W związku ze zbliżającą się 30’stą rocznicą pierwszego lotu promu kosmicznego, w internecie pojawiło się zatrzęsienie materiałów na temat początków tego programu. Jakiś czas temu napisałem post w którym streściłem jeden z artykułów, ale miałem niedosyt. W związku z czym dziś rozszerzenia i korekcje informacji.
Początki
Pierwsze wzmianki o promie kosmicznym pochodzą z marca 1966 roku, kiedy to NASA przygotowało propozycję wykonania studium o nazwie „Reusable Ground Launch Vehicle Concept and Development Planning Study.”. Ale przełomowym momentem był 23 stycznia 1969, gdy NASA podjęła decyzję o rozpoczęciu negocjacji kontraktu na projekt promu.
Jednakże NASA (a właściwie to jeszcze NACA) od samego początku swojego istnienia planowała prom kosmiczny – wg planu najpierw człowiek byłby pasażerem w automatycznie sterowanej kapsule (Mercury), następnie uzyskałby pewne możliwości sterowania statkiem (Gemini). Trzecim krokiem był pojazd wielokrotnego użycia. Następnym krokiem miało być zbudowanie stacji kosmicznej. I z niej miały startować misje na inne planety – Księżyc, Marsa itp. Z perspektywy historii wiemy że to nie do końca tak wyszło. Po pierwsze program Apollo, by spełnić wymaganie prezydenta Kennedy (lądowanie na Księżycu przed końcem dekady) musiał zrezygnować z wymogu wielokrotnego użytku a także ze stacji kosmicznej.W trakcie trwania programu Apollo wielokrotnie zwracano uwagę na olbrzymie koszty i potrzebę zbudowania pojazdu wielokrotnego użytku. Prace te nabrały rozpędu po udanej misji Apollo 8 (28 grudnia 1968), która wskazywała na to że lądowanie na Księżycu jest możliwe.
Prom nabiera kształtów
Lądowanie Apollo 11 (lipiec 1969) spowodowało że pytanie „co dalej?” stało się bardzo ważne. Prezydent Nixon 13 lutego 1969 nakazał NASA przygotowanie odpowiedzi na to pytanie, efektem byt raport (15 września 1969) proponujący budowę stacji kosmicznej i promu i przygotowanie się do lotów w dalszy kosmos. W ramach „pojazdu wielokrotnego użytku” miały tak naprawdę powstać trzy pojazdy:
- jeden z konwencjonalnymi silnikami rakietowymi służący do transportu na niską orbitę okołoziemską,
- drugi, także z konwencjonalnymi silnikami do transportu między różnymi orbitami ziemi i księżyca a także do lądowania na księżycu
- trzeci, o napędzie atomowym do lotów w daleki kosmos
Poniżej dwa obrazki NASA pokazujące wczesne idee promu. Warto zwrócić uwagę na maleńkie, proste skrzydełka.
Jednym z punktów zapalnych pomiędzy NASA a USAF od samego początku był właśnie kształt skrzydeł – pierwotny projekt zakładał że zarówno pierwszy jak i drugi stopień będą załogowe i wielokrotnego użycia. Największym problemem tego rozwiązania była niska manewrowość drugiego stopnia w atmosferze – mógł on wylądować maksymalnie 230 mil od ścieżki swojej orbity. Nie spełniało to najważniejszego wymogu USAF – możliwości startu z Vandenberg na orbitę polarną jednego okrążenia wokół Ziemi i lądowania. Nie spełniało dlatego że w czasie gdy prom okrążał Ziemię, ta też się kręciła i żeby wrócić z orbity do jakiegokolwiek miejsca w USA, potrzebna był zasięg ponad 1000 mil. W związku z czym zwyciężył projekt ze skrzydłem w kształcie „delta” (jednakże inżynierowie NASA trochę po cichu pracowali nad promem z prostymi skrzydłami aż do 1971 roku).
Cięcia budżetu
NASA szacowała że dwustopniowy prom z oboma stopniami wielokrotnego użytku będzie kosztował w $10-$12 miliardów. Prezydent Nixon obiecał NASA nie więcej niż $5.5 miliarda, ale rosła niechęć kongresmenów do wydawania pieniędzy na projekty kosmiczne podczas gdy USA miało coraz większe problemy w Wietnamie. Oskarżano Nixona o preferowanie promu zamiast inwestycji w edukację, infrastrukturę itp. W związku z tym końcowa suma jaką NASA otrzymało była $3.2 miliarda i nie było szans na zbudowanie promu w planowanej postaci. W związku z czym NASA zdecydowała się na rozwiązanie kompromisowe – prom w którym nie wszystkie elementy są wielokrotnego użycia. Ale poza tym idea w której oba pojazdy są wielokrotnego użycia była bardzo trudna do wykonania – pojazdy przed rozdzieleniem się musiałyby rozpędzić się do prędkości 12000-14000 stóp na sekundę. Wracający w atmosferę pierwszy stopień narażony byłby na olbrzymie temperatury.
Poniższa tabelka pokazuje wydatki NASA na budowę promu:
(jak widać nawet najprostsza wersja kosztowała w okolicach $11 miliardów – tyle ile pierwotnie miała kosztować wersja w pełni wielokrotnego użycia)
Prom nabiera kształtu
Końcowy model promu był wynikiem optymalizacji pięciu zmiennych:
- rozmiaru i nośności ładowni
- zasięgu manewrowalności przy powrocie na Ziemię
- rodzaju paliwa i silników
- decyzji o tym czy prom będzie szybowcem, czy będzie miał silniki wspomagające lądowanie
- materiału użytego do budowy elementów strukturalnych
USAF wymagało ładowni o rozmiarach co najmniej 15 stóp x 60 stóp, 65 tysięcy funtów ładowności przy startach z Cape Canaveral i 40 tysięcy przy startach z Vandenberg i zasięgu manewrowalności co najmniej 1100 mil. W trakcie prac przeanalizowano 29 różnych wersji promu, brano pod uwagę rozwiązania w których np. zbiornik ciekłego tlenu mieścił się w promie (i nie ulegał zniszczeniu), rozwiązania z 4 silnikami głównymi, rozwiązania z prostymi skrzydłami itp.
Pod koniec 1971 roku NASA zdecydowała że jedynym rozwiązaniem które spełnia wszystkie wymogi, jest startujący pionowo prom ze skrzydłem delta, zewnętrznym zbiornikiem na ciekły tlen i wodór i dwoma rakietami pomocniczymi na paliwo stałe. Poniżej rysunki różnych wersji tego rozwiązania:
Nadal myślano o tym żeby jednak w jakiś sposób uratować zbiornik od zniszczenia przy każdym starcie. Jednym z pomysłów było odrzucanie zbiornika zanim prom dotrze na wymaganą orbitę i użycie silników korekcyjnych (OMS) do osiągnięcia orbity. Pierwotnie uważano że wymagałoby to dodatkowego paliwa dla OMS, ale symulacje pokazały że wcześniejsze odrzucenie zbiornika nie tylko że nie zmniejsza udźwigu promu, ale go zwiększa o prawie 5000 funtów. Jednak zdecydowano się w zamian na zmniejszenie ciągu silników SRB i utrzymanie pierwotnego udźwigu. Zbiornik miał lądować w Oceanie Indyjskim i być wyławiany i powtórnie używany. Jednak koszt zbudowania systemu (dodatkowe, hamujące silniki na paliwo stałe, awionika itp.) był zbyt duży i NASA zdecydowała się na jednorazowe zbiorniki.
Następnym problemem były silniki główne – istniejące silniki F-1 i RS-68 z Saturna V zostały uznane za niewystarczająco bezpieczne i podjęto decyzję o zaprojektowaniu nowego, bezpiecznego a jednocześnie bardzo efektywnego silnika. Niestety USA do tej pory nie miało w swoim arsenale silnika który byłby jednocześnie wielokrotnego użycia i miał regulowaną moc. Pierwsze testy nowych silników pokazały że zbudowanie nowego silnika nie jest proste – turbosprężarki pękały, komory spalania eksplodowały. Problemy były na tyle poważne, że kongres USA zażądał raportu na temat stanu prac od NASA (31 marca 1978) a następnie zalecił pewne zmiany (np. nie korzystanie z 109% mocy maksymalnej przy starcie).
Także silniki boczne miały swoją historię – NASA długo rozważała użycie silników na paliwo ciekłe zasilanych także z głównego zbiornika. Zdecydowano jednak że materiały niezbędne do budowy silników na paliwo ciekłe nie byłyby w stanie wytrzymać wielogodzinnego moczenia się w słonej wodzie i w 1972 roku podjęto decyzję o wykorzystaniu silników na paliwo stałe.
Jeszcze innym problemem z jakim musiano się uporać był sposób zabezpieczenia promu podczas hamowania w atmosferze. Brano pod uwagę dwa rozwiązania – pierwszym było użycie nowych, jeszcze nie opracowanych stopów metali odpornych na temperatury powyżej 3000F i chłodzenie promu przez wypromieniowywanie energii górną częścią skrzydeł/kadłuba. Drugą było zastosowanie konwencjonalnych materiałów (aluminium, tytan i kompozyty) i zabezpieczenie ich przed nadmiernym nagrzewaniem się za pomocą osłon termicznych opartych o związki krzemu (brano także pod uwagę osłony termiczne z programu Apollo, ale wymagałyby one bardzo kosztownej i pracochłonnej wymiany po każdym locie). Zdecydowano się na to drugie rozwiązanie i rozpoczęto prace nad systemem zabezpieczenia termicznego promu. Pierwsze „kafelki” powstały dość szybko, ale okazały się niezwykle kruche – przy symulowanych uderzeniach mikrometeorytów rozpadały się na drobne. Dopiero ich pogrubienie i użycie silikonowo-boronowego kompozytu pozwoliło na uzyskanie wymaganej trwałości. Wtedy przyszedł następny kryzys – czym przymocować kafelki do promu? Udało się w końcu wynaleźć odpowiedni klej (przy okazji wynaleziono sześć innych klei, które nie były wystarczająco dobre, ale obecnie są używane w innych zastosowaniach) – musiał on wytrzymać olbrzymie różnice temperatur a jednocześnie być elastyczny – aluminium do którego przyklejone były kafelki się kurczyło i rozszerzało pod wpływem temperatury a także wyginało pod wpływem sił działających na prom. Najpoważniejszy kryzys pojawił się kiedy to trzeba było przykleić wszystkie 31 tysięcy kafelków do pierwszego promu. Oszacowano że wymaga to 335 osobo-lat pracy. Praca przy przyklejaniu trwała 24h na dobę, 6 dni w tygodniu i spowodowała (wraz z kłopotami z klejem) opóźnienie dostarczenia pierwszego promu o prawie dwa lata.
Problemy z budową promu były tak poważne, że pod koniec lat 70’tych administracja Cartera rozważała zatrzymanie programu. Efektem ubocznym tych rozważań było zabranie NASA pieniędzy na budowę piątego orbitera, a także przyspieszenie prac, co pozwoliło na ustalenie daty pierwszego lotu na marzec 1981 (pierwotnie planowano pierwszy lot w 1978 roku).
Pierwsze Loty Atmosferyczne
W 1977 roku zakończono prace nad pierwszym promem – Enterprise. Columbia była prawie gotowa (minus kafelki). Wydawało się że najtrudniejsze problemy są już za programem. Kongres (po zastanawianiu się nad zatrzymaniem programu) zdecydował się przydzielić NASA pieniądze na tylko trzy dodatkowe promy (Challenger, Discovery i Atlantis) w cenie $550-$600 milionów za sztukę (promy w końcowym wyniku kosztowały powyżej $1 miliarda za sztukę).
Enterprise, po ośmiu wycieczkach na grzbiecie 747 w czasie których testowano zachowanie się tandemu prom-747 oraz procedury, odbył swój pierwszy, samodzielny lot 12 sierpnia 1977. Później odbyły się jeszcze cztery loty próbne. Ale jego kariera nie skończyła się na tym; w czerwcu 1979 roku został połączony ze zbiornikiem i rakietami SRB a następnie przejechał się z VAB aż na platformę 39A.
Enterprise został pierwszą gwiazdą programu promów kosmicznych – odbył międzynarodową podróż odwiedzając Francję, Niemcy, Włochy, Anglię i Kanadę a następnie był eksponowany w różnych stanach USA (Kalifornia, Alabama i Luizjana). Był też w Vandenberg, gdzie posłużył do przetestowania (nigdy nie użytej) platformy startowej. W końcu odszedł na emeryturę i można go dziś zobaczyć w Waszyngtonie.
Źródła to przede wszystkim eseje z tej strony, ale także Wikipedia oraz moje wcześniejsze posty.
Aktualizacja, 12 kwietnia – AAIA ma serię niesamowicie ciekawych esejów pod wspólnym tytułem „byłem świadkiem historii”. Pogłębiają i rozszerzają one informacje zawarte w moim poście.
A drugą, ciekawą informacją jaka się pojawiła w mediach jest całkowity koszt programu promów kosmicznych – $192 miliardy, czyli $1.5 miliarda za każdy start.
I jeszcze interesujący artykuł z NASA SpaceFlight o historii Columbii.
A nieangielskojęzycznym polecam artykuł na Kosmonaucie.
