Proces projektowania promu kosmicznego

Wczesne koncepcje amerykańskich promów kosmicznych

Przed lądowaniem Apollo 11 na Księżycu w 1969 r . NASA rozpoczęła badania projektów promów kosmicznych już w październiku 1968 r. Wczesne badania zostały oznaczone jako „Faza A”, aw czerwcu 1970 r. jako „Faza B”, które były bardziej szczegółowe i szczegółowe. Głównym zamierzonym zastosowaniem promu kosmicznego było wspieranie przyszłej stacji kosmicznej , przewożenie minimalnej czteroosobowej załogi i około 20 000 funtów (9100 kg) ładunku oraz możliwość szybkiego zawracania do przyszłych lotów.

W czołówce pojawiły się dwa projekty. Jeden został zaprojektowany przez inżynierów z Manned Spaceflight Center , a jego orędownikiem był zwłaszcza George Mueller . Był to system dwustopniowy ze statkiem kosmicznym ze skrzydłami delta i ogólnie złożony. Podjęto próbę ponownego uproszczenia w postaci DC-3 , zaprojektowanego przez Maxime'a Fageta , który zaprojektował między innymi kapsułę Mercury. Oferowano również liczne oferty różnych firm komercyjnych, ale generalnie odrzucano je, ponieważ każde laboratorium NASA naciskało na własną wersję.

Wszystko to miało miejsce pośród innych zespołów NASA proponujących różnorodne misje po Apollo, z których wiele kosztowałoby tyle samo co Apollo lub więcej [ potrzebne źródło ] . Ponieważ każdy z tych projektów walczył o finansowanie, budżet NASA był jednocześnie poważnie ograniczony. Trzy z nich zostały ostatecznie przedstawione wiceprezydentowi Agnew w 1969 roku. Projekt wahadłowca osiągnął szczyt, głównie dzięki niestrudzonej kampanii prowadzonej przez jego zwolenników [ potrzebne źródło ] . Do 1970 roku wahadłowiec został wybrany jako jeden z głównych projektów krótkoterminowych po Apollo.

Kiedy pojawiły się wątpliwości dotyczące finansowania programu, pojawiły się obawy, że projekt może zostać anulowany. Doprowadziło to do próby zainteresowania Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych wykorzystaniem wahadłowca również w ich misjach. Siły Powietrzne były umiarkowanie zainteresowane, ale zażądały znacznie większego pojazdu, znacznie większego niż pierwotne koncepcje, które NASA zaakceptowała, ponieważ było to również korzystne dla ich własnych planów. Aby obniżyć koszty rozwoju powstałych projektów, dodano dopalacze, przyjęto jednorazowy zbiornik paliwa i wprowadzono wiele innych zmian, które znacznie zmniejszyły możliwość ponownego użycia i znacznie zwiększyły koszty pojazdu i koszty operacyjne. Przy pomocy Sił Powietrznych system pojawił się w formie operacyjnej.

Proces podejmowania decyzji

wiceprezydent Stanów Zjednoczonych Spiro Agnew przewodniczył Narodowej Radzie Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej , która omawiała opcje działań człowieka w kosmosie po misji Apollo . Zalecenia Rady miałyby duży wpływ na decyzje administracji . Rada rozważyła cztery główne opcje:

Opierając się na radach Rady Kosmicznej, prezydent Nixon podjął decyzję o realizacji opcji infrastruktury niskiej orbity okołoziemskiej . Program ten obejmował głównie budowę stacji kosmicznej wraz z rozwojem promu kosmicznego . Ograniczenia finansowe uniemożliwiały jednak jednoczesne rozwijanie obu programów. NASA zdecydowała się najpierw opracować program Space Shuttle , a następnie planowała wykorzystać prom do budowy i obsługi stacji kosmicznej.

Debata na temat projektu promu

Oryginalny północnoamerykański projekt skrzydła delta Rockwell Shuttle , 1969: w pełni wielokrotnego użytku, z załogowym wzmacniaczem typu flyback
DC-3 Maxime'a Fageta wykorzystywała konwencjonalne proste skrzydła.

Podczas wczesnych badań wahadłowca toczyła się debata na temat optymalnego projektu wahadłowca, który najlepiej zrównoważyłby możliwości, koszty rozwoju i koszty operacyjne. Początkowo preferowano projekt w pełni nadający się do wielokrotnego użytku. Wiązało się to z bardzo dużym skrzydlatym załogowym wzmacniaczem , który miałby przenosić mniejszy uskrzydlony załogowy orbiter. Pojazd wspomagający podniósłby orbiter na określoną wysokość i prędkość, a następnie oddzieliłby się. Wzmacniacz powróci i wyląduje poziomo, podczas gdy orbiter pozostanie na niskiej orbicie okołoziemskiej . Po zakończeniu misji skrzydlaty orbiter ponownie wejdzie i wyląduje poziomo na pasie startowym. Pomysł polegał na tym, że pełna możliwość ponownego użycia sprzyjałaby niższym kosztom operacyjnym.

Jednak dalsze badania wykazały, że do podniesienia orbitera o pożądanej ładowności potrzebny był ogromny wzmacniacz. W systemach kosmicznych i lotniczych koszt jest ściśle powiązany z masą, więc całkowity koszt pojazdu byłby bardzo wysoki. Zarówno booster, jak i orbiter miałyby silniki rakietowe oraz silniki odrzutowe do użytku w atmosferze, a także oddzielne układy paliwowe i sterujące dla każdego trybu napędu. Ponadto równolegle toczyły się dyskusje na temat tego, ile środków będzie dostępnych na rozwój programu.

Innym konkurencyjnym podejściem było utrzymanie linii produkcyjnej Saturn V i wykorzystanie jej dużej ładowności do wystrzelenia stacji kosmicznej w kilku ładunkach zamiast wielu mniejszych ładunków wahadłowców. Podobną koncepcją była obsługa stacji kosmicznej przy użyciu Air Force Titan III-M do wystrzelenia większej kapsuły Gemini , zwanej „ Big Gemini ” lub mniejszej „szybowcowej” wersji wahadłowca bez silników głównych i 15 stóp × 30 stóp (4,6 m × 9,1 m) ładownia.

Zwolennicy wahadłowców odpowiedzieli, że przy wystarczającej liczbie startów system wielokrotnego użytku miałby niższe koszty ogólne niż rakiety jednorazowego użytku. Jeśli podzielić całkowite koszty programu na określoną liczbę startów, wysoki wskaźnik startów wahadłowców skutkowałby niższymi kosztami przed startem. To z kolei sprawiłoby, że wahadłowiec byłby konkurencyjny cenowo lub lepszy od jednorazowych wyrzutni. Niektóre badania teoretyczne wspominały o 55 startach wahadłowców rocznie; jednak ostateczny wybrany projekt nie obsługiwał takiej szybkości uruchamiania. W szczególności maksymalne zbiorników zewnętrznych zostało ograniczone do 24 czołgów rocznie w NASA Michoud Assembly Facility .

Połączone wymagania dotyczące ładowności stacji kosmicznej i Sił Powietrznych nie były wystarczające, aby osiągnąć pożądane szybkości uruchamiania wahadłowców. Dlatego plan zakładał, że wszystkie przyszłe amerykańskie starty kosmiczne - stacje kosmiczne, siły powietrzne, satelity komercyjne i badania naukowe - będą korzystać tylko z promu kosmicznego. Większość innych jednorazowych wzmacniaczy zostałaby wycofana.

Wzmacniacz wielokrotnego użytku został ostatecznie porzucony ze względu na kilka czynników: wysoką cenę (w połączeniu z ograniczonymi funduszami), złożoność techniczną i ryzyko rozwojowe. Zamiast tego wybrano projekt częściowo (nie w pełni) nadający się do wielokrotnego użytku, w którym przy każdym starcie odrzucano zewnętrzny zbiornik paliwa, a rakiety wspomagające i wahadłowiec odnawiano do ponownego użycia.

Początkowo orbiter miał przenosić własne płynne paliwo . Jednak badania wykazały, że przenoszenie paliwa w zewnętrznym zbiorniku pozwoliło na większą ładownię w znacznie mniejszym statku. Oznaczało to również wyrzucanie czołgu po każdym starcie, ale była to stosunkowo niewielka część kosztów operacyjnych.

Wcześniejsze projekty zakładały, że skrzydlaty orbiter będzie miał również silniki odrzutowe, które pomogą mu manewrować w atmosferze po ponownym wejściu. Jednak NASA ostatecznie wybrała szybujący orbiter, częściowo opierając się na doświadczeniach z poprzednich pojazdów rakietowych, a następnie szybujących, takich jak X -15 i podnoszące nadwozia . Pominięcie silników odrzutowych i ich paliwa zmniejszyłoby złożoność i zwiększyłoby ładowność.

Kolejną decyzją była wielkość załogi. Niektórzy mówili, że wahadłowiec nie powinien przewozić więcej niż cztery, z których większość mogłaby korzystać z foteli wyrzucanych . Do każdej misji wystarczył dowódca, pilot, specjalista ds. misji i specjalista od ładunku . NASA spodziewała się, że przewiezie więcej uczestników lotów kosmicznych jako specjalistów od ładunku, więc zaprojektowała pojazd do przewożenia większej liczby.

Ostatnia pozostała debata dotyczyła natury wzmacniaczy. NASA zbadała cztery rozwiązania tego problemu: rozwój istniejącego dolnego stopnia Saturna, proste silniki ciśnieniowe na paliwo ciekłe nowej konstrukcji, duża pojedyncza rakieta na paliwo stałe lub dwie (lub więcej) mniejsze. Inżynierowie z NASA Marshall Space Flight Center (gdzie zarządzano rozwojem Saturna V) byli szczególnie zaniepokojeni niezawodnością rakiet na paliwo stałe w misjach załogowych.

Zaangażowanie Sił Powietrznych

W połowie lat 60. Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych odwołały oba swoje główne projekty załogowych statków kosmicznych, X-20 Dyna-Soar i Manned Orbiting Laboratory . Pokazało to potrzebę współpracy z NASA w celu umieszczenia wojskowych astronautów na orbicie. Z kolei służąc potrzebom Sił Powietrznych, wahadłowiec stał się systemem prawdziwie narodowym, przewożącym zarówno wojskowe, jak i cywilne ładunki.

NASA szukała wsparcia Sił Powietrznych dla wahadłowca. Po wojnie sześciodniowej i sowieckiej inwazji na Czechosłowację ujawniły się ograniczenia sieci rozpoznania satelitarnego Stanów Zjednoczonych , zaangażowanie Sił Powietrznych podkreśliło możliwość wystrzelenia satelitów szpiegowskich na południe na orbitę polarną z Vandenberg AFB . Wymagało to wyższych energii niż w przypadku orbit o niższym nachyleniu. Siły Powietrzne miały również nadzieję, że wahadłowiec może odzyskać sowieckie satelity i szybko wylądować. W ten sposób chciał mieć możliwość wylądowania w punkcie startowym Vandenberg po jednej orbicie, mimo że Ziemia obraca się 1000 mil poniżej toru orbity. Wymagało to większego skrzydła delta rozmiar niż wcześniejszy prosty wahadłowiec „DC-3”. Jednak NASA pragnęła również tej zwiększonej zdolności manewrowej, ponieważ dalsze badania wykazały, że projekt wahadłowca DC-3 miał ograniczenia, których początkowo nie przewidziano. Siły Powietrzne przeprowadziły ponad 200 satelitarnych misji rozpoznawczych w latach 1959-1970, a duża ilość ładunków wojskowych byłaby cenna w uczynieniu wahadłowca bardziej ekonomicznym.

Pomimo potencjalnych korzyści dla Sił Powietrznych, wojsko było zadowolone ze swoich jednorazowych dopalaczy i nie potrzebowało ani nie chciało promu tak bardzo, jak NASA. Ponieważ agencja kosmiczna potrzebowała wsparcia z zewnątrz, Departamentu Obrony (DoD) i Narodowego Biura Rozpoznania (NRO) przejęła główną kontrolę nad procesem projektowania. Na przykład NASA zaplanowała ładownię o wymiarach 40 na 12 stóp (12,2 na 3,7 m), ale NRO określiła zatokę o wymiarach 60 na 15 stóp (18,3 na 4,6 m), ponieważ spodziewała się, że przyszłe satelity wywiadowcze staną się większe. Kiedy Faget ponownie zaproponował ładownię o szerokości 12 stóp (3,7 m), wojsko niemal natychmiast nalegało na zachowanie szerokości 15 stóp (4,6 m). Siły Powietrzne zyskały również równowartość użycia jednego z wahadłowców za darmo, mimo że nie zapłaciły za rozwój lub budowę wahadłowca. W zamian za koncesje NASA, Siły Powietrzne zeznawały przed Senacką Komisją Kosmiczną w imieniu wahadłowca w marcu 1971 r.

Jako kolejną zachętę dla wojska do korzystania z wahadłowca, Kongres podobno powiedział DoD, że nie zapłaci za żadne satelity, które nie zostały zaprojektowane tak, aby pasowały do ​​ładowni wahadłowca. Chociaż NRO nie przeprojektowało istniejących satelitów dla wahadłowca, pojazd zachował zdolność do pobierania dużych ładunków, takich jak KH -9 HEXAGON z orbity w celu remontu, a agencja badała ponowne zaopatrzenie satelity w kosmosie.

Potencjalne użycie wahadłowca do celów wojskowych – w tym możliwość wykorzystania go do weryfikacji przestrzegania przez Sowietów traktatu SALT II – prawdopodobnie spowodowało, że prezydent Jimmy Carter nie odwołał wahadłowca w 1979 i 1980 r., kiedy program był opóźniony o lata i setki milionów dolarów ponad budżet. Siły Powietrzne planowały mieć własną flotę wahadłowców i przebudować oddzielny obiekt startowy, pierwotnie wywodzący się z anulowanego programu Manned Orbiting Laboratory w Vandenberg, o nazwie Space Launch Complex Six (SLC-6) . Jednak z różnych powodów, w dużej mierze z powodu utraty promu kosmicznego Challenger 28 stycznia 1986 r. Prace nad SLC-6 zostały ostatecznie przerwane, a żadne starty wahadłowców z tej lokalizacji nigdy nie miały miejsca. SLC-6 został ostatecznie użyty do wystrzelenia Athena zbudowanych przez Lockheed Martin , w tym udanego komercyjnego satelity do obserwacji Ziemi IKONOS we wrześniu 1999 r., Zanim został ponownie skonfigurowany do obsługi nowej generacji Boeinga Delta IV 'S. Pierwszy start Delta IV heavy z SLC-6 miał miejsce w czerwcu 2006 r., kiedy wystrzelono NROL-22, tajnego satelitę dla US National Reconnaissance Office (NRO).

Ostateczny projekt

Ostateczna konstrukcja wielokrotnego użytku z jednorazowym zewnętrznym zbiornikiem paliwa i możliwymi do odzyskania stałymi dopalaczami rakietowymi

Podczas gdy NASA prawdopodobnie wybrałaby płynne dopalacze, gdyby miała pełną kontrolę nad projektem, Biuro Zarządzania i Budżetu nalegało na tańsze dopalacze stałe ze względu na ich niższe przewidywane koszty rozwoju. Podczas gdy projekt wzmacniacza napędzanego paliwem ciekłym zapewniał lepszą wydajność, niższe koszty lotu, mniejszy wpływ na środowisko i mniejsze ryzyko rozwojowe, postrzegano, że rozwój stałych dopalaczy wymaga mniejszych funduszy w czasie, gdy program Shuttle miał wiele różnych elementów konkurujących o ograniczony rozwój fundusze. Ostateczny projekt, który wybrano jako skrzydlaty orbiter z trzema silnikami na paliwo ciekłe , duży jednorazowy zbiornik zewnętrzny , w którym znajdował się płynny propelent do tych silników, oraz dwa dopalacze rakiet na paliwo stałe wielokrotnego użytku .

Wiosną 1972 roku Lockheed Aircraft , McDonnell Douglas , Grumman i North American Rockwell złożyły propozycje budowy wahadłowca. Grupa selekcyjna NASA uznała, że ​​wahadłowiec Lockheeda był zbyt skomplikowany i zbyt drogi, a firma nie miała doświadczenia w budowaniu załogowych statków kosmicznych. McDonnell Douglas's był zbyt drogi i miał problemy techniczne. Grumman miał doskonały projekt, który również wydawał się zbyt drogi. Wahadłowiec North American miał najniższe koszty i najbardziej realistyczne prognozy kosztów, jego projekt był najłatwiejszy do bieżącej konserwacji, a Apollo 13 z udziałem modułu dowodzenia i obsługi North American pokazał jego doświadczenie z awariami systemów elektrycznych. NASA ogłosiła swój wybór Ameryki Północnej 26 lipca 1972 roku.

Program promu kosmicznego wykorzystywał język programowania HAL/S . Pierwszym zastosowanym mikroprocesorem był 8088 , a później 80386 . Komputerem awioniki orbitera promu kosmicznego był IBM AP-101 .

Retrospekcja po trzech dekadach

Zobacz też: Krytyka programu promu kosmicznego i wycofanie promu kosmicznego
Wczesna koncepcja obsługi promu kosmicznego

Opinie na temat lekcji płynących z wahadłowca są podzielone. Został opracowany zgodnie z pierwotnymi szacunkami kosztów i czasu rozwoju przedstawionymi prezydentowi Richardowi M. Nixonowi w 1971 roku, kosztem 6,744 miliarda dolarów w 1971 roku w porównaniu z pierwotnymi szacunkami 5,15 miliarda dolarów. Koszty operacyjne, szybkość lotu, ładowność i niezawodność były jednak inne niż oczekiwano.

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Space_Shuttle_design_process&oldid=1137216317 ”