Ответ на пост «Почему грузовые дирижабли не стали коммерчески успешны?»
Одной из причин, по которой полеты Шаттлов стоили так дорого и от них, в результате, отказались, были постоянные тщательные проверки на дефекты покрытия потому, что катастрофу Колумбии никто повторять не хотел.
К сожалению, проверка на дефекты покрытия была самой малой из проблем Шаттлов. К тому же, проверять надо было в полете - никакая дефектовка на Земле не спасла бы Колумбию, которую убили её собственные твердотопливные бустеры ещё на старте, тряханув в момент зажигания бак так, что от него в итоге обшивка полетела. Каковая обшивка и проломила крыло.
Вообще вся программа "Спейс Шаттл" - история, как кроилово привело к попадалову и иллюстрация поговорки "Скупой платит дважды" .
Начать хотя бы с главных "убийц программы" - твердотопливных бустеров. Да, именно бустеры убили Шаттлы - и Колумбию, и Челленджер. Челленджер прямо, Колумбию опосредовано. Что ты несешь, скажете вы мне, Колумбию убила пена! Нет. Колумбию убили бустеры. И вот почему.
Твердотопливный бустер имеет два принципиальных недостатка для пилотируемого полета - его нельзя отключить и его нельзя регулировать по тяге иначе, как на этапе отливки шашки топлива.
Из-за этого на старте бустеры врубались сразу на полную катушку. В итоге на крепления бустеров к баку (откуда и отломился тот кусок пены) в момент старта приходила чудовищная ударная нагрузка в 4/5 тяги системы. Почему? А потому что жидкостные двигатели Шаттла запускались и выходили на полную мощность ещё до отрыва от стартового стола, а за стартовый стол Шаттл держался только бустерами. В итоге, за миллисекунду до старта на крепления бака к бустеру приходится нагрузка, равная примерно 270 тоннам (заправленный бак и Орбитер весят примерно 860 тонн, развиваемая двигателями орбитера тяга равна 591 тонне). И тут ХЕЕЕРРРАКСЬ! - зажигаются оба бустера, и нагрузка растет скачком, переваливая за 2000 тонн! (2600 тонн тяги бустеров минус 591 тонн тяги маршевиков). Неплохо так, скачок нагрузки в десять раз меньше чем за секунду.
Естественно, такой скачок нагрузке приводил к деформации, упругой, но. Пена переживала деформацию намного хуже стали. И отрывалась. Итог известен.
Но почему использовали твердотопливные бустеры? Почему не стали применять жидкостные двигатели? Ответ прост - пытались сэкономить.
Предыдущая пилотируемая космическая система Штатов была запредельно дорогой - корабль Аполлон и носители серии Сатурн стоили совершенно немеряных денег. НАСА хотело что-нибудь подешевле - после выигрыша "лунной гонки", на фоне расходов на Въетнам и общих проблем в экономике, бюджет НАСА зарезали в разы. Давать "на космос" чуть ли не 10% госбюджета, что и позволило создать "Сатурн", Конгресс больше не был готов. В итоге НАСА решили (и в общем, правильно) что выкидывать в каждом пуске десятки тонн сверхдорогого высокотехнологичного железа - расточительно, и надо думать о многоразовости. Особенно - самого дорогого - первой ступени.
Проблема была проста как валенок - не умели сажать в автоматическом режиме. Испытания показали. что максимум, до чего можно затормозить большую и тяжелую бочку парашютами в автоматическом режиме - это 23м/с. Примерно 80 км/ч. Ни один ЖРД ни сейчас, ни тогда, такого подарка судьбы пережить не мог. Второй проблемой была цена. Требовался очень мощный двигатель, а повторить разработку F-1, когда оптимальную форму камеры сгорания искали буквально методом научного тыка, взрывая по восемь экспериментальных камер сгорания в неделю - не было денег. В многодвигательную схему, после известий о феерических провалах Союза с Н-1 (включая мощнейший неядерный взрыв в истории на тот момент, когда второй экземпляр Н-1 рухнул прямо на стартовый стол и только чудом никого не убил), тоже не очень верили. В итоге решили делать твердотопливный бустер. Big Dumb Rocket. Решалось две проблемы - на твердотопливных бустерах большой тяги НАСА на тот момент съела уже пару лаек и чихуахуа - Титаны и Дельты летали вполне успешно, а во вторых - пустая металлопластковая бочка бустера спокойно переживала падение в океан на скорости под сотню км/ч. Кстати - тормозили об воду оригинальным способом - бустер падал хвостом вперед, вода поступала через дюзу внутрь бустера, сжимая воздух внутри него. Получался эдакий амортизатор, плавно тормозящий почти девяностотонную конструкцию, и заодно - не дающий ей утонуть.
Но и кроме пены у Шаттла была ещё куча проблем. Например, двигатели RS-25 были многоразовыми весьма условно - после каждого полета их приходилось снимать с Шаттла, разбирать до последнего болта, дефектовать, менять кучу всего понавыходившего из строя и собирать обратно. Причина - в невероятной инженерной сложности конструкции. В частности, в турбонасосе кислорода использовался жидкий гелий под огромным давлением. Спросите - зачем? А дело в том, что турбонасос окислителя крутила турбина, приводящаяся горячим восстановительным газом - а если проще - разогретым до нехилой температуры водородом с примесью водяного пара. А водород - это такая погань, которая умеет просачиваться в любую щель, через любое уплотнение. А теперь вопрос - что будет, если раскаленный водород найдет себе тропку вдоль вала турбины и попадет в качаемый турбонасосом кислород? Правильно, будет очень большой БАБАХ, после чего турбонасос разуплотнится, а двигатель в лучшем случае заглохнет. Поэтому на валу турбонасоса поставили промежуточную камеру - и в неё качали гелий под давлением больше, чем в самой турбине - чтобы в случае чего давал утечку гелий, а не водород.
Далее. Применение водорода самого по себе. 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 ещё разница между массой заправленной системы и масса пустой. И чем больше эта разница - тем лучше. И вот тут всплывает другая проблема водорода. Он очень, очень, очень легкий. В итоге, для того чтобы взять большую массу водорода - нужен очень большой в объеме бак. А большой бак - тяжелый бак. А нам нужно, чтобы масса пустой системы и масса заправленной - различалась как можно больше. Велика проблема, скажете вы. За двадцать лет до Шаттла эту проблему решили дешево и сердито, ещё на самом первом Атласе, который из 120 тонн массы на старте имел всего 8 тонн конструкционного веса (всё остальное - топливо и окислитель)! Просто тоненькая (один миллиметр внизу и утончение до 0.1 мм сверху) оболочка из аустенитной стали вокруг топлива и окислителя, пусть топливо и окислитель несут сами себя, а чтоб "воздушный шарик" не сдулся по мере выработки топлива - возьмем немножко газа от турбонасосов и пустим в баки - наддуем их! А вот фиг, говорит нам физика. Да, "воздушный шарик" Атласов (их даже хранили наддутыми, без содержимого в баках Атласы складывались под собственным весом) был очень эффективным (единственная в истории полутораступенчатая ракета, выходившая на орбиту почти вся целиком, за исключением двух движков и юбки), но. Сделать такой "шарик" для водорода нельзя. Причина - жидкий водород очень и очень холодный! -253 градуса! С Атласами-то изрядно помучились, пока подобрали сорт стали, не превращающейся в хрусталь при температуре -183 при температуре жидкого кислорода. А сделать такую сталь для водорода невозможно в принципе. В итоге бак Шаттлов мастырили из хитрого сплава алюминия и лития, с точным литьем и большими геморроями в обработке. И весил бак Шаттлов немало - десятки тонн, и был очень дорогим, и при этом - принципиально одноразовым.
Кроме того, жидкий водород - в принципе крайне неприятная жидкость. Он просачивается через всё на своем пути, даже сквозь сплошной стальной лист - молекула водорода настолько маленькая, что может проскользнуть через кристаллическую решетку железа (диаметр молекулы - примерно 2 ангстрема, расстояние между атомами железа в кристаллической решетке - от 3 до 6 ангстрем). Из-за чудовищно низкой температуры жидкий водород охрупчает всё, с чем соприкасается. Его утечка чревата большим бадабумом - а утекать он очень любит. Причем с ростом размера бака и объема водорода проблемы растут в геометрической прогрессии.
Вы скажете - а как же блок Центавр и RL-10? RL-10 работает на принципе фазового перехода - ему не нужен турбонасос, и он в принципиальном потолке. Физика не дает сделать двигатель больше и мощнее, чем RL-10 на фазовом переходе.
И таких "приколов" у Шаттла была тысяча и один. Сравните с "летающими трубами Маска" на открытом цикле. Свой инженерно ещё более сложный Раптор Маск построил после наработки многолетней регулярной практики эксплуатации многоразового двигателя. У Рокетдайна такого опыта не было. В итоге - они построили невероятно дорогое чудовище, от которого требовали огромной эффективности любой ценой. Зачем? Да затем. что твердотопливные бустеры КРАЙНЕ неэффективны. Удельный импульс твердого топлива Шаттлов - всего 265 с в вакууме и ещё меньше у Земли. Это очень мало - инженерно примитивный по сравнению с RS-25 Мерлин дает 311 с в вакууме в наземной версии - и 340 с - в вакуумной. В итоге к моменту отделения бустеров скорость Шаттла была очень невелика - чуть больше 1.2 км/с. И почти весь остаток до первой космической скорости, почти 6 км/с, должны были додать двигатели самого Шаттла.
В итоге ни о каких "двух неделях" между пусками не шло и речи - два месяца - это минимум для подготовки повторного старта челнока ( в1984 году Челленджер летал в феврале и апреле, правда, после этого его обслуживали аж до октября, в 1984-1985 Дискавери летал в ноябре, январе, апреле, июне и августе, но потом простоял очень долго. в том числе и из-за катастрофы Челленджера). А в итоге - в среднем пять-шесть пусков в год и закрытие программы после 135 пусков.
При том. что то, что делал Шаттл - сейчас не может делать никто. Даже Маск. Почему так - могу отдельный пост накатать.
