Космічний човник - варіанти оновлення - блог Бернда Лайтенбергера
Космічний човник відрізняється від інших американських систем перевізників не тільки тим, що він екіпаж, а й тим, що він є єдиним, який будувався майже без змін впродовж 30 років, чого не можна було б дізнатись лише серед конкурентів у Європі, Китаї та раніше знає все про Росію. Звичайно, це пов’язано. Вимоги безпеки не перешкоджають змінам, але роблять їх нудними та дорогими. Сьогодні я хочу пролити світло на те, які існували можливості та що вони реалізували.
Орбітальний апарат
Орбітатором були дві речі: багаторазовий транспортний засіб і наконечник корисного навантаження. Основною проблемою всієї системи було те, як вона потрапила на орбіту. В оптимальному випадку орбітальний апарат становив 70% від загальної маси. З цього було зрозуміло, що навіть за трохи вищих вимог, таких як більша орбіта та вищий нахил, корисне навантаження різко впало. Але з ним мало що можна було зробити. Було здійснено багато невеликих змін в новій кабіні, кількість теплозахисних плиток було зменшено. Але вони не сильно змінились у балансі ваги. Основна проблема вже існувала в першому польоті. Планувалося, що пороми повинні важити близько 68 т, коли вони порожні. Насправді це становило від 78 до 82 т. Тож на 10-14 т більше. Це означало, що корисне навантаження повинно зменшитися на стільки ж, тобто максимум на 16-20 т. Колумбія була приблизно на 4 тонни важча за наступні. Челенджер 3 т. Наступні орбітати отримали вдосконалення та були легшими.
Отже, ви розпочали модернізацію вже з фази розробки. Єдиною системою, яка могла це зробити, були основні двигуни. Це сталося через тиск у камері згоряння і, отже, тягу. Перші п'ять польотів були з оригінальними двигунами. За цим слідувало перше покоління із зниженими вимогами до обслуговування. NASA запланувало програму модернізації, яка збільшить тягу до 109% із 112% у надзвичайних ситуаціях. Разом із LWT це призвело б до збільшення корисного навантаження двох легших орбітальних кораблів Discovery та Atlantis до 28,7 т, близько до цілі 29,5 т. Після втрати Челленджера безпека мала пріоритет, і тепер зусилля були спрямовані на підвищення надійності, так що з більшою тягою не обійшлося. Однак у SLS двигуни працюють на рівні 109%. За допомогою космічного човника це було лише 104,5%. Кожен відсоток більше збільшує корисне навантаження на 600 кг.
Підсилювач твердого палива
Твердий підсилювач був заснований на технології підсилювача Titan 3. Як і вони, вони складались із сталевих сегментів, які були з'єднані з корпусом підсилювача за допомогою штепсельних з'єднань. Єдина нова особливість - гідравлічно обертається сопло замість вторинного впорскування. Підсилювачі також використовували стару паливну суміш на основі PBAN.
Був замін замінити їх новими підсилювачами за технологією підсилювача Titan 4B. Вони використовували матеріали CFRP для корпусу та багату алюмінієм суміш із сполучною речовиною HTPB. Підсилювачі Titan 4 були легшими за своїх попередників, мали вищий тиск у камері згоряння, а суміш також мала вищий питомий імпульс. Вони не вийшли за межі стадії проекту, хоча планування базувалося на консервативних припущеннях (зменшення маси на 11,3 т, що відповідає 15% - коли існували подібні плани щодо Ariane 5, підсилювач CFRP повинен зменшити порожню масу на 30%) плани були скасовані в 1993 році. Навіть пізніше планується перепроектувати лише попередні підсилювачі, зменшивши вдвічі кількість сегментів і зварюючи їх, аналогічно тому, як це було зроблено з Ariane 5 з підсилювачами Evolution і переключення паливної суміші на HTPB. Ці прискорювачі збільшили б корисне навантаження на 5,4 т.
Щодо постачання МКС та останніх польотів, ідеєю було нарешті розширити бустери на один сегмент, тобто з чотирьох до п’яти. Це було некритично можливо, навряд чи вплинуло на решту системи, і, перш за все, було технічно легко реалізувати. Корисне навантаження збільшилося б на МКС на 9,1 т, головним чином за рахунок менших втрат при підйомі. Після втрати Колумбії вся програма була припинена, а разом з нею і 5-сегментні підсилювачі, які зараз використовуються на SLS.
Зовнішній бак
Пороми літали з SWLT понад 25 років. Тільки з побудовою МКС цього було вже недостатньо. Бак для водню, який складає приблизно половину маси бака, тепер перейшов на літій-алюмінієвий сплав 2195 і полегшив його ще на 2,7 т. Новий процес зварювання також зменшив масу проміжної секції резервуара. Таким чином, танк є єдиною системою, яка була значно вдосконалена протягом своєї історії експлуатації. Всі заходи, вжиті разом, зменшили його масу на 7,2 т, що відповідає 6,7 т більше корисного навантаження. Без нього корисне навантаження для МКС впало б до 12 т.
Вищі класи
Космічний човник як система був здатний лише не вийти на низьку земну орбіту. Через високу порожню масу орбітального апарату корисне навантаження різко впало як при більшому нахилі, так і при більшій висоті орбіти. З синхронними сонцем орбітами близько 15 т і з висотою орбіти 611 км космічного телескопа Хаббл на 13 т. Отже, вам потрібні були вищі класи. Коли човник був виставлений на тендер, були оцінені варіанти. Були пропозиції щодо адаптації існуючих верхніх рівнів, таких як Agena, Transtage та Centaur, а також для нових верхніх рівнів. Вони думали ще далі і спланували систему, яка захоплює супутники (супутники дослідження Землі та погоди) на вищій орбіті для обслуговування або відновлення на нижчій орбіті, а потім транспортує їх назад туди. Система потрапила в заголовки, коли її використовували для порятунку космічної станції Skylab. Але у нього була та ж проблема, що і у вищих класів - у NASA вже була проблема фінансування човника. Вона відклала всі розробки. Єдиним вдосконаленим рівнем, який був розроблений, був військовий і був IUS.
На папері IUS був ідеальним вдосконаленим рівнем для космічного човника. Це була двоступенева суцільна верхня ступінь і, отже, компактна і залишала багато місця для корисного навантаження. Крім того, тверде паливо було безпечним і не вибухнуло б без займання. Питомий імпульс був порівняно високим і трохи меншим, ніж поетапно, що зберігався на рідкому паливі. Але це було у вас на папері. IUS повинен був зробити щось, чого не повинна робити жодна тверда верхня ступінь - транспорт з LEO до GEO з високою точністю. Вона також була тривісною стабілізованою і мала власну систему управління та управління. З одного боку, це зробило їх дорогими, а з іншого - вага порожнього була великою. Навіть розробка коштувала дорого, як і старша школа.
Другим верхнім рівнем був Кентавр. NASA вирішило адаптувати Centaur D, в якому бак для водню був збільшений до діаметра відсіку корисного навантаження. Було дві версії з танками різної довжини. Менший для важких навантажень ВПС і більший для космічних зондів НАСА. Незважаючи на те, що Кентавр був сертифікований як такий, що мав низькі ризики в оцінці, йому було заборонено стартувати після аварії виклику. Проблема була не в сцені. Жоден Кентавр ніколи не вибухав, навіть коли він був достроково вимкнений через помилку, як під час запуску Mariner 8. Проблемою були сценарії припинення роботи. Тому що тоді Кентавр та корисне навантаження були набагато важчі за максимальні 14,5 т, які можна було висадити. Тоді вам довелося б частково злити паливо під час аварійної посадки, і це ризиковано.
Фактично не було адекватної старшої школи. На мій погляд, з досліджуваних концепцій Agena була найкращим варіантом. Завдяки активному просуванню, Agena мала нижчу суху вагу, ніж Transtage. Вони були б перетворені на сучасну суміш NTO/UDMH, а форсунка двигуна була б подовжена. Було призначено дві версії, причому друга мала додаткові резервуари. Ця концепція полегшила б повторне використання сцени, просто додавши нові додаткові резервуари. Було заплановано трансфер між GTO/LEO та GEO/LEO. Вже тоді в GTO можна було перевезти майже 1800 кг (IUS: 2270 кг). Якби його не використовували повторно, це було б цілих 6 т. Єдиним недоліком цієї Agena з додатковими танками було те, що вона була на 1,2 м довша за Transtage як модель-конкурент. Ви не могли перевезти кілька Agenes за один рейс.
Однак у перших комерційних рейсах домінував PAM-D. PAM-D був розроблений як верхній рівень, який транспортує лише супутник класу Delta від LEO до GTO. Там супутник запалив власний привід. Також були плани щодо PAM-A з корисним навантаженням Atlas. Орбіта GTO була цілком достатньою для комерційних супутників з інтегрованим рушієм. Теоретично, човник міг перевезти до чотирьох із цих супутників. Несли максимум три. Після аварії Челленджер цей транспорт також було припинено. Кілька запусків, що залишились, тоді використовували IUS.