Приветствую Вас мои космические друзья.
Запуск, вывод на орбиту и вход в атмосферу Земли, на сегодняшний день, являются наиболее рискованными этапами большинства пилотируемых космических полетов. При планировании этих этапов от инженеров и разработчиков космических аппаратов требуется изобретательность.
Аэродинамический нагрев космических аппаратов создает проблемы при их входе в атмосферу и, в меньшей степени, при выводе на орбиту. До создания "Спейс шаттла" почти все пилотируемые космические аппараты, выдерживали такой нагрев благодаря использованию одноразовых абляционных теплозащитных экранов. Единственным исключением был ракетоплан X-15A-2, который оснащался сменным абляционным теплозащитным экраном. Во время входа в атмосферу абляционные теплозащитные экраны обугливаются и испаряются, унося тепло. Собственно говоря абляция - это потеря массы при нагреве.
О физике процесса входа космических аппаратов в атмосферу и плазмообразовании, на канале ранее выходила статья:
О том, почему разные космические аппараты после приземления выглядят по разному читайте в статье:
Старт разработки "Спейс шаттла" (он же космический челнок), был дан президентом США Ричардом Никсоном 5 января 1972 года. Разработка шаттла ознаменовала собой прорыв в технологии теплозащитного экрана. Первоначально задуманная как полностью многоразовая и экономичная транспортная система, для снабжения космической станции и ротации экипажа, "Спейс шаттл" Никсона стал частично многоразовой космической системой. Единственной утвержденной целью шаттла стало резкое снижение стоимости запуска полезного груза в космос. Считалось, что для достижения этой цели необходим многоразовый теплозащитный экран.
На протяжении десятилетий инженеры рассматривали множество концепций многоразовых теплозащитных экранов, как правило, в различной комбинации. Первым в списке оказался слой перекрывающейся черепицы из экзотических металлических сплавов. Другие подходы включали в себя жидкостные или твердотельные радиаторы, толстые металлические или композитные пластины или даже активную систему с охлаждающей жидкостью, циркулирующей по сети трубок за корпусом из жаропрочного сплава.
К сожалению, все эти варианты имели большую массу. Чтобы компенсировать тяжелый теплозащитный экран, инженеры могли бы разработать более мощный ускоритель или уменьшить грузоподъемность, либо же сделать и то и другое одновременно. Эти подходы повысили бы затраты на разработку и эксплуатацию всей системы. Белый дом при администрации Никсона ясно дал понять, что бюджет на разработку шаттла в размере 5,15 миллиарда долларов был окончательным, и у НАСА не оставалось другого выбора, кроме как искать новые подходы, в том числе те, которые предусматривают значительное увеличение стоимости послеполетных операций.
Для орбитального корабля инженеры НАСА выбрали легкую комбинацию из теплозащитной ткани и хрупкой кварцевой керамической плитки, которую они назвали Reusable Surface Insulation - RSI (многоразовая поверхностная изоляция). Плитка выдерживала температуру до 1300° Цельсия. Усиленные углерод-углеродные композитные панели, должны были защитить передние кромки крыла орбитального аппарата, носовую часть и другие области, подверженные самым высоким температурам при входе в атмосферу (до 1700° Цельсия).
Хотя RSI и должна была блокировать почти все тепло, однако алюминиевая обшивка орбитального корабля имела тенденцию к деформации и изгибу при нагреве. Это означало, что керамические плитки, прикрепленные к обшивке, будут трескаться, что делало их уязвимыми при входе в атмосферу.
Инженеры шаттла стремились избежать повреждений. Было решено приклеивать керамические плитки RSI к гибкому тканевому слою, который в свою очередь приклеивался к обшивке орбитального аппарата, при этом сами керамические плитки были небольшими по размеру. Прибегнув к множеству маленьких плиток вместо относительно небольшого количества больших керамических панелей, инженеры разработали более лучший теплозащитный экран RSI.
Каждая из плиток была изготовлена в соответствии со своим местом на сложном изогнутом корпусе орбитального аппарата, их количество исчислялись десятками тысяч. К концу 1970-х годов, когда общее количество плиток колебалось в районе 31 000 штук, шаттл получил прозвище "Летающий кирпичный завод".
Некоторые инженеры сомневались в эффективности RSI. Исследовательский центр НАСА в Лэнгли, заключил контракт с Денверским подразделением корпорации Martin Marietta, на изучение альтернативных вариантов теплозащиты. В период с мая 1972 года по август 1973 года инженеры Martin Marietta пытались определить, смогут ли орбитальные корабли "Спейс шаттл" использовать абляционный теплозащитный экран.
Абляционный щит рассматривался как временная система, которая была нужна для того чтобы предоставить инженерам НАСА больше времени для разработки RSI в случае возникновения проблем.
В своем отчете от октября 1975 года, об исследовании абляционного теплозащитного экрана, Рольф Зайферт, который руководил исследованием, предположил, что абляционный экран может заменить RSI в течение пяти лет. Основываясь на предварительных графиках полета космических челноков, составленных в НАСА, стало ясно что 151 полет в период с 1979 по конец 1983 года будет осуществляться с использованием резервной абляционной системы.
Зайферт отметил, что в прошлых космических программах абляционные теплозащитные покрытия наносились непосредственно на корпус космических аппаратов. Однако удаление использованного абляционного материала, увеличило бы время на восстановление орбитального аппарата между полетами, и привело бы к образованию значительного количества мусора, и вредной пыли.
В дополнение к непосредственному нанесению теплозащитного покрытия, корпорация Martin Marietta исследовала три типа крепления абляционных панелей. Абляционное покрытие, могло бы наносится на панели из различных материалов: алюминия, магния, графитового композита или бериллиево- алюминиевого листа либо сот.
Панели должны были быть соединены с обшивкой шаттла с помощью креплений в виде гаек и болтов, что позволило бы заменять целые панели по мере необходимости. Отверстия увеличенного размера обеспечивали бы тепловое расширение компонентов теплозащитного экрана.
Простейшая абляционная панель с механическим креплением представляла собой абляционное покрытие, приклеенное к металлическому или композитному листу. Панель имела толщину всего около 1,5 мм. Точки крепления панели располагались на расстоянии 13 сантиметров друг от друга на большей части корабля, хотя также были возможны большие расстояния (до 51 сантиметра).
Другим вариантом была замена металлического или композитного листа на металлическую или композитную сотовую конструкцию. Соты заполнялись абляционным покрытием, а затем такая панель крепилась болтами к обшивке орбитального аппарата.
Команда инженеров использовала компьютерные модели для определения необходимой толщины аблятора, которая будет варьироваться в зависимости от его расположения на орбитальном аппарате. Все модели предполагали максимальную перегрузку при входе в атмосферу, равную 2,5 G, а максимально допустимую температуру алюминиевого корпуса орбитального аппарата в 177° Цельсия.
Для расчетов инженеры использовали свойства нескольких типов абляционных материалов, разработанных для других различных космических проектов. Было обнаружено, что для большинства мест на орбитальном аппарате было достаточно самого просто аблятора.
Абляционный слой для большинства мест корабля мог быть достаточно тонким. Например, компьютерные модели указывали на то, что для точки расположенной в полутора метрах от носа, на нижней стороне орбитального аппарата, потребуется слой абляционного материала толщиной в 4 сантиметра.
Оценка стоимости абляционных конструкций по отношению к RSI была затруднена отчасти потому, что окончательная оценка стоимости программы "Спейс шаттл" была не известной . В своем отчете Зайферт предоставил смету для нескольких абляционных конструкций.
Система с аблятором, приклеенным непосредственно к алюминиевой обшивке орбитального аппарата, по оценкам Зайферта, обошлась бы в общей сложности в 164,8 миллиона долларов за 151 полет в течение пяти лет. Из этой суммы на установку и демонтаж придется около 27,9 миллионов долларов.
Система, состоящая из алюминиевого листа, и аблятора, будет стоить 168,3 миллиона долларов, а стоимость установки и демонтажа — 21,9 миллиона долларов. Система из сот обошлась бы в 187,1 миллиона долларов, из которых 25,7 миллиона долларов были бы потрачены на установку и демонтаж.
НАСА предоставило инженерам оценку массы RSI в 13,7 тонн, что позволило сравнить массу RSI и абляционной системы. Исследование показало, что аблятор, непосредственно прикрепленный к обшивке орбитального аппарата, будет весить 12,3 тонны, в то время как системы с металлическими листами и сотовой конструкцией будут весить 14,8 и 14,5 тонн соответственно.
Зайферт отметил, что если будет принято решение об использовании механически прикрепленных абляционных панелей, то необходимо будет внести изменения в конструкцию алюминиевой обшивки орбитального аппарата. Перепроектирование сделает стоимость внедрения абляционного теплозащитного экрана космического челнока непомерно высокой.
К тому времени, когда доклад Зайферта был опубликован, абляционный теплозащитный экран шаттла уже не входил в список приоритетов НАСА, и фактически не рассматривался.
В конце 1970-х годов проблемы с главным двигателем шаттла, RSI, компьютерами и другими системами привели к задержкам первого полета шаттла STS-1. Проблемы с RSI, стали достоянием общественности в марте 1979 года, когда первый космический шаттл "Колумбия" был доставлен из Калифорнии в Космический центр Кеннеди НАСА (KSC), на самолете-носителе Боинг-747.
Во время этого перелета "Колумбии" было установлено около 26 000 постоянных керамических плиток RSI, а также около 5000 пенопластовых фиктивных плиток. К тому времени, когда 747 и "Колумбия" приземлилась на взлетно-посадочной полосе в Космическом центре Кеннеди, челнок потерял более 200 плиток RSI. Многие из них были потеряны, из-за того что более 4800 фиктивных плиток оторвались, чего не произошло бы во время космического полета.
Однако некоторые постоянные плитки RSI были потеряны по другим причинам. Тщательный осмотр выявил производственные дефекты плиток, ошибки при монтаже и общую неожиданную степень хрупкости. Даже когда "Колумбия" готовилась к первому полету STS-1, НАСА признало, что он может быть отложен до 1980 года.
Много говорилось о так называемом "эффекте молнии" - гипотетическом катастрофическом отказе, который начнется с потери одной плитки при входе в атмосферу. Считалось, что орбитальный аппарат может пережить потерю одной плитки. Однако потеря одной плитки в любом месте ослабит смежные с ней плитки, что может привести к каскадной потере теплозащиты. На самом деле, плитоки отваливались от орбитальных аппаратов во время серии из 135 полетов шаттлов, которые начались с первого запуска шаттла "Колумбия" 12 апреля 1981 года.
Тем не менее, система RSI была подвержена повреждениям при запусках, посадках и транспортировке. Самый показательный пример этого, который произошел до катастрофы шаттла "Колумбия" в января 2003 года, произошел во время миссии STS-27 (2-6 декабря 1988 года). Это была секретная миссия Министерства обороны. Через 85 секунд после старта обломки оторвались от правого твердотопливного ракетного ускорителя, ударив по правому крылу шаттла "Атлантис". Более 700 керамических плиток RSI были повреждены, а одна была утеряна. Поскольку миссия была засекречена, об инциденте не было широко известно в течение почти 20 лет.
Космический шаттл "Колумбия" стартовал 16 января 2003 года. Во время старта кусок изолирующей пены, массой в один килограмм оторвался от внешнего топливного бака. Он ударил по углерод-углеродной передней кромке левого крыла челнока, пробив при этом отверстие шириной не менее 25 сантиметров.
Момент удара был снят на видео и он сразу же стал предметом срочных дебатов в рамках программы "Шаттл". Район удара не был виден на видео запуска, а его расположение было таким, что экипаж STS-107 не смог его увидеть. Менеджеры программы решили, что передняя кромка крыла "Колумбии" скорее всего, не повреждена.
Отверстие пропускало горячую плазму, когда "Колумбия" вошла в атмосферу 1 февраля 2003 года. Внутренняя структура крыла была разрушена, и самый старый орбитальный челнок НАСА разбился над восточным Техасом и западной Луизианой. В результате катастрофы семь членов экипажа погибли, а остальной флот шаттлов не летал в космос в течении 30 месяцев.
В январе 2004 года президент Джордж Буш-младший объявил, что все "Спейс шаттлы" будут выведены из эксплуатации после того, как выполнят миссии по сборке Международной космической станции (МКС) и ремонта орбитального телескопа "Хаббл". Последний полет шаттла STS-135 состоялся в период с 8 по 21 июля 2011 года, когда шаттл "Атлантис", был отправлен в полет к МКС. После этого полета в пилотируемой космической программе США наступил долгий период затишья.
30 мая 2020 года состоялся первый пилотируемый запуск американского пилотируемого корабля Crew Dragon от компании SpaceX. Но это уже совершенно другая история!
Статьи по теме "Спейс шатл" вышедшие на канале ранее: