Одной из причин, по которой рейсы шаттлов были такими дорогими и в результате от них отказались, были постоянные тщательные проверки на наличие дефектов дорожного покрытия, потому что никто не хотел повторения катастрофы Колумбии.
К сожалению, проверка на наличие дефектов покрытия была наименьшей из проблем Shuttle. Кроме того, надо было проверить его в полете - никакая дефектовка на Земле не спасла бы Колумбию, которую убили собственные твердотопливные ускорители на старте, встряхнув танк в момент воспламенения так, что обшивка в итоге отлетела от него. Какая кожа и порвало крыло.
Вообще вся программа "Спейс шаттл" - это история о том, как кроилово привело к попадалову и иллюстрация к поговорке "Комар платит дважды" .
Начнем с основных «убийц программ» — твердотопливных ускорителей. Да, именно ускорители убили "Шаттл" - и "Колумбия", и "Челленджер". Бросая вызов напрямую, Колумбия косвенно. О чем ты, скажи, Колумбию убила пена! Нет. Колумбия была убита бустерами. И вот почему.
Твердотопливный ускоритель имеет два принципиальных недостатка для пилотируемого полета - его нельзя отключить и нельзя регулировать по тяге, кроме как на этапе отливки топливного блока.
Из-за этого на старте бустеры врубались сразу на полную. В результате в момент пуска на крепления ускорителей танка пришла чудовищная ударная нагрузка в 4/5 тяги системы (от которой и оторвался тот кусок пенопласта). Почему? А потому, что жидкостные двигатели "Шаттла" запускались и выходили на полную мощность еще до отделения от стартового стола, а "Шаттл" оставался на стартовом столе только с разгонными блоками. В результате за миллисекунду до старта на баковую установку ракеты-носителя приходится нагрузка, эквивалентная примерно 270 тоннам (заправленный бак и орбитальный аппарат весят около 860 тонн, тяга, развиваемая двигателями орбитального корабля, составляет 591 тонну). А потом ХЕЕРРАК! - горят оба бустера, и нагрузка резко возрастает, свыше 2000 тонн! (2600 тонн тяги ускорителя минус 591 тонна маршевой тяги). Неплохо, скачок нагрузки в десять раз меньше секунды.
Естественно, такой скачок нагрузки привел к деформации, упругой, но. Пена гораздо хуже перенесла деформацию, чем сталь. И оторвался. Исход известен.
Но почему использовались твердотопливные ускорители? Почему не применялись плавучие двигатели? Ответ прост - попытаться сэкономить.
Предыдущая пилотируемая космическая система в Штатах была запредельно дорогой — космические корабли «Аполлон» и серия «Сатурн» стоили совершенно несметных денег. НАСА хотелось чего-то подешевле - после победы в "Гонке на Луну" на фоне трат на Вьетнам и общих проблем в экономике бюджет НАСА был в разы урезан. Выделять почти 10% госбюджета «на космос», позволивший создать «Сатурн», Конгресс был уже не готов. В результате в НАСА решили (и в целом правильно), что выбрасывать десятки тонн сверхдорогого высокотехнологичного железа при каждом запуске — расточительство, и надо думать о повторном использовании. Особенно - самое дорогое - первый шаг.
Проблема была проста как валенок - не умели сажать в автоматическом режиме. Испытания показали, что максимальная скорость, с которой можно затормозить большую и тяжелую бочку с парашютом в автоматическом режиме, составляет 23 м/с. Около 80 км/ч. Ни один ЖРД ни сейчас, ни тогда не смог бы пережить такой подарок судьбы. Другой проблемой была цена. Нужен был очень мощный двигатель, а денег на повторение разработки Ф-1, когда оптимальную форму камеры сгорания искали буквально методом научного тыка, взрывая по восемь опытных камер сгорания в неделю, не было. В многодвигательной схеме, после известий о умопомрачительных неудачах Союза с Н-1 (включая самый мощный в истории неядерный взрыв в момент, когда второй экземпляр Н-1 разбился прямо на стартовую площадку и только чудом никого не убили), скорее не очень поверили. В итоге решили сделать твердотопливный ускоритель. Большая глупая ракета. Были решены две проблемы - к тому времени НАСА уже съело пару лайков и чихуахуа на тяговитых ускорителях - вполне успешно летали Титаны и Дельты, а во-вторых, пустой металлопластиковый ствол ускорителя спокойно пережил падение в океан со скоростью менее ста км/ч. Кстати - затормаживались на воде оригинально - бустер падал хвостом вперед, вода через сопло перетекала в бустер и сжимала воздух внутри него. Он оказался своеобразным амортизатором, плавно притормозившим почти девяностотонную конструкцию, и в то же время предотвратившим ее затопление.
Но помимо пены у «Шаттла» было много других проблем. Например, двигатели РС-25 были многоразовыми весьма условно - после каждого полета их нужно было снимать с "Шаттла", разбирать до последнего болта, неисправного, менять кучу всего вышедшего из строя и собирать обратно. Причина в невероятной технической сложности конструкции. В частности, в кислородном турбонасосе использовался жидкий гелий под огромным давлением. Спроси почему? А дело в том, что окислительный турбонасос била турбина, приводимая в движение горячим восстановительным газом, а проще говоря, нагретым до довольно высокой температуры водородом со смесью водяного пара. А водород — это такой хлам, который может просочиться в любую щель, через любое уплотнение. А теперь вопрос - что будет, если горячий водород проберется по валу турбины и попадет в кислород, нагнетаемый турбонасосом? Правильно, будет очень большая БАБА, после которой турбонасос разгерметизируется, и двигатель в лучшем случае остановится. Поэтому на вал турбонасоса поставили промежуточную камеру - и в нее закачивали гелий под давлением большим, чем у самой турбины, - чтобы в таком случае из нее вытекал гелий, а не водород.
Дальше. Использование самого водорода. Да, пара водород-кислород дает офигительно высокий удельный импульс. Это плюс. Минус в том, что в формуле Циолковского, критическом уравнении, описывающем выход на орбиту, кроме УИ двигателя, есть еще и разница между массой заряженной системы и массой пустой системы. И чем больше эта разница, тем лучше. И тут появляется еще одна проблема с водородом. Это очень, очень, очень легко. В результате, чтобы взять большую массу водорода, требуется очень большой бак. Большой танк - это тяжелый танк. А нам нужно, чтобы масса пустой системы и масса заряженной системы максимально различались. Большая проблема, скажете вы. За двадцать лет до Шаттла эта проблема решалась дёшево и яростно, даже на самом первом Атласе, который из 120 тонн массы на старте имел только 8 тонн конструктивного веса (всё остальное топливо и окислитель)! Просто тонкая (миллиметр внизу и утончающаяся до 0,1мм вверху) оболочка из аустенитной стали вокруг горючего и окислителя, пусть горючее и окислитель поддерживают себя, и чтобы "баллон" не сдувался при попадании горючего израсходовано, давайте возьмем немного бензина из турбонасосов и пустим в баки - взорвем их! Но фига, подсказывает нам физика. Да, "баллон" Атласа (их даже держали надутыми, Атласы складывали под собственным весом без учёта содержимого) был очень эффективен (единственная в истории полутораступенчатая ракета, вышедшая на орбиту практически полностью, если не считать два двигателя и юбка), но. Сделать такой «шар» для водорода невозможно. Причина в том, что жидкий водород очень и очень холодный! -253 градуса! С Атласами много мучились, пока не подобрали марку стали, не кристаллизующуюся при температуре -183 при температуре жидкого кислорода. А сделать такую сталь для водорода в принципе невозможно. В итоге танк Шаттла сделали из хитрого сплава алюминия и лития, с точным литьем и большим геморроем в обработке. А танк "Шаттл" весил очень много - десятки тонн, и был очень дорог, и в то же время - в основном одноразовый.
Кроме того, жидкий водород в принципе крайне неприятная жидкость. Он просачивается через все на своем пути, даже через твердую стальную пластину — молекула водорода настолько мала, что может проскользнуть через кристаллическую решетку железа (диаметр молекулы около 2 ангстрем, расстояние между атомами железа в кристаллическая решетка составляет от 3 до 6 ангстрем). Из-за своей чрезвычайно низкой температуры жидкий водород разрушает все, с чем соприкасается. Его утечка полна большого бадабума — а он очень любит утечку. Более того, с ростом размера бака и объема водорода проблемы растут в геометрической прогрессии.
Вы скажете - а как же блок Центавр и РЛ-10? РЛ-10 работает по принципу фазовращателя - ему не нужен турбонасос, и он в принципе потолок. Физика не позволяет сделать мотор больше и мощнее РЛ-10 на фазовом переходе.
А таких "приколов" у Шаттла было тысяча и одна. Сравните с "летающей трубкой" Маска на разомкнутом контуре. Маск создал еще более сложный Raptor после многих лет регулярных тренировок с многоразовым двигателем. У Rocketdyne такого опыта не было. В итоге построили невероятно дорогого монстра, от которого требовали огромной эффективности любой ценой. За что? Да, твердотопливные ускорители КРАЙНЕ неэффективны. Удельный импульс твердого топлива Шаттлов всего 265 скажем в вакууме и еще меньше у Земли. Это очень мало - инженерный примитив по сравнению с РС-25 Мерлин дает вакуум 311 си в наземном варианте - и 340 с - в вакууме. В результате при разделении ускорителей скорость «Шаттла» была очень низкой — чуть более 1,2 км/с. А почти все остальное к первой космической скорости, почти 6 км/с, должны были добавлять двигатели самого Шаттла.
В результате "двух недель" между пусками не было - два месяца минимум для подготовки к перезапуску шаттла (в 1984 "Челленджер" летал в феврале-апреле, но после этого эксплуатировался аж до октября, в 1984 -1985 гг. ,Дискавери летали в ноябре,январе,апреле,июне и августе,но очень долго простаивали(в т.ч из-за катастрофы Челленджера).И наконец - в среднем пять-шесть пусков в год и закрытие программы после 135 пусков.
В то же время то, что сделал Шаттл, теперь не может сделать никто. Даже Маск. Почему тогда - могу накатить отдельным постом.
Больше интересных статей здесь: Наука и техника.
Источник статьи: Ответ на пост «Почему грузовые дирижабли не стали коммерчески успешны?».