Космический авиалайнер
Американская программа космического шаттла родилась в 1960-х годах, еще до высадки людей на Луну. Чиновники NASA задумывались о следующем шаге после завершения «лунной гонки» и приходили к выводу, что космонавтика вскоре сосредоточится на освоении околоземной орбиты, а ключевую роль в этом будут играть космические станции. Эти станции необходимо бы было регулярно снабжать, что слишком дорого, если корабль, ракету и ее двигатели выбрасывать после каждого запуска. Очевидным, казалось бы, решением было сделать средства запуска многоразовыми, подобно тому, как авиакомпании отправляют один и тот же самолет в тысячи рейсов.
Одним из главных сторонников этой идеи в NASA был Вальтер Дорнбергер — немецкий генерал и старый куратор Вернера фон Брауна по нацисткой ракетной программе, обеспечивавший координацию инженеров с военными, вывезенный после войны в США. Шаттл он видел как «экономичный космический самолет, способный доставлять каждое утро по свежему яйцу ко столу каждого члена экипажа космической станции».
Выражением этой идеи стал DC-3, ранний эскизный проект шаттла, придуманный инженером Максимом Фаже. Он выглядел, как грузовой самолет с небольшими крыльями, сидящий сверху носовой части большого грузового самолета. При старте связка самолетов находилась вертикально. Большой самолет работал как первая ракетная ступень, от которой на высоте в десятки километров отстыковывался корабль. После этого первая ступень садилась на аэродром, а корабль отправлялся на внутренних запасах топлива на орбиту, за чем следовал возврат на землю на тот же аэродром. Система в перспективе могла стать космическим авиалайнером, но была чрезвычайно трудна и дорога в разработке.
Но в начале 1970-х годов произошел ряд событий, которые заставили отказаться от DC-3.
Во-первых, проект оказался настолько дорогим, что в него для поддержки пришлось приглашать американских военных. Они же с не слишком характерной для армии США твердолобостью поставили перед разработчиками два условия. Во-первых, шаттл должен был работать как фоторазведчик, возвращающийся на аэродром после одного витка. За время витка из-за вращения Земли точка пуска сместится примерно на 1,5 тыс. км, и потому космолету потребуются огромные крылья, чтобы к ней вернуться.
Во-вторых, они потребовали для себя огромный грузовой отсек 18,3 на 4,6 метра, чтобы запускать на орбиту разведывательные спутники размером с автобус. Пригодность к быстротечным одновитковым пускам вкупе с огромным багажником также давала уникальную возможность похищать с орбиты советские космические станции прежде, чем в СССР успеют одуматься, а такую возможность военные хотели хотя бы на всякий случай.
Трудно назвать эти идеи иначе, чем блажью. Острая необходимость в пилотируемом орбитальном разведчике была минутным бзиком, связанным с неспособностью уследить из космоса за Шестидневной войной 1967 года и вводом советских войск в Чехословакию, и уже к середине 1970-х об этой опции не вспоминали. Спутники размером с автобус запускают довольно редко, и проектировать под них рейсовый самолет нет смысла, — да и даже на слух «разведывательно-грузовой аппарат» звучит, как армейский анекдот.
В итоге из маленького челнока шаттл превратился в гигантскую тяжелую машину, которую было невозможно создать в формате, похожем на DC-3. Вдобавок, в 1971 году после лунных высадок NASA сильно урезали бюджет, так что о многоразовой первой ступени пришлось забыть. Как и о космической станции, ради которой челнок изначально задумали.
Челнок Франкенштейна
На поздних стадиях проектирования шаттл мутировал из здравой и разумной концепции в чудище Франкенштейна, собранное из обрывков противоречивых идей. Огромный размер и большие крылья означали огромную площадь, которую необходимо было покрыть керамической теплозащитой. Ее единичные плитки не слишком дороги, но каждая изготавливается индивидуально, что сильно увеличивает цену для крупных космолетов.
Все это в совокупности привело к огромному весу шаттла, и чтобы поднять его в воздух, потребовались беспрецедентно мощные двигатели. Три водородно-кислородных RS-25 создавали по 181 тонне-сил тяги на уровне моря. Чтобы осознать, что это за величина, достаточно сказать, что один из двух турбонасосов, нагнетающих топливо в камеру сгорания, имел мощность 75 000 лошадиных сил, — в полтора раза больше всех двигателей «Титаника», имея при этом габариты подвесного лодочного мотора. Для это турбине приходилось работать при давлении в 540 атмосфер и на 36 000 оборотах в минуту, без смазки, которая бы замерзла на одном конце вала и испарилась на другом.
В этой особенности шаттла коренилась одна из главных проблем программы, и она же привела к одному из самых наглых и вопиющих обманов в истории аэрокосмической техники. В рекламных буклетах NASA, нарисованных на стадии проектирования, шаттл обслуживали между рейсами как обычный самолет, то есть, проводили беглый технический осмотр. В реальности же для обслуживания шаттла его покрывали лесами так, что снаружи не виден был космолет, а турбонасосы двигателей RS-25, снятых с аппарата, вручную перебирали инженеры в поисках усталостных дефектов. Вдобавок, далеко не все из 45 000 деталей были многоразовыми, и потому требовался постоянный приток запчастей.
На этом проблемы не заканчивались. Шаттл с присоединенным топливным баком все еще был настолько массивным, что RS-25 не могли оторвать его от стола. Для этого к ним добавляли два боковых ускорителя, которые для удешевления программы и для целей повторного использования решили сделать на твердом топливе. Твердотопливные ракеты вытеснили жидкостные из военной сферы из-за легкости в изготовлении, простоты эксплуатации и надежности, вдобавок американские наработки по ним на десятилетия обгоняли СССР.
Однако у твердого топлива есть ряд особенностей. Например, его заливают в ракетный ускоритель (по сути — стальную трубу) на заводе в виде пасты. Эту пасту необходимо заливать в один прием из одного миксера, чей размер ограничен, да и возить огромный заправленный ускоритель одним куском трудно. Поэтому крупные ракеты собираются из нескольких отдельных ступеней, но в случае ускорителей шаттла так было сделать нельзя. В итоге их собирали из нескольких стальных цилиндров, которые заправляли отдельно и стыковали между собой на космодроме. Стыки изолировали резиновыми прокладками, от которых требовалась безукоризненная надежность: иначе раскаленные газы из ускорителя начали бы бить в бак с жидким водородом, и он бы взорвался.
Поэтому обслуживание ускорителей между полетами тоже было невероятно дорогим, а неисправность прокладки привела к смертельной аварии Challenger 1986 года. Правда, ее главной причиной был запуск на морозе, от которого резина затвердела, но NASA отказалось от переноса пуска, находясь под давлением колоссальной стоимости программы.
С таким подходом о свежих яйцах на орбите не могло идти и речи, как и о десятках полетов шаттлов в год. За год челноки удавалось запустить максимум трижды, а стоило это примерно столько же, сколько не самый дешевый запуск обычной, одноразовой ракеты. В 2003 году, после второй аварии и гибели всего экипажа Сolumbia, стало ясно, что, вдобавок ко стоимости, шаттлы еще и не безопасны. Программу решено было прервать, и состоявшийся в 2011 году полет STS-135 стал последним в ее истории.
Были ли у шаттла плюсы?
Программа космического челнока увенчалась трескучим провалом, если судить ее по изначально заявленной цели — создать дешевое средство доставки грузов на низкую околоземную орбиту. Бума строительства космических станций не случилось, а те, что есть или появятся в ближайшем будущем, требуют не так много снабжения, и справиться с этой задачей могут обычные ракеты.
Безусловно, шаттл был и остается чудом инженерной мысли, который сильно повлиял на космонавтику. В частности, разрабатываемый SpaceX корабль Starship использует теплозащиту, созданную на основе плиток шаттла, и в целом опирается на полученный при его эксплуатации опыт.
Однако был у челнока и другой плюс, на котором мало акцентировали внимание при проектировании и эксплуатации, и который в значительной степени компенсирует его минусы. Это был единственный космический корабль, способный работать как космический грузовик в полном смысле слова, и доставить на орбиту хоть спутник, хоть бетонные блоки.
Это, например, позволило построить МКС в ее современном виде. Ее российские сегменты, созданные по образцу станции «Мир», по сути, представляют собой автономные космические корабли, стыкуемые между собой. Американский же сегмент создан из простых «баков» и ферменных конструкций, привезенных в багажнике шаттла и пристыкованных с помощью его робо-руки. Легкие фермы позволили разместить на станции массу грузов и оборудования, и без шаттла доставить их туда было бы практически невозможно.
Вдобавок, шаттл ответственен за другие уникальные миссии — починку телескопа Hubble. Запустить его при сильной модификации конструкции гипотетически могли бы и без челнока, как запустили в наши дни James Webb. Однако в 1990 году, вскоре после начала работы телескопа, выяснилось, что на земле его собрали с дефектом, из-за которого его изображения получались размытыми. Для исправления этого дефекта инженеры придумали корректор («очки»), для установки которого в 1993 году к телескопу пристыковался шаттл Endeavour.
Ничего даже отдаленно похожего нельзя было бы сделать ни с помощью «Союзов», ни «Аполлонов», ни современных Crew Dragon. Сейчас, если на Hubble что-то выйдет из строя и потребует ремонта, астрономам придется смириться с потерей, — либо же ждать, пока какая-то страна сделает аналогичный космический грузовик.