Проект «МОЛ»
Несмотря на лидирующую роль НАСА в развитии пилотируемых космических полетов, ВВС США предприняли разработку собственной пилотируемой космической программы «Джемини-В»/«МОЛ» (англ. MOL - Manned Orbiting Laboratory - пилотируемая орбитальная лаборатория). Аппарат «Джемини» представлял собой двухместный космический корабль, разработанный для НАСА и применявшийся им в середине 60-х годов при подготовке к полетам на Луну по программе «Аполлон». Аппарат выводился на орбиту ракетой-носителем «Титан-2».
По проекту ВВС предусматривалась модификация корабля «Джемини» при том же носителе с целью приспособления его для челночных операций, обеспечивающих функционирование станции «МОЛ», запускаемой отдельно.
НАСА провело экспериментальные исследования возможности возвращения корабля «Джемини» на сушу с помощью крыла-парапланера вместо парашютной посадки в океан, подобно аппарату «Меркурий». Предполагалось, что это крыло, изобретенное Ф. Рогалло из Научно-исследовательского центра в Лэнгли, будет размещаться в специальном отсеке и раскрываться после входа в атмосферу. Однако длительный цикл испытаний не дал обнадеживающих результатов, и эта схема была отвергнута. (Тем не менее энтузиасты дельта-планеризма приняли крыло Рогалло за основу своих технических решений.) Аппараты «Джемини» спускались на парашютах в океан, как и впоследствии аппараты «Аполлон». ВВС рассматривали применение парапланера в программе «Джемини-В»/ «МОЛ», однако отказались от него вслед за НАСА. Хотя проект «Джемини-В»/«МОЛ» выглядел многообещающим, ВВС отложили его в 1969 г. из-за неперспективности, недостаточной обоснованности и нехватки ассигнований, подобно проекту Х-20. Кроме того, некоторым оппонентам проекта казалось, что его реализация излишняя в свете предстоящей программы «Скайлэб», предложенной НАСА.
 | Слева. Первоначальная (1968 г.) концепция МТКК «Спейс Шаттл» по проекту НАСА. V-образный одноразовый бак большой емкости (не показан), прилегающий к носовой части и боковым поверхностям аппарата, сбрасывается на траектории выведения на орбиту. Внизу. Проект НАСА 1970 г. На высоте около 80 км включаются двигатели «Орбитера» и он отделяется от ускорителя, который возвращается на Землю. В более поздних проектах была принята схема с треугольным крылом. |
 | |
Устройство для переработки отходов1 Мочеприемник на гибком шланге (может использоваться как в стоячем, так и в сидячем положении человека).
2 Сиденье.
3 Раскрывающиеся лопатки.
4 Туалетные салфетки.
5 Двигатель (рабочая частота вращения 1500 об/мин).
6 Балластный поток возуха.
7 Фильтр для отбора твердых отходов.
8 Фекалии (отброшенные на стенки контейнера).
9 Заслонка.
Система переработки отходов осуществляет сбор и обработку в условиях невесомости жидких отходов (мочи, туалетной воды, пота, мокроты, жидкостей из кухни и аппарата для передвижения в космосе) и твердых отходов (фекалий, рвотных выделений и туалетных салфеток). Твердые отходы собираются в контейнер, куда они попадают под действием потока воздуха. При открывании заслонки включается двигатель, который вращает лопатки, и они раскрываются под действием центробежной силы. Лопатки размельчают фекалии и отбрасывают их на стенки контейнера. Туалетные салфетки перелетают через лопатки и попадают на дно. Воздух проходит через фильтры в вентиляционные сепараторы. Скорость вращения двигателя может быть подобрана таким образом, что лопатки не раскроются и пакет с отходами попадет в хранилище. Емкость хранилища для высушенных в вакууме фекалий и туалетных салфеток рассчитана на 210 сут при среднем разовом выделении фекалий и потреблении бумаги 0,12 кг. Устройство может использоваться до 4 раз в течение часа.
В пилотируемых полетах кораблей «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон» преобладала гражданская направленность. Однако с появлением корабля «Шаттл» ВВС вошли в частичную кооперацию с НАСА по его использованию, и приблизительно треть всех планируемых полетов корабля стали военными. Организационная основа сотрудничества военного и гражданского ведомств по распределению транспортных средств доставки в космос и возвращения из космоса была заложена в начале 1969 г., когда космическая рабочая группа НАСА и представители командного состава министерства обороны были привлечены к планированию программы «пост-Аполлон». Несмотря на то что посадка на Луну еще была делом будущего, группе планирования стало ясно, что система «Аполлон» - «Сатурн», построенная на базе ракет-носителей и космических кораблей одноразового использования, имеет слишком высокую стоимость, чтобы применять ее после достижения поставленной цели - доставки астронавтов на поверхность Луны.
 Вверху. Перед утверждением окончательного проекта «Шаттла» в современном виде были проработаны все возможные варианты ускорительных систем. В этом варианте сохранен крылатый ускоритель, но более простой конструкции.  |
Рабочая группа пришла к выводу, что единственным рациональным направлением развития программы пилотируемых космических полетов является разработка транспортной системы многоразового использования. Аппараты, способные совершать до 100 полетов до капитального ремонта, могли бы обеспечить снижение стоимости космических операций на несколько порядков. Полагают, что стоимость выведения на орбиту одного фунта полезного груза можно снизить с 1000 до 20 долл. при использовании полностью многоразовой системы.
Прогнозируя на XXI в., космическая рабочая группа предложила структуру космической транспортной системы межпланетного масштаба. Такая система могла бы состоять из челночного корабля класса «Земля - орбита», буксира многоразового использования на химическом топливе для перемещения в космосе полезных грузов, доставленных челночным кораблем, ядерной космической ступени для перемещения полезных грузов, в том числе пилотируемых аппаратов, между орбитами Луны и планет, посадочных модулей для челночной доставки пассажиров и грузов с орбиты на поверхности Луны и планет и комплекса больших постоянно действующих космических станций на околоземных и окололунных орбитах. Объединение нескольких элементов этой системы позволило бы совершать межпланетные путешествия. Рабочая группа рекомендовала считать пилотируемый полет на Марс одной из задач новой системы в 80-е годы (ст. 15). Недостаточное финансирование ограничило дальнейшее выполнение этой грандиозной программы разработкой корабля «Шаттл», первый орбитальный полет которого состоялся 12-14 апреля 1981 г.
Предварительные разработки системы «Шаттл»
В апреле 1969 г. НАСА сформировало рабочую группу по системе «Спейс Шаттл». На этапе А предварительной разработки было решено, что система будет состоять из двух самолетов с ракетными двигателями разгонного («Бустер») и орбитального («Орбитер»). Предполагалось, что «Орбитер» будет функционировать на орбите высотой 480 км и возвращаться с горизонтальной посадкой на аэродромную полосу, подобно обычному самолету.
Обе ступени, соединенные вместе, стартуют вертикально; тяга создается дросселируемыми кислородно-водородными двигателями с высокими энергетическими характеристиками. На некоторой высоте ступени разделяются. «Бустер» возвращается на базу, «Орбитер» продолжает активный полет на орбиту, где он будет функционировать как космический корабль.
Полезный груз «Орбитера» максимальной массой 11 300 кг размещается в грузовом отсеке в задней части ступени. В передней ее части расположена герметичная кабина, вмещающая двенадцать пассажиров и двух членов экипажа.
Работы на этапе А велись многими аэрокосмическими фирмами. Вслед за предварительным рассмотрением проектов в августе 1969 г. НАСА организовало симпозиум по проектированию челночной системы, состоявшийся 16-17 октября 1969 г. в Вашингтоне в Смитсонианском музее естественной истории. Было представлено 30 работ по конфигурации аппарата, конструкции двигателей и сопутствующим техническим проблемам. Кроме основных американских аэрокосмических фирм и правительственных лабораторий была представлена также аэрокосмическая промышленность Англии, Франции и ФРГ.
Хотя рассматривались аэродинамические схемы с прямым крылом и несущим корпусом, для «Орбитера» (так же как и для «Бустера») была принята схема с дельтавидным крылом, обеспечивающая большую устойчивость и большую боковую дальность при спуске с орбиты. На обоих аппаратах предусматривалась установка турбореактивных двигателей для маневрирования в атмосфере.
 Вверху. Модель «Орбитера» в 1/3 натуральной величины в аэродинамической трубе с размерами рабочей части 12,2 X 24,4 м Эймского научно-исследовательского центра. Цель этих экспериментов - подтверждение аэродинамических характеристик «Орбитера» при малых скоростях, включая режимы планирования при заходе на посадку и посадки. |
В начале 1970 г. НАС А опубликовало рисунок нового крылатого космического корабля по результатам предварительных исследований на этапе В. Обе ступени были внушительных размеров: «Бустер» был подобен по размерам авиалайнеру «Боинг-747», «Орбитер» - транспортному самолету «Боинг-707». Такие размеры определялись объемами внутренних топливных баков для ракетных и турбореактивных двигателей.
Во всех отношениях челночный аппарат на этапе В предварительной разработки был полностью многоразовым, но при минимальной стоимости одного полета он требовал на разработку наибольших затрат из всех рассмотренных проектов.
Поскольку в национальном бюджете стоимость разработки корабля «Шаттл» была ограничена суммой 5,15 млрд. долл., для осуществления проекта потребовалось введение одноразовых элементов матчасти. НАСА рассмотрело несколько компромиссных технических решений. Одним из них было применение одноразового внешнего топливного бака. Благодаря этому стало возможным уменьшить размеры «Орбитера». Дальнейшего снижения стоимости разработки можно было достичь путем отказа от возвращающегося «Бустера» и замены его ракетными ускорителями, причем твердотопливные были дешевле, чем жидкостные.
Когда эти компромиссные решения были приняты в конце 1971 г. с целью подогнать программу под «прокрустово ложе» правительственного бюджетного бюро, транспортная система «Шаттл» в итоге работ на этапе В стала представлять собой планер с ракетными ускорителями. Некоторое время в составе «Орбитера» сохранялись турбореактивные двигатели (что существенно уменьшало полезный груз) для обеспечения безопасности посадки благодаря возможности повторного захода на полосу. В конце концов от этих двигателей отказались, как и от системы аварийного спасения экипажа при старте.
Наряду с недостатками указанные проектные изменения имели и положительные стороны. Более чем вдвое была увеличена грузоподъемность системы при выведении на орбиту, которая составила 29 500 кг. Максимальная масса возвращаемого груза была увеличена до 14 500 кг.
При возросших массах выводимого и возвращаемого полезных грузов стало возможным совершать полеты с размещением в грузовом отсеке «Орбитера» длиной 18,3 м полностью оснащенной космической лаборатории. Таким образом, европейской лаборатории «Спейслэб» предоставлялась возможность стать самым большим и самым важным полезным грузом космического корабля «Шаттл».
Система «Шаттл»
Проект корабля «Шаттл», состоящего из трех элементов - «Орбитера», ракетных ускорителей и сбрасываемого топливного бака - был одобрен 5 января 1972 г. Вопрос о целесообразности
 Вверху. Статические огневые испытания твердотопливного ускорителя «Шаттла» в феврале 1979 г. Во время этого двухминутного испытания был достигнут максимальный уровень тяги около 1300000 кгс. |
Окончательно принятая к разработке транспортная система «Спейс Шаттл» представляла собой аппарат самолетного типа длиной 37,24 м с дельтавидным крылом, имеющим размах 23,79 м, отсеком полезного груза длиной 18,3 м и шириной 4,57 м и вертикальным килем с рулем направления, имеющим поворотные щитки, работающие как воздушный тормоз.
 Вверху. Монтаж переднего блока системы ориентации на корабле «Колумбия» в декабре 1979 г. Передний блок этой системы содержит 16 двигателей малой тяги, а два задних - по 14 двигателей. |
 Вверху. Летный образец дистанционного манипулятора для извлечения различных предметов из грузового отсека «Орбитера» установлен на опорах с воздушной подушкой на стенде во время испытаний по программе «СПАР» (г. Торонто, Канада). |
Размеры «Орбитера» казались скромными в сравнении с размерами твердотопливных ускорителей длиной 45,5 м и диаметром 3,7 м и внешнего бака длиной 47 м и диаметром 8,38 м. В вертикальном стартовом положении бак закрепляется между ускорителями и к нему сбоку пристыковывается «Орбитер». Для выведения особо тяжелых полезных грузов могут быть установлены дополнительные твердотопливные ускорители.
| Справа. В здании вертикальной сборки корабль «Энтерпрайз» опускают для стыковки с внешним топливным баком и двумя твердотопливными ускорителями перед транспортировкой на стартовую позицию (май 1979 г.). Внизу справа. Инерциальная верхняя ступень включает два твердотопливных двигателя, промежуточный отсек и отсек электронного оборудования. Ступень может вывести груз массой до 2300 кг на геостационарную орбиту. |  |
В условиях неопределенной отсрочки создания космической станции, космического буксира и других средств, предусмотренных планом космической рабочей группы 1969 г., «Шаттл» разрабатывался как универсальная транспортная система без определенной целевой функции. Система была задумана в первую очередь как средство смены экипажей и материально-технического снабжения космической станции, однако такая станция не существовала и решение о ее финансировании не было принято. В связи с этим задачи «Шаттла» предстояло пересмотреть.
Точка зрения представителей НАСА состояла в том, что частично многоразовая система заменит большинство полностью одноразовых ракет-носителей, находящихся в распоряжении этой организации. Однако, поскольку рабочие орбиты «Шаттла» ограничены высотами 200-1000 км, он не сможет выполнить все задачи, решаемые одноразовыми носителями «Атлас-Центавр», «Дельта» или «Титан-3», так как не в состоянии достичь геостационарной орбиты высотой 35 800 км. Для выведения связных, метеорологических или научных спутников на такую орбиту необходима верхняя ступень.
В программе космической рабочей группы эта задача возлагалась на космический буксир с двигателем на химическом топливе. Однако его разработка не была санкционирована. Поэтому были рассмотрены другие варианты. Министерство обороны предполагало использовать верхнюю ступень с инерциальной системой наведения - «ИУС» (англ. IUS - Inertial Upper Stage) для военных операций на геостационарной или других высоких орбитах.
 Вверху. Церемония поставки НАСА фирмой «Мартин-Мариетта» первого внешнего топливного бака для «Шаттла» (9 сентября 1977 г.). Гигантский бак вмещает около 2000000 л топлива. |
НАСА начало разработку (затем остановленную) радиоуправляемой ступени «ТРС», первоначально проектируемой для стыковки со станцией «Скайлэб» в качестве ускорителя при втором орбитальном испытательном полете. Однако создание этой ступени было отложено, когда задержки разработки «Шаттла» исключили всякую возможность достижения станции «Скайлэб» в приемлемые сроки, чтобы разогнать ее для перевода на безопасную орбиту или обеспечить управляемый вход в атмосферу.
Несколько аэрокосмических фирм заключили на коммерческой основе соглашения с НАСА об изготовлении твердотопливных верхних ступеней, стабилизируемых вращением, для выполнения различных операций с полезным грузом. Все эти ступени будут выводиться на низкую околоземную орбиту вместе со спутниками в грузовом отсеке корабля «Шаттл», из которого они будут извлекаться манипулятором, дистанционно управляемым из кабины. Ступени отличаются от космического буксира многоразового использования тем, что они являются одноразовыми и, таким образом, их длительная эксплуатация обойдется дороже.