аэродинамического нагрева при гиперзвуковых (т.е. существенно больших, чем сверхзвуковые) скоростях.
Предварительный технический облик корабля «Шаттл» формировался также под влиянием концепции межконтинентальной пассажирской транспортной системы из двух самолетов с треугольными крыльями и ракетными двигателями, предложенной В. Дорнбергером и К. Эрике. Первая, большая ступень имела пять ракетных двигателей, вторая ступень с пассажирской кабиной - три двигателя.
Разделение ступеней предусматривалось на 130-й секунде полета после старта. Экипаж разгонной ступени возвращал ее обратно на посадочный комплекс, а вторая ступень продолжала полет. Она должна была достичь максимальной скорости 13 600 км/ч, высоты 44,2 км и пересечь Атлантический океан за 75 мин.
Аналогичные принципы были заложены в первоначальный проект многоразового корабля «Шаттл» в 69-70-е годы, однако затем из-за ограничений федерального бюджета он был пересмотрен в пользу более ранней концепции планера с ракетными ускорителями.
Аппараты схемы «несущий корпус»
НАСА и ВВС США в 60-х годах предприняли исследования летательных аппаратов схемы «несущий корпус» с целью поиска оптимальной конструкции ракетного аэрокосмического самолета. ВВС начали исследования в 1961 г. программой «СТАРТ» (англ. START - Spacecraft Technology and Advanced Reentry Test - технология космического корабля и испытания перспективного способа входа в атмосферу). На следующем этапе под названием «ПРАЙМЕ» (англ. PRIME - Precision Recovery Including Manoeuvring Reentry - возвращение в заданную точку, включая маневрирование при входе в атмосферу) фирма «Мартин Мариетта» построила экспериментальный аппарат SV-5D, который совершил три успешных испытательных полета. На еще более позднем этапе программы «СТАРТ» был создан пилотируемый аппарат Х-24, рассчитанный на запуск с модифицированного бомбардировщика В-52 на высоте 13 700 м. Аппарат Х-24А (1969- 1971 гг.) развивал скорость 1610 км/ч и достигал высоты 21 600 м. В дальнейшем он был превращен в аппарат дельтавидной конфигурации.
Осуществление программы НАСА началось с создания в 1963 г. фирмой «Нортроп» несущего корпуса M2F1, в 1962-1967 гг. использовались аппарат M2F2 и другой вариант несущего корпуса HL-10 с носовым расположением кабины пилота. В конструкции обоих аппаратов предусматривалась ракетная двигательная установка.
Хотя варианты несущего корпуса рассматривались применительно к орбитальному кораблю системы «Шаттл», предпочтение было отдано схеме с дельтавидным крылом, обеспечивающей большие возможности по боковой дальности при спуске с орбиты. Проблема нагрева при входе в атмосферу была решена благодаря разработке керамического и углерод-углеродного теплозащитного покрытия для передних кромок и носка орбитального корабля.
 Вверху. Ракетные самолеты, которые использовались в рамках совместной программы ВВС и НАСА летных исследований несущих корпусов в 60-х годах. Слева направо: Х-24А; M2F3, HL-10. Такие бескрылые или с малым крылом аппараты позволили получить ценную информацию для разработки «Шаттла». Внизу. Последний из летавших несущих корпусов (Х-24В) касается полосы (1975 г.). Сравните длинную, заостренную носовую часть этого самолета, спроектированную для улучшения аэродинамических характеристик, с затупленными носками предшествующих аппаратов, показанных выше.  |
Аварийная траектория «Шаттла»При возникновении аварийной ситуации на участке выведения в течение первых 262 с выход на орбиту либо невозможен, либо нерационален, и необходимо возвращение к стартовому комплексу. Топливо расходуется, поскольку «Шаттл» продолжает активный полет по аварийной траектории (оранжевая стрелка на рисунке) , достигая дальности около 640 км на высоте 122 км. Затем с помощью специального маневра с использованием тяги двигателей «Шаттл» переходит на траекторию возвращения и тормозится. После выключения основного двигателя отделяется внешний бак. «Орбитер» спускается ниже номинальной траектории входа и должен совершить маневр набора высоты, чтобы уменьшить скоростной напор и обеспечить наибольшую располагаемую дальность полета для достижения посадочной полосы.
1 Начало аварийной траектории.
2 Активный участок тректории возврата.
3 Маневр разворота по тангажу.
4 Номинальная траектория выведения.
5 Выключение основного двигателя.
6 Пассивный (планирующий участок траектории возврата.
7 Отделение внешнего бака.
8 Номинальная траектория входа.
9 Траектория полета внешнего бака.
10 Маневр набора высоты.
11 Переход на ручное управление.
Приобретение опыта
В США идея создания самолета с ракетным двигателем была впервые воплощена в аппарате Х-1, разработанном фирмой «Белл эйркрафт» для ВВС. Одновременно Главное авиационно-техническое управление ВМС заключило контракт с фирмой «Дуглас эйркрафт» на разработку турбореактивного трансзвукового самолета D-558-I («Скайстрик»), который рассматривался как альтернатива ракетного самолета.
Самолет Х-1 сбрасывался в воздухе с бомбардировщика В-29, тогда как D-558-I был рассчитан на взлет с земли. Более поздний вариант D-558-II был снабжен ракетными двигателями и сбрасывался в воздухе с самолета В-29.
 Вверху. Эти реактивные и ракетные самолеты 40-х и 50-х годов позволили получить опыт полетов на больших высотах при сверхзвуковых скоростях и оказали решающее влияние на технический облик «Орбитера». В центре самолет «Дуглас Х-3», внизу слева - «Белл Х-1А», летавший со скоростью 2650 км/ч. Далее по часовой стрелке: турбореактивный самолет «Дуглас D-558-I» («Скайстрик»), «Конвэр XF-92А»; «Белл Х-5», имеющий крыло прямой стреловидности с переменным углом, «Дуглас D-558-II» («Скайрокет») и «Нортроп Х-4». |
 Слева. Ракетоплан «Норт америкен Х-15» подвешен для запуска под крылом самолета В-52. Снимок сделан незадолго до завершения десятилетней программы (1959-1968 гг.), во время которой была достигнута рекордная скорость полета, соответствующая числу Маха 6,7 (7274 км/ч). |
Внизу. На носке и на концах крыла ракетоплана Х-15 были установлены двигатели управления ориентацией, поскольку аппарат был спроектирован для полета на таких высотах, где управление рулем направления, рулями высоты и элеронами невозможно. |
14 октября 1947 г. Ч. Егер, летчик-истребитель, поднялся на остроносом самолете «Белл Х-1», подвешенном к бомбардировщику В-29, на высоту 11 277 м. Х-1 был сброшен над высохшим озером Роджерс в Калифорнии. Это был первый пилотируемый самолет, превысивший скорость звука. (Тридцать лет спустя орбитальный корабль «Энтерпрайз» системы «Шаттл» завершил испытательные полеты на той же самой полосе после отделения от самолета-носителя «Боинг-747».)
Следующий ракетный самолет (ракетоплан) Х-2 был предназначен для полетов на большей высоте и с большей скоростью, чем Х-1. На нем испытывалась на теплостойкость новая никелевая нержавеющая сталь (монель-К). 7 сентября 1956 г. капитан А. Кинчлоу достиг на самолете Х-2 высоты 35 403 м. Серия экспериментальных аппаратов X включала Х-1А, Х-1Е, Х-3, Х-4, Х-5 и XF-92A.
Следующим крупным шагом в развитии ракетных самолетов был аппарат Х-15, три экземпляра которого были построены фирмой «Норт америкен авиэйшн». Самолет совершил свой первый свободный полет в 1959 г. после отделения от подкрыльевого пилона бомбардировщика В-52. В июне 1962 г. он достиг высоты 76 200 м, а в августе 1963 г.- 107 900 м. Максимальная его скорость соответствовала числу Маха 6,7. Программа была завершена в октябре 1968 г. на 199-м полете.
Основным вкладом ракетопланов серии X в программу «Шаттл» было приобретение опыта полетов на большой высоте со сверхзвуковой скоростью. Характеристики самолета Х-15 при больших числах Маха позволили прогнозировать характеристики орбитального корабля. Аппараты серии X оказали решающее влияние на проект орбитального корабля.