HL-42 (космический корабль) - HL-42 (spacecraft)

HL-42

Схема НАСА из Access to Space Study
Оператор	НАСА
Приложения	С экипажем космоплан
Характеристики
Стартовая масса	29 тонн, включая адаптеры
Режим	Низкая околоземная орбита
Размеры
Производство
Положение дел	Отменено
Запущен	0
Связанный космический корабль
Происходит от	Система запуска персонала HL-20

В HL-42 был предложенной увеличенной версией HL-20 многоразовый с экипажем космоплан дизайн, который разрабатывался с 1983 по 1991 год в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли, но никогда не летал. Как и HL-20 («Горизонтальный посадочный модуль 20»), HL-42 должен был быть выведен на низкую околоземную орбиту, установленный на вершине двухступенчатой ​​одноразовой ракеты. В конце миссии он должен был снова войти и спланировать на посадку на взлетно-посадочной полосе.

HL-42 был предложен как один из возможных преемников Космический шатл в исследовании доступа к космосу НАСА 1994 года. В конце концов, другая альтернатива, Одноступенчатый на орбиту конструкция, была выбрана для доработки, и работы по HL-42 были прекращены.

Справочная информация: политика запуска НАСА

В начале 1980-х годов политика НАСА заключалась в поощрении использования космических челноков почти для всех запусков, как гражданских, так и военных; только тогда, когда миссии шаттлов будут запускаться почти каждую неделю, Программа Space Shuttle имеют экономический смысл. Тем не менее Претендент катастрофа в 1986 году заставил пересмотреть, и в последующие годы многие исследования пытались наметить путь вперед без достижения какого-либо консенсуса, за исключением растущего чувства, что «быстрее, лучше, дешевле» было бы хорошей идеей. Также были разногласия по поводу дизайна (и действительно цели) предлагаемого Космическая станция Свобода.

Исследование доступа к космосу 1994 года

Наконец, когда президент Клинтон впервые вступил в должность в январе 1993 года, новый администратор НАСА Дэниел Голдин заказал крупное исследование, которое свело бы множество возможностей к трем четко определенным вариантам для систем запуска.^[1]

В ноябре 1993 года, когда это исследование еще продолжалось, было достигнуто соглашение с Россией о разработке Свобода дизайн в Международная космическая станция, поэтому для работы космической станции авторам исследования было предложено разработать для «наихудшего случая»: предположить, что станция на 4 человека, например Свобода который был бы построен и поддержан исключительно США, но поместил бы его в Мир орбита с наклонением 51,6 градуса (существенное изменение, поскольку до нее будет труднее добраться с мыса Канаверал, а полезная нагрузка шаттла уменьшится на треть).^[а][2]:7 С другой стороны, новая эра сотрудничества с Россией упростит покупку и использование перспективных российских двигателей первой ступени. РД-170 / РД-180 семейство, и инновационный трехкомпонентный РД-701.

Управление развития космических систем НАСА опубликовало это исследование "Доступ к космосу" в январе 1994 года; он оказал большое влияние на космическую политику до конца десятилетия. Исследование было направлено на то, чтобы выбранное новое стартовое оборудование было введено в эксплуатацию с 2005 г., когда нынешние «Шаттлы» подошли к выводу из эксплуатации, и оставались в эксплуатации до 2030 г. Каждая из трех групп экспертов наметила возможный путь вперед:^[3][4]

Вариант 1: продолжать использовать Shuttle до 2030 года, но с обновлениями

Вариант 1 был наиболее консервативным и состоял из постепенных обновлений существующего флота Шаттлов и возможного строительства еще нескольких Шаттлов с использованием более легких и прочных материалов. Значительно усовершенствованная авионика может сделать автономные операции без экипажа практичными и даже желательными для некоторых миссий.^[4]:8–23

Вариант 2: консервативная инженерия, расходные пусковые установки и некоторые новые машины, включая HL-42

Вариант 2, немного более авантюрный и ориентированный на экономию и эффективность, будет включать новые транспортные средства, но только небольшие улучшения в существующих материалах и методах; Группа 2 планировала использовать только технологии, которые, как ожидается, будут доступны в 1997 году, а новое оборудование будет готово к эксплуатации в 2005 году.

В рекомендуемом варианте Варианта 2 все ракеты-носители будут расходным материалом. Delta II будет сохранена; Атлас II будет модернизирован российским двигателем РД-180; а тяжелые Titan IV и Shuttle будут заменены новой тяжелой пусковой установкой (с двигателями РД-180 и J-2S -силовая разгонная ступень), которая будет поддерживать все операции космической станции с использованием либо одноразового беспилотного автоматизированного транспортного средства (для грузов), либо многоразового космического самолета HL-42 (для экипажа).^[4]:24–39

Вариант 3: переходите прямо к одноступенчатому выходу на орбиту (SSTO)

Вариант 3 был амбициозным, но команда 3 почувствовала, что пришло время для нового поколения больших, полностью повторно используемых одноступенчатый на орбиту (SSTO) пусковые установки. На них произвело впечатление развертывание в апреле 1993 г. Макдоннелл Дуглас DC-X и его основная философия - радикально упрощенные «операции, подобные авиалиниям». Более того, они завершили свою часть исследования этим выделенным курсивом кредо: Суть в следующем: работоспособность не должна быть просто целью; это должен быть драйвер дизайна. ^{[3][4]:40–58}

Группа 3 исследовала несколько альтернативных вариантов горизонтального взлета с воздушным дыханием, основываясь на опыте пилотов. Rockwell X-30 (NASP), но пришел к выводу, что будущее за реактивным двигателем SSTO с вертикальным взлетом и горизонтальной посадкой. В их эталонном дизайне использовались предложенные, но еще не построенные российские РД-704 трехкомпонентные двигатели, небольшие крылья и цилиндрический фюзеляж с центральным отсеком для полезной нагрузки типа Shuttle. Он может перевозить как груз, так и пассажиров, но в обоих случаях работа будет полностью автоматизирована.^[4]:48 Команда подсчитала, что первый действующий автомобиль может быть доставлен в 2007 году, а к 2011 году парк из четырех человек будет готов взять на себя все операции Delta, Atlas и Shuttle.^[4]:53

Этот окончательный эталонный дизайн сильно напоминал X-2000 Advanced Technology Demonstrator, предложенный в августе 1993 года группой в Центре космических полетов им. Маршалла НАСА.^[5]

Заключительная рекомендация: разработать технологию для SSTO

После анализа в исследовании был выбран вариант 3: «Принять разработку передовой технологии, полностью многоразового одноступенчатого ракетного корабля для вывода на орбиту в качестве цели Агентства». ^[4]:72 «Он обладает наибольшим потенциалом для сокращения годовых эксплуатационных расходов, а также затрат в течение жизненного цикла ... он поставит США в чрезвычайно выгодное положение с точки зрения международной конкуренции и позволит перепрыгнуть через США в способность к запуску нового поколения. " ^[4]:69

Что касается запусков коммерческих спутников, считалось, что даже Вариант 2 не сможет конкурировать с Ариана 4 и Ариана 5, идентифицированных как «самая эффективная из зарубежных систем». «Вариант 3, с другой стороны, снизил бы затраты на запуск настолько резко, что промышленность США могла бы занижать цены всех конкурентов. США, вероятно, захватят и снова будут доминировать на международном рынке запуска спутников в течение значительного периода времени, используя эти уникальные передовые технологии. технологии транспортных средств ".^[4]:68

Вариант 3 был признан представляющим «от умеренного до высокого технического риска», но этот «чувствовал себя управляемым из-за 4–5-летнего этапа созревания технологий, который позволит разработать и продемонстрировать необходимые технологии как минимум до уровня технологической готовности уровня 6 ( зарекомендовали себя в своей операционной среде) ".^[4]:68

Итог: крах надежд на ССТО

После того, как было принято решение сосредоточиться на SSTO, НАСА потеряло интерес к HL-42, да и вообще ко всей концепции запуска пилотируемого космоплана поверх одноразовой пусковой установки. Последние исследования HL-20, проведенные в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли, были проведены в 1991 году и не были продолжены.

Теперь НАСА переняло DC-X у Пентагона и переименовало его в DC-XA Клипер Грэм.^[6]Два новых проекта были также запущены как демонстраторы технологий: Орбитальные науки X-34^[7] и Локхид Мартин Х-33. Когда технология была доказана, следующим шагом было бы VentureStar, коммерческий космоплан ССТО.

Однако «фаза созревания технологии от 4 до 5 лет» прошла не очень хорошо. DC-XA был отменен в 1996 году после того, как прототип был сильно поврежден при приземлении, а X-34 и X-33 были отменены в 2001 году из-за разногласий и технических трудностей. Работа над VentureStar также прекратилась в 2001 году, что фактически положило конец продвижению SSTO.^[8]

HL-42 в варианте 2

Подробно о варианте 2D системы запуска

Группа 2 пришла к своим выводам после исчерпывающего изучения многих возможностей, начиная с 84 семейств транспортных средств, сужаясь до 28, затем до четырех, из которых три включали пилотируемый космический самолет HL-42.^[4]:24 Их окончательная подробная рекомендация (вариант 2D в исследовании) была следующей:

• От 5 тонн до низкая околоземная орбита (LEO), продолжайте использовать Дельта II (считается надежным и с хорошим соотношением цены и качества).
• Для 10-тонных миссий LEO замените Атлас II с новой пусковой установкой, использующей один «недорогой, малорисковый» российский двигатель РД-180 на первой ступени, и недавно разработанный Кентавр разгонный блок с одиночным RL10 двигатель вместо двух.^[9]

• Для более тяжелых Титан IV или полезную нагрузку класса "Шаттл", отбросив дорогие Титаны; и разработать новую двухступенчатую одноразовую тяжелую пусковую установку с тремя российскими двигателями РД-180 на первой ступени и одним J-2S во втором (который, по сути, будет обновленным S-IVB сцена). Эта новая пусковая установка сможет поднять около 38 тонн на НОО без верхней (третьей) ступени.^[4]:27

Тогда тяжелая пусковая установка могла нести:

• новый 23-тонный одномоторный верхний блок Centaur плюс геостационарный спутник или межпланетный космический корабль;
• 8 тонн одноразового адаптера и системы эвакуации плюс 21 тонна полностью загруженного HL-42 для LEO;
• одноразовый 7-тонный квадроцикл, построенный ЕКА, плюс до 30 тонн груза или конструкции для космической станции на НОО.

Квадроцикл-партнер HL-42

На этом этапе квадроцикл представлял собой короткий приземистый орбитальный буксир без собственного места для хранения, аналогичный секции служебного модуля более позднего работающего ЕКА. Автоматическая транспортная машина. ^[10] Этот буксир мог двигать:

• Модуль логистики под давлением (PLM) с большим CBM -размерный стыковочный порт;
• негерметичный логистический перевозчик (ULC) с топливными и газовыми цистернами;
• завершить новые модули и фермы для самой космической станции.

Командам было сказано предположить, что поддержание 4-х человек СвободаСтанции -класса потребуется 70 тонн грузов в год. В Варианте 2 большая часть этого будет осуществляться за пять миссий ATV (три PLM и два ULC).^[4]:29 Отходы для утилизации будут загружаться в ATV / PLM или ATV / ULC, которые затем сошли с орбиты и сгорели при возвращении в атмосферу. При необходимости квадроцикл может также спустить с орбиты целые поврежденные или устаревшие модули или конструкции космической станции.

Система пуска в целом была нацелена на экономичность и эффективность, по возможности использовались общие компоненты (двигатели РД-180, разгонный блок «Кентавр»). ATV должен был быть предоставлен за европейский счет в обмен на некоторое использование космической станции; таким рентабельным способом ЕКА смог сохранить точку опоры в космосе после отмены Программа Колумбус в 1991 г.^[4]:32 Даже стартовый обтекатель квадроцикла был позаимствован у Titan IV.^[4]:36

Потребуются шесть новых транспортных средств или «программных элементов»:Примечательно, что многие рекомендации Варианта 2 были фактически реализованы на практике в последующие годы, несмотря на то, что этот вариант не был выбран. Три из предложенных новых машин были построены и широко использовались.^[b]

Насколько большим должен быть HL-42? Проблема снижения массы

Команда 2 много думала над вопросом даунмасс, грузы, которые нужно было бы безопасно вернуть на Землю (в основном оборудование и завершенные эксперименты). Это не представляло проблемы для вариантов 1 и 3; Шаттл мог легко переносить массу, например, в Многоцелевой логистический модуль (MPLM) в отсеке для полезной нагрузки, и VentureStar будет иметь аналогичную систему. В варианте 2D, однако, всю нижнюю часть придется нести на HL-42, который должен быть больше, чем HL-20, чтобы обеспечить некоторую грузоподъемность, а также места для экипажа. Но какая емкость (как объем, так и масса) потребуется на практике?

С Свобода существовал пока только на бумаге, это было трудно оценить, потому что не было практического опыта. Российские космические станции почти не послали обратную массу, поскольку одноразовые Прогресс грузовые модули были спроектированы таким образом, чтобы сгореть при входе в атмосферу, а тесный трехместный Союз В модулях повторного входа было мало места.^[c] Но Свобода и программа ISS была гораздо более амбициозной и предусматривала регулярное возвращение крупных пользовательских экспериментов в области биологии и особенно промышленной обработки.

Многие из этих экспериментов можно было бы разместить на громоздкой МКС. Стойка для полезной нагрузки международного стандарта (ISPR), слишком большой, чтобы пройти даже через зонд-корабль "Прогресс" или "Союз" стыковочный порт. Для загрузки даже одного ISPR HL-42 потребуется стыковочный порт того же размера, что и у 1300 мм (51 дюйм). Общий причальный механизм порты, которые в конечном итоге будут соединять произведенные в США модули станции. И сколько ISPR необходимо разместить на каждом рейсе?

Первоначально командам была дана базовая цифра в 58 тонн массы вниз в год (по сравнению с 70 тоннами массы наверх), и это создало бы серьезную проблему для Варианта 2: «Однако центральным вопросом, связанным с доступом к космосу, является возвратная масса ".^[4]:28 Оглядываясь назад, можно сказать, что 58 тонн кажутся излишне большими, и действительно, немедленный анализ, проведенный Исследовательским центром Лэнгли (LaRC), показал, что их можно уменьшить до 30 тонн «разумным возвратом запчастей, пользователей и систем экипажа».

Это все еще было неудобно большим для варианта 2, поэтому LaRC снова приступила к работе и определила, что, отдав приоритет пользовательским экспериментам и отбросив почти все остальное, что больше не использовалось, годовая масса может быть уменьшена до 10 тонн. или примерно 15% от апмаса. Эта цифра использовалась для расчета необходимого размера HL-42.^[4]:28

Учитывая три миссии по смене экипажа в год, каждая из них должна будет нести от трех до четырех тонн пухового груза. Команда 2 подсчитала, что это можно сделать, увеличив размер конструкции HL-20 в 1,42 раза, по совпадению придав ей длину 42 фута (и название HL-42). Общая масса экипажа и груза была установлена ​​4,2 тонны.^[4]:31

Тогда базовый ежегодный грузовой манифест будет выглядеть следующим образом:По пути вниз этот манифест вернет 78 шкафчиков в средней палубе, все костюмы для работы вне корабля и примерно 65 процентов герметичных стеллажей (ISPR).^[4]:28

Согласно рис. 19, HL-42 будет нести один или два ISPR в обычных восходящих полетах; но схемы его внутреннего устройства показывают укладку для троих.^[11]:10

Система была разработана, чтобы быть гибкой. Если опыт покажет, что в некоторые моменты требуется дополнительное снижение массы, можно запланировать дополнительные полеты HL-42 или изменить последовательность. Поскольку все три машины использовали одну и ту же новую тяжелую пусковую установку, это привело бы к минимальным сбоям в обработке запуска.

Группа 2 очень хорошо понимала, что их минимальное снижение массы может вызвать критику: «Приемлемость такого уровня отдачи (примерно 15 процентов от доставленной массы) представляет собой проблему, которая должна быть решена в окончательном логистическом сценарии« Свобода космической станции »».^[4]:28 Однако более поздний опыт МКС показал, что это не было проблемой.

HL-42 имел примерно такую ​​же грузоподъемность, как и более поздний без экипажа. SpaceX Dragon, и, по крайней мере, в течение пяти лет после вывода из эксплуатации "Шаттла" в июле 2011 года "Дракон" был единственным кораблем, способным нести значительные массы с МКС.^[12]Фактические данные о снижении массы для его первых четырех миссий по коммерческому пополнению запасов CRS-1 - CRS-4 составляли 0,9 тонны, 1,4 тонны, 1,6 тонны и 1,5 тонны за три года с 2012 по 2014 год. Это говорит о том, что HL-42 действительно имел бы достаточную грузоподъемность, особенно при трех полетах в год.^[d] Он также сделал бы пуховик более мягким, чем Dragon (1.5грамм замедление по сравнению с 3,5грамм для Дракона) и гораздо более удобная посадка на взлетно-посадочную полосу (нежели привод Дракона в Тихом океане).

Преимущества безопасности HL-42

Поскольку Претендент После катастрофы 1986 года было признано, что шаттл был недостаточно безопасен. Исследование оценило его текущую «живучесть экипажа» в 0,98.^[e] Одна из целей исследования - увеличить это значение до 0,999.^[4]:4

Однако, несмотря на изучение многих возможных обновлений шаттла, которые продлятся до 2030 года, Команда 1 не смогла найти практический способ обеспечить спасение экипажа. Единственный эффективный способ сделать всю систему значительно более безопасной - это модернизировать авионику Шаттла и обеспечить автономную работу, чтобы избежать риска для жизни в миссиях, которые по сути были просто доставкой груза: ударов по весу и центру тяжести, а также технические риски. Были определены несколько способов дальнейшего снижения затрат и повышения безопасности полета. Одним из них является орбитальный аппарат без экипажа, который позволит увеличить скорость полета без ущерба для безопасности человека ... ".^[4]:23 Однако, даже если бы половина миссий была снята с экипажа, это снизило бы риск только вдвое и повысило бы «живучесть» до 0,99, что все еще на порядок хуже, чем цель 0,999.

Общий принцип повышения безопасности за счет разделения экипажа и груза (без риска для жизни во время грузовых операций) уже изучался НАСА за несколько лет до исследования, и вариант 2 был разработан таким образом с самого начала. HL-42 будет летать только в случае необходимости смены экипажа. Это также означало, что оборудование, предназначенное только для грузовых автомобилей (ATV, PLM, ULC), не нуждалось в оценке человеком, что делало всю систему дешевле.^[4]:28

Будучи намного меньше шаттла, HL-42 мог быть установлен поверх пусковой установки, поэтому на площадке и в первую минуту полета можно было легко установить его. система аварийного спасения (LES) может «обеспечить импульс высокой тяги для быстрого удаления HL-42 от катастрофического события ракеты-носителя» и позволить ему вернуться на взлетно-посадочную полосу рядом со стартовой площадкой.^[4]:32[f]

Чтобы справиться с «катастрофическим событием» в следующие несколько минут полета, можно будет установить пусковой адаптер (между задней частью HL-42 и верхней частью второй ступени пусковой установки) с более крупными твердотопливными ракетными двигателями. для обеспечения возврата и неповрежденного возврата к месту запуска (RTLS).

Если авария произойдет за пределами диапазона RTLS, LES оттолкнет HL-42 и будет сброшен, а сам HL-42 скользит обратно в нижние слои атмосферы. Если бы в пределах досягаемости не было подходящих длинных взлетно-посадочных полос (возможно, даже в крупных коммерческих аэропортах), он бы развернул парашюты и разбился бы в океане. Поскольку все маневренные двигатели в самом HL-42 использовали нетоксичное метановое топливо и жидкий кислород (а не токсичный гиперголическое топливо шаттла) отпадало бы необходимость в процедуре "безопасного" ухода за взлетно-посадочной полосой после любой из этих аварийных посадок, и уменьшилась бы опасность аварийной посадки.

HL-42 выжил бы в обстоятельствах, уничтоживших шаттлы. Претендент в 1986 г. и Колумбия в 2003 году. В 1986 году LES оттащила бы его от взрыва ракеты-носителя; и сверху его пусковой установки он был бы надежно убран с пути падающих обломков, которые смертельно повредили теплоизоляцию на Колумбия.

Эти соображения привели исследование к выводу, что группа 2 достигла цели безопасности с HL-42: «Повышение безопасности экипажа (вероятность выживания экипажа) по крайней мере до 0,999 по сравнению с 0,98 космического шаттла было достигнуто или превышено новые автомобили Вариантов 2 и 3. "^[4]:67

Дизайн

HL-42 косвенно опирался на тридцатилетний опыт работы с подъемное тело космопланов, но зависел в основном от своего непосредственного предшественника HL-20. Команда 2 описала предысторию своего дизайна следующим образом: «Конструкция HL-42 напрямую связана с концепцией подъемного кузова HL-20, которая изучается с 1983 года в Исследовательском центре Лэнгли. Это 42-процентное увеличение габаритов HL- 20, и сохраняет ключевые конструктивные и эксплуатационные особенности конструкции HL-20. Применимая база данных конструкции HL-20 включает обширные исследования NASA по аэродинамике, моделированию полета и прерыванию, а также исследования человеческого фактора, а также результаты исследований по контракту с Rockwell, Lockheed и Boeing в определении эффективного производства и проектирования операций ".^[4]:30

Структура и тепловая защита

Вариант 2 был основан на технологии, доступной для практического использования в 1997 году, поэтому в HL-42 использовались многие из тех же материалов, что и в Shuttle; он имел структурный каркас из алюминиевого сплава и очень похожий система тепловой защиты.

Конструктивным ядром HL-42 была цилиндрическая алюминиевая герметичная кабина с двумя люками доступа: большим в задней части для стыковки с космической станцией после снятия пускового адаптера (и для предпусковой горизонтальной загрузки груза). ), а также гораздо меньший люк на крыше кабины для доступа экипажа в вертикальном положении на стартовой площадке (и в качестве альтернативного выхода после приземления, особенно после прыжка с парашютом при аварийном приводнении в океан). Алюминиевые рамы выступали с обеих сторон этого прочного цилиндрического сердечника, чтобы поддерживать остальную часть конструкции.

Вся нижняя поверхность подъемного тела была защищена от тепла повторного входа ужесточенной волокнистой изоляцией Unipiece (TUFI ) плитки, более прочная и ударопрочная версия Shuttle. HRSI плитка; Модернизированные плитки TUFI начали использоваться в 1996 году. Эти матово-черные плитки, как и на Shuttle, были приклеены непосредственно к составной титановой термостойкой обшивке, закрепленной на алюминиевых рамах.^[грамм]

Обшивка верхней поверхности, подвергавшаяся воздействию гораздо более низких температур, была сделана из алюминиевых сотовых панелей, которые можно было снять, чтобы обеспечить доступ к отсекам оборудования без давления между рамами. Верхняя обшивка была покрыта такой же изоляционной тканью белого цвета (AFRSI, Nomex Advanced Felt Reusable Surface Insulation) в качестве верхних поверхностей Shuttle.

Ребра были полностью изготовлены из титана, при этом как плитка TUFI (в более горячих областях), так и ткань AFRSI (в более прохладных областях) непосредственно приклеивались к коже.

Самые горячие участки - носовая часть и передние кромки плавников - были сделаны из армированный углерод-углерод, как они были на шаттле.

Силовая установка: СУО и СУ на метановом топливе

Орбитальные двигательные установки HL-42 внешне напоминали таковые у "Шаттла" в меньшем масштабе. В задней части, по одному с каждой стороны люка доступа, было два Система орбитального маневрирования космического челнока (OMS) двигатели, используемые для корректировки орбиты, сближения с другими космическими кораблями и, наконец, спуска с орбиты. Полностью заправленная OMS была способна дать HL-42 полное изменение скорости (дельта-v ) 290 м / с, что аналогично показателю 300 м / с для Shuttle.

В система управления реакцией (RCS) был также в принципе похож на систему Shuttle, систему небольших ракетных двигателей для управления положением HL-42 по тангажу, крену и рысканью, используя то же топливо, что и OMS. Это означало, что в случае отказа двигателя OMS оставшееся топливо могло быть отправлено через межсоединение к двигателям RCS, обращенным назад, для завершения аварийного сгорания с орбиты.^[16]

Однако между Shuttle и HL-42 было одно существенное различие: тип топлива. Шаттл использовал токсичные и гиперголичные монометилгидразин (MMH) и тетроксид диазота (N2O4) как для OMS, так и для RCS. В соответствии с новым принципом работы авиакомпаний «быстрее, лучше, дешевле», команда 2 решила перейти на метан (CH4) и жидкий кислород как для OMS, так и для RCS.^[4]:31 Хотя они нетоксичны и с ними намного проще обращаться, это был шаг в неизвестность, так как в 1994 году практически не велась работа над ними. метановые двигатели. Таким образом, он был указан как четвертая из пяти задач расширенной разработки, необходимых для варианта 2.^[4]:35

Аэродинамические рули

Как и HL-20, HL-42 имел семь подвижных поверхностей управления: элевон на каждом боковом киле, цельноповоротный центральный руль направления между килями и четыре закрылка корпуса (два на нижней поверхности сзади и два на верхняя поверхность между рулем направления и килями). По сравнению с Shuttle, HL-42 гораздо больше полагался на два нижних закрылка корпуса для управления по тангажу и крену, особенно на средних этапах входа в атмосферу с высокими динамическими давлениями и большим углом атаки. В этом отношении HL-20 и HL-42 были на полпути между Shuttle и такими транспортными средствами, как более поздний ESA. IXV у которого было два нижних закрылка корпуса и никаких других рулей.^[4]:31

На самых ранних стадиях возвращения в атмосферу HL-42, как и Shuttle, полностью полагался бы на RCS для управления ориентацией. В случае с «Шаттлом», когда окружающий воздух стал более плотным и динамическое давление увеличилось, элероны на внешних задних кромках крыльев сначала захватили бы воздушный поток и взяли на себя управление по крену от RCS. Затем, немного позже, элевоны на внутренних задних кромках берут на себя управление высотой тона. (Единственная задняя заслонка корпуса "Шаттла" была менее важна для управления положением, действуя только как триммер по тангажу и защищая форсунки главного двигателя от тепла при входе в атмосферу.)^[16]

В случае HL-42 элевоны на боковых стабилизаторах находились слишком близко к корпусу, чтобы обеспечить постоянный воздушный поток на этом этапе, поэтому вместо этого взяли на себя два нижних закрылка корпуса, перемещаясь вместе для управления тангажем и по-разному для крена. . Однако и для Shuttle, и для HL-42 рыскание будет контролироваться только RCS до гораздо более поздних стадий снижения, поскольку большой угол атаки все еще будет защищать руль направления от воздушного потока.^{[час][18]:4}

Наконец, как для Shuttle, так и для HL-42, когда скорость полета упала ниже 3,5 Маха с более плотным воздухом и меньшим углом атаки, руль направления начал встречаться с воздушным потоком и взял на себя управление рысканием от RCS. Отсюда и до посадки HL-42 будет вести себя больше как обычный самолет, управляемый в основном элевонами и рулем направления, с некоторым контролем крена с помощью нижних закрылков. На более низких скоростях закрылки верхней части тела, двигаясь вместе, также могут помочь элевонам контролировать тангаж (на более высоких скоростях они будут вне воздушного потока и неэффективны). После приземления закрылки верхней части корпуса будут выдвинуты вместе с закрылками нижней части корпуса, чтобы они служили воздушными тормозами.^[18]:4

Внутренняя мощность: электромеханическая, а не гидравлическая

Все семь рулей HL-42 приводились в движение электромеханическими приводами, а не гидравлическими, как на Shuttle. Колеса (обычная ходовая часть трехколесного велосипеда типа Shuttle) также опускались электромеханически, а не гидравлически, как на Shuttle. Это было результатом преднамеренного сдвига в политике проектирования: Исследовательский центр Лэнгли решил не иметь никаких гидравлических систем на HL-20, а вместо этого использовать электромеханические приводы, и HL-42 следовал тому же принципу.^[4]:31

Шаттл был разработан с тремя независимыми гидравлическими системами, каждая из которых нагнеталась турбонасосом с приводом от ВСУ питается токсичным гидразином. Эти системы включались только во время запуска, входа в атмосферу и посадки и были разработаны для обеспечения большой мощности в течение короткого времени. Они также могут справляться с резкими скачками спроса на мощность, в три раза превышающими нормальную, продолжающимися одну или две секунды (например, при быстром перемещении всех поверхностей управления при одновременном опускании колес).^[19]

Однако в последующие десятилетия некоторые инженеры космических кораблей стали рассматривать гидравлическую энергию как излишне сложную, ненадежную и трудную в обслуживании.^[я] Даже Команда 1 в своем списке возможных обновлений Шаттла рекомендовала заменить некоторые или все гидравлические системы на электромеханические. Одна из причин заключалась в том, чтобы упростить наземную обработку за счет удаления токсичного гидразинового топлива ВСУ, и это хорошо соответствовало новой операционной политике авиакомпаний.^{[4]:11, 17}

Однако теперь электрическая система HL-42 должна будет справляться с большими и непредсказуемыми скачками потребления энергии во время посадки.^[j] Поэтому он был разработан с двумя источниками питания. Нормальная базовая мощность обеспечивалась водородно-кислородной топливные элементы как на орбитальном шаттле; но HL-42 также имел перезаряжаемый серебряно-цинковые батареи для обеспечения резервной мощности на короткие периоды очень высокого спроса. (Это была та же комбинация источников питания, что и на Apollo CSM.)^[4]:31

Группа 2 осознала, что необходимо провести дальнейшее развитие этой электрической системы с двумя источниками, в частности, процедуры включения и выключения резервной мощности. Поэтому они сделали это второй из пяти Требуемых передовых задач разработки: «... приводы и их электрические системы привода и переключения должны быть усовершенствованы, с упором на системы электропитания».^[4]:35

Авионика

Электронное оборудование значительно продвинулось вперед за два десятилетия, прошедшие с момента первого планирования Shuttle, и HL-42 был разработан, чтобы максимально использовать эти достижения. Он сможет проверить себя на стартовой площадке, а затем самостоятельно выполнить всю миссию, ориентируясь по GPS и непрерывно следя за своим здоровьем. «Значительная часть операций миссии будет выполняться за счет использования автоматических систем. Запуск, подъем, операции на орбите, вход и посадка автоматизированы и не требуют вмешательства экипажа, что снижает затраты за счет устранения основных требований к оборудованию и обучению экипажа. ... Наземное управление бортовыми системами будет сокращено за счет автоматизации и управления состоянием бортовых транспортных средств. Управление траекторией и навигацией уменьшится за счет использования спутниковой системы глобального позиционирования ".^[4]:33

Автономная работа была серьезным отходом от философии Apollo и Shuttle, которые проектировались как пилотируемые машины. Управление полетом, наведение и навигация уже были автоматизированы на других самолетах, но «бортовое управление состоянием транспортного средства» будет более сложной задачей; Практический опыт космических полетов показал, что основная часть работы пилота заключалась в том, чтобы решить, какие сигналы тревоги или комбинации сигналов тревоги можно безопасно или временно игнорировать, а какие требуют срочных действий с учетом общей ситуации.^[k] Теперь эти решения должны быть записаны в программное обеспечение. Тестирование и отладка этого программного обеспечения были бы сложной задачей, учитывая, что возможности для фактических летных испытаний были бы чрезвычайно ограничены (до часов или, для запуска и повторного входа, даже минут в год).^[l]

Устаревание оборудования авионики приведет к другим проблемам. Хотя может показаться логичным обновлять электронику каждые пять-десять лет, тогда все программное обеспечение придется повторно проверять на новом более быстром оборудовании, что приведет к задержкам в работе и расходам, которые вполне могут перевесить преимущества более совершенного оборудования.^[м]

Группа 2 была хорошо осведомлена обо всем этом и выбрала авионику и программное обеспечение в качестве первой из пяти требуемых передовых задач разработки: «системы авионики, которые можно модернизировать, программное обеспечение, которое автоматически генерируется и проверяется, и управление работоспособностью функций в полете. . "^[4]:35

Разработка: Обычный бизнес против Skunk Works

В начале 1990-х годов среди некоторых инженеров начало складываться ощущение, что культура НАСА стала слишком бюрократической, с слишком большим количеством документов и слишком большим количеством менеджеров среднего звена, и что лучшие результаты могут быть достигнуты за счет сокращения объема работ. "Скунс Воркс" подход. Две исследовательские группы разделили это чувство: «Группы по вариантам 2 и 3 рекомендовали оптимизированный подход к управлению и заключению контрактов по образцу Lockheed« Skunk Works », который предусматривает меньший, но специализированный и совмещенный государственный надзор, более эффективную внутреннюю организацию подрядчика, быстрое прототипирование и непрерывность работы команды от проектирования до полета ".^[4]:61

Другие команды НАСА также разделили это чувство. Когда 1 марта 1994 года группа оценки DC-X проинформировала Дэна Голдина о проекте DC-X, всего через несколько недель после публикации Резюме исследования, они рекомендовали тот же подход для дальнейшей разработки DC-X. The DC-X had been built by McDonnell Douglas, so "rapid management" was by no means confined to Lockheed.^[24]

Team 2 in particular hoped for major cost savings from this approach. "The development of the HL-42 ... could use a "Skunk Works" type approach. This approach has been used successfully in major military programs such as the Hercules, U-2, and SR-71. In a study conducted on the HL-20 payload system by the Langley Research Center and Lockheed, it was determined that significant savings could be achieved using this approach. Based on those results, the new approach for the HL-42 ... could yield reductions as high as 40–45 percent in the total spacecraft development and production cost estimates, compared to the traditional "business-as-usual" estimates.^[4]:35

Team 2 characterised "Skunk Works" development as including: "firm requirements, single management authority, small technical staff, customers on site, contractor inspections, limited outside access, timely funding, reports only important work, simple drawing release, rapid prototyping, etc."^[4]:36

Routine operations

In routine operations the HL-42 would be delivered to one of the three OPFs в Космический центр Кеннеди (KSC) to be prepared and loaded. It would arrive in flight-ready condition; all test and checkout procedures that would duplicate those already performed at the manufacturing facility would be eliminated.

Once loaded, it would move to the VAB to be rotated to the vertical and mated with the second stage at the top of the heavy launcher. After this it would check itself out using its autonomous systems "with minimum personnel time and in one to two shifts".^[4]:32, 33 The whole stack would then be moved to one of the two Стартовый комплекс 39 pads as with the Shuttle. Exactly the same procedure would be used for cargo launches using the ATV.

For Shuttle ground operations the ratio of support staff to those who actually worked on the vehicle (the "nontouch-to-touch" ratio) was six-to-one. For the HL-42, Team 2 hoped to reduce this to three-to-one, a ratio more typical of commercial airlines, thus halving not just salaries but also accommodation costs.^[4]:34

KSC would handle all the launches, handing over to a small (10–12 consoles) mission control room at Космический центр Джонсона in Houston as soon as the HL-42 had separated from the launcher second stage. "Autonomous systems that had targeted the booster to the separation point would transfer control to the orbital vehicle's autonomous system. This system would calculate the orbital insertion and steer the vehicle to that position. The vehicle would than proceed to the next pre-defined phase of the mission. This sequence would continue until all the mission events had been completed. Ground monitors will have the capability to terminate any phase and re-initialize the autonomous flight system with new instructions."^[4]:34

Since the 'crew' would now be just passengers, training could be greatly simplified and entirely simulation-based. "All training would be conducted in the central simulation facility. Training facilities should mirror flight control facilities for flight monitoring. The training facilities would be used to verify pre-flight analyses. The primary mode of training would be computer based. No motion based, fixed based, or flight aircraft facilities will be required."^[4]:34, 35

All these detailed plans, however, were shelved when the SSTO option was chosen in 1994.

Наследие

Situation in 2001–2004: Option 2 partially adopted

By 2001 it had become evident that the SSTO Option 3 would be too difficult in practice (at least given the funding that Congress was willing to allocate) and the X-33, X-34 and VentureStar were cancelled in that year. Option 1, substantially upgrading the Shuttle system, had also been abandoned. The Study had shown convincingly that this could not be made cost-effective: "... it is clear that the major cost savings targeted as a goal for this study only accrue in architectures employing new vehicles."^[4]:65 It had also proved impracticable to raise Shuttle "crew survivability" above the current 0.98 or 0.99: Option 1 "did not improve significantly on the current crew safety analysis."^[4]:67 The existing orbiters would therefore not be substantially upgraded, and by 2004 it had been decided that "With its job done, the Space Shuttle will be phased out when assembly of the ISS is complete, planned for the end of the decade."^[25]

In practice, then, it was only Option 2 that was ultimately followed up, though not completely. Дельта II был сохранен. Атлас II was upgraded with a Russian РД-180 engine and flew as the Атлас III in 2000. The expensive Титан IV would be retired in 2005 and replaced by a new heavy launcher introduced in 2004, although this new launcher would be the Дельта IV Тяжелый (26 tonnes to Мир orbit), not the more powerful triple RD-180 version (38 tonnes to Мир orbit) proposed for the Option 2 system. With these upgrades the Атлас и Дельта families would continue to launch American uncrewed spacecraft for some time to come; and the ESA Квадроцикл (launched on the European Ариана 5 ) would be ready to take over supplying cargo to the International Space Station three years before the Shuttle was retired.

None of these vehicles, however, would be capable of ferrying crew to and from the ISS.

Crewed spaceplanes not reconsidered

Even though the problem of assuring post-Shuttle crew access to the ISS was now becoming more urgent, NASA did not revisit the Option 2 combination of a crewed spaceplane with an expendable launcher. Предлагаемый Х-38 Space Station 'lifeboat', while looking superficially similar to the HL-20, would have been ferried up as cargo in the Shuttle's payload bay, and used once or not at all; even this was cancelled in 2002. On the other hand, the military Боинг Х-37, while operational from 2010, was much smaller (5 tonnes at launch), uncrewed, and never intended to support Space Station operations.

NASA was able to reject all three of the options for post-Shuttle ISS crew access presented in the Study because a fourth option had recently become available: using the Russian Программа Союз infrastructure for all crew transport, a possibility that had not been considered in the Study.

The fourth option: Soyuz–Progress

In 1993, while the Access to Space Study was being created, several developments occurred in quick succession that would lead to greatly increased Russian cooperation with NASA.^[n] As a result, the status of Russian cooperation was still uncertain while the Study was being written between January 1993 and January 1994. The terms of reference allowed the authors to use Russian companies as equipment suppliers (notably for engines); but they were to plan for a 'worst case', and not rely on the newly established Russian Federal Space Agency for finance or services.^[o] Crew access was therefore assumed in the Study to be provided only by the US, Europe, Canada and Japan, the original Space Station Свобода consortium as it was in January 1993 when the Study was commissioned.^[п]

Initially Soyuz–Progress was not considered reliable: "From the beginning, challenges arose with Russia’s participation. Many promises were made by high ranking Russian government officials .... Most were not kept. ... Russia’s ability to provide sufficient Союз 'lifeboat' spacecraft and Прогресс 'reboost' spacecraft also was questioned. Funding for Russia’s space program was under severe stress ..."^[26]:3

However, over the next few years American confidence in Soyuz–Progress steadily grew. Russia managed to keep Мир in service and the ambitious Программа "Шаттл – Мир" (1994–98) was a success. By July 2000 the first three ISS modules (two of them, Заря и Звезда, built by Russia) were in service, and after Мир was de-orbited on 23 March 2001 all the resources of the Soyuz–Progress system were available to support ISS operations. Relying exclusively on Soyuz–Progress for ISS crew access no longer seemed too risky.

By the time the X-33 SSTO program was cancelled in March 2001, NASA no longer felt under pressure to develop an all-American crew transport vehicle quickly, just to assure access to the ISS after Shuttle retirement; the Russian Soyuz could now provide that, in the short term at least. As for the long term, NASA was working on a new initiative focused on reusable vehicles.

The Space Launch Initiative of 2001

In February 2001 the Инициатива космического запуска (SLI, also known as the 2nd Generation Reusable Launch Vehicle (RLV) program) was formally established, with the goal of drastically reducing the cost of access to space. This would require ground-breaking new technology, and commercialisation and competition in the launch business. "Today, transferring NASA's space transportation needs to commercial launch vehicles remains the key goal of NASA's space transportation efforts."^[27]

The SLI was much less structured than the Access to Space Study with its three clearly defined alternatives. The SLI would start with "Hundreds of concepts"; then "In the program's first two years, a range of risk reduction activities and milestone reviews will gradually narrow viable reusable space transportation systems to two or three candidates." Hopes were high: "With new technologies and operations ... the cost of delivering a payload will drop dramatically from today's price of $10,000 per pound."^[27]

It was however clear to everyone that re-usability could only be achieved after several technical breakthroughs; and it would be up to NASA to provide those breakthroughs, at government expense. Nobody had presented this position more clearly than Ivan Bekey, the much-respected former NASA director, in his influential Congressional testimony of 11 April 2000, which helped to decide the fate of the X-33. This attitude might be summarised as 'Cutting-edge, or not at all'. Bekey argued forcefully that since the whole purpose of the X-33 program was to develop and demonstrate new technologies, building it without the ground-breaking but difficult composite hydrogen tanks "makes little sense from a technical point of view."^[8][28]

HL-20 and HL-42 revival impossible under SLI

These research priorities explain why the HL-20 and HL-42 programs were never revived by NASA. If even the SSTO X-33 (with its аэрокосмический двигатель and innovative all-metal thermal protection system) was considered not cutting-edge enough without a composite tank, the HL-20 and HL-42 stood even less chance of being built with government money:

• With their expendable launchers they were very far from bringing the desired tenfold reduction in launch costs;
• They had been deliberately designed not to use any breakthrough technology;
• Their job was already being done by Soyuz.

In these circumstances there was no chance that they would be developed further by NASA.

However, commercial space transportation companies would be quite free to develop the HL-20 and HL-42 designs if they wished; NASA now welcomed commercial participation. But companies doing so would risk facing competition from SLI itself. If NASA-funded research really did produce breakthrough technology with $1000 per pound launch costs (a tenfold reduction) then spaceplanes with expendable launchers could never be competitive.

SLI discontinued in 2004

By 2004 it had become evident that NASA would never be given sufficient funds for the type of high-risk, high-return program advocated by Bekey: "well-funded parallel component developments", so that if some lines of advance failed, as they inevitably would, still one of them might succeed and bring immense rewards – perhaps even reducing costs to as little as $100 per pound.^[28] Not only was Congress reluctant to provide the funding, but the management of such programs had also proved to be unexpectedly challenging, as the X-33 and X-34 had demonstrated.

NASA accordingly abandoned this line of development in March 2004. "NASA does not plan to pursue new Earth-to-orbit transportation capabilities, except where necessary to support unique exploration needs, such as those that could be met by a heavy lift vehicle. The budget discontinues the Space Launch Initiative ..."^[25]

NASA's own new vehicle programs would now concentrate only on exploration beyond LEO: the Программа Созвездие, and ultimately the heavy-lift Система космического запуска и Орион (which would be designed primarily for travel beyond LEO, though if necessary it could also be used in a Soyuz role to support the ISS).

Post-2004 revival of spaceplanes: Dream Chaser

Now that there was no prospect of a dramatic NASA-funded breakthrough cutting launch costs by one (or even two) orders of magnitude, the way was open for commercial ventures to develop the more conventional ideas that NASA had dismissed for a decade as 'not cutting-edge enough', among them the HL-20 and HL-42. Now an idea that merely halved costs stood a good chance of being successful and even profitable.

В 2006 г. Jim Benson (кто основал SpaceDev in 1997) licensed the HL-20 design for use in the Стремящийся к мечте проект. Unlike the HL-42, the Dream Chaser was not required to ferry three or four tonnes of cargo back down to Earth, so could return to the smaller size of the HL-20. This was light enough to be put on top of an Atlas-class launcher, and in 2007 an agreement was reached with United Launch Alliance использовать Атлас V as the first Dream Chaser launcher.^[29][30]

This is the combination that finally, in January 2016, won a six-launch Коммерческие услуги по снабжению contract with NASA.

Смотрите также

• АКТИВ
• Боинг X-20 Dyna-Soar
• BOR-4
• Клипер
• Мартин Мариетта X-24A
• Мартин Х-23 ПРАЙМ
• Микоян-Гуревич МиГ-105
• Прометей
• Shenlong spaceplane

Примечания

Рекомендации

внешняя ссылка

• "HL-42". Astronautix.