Здравствуйте мои уважаемые подписчики и случайные читатели данного канала.
Под моей статьей о проекте космического самолета Star-Raker, мой уважаемый подписчик задал следующий вопрос:
О проекте космолета для полетов на Луну и обратно мне неизвестно. Но как же насчет "Спейс Шаттла"? Мог ли он при каких-либо условиях достичь поверхности Луны и вернуться обратно на Землю? Попробуем сегодня разобраться.
В американском сериале - For all Mankind (буквально переводится как "Ради всего человечества"), показана альтернативная история космонавтики. Уже вышло 4 сезона и планируют снять пятый. Так вот в этой "альтернативной" истории первым человеком на Луне стал Алексей Леонов, СССР построили базу на Луне, а американцы проиграв "Лунную гонку" решили наверстывать упущенное и пустились вдогонку. В итоге программа "Аполлон" стала не тем чем была, и это были не простые полеты на Луну; была создана лунная база на южном полюсе Луны, по луне шагали астронавты с армейскими винтовками ну и далее все в классике жанра... Весь сериал пересказывать нет смысла. Но во втором сезоне можно увидеть как шаттл "Колумбия" взлетает с экипажем на борту и летит на Луну, а затем возвращается обратно. Возможно ли было осуществить такой полет в реальной жизни?
Немного технических моментов.
"Спейс Шаттл" был спроектирован для запуска на низкую околоземную орбиту разнообразной полезной нагрузки и собственно говоря экипажа. И хотя это был в целом неплохой корабль для выполнения операций на низкой околоземной орбите, у него были ограничения по высоте этой самой орбиты. Наибольшая высота которую достигал шаттл составляла чуть более 600 км, и это было при запуске и ремонте орбитального телескопа "Хаббл". Но конечно же шаттл мог бы подняться и выше. Но эта высота была компромиссом между массой выводимой нагрузки и тем количеством топлива что было на его борту.
Стандартный "Спейс Шаттл" взлетал с помощью твердотопливных ускорителей и трех маршевых двигателей RS-25 которые работали на жидком водороде в качестве топлива и жидком кислороде как окислителе. Топливо поступало из внешнего топливного бака (такая большая оранжевая бочка сбоку).
После старта челнок выходит на вытянутую эллиптическую орбиту, при этом перигей (низшая точка орбиты), находится на высоте в 60 км При такой орбите сброшенный внешний топливный бак войдет в плотные слои атмосферы и сгорит. Чтобы сформировать круговую орбиту, шаттл совершал второй маневр. Но к тому времени у шаттла заканчивалось водородное топливо, а внешний бак уже был сброшен, поэтому на корабле имелась система орбитального маневрирования.
Эта система представляла собой два двигателя AJ-10 которые работали на так называемом гиперголическом (двухкомпонентном) топливе - монометилгидразин и тетраоксид азота. Для работы системы орбитального маневрирования, на борту имелось 13,5 тонны топлива. Эти двигатели были способны придать шаттлу дополнительную, так называемую "Характеристическую скорость орбитального манёвра" или Δv, равную 300 м/с. И это было вполне неплохая скорость. Она позволяла "скруглить" орбиту, а также производить маневры на орбите, и при возвращении придать тормозной импульс для схода корабля с орбиты.
Полет шаттла на Луну. Немного математики.
Но что понадобилось бы шаттлу для полета с низкой околоземной орбиты до Луны? Ведь затем нужно было бы выйти на низкую окололунную орбиту, ну а потом все же вернуться обратно на Землю? Чтобы перейти с низкой околоземной орбиты высотой в 200 км, на переходную орбиту полета на Луну, нужно придать аппарату дополнительную скорость Δv равную 3,1 км/с. Но тогда наш шаттл просто пролетит мимо Луны. Чтобы выйти на окололунную, пусть и очень вытянутую орбиту понадобится еще 200 м/с Δv. Затем чтобы перейти на низкую окололуную орбиту аппарату еще понадобится дополнительный 600 м/с Δv. Ну а когда мы соберемся в обратный путь, нам понадобится 800 м/с Δv. Итого нашему шаттлу на весь полет понадобится Δv=4.1 км/с.
Очевидно что для такого полета нашей системе орбитального маневрирования понадобилось бы больше топлива. Но к нашему счастью разработчики шаттла предвидели то, что могут быть миссии в которых челноку понадобилось бы больше топлива, чем то количество которое помещалось в баки. Поэтому была разработана концепция при которой в отсеке полезной нагрузки челнока должны были быть размещены дополнительные баки для системы орбитального маневрирования. И все шаттлы имели топливопроводы для подключения этих дополнительных баков. Сразу оговорюсь что такая система никогда не использовалась в реальных полетах.
Так сколько же дополнительного топлива нужно было бы нам поместить в шаттл? Документы НАСА говорят о том, что двигатели AJ-10 дают удельный импульс в 313 секунд. Чтобы достичь скорости Δv в 3,1 км/с нужно топлива в 175% сухой массы шаттла, и 360% сухой массы шаттла чтобы достичь низкой окололунной орбиты. Примем массу шаттла равную 80 тоннам без полезной нагрузки. Мы получим потребность в топливе равную 140 и 290 тонн соответственно.
Отсек полезной нагрузки шаттла имеет объем равный 339 м³, исходя из его длинны в 18,3 м и ширины в 4,6 м. При плотности топлива в 1,2 т/м³, получим массу топлива в 282 тонны, что почти удовлетворило бы оба требования. Но как мы понимаем, при такой массе шаттл никогда не выйдет на орбиту Земли. Еще один момент заключается в том, тяга двигателей систему OMS очень низкая. Для ухода с низкой околоземной орбиты на траекторию перелета к Луне, понадобится несколько включений двигателей, и много оборотов вокруг Земли, а это значит и многократный пролет поясов Ван Аллена, что будет не очень то и полезно для экипажа.
С другой стороны не нужно забывать о том, что у нас есть двигатели RS-25. Они имеют гораздо большую тягу и они более эффективны. Почему бы не заполнить отсек полезной нагрузки баками с водородом и кислородом? LH2/LOX имеет плотность в 4 раза меньшую чем гиперголическое топливо, поэтому в отсек полезной нагрузки поместится всего около 84 тонн топлива. И этот даст прирост Δv примерно равный 3 км/с, что едва хватит на то чтобы пролететь мимо Луны, при условии помощи со стороны системы OMS. И конечно если мы заполним весь полезный объем отсека полезной нагрузки топливом, нам не хватит места ни на какую полезную нагрузку, что делает полет просто бессмысленным.
Но у нас есть все же лучший вариант решения проблемы, который имеет гораздо больше смысла в контексте того самого сериала о котором была речь. Наш шаттл мог бы произвести дозаправку на низкой околоземной орбите. Можно было бы сохранить внешний топливный бак и заправить его водородом и кислородом на орбите. Конечно сам бак добавит немного сухой массы к массе самого челнока, но его объем позволит вместить достаточное количество топлива, чтобы совершить полет к Луне и вывести корабль на ее орбиту, а затем вернуться обратно. И конечно же отсек полезной нагрузки будет не занят и мы могли бы взять ее с собой. Двигатели RS-25 никогда не включались повторно в космосе. Но теоретически ничто не мешало включать их несколько раз за один полет. Правда и в этом случае есть технические ограничения. Жидкий водород и кислород имеют свойство испаряться, но наш внешний бак вмешает более 700 тонн топлива поэтому этого объема хватило бы на весь полет. Но есть и еще одна техническая проблема - и это теплозащита корабля. Имевшаяся на шаттле стандартная теплозащита, при входе корабля в атмосферу на второй космической скорости, не справилась бы. Общая тепловая нагрузка и пиковый нагрев будут более чем в 2 раза выше, чем при возвращении челнока с низкой околоземной орбиты. Корабль должен был бы иметь более толстые теплозащитные плитки и иную защиту боковых поверхностей.
Заключение.
Конечно же все мои расчеты не более чем занимательная научная фантастика и простая попытка понять - могло ли произойти в реальности то что было показано в фильме. Вообще же полет шаттла на Луну очень плохая идея. У него очень много дополнительной массы за счет не нужных на Луне крыльев и конечно же он не был создан для полетов на Луну. Но научная фантастика на то и фантастика, чтобы создать образ, художественность и конечно же острый закрученный сюжет для привлечения к просмотру аудитории, а уж техническая часть или достоверность никогда небыли у создателей подобных фильмов на первом месте.
Ну а на сегодня пока всё! Всем спасибо за внимание, и всего самого наилучшего!
Для интересующихся темой "Спейс шаттлов" рекомендую свои статьи:
