Сканировал и обработал Юрий Аболонко (Смоленск)

НОВОЕ В ЖИЗНИ, НАУКЕ, ТЕХНИКЕ

ПОДПИСНАЯ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ

КОСМОНАВТИКА, АСТРОНОМИЯ

11/1989

Издается ежемесячно с 1971 г.

И. К. Розгачева

САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ СИСТЕМЫ ВО ВСЕЛЕННОЙ


В приложении этого номера:

СПЕЙС ШАТТЛ – ПРОШЛОЕ И НАСТОЯЩЕЕ



Издательство «Знание» Москва 1989

ББК 39.6
Р 64

Редактор И. Г. ВИРКО

СОДЕРЖАНИЕ

Розгачева И. К.

ISBN 5-07-001143-х

15 к.

В брошюре в популярной форме изложены современные представления о динамической природе порядка и беспорядка. На ряде примеров описаны закономерности явления самоорганизации структур в космосе. Обсуждается связь асимметрии времени с процессами самоорганизации в гравитирующей среде.

Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся современной астрофизикой.

3500000000ББК 39.6

ISBN 5-07-001143-х© Издательство «Знание», 1989 г.

СПЕЙС ШАТТЛ – ПРОШЛОЕ И НАСТОЯЩЕЕ*

* Продолжение (см, № 10).

В этом выпуске:

КОСМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА «СПЕЙС ШАТТЛ» (ОПИСАНИЕ)

Общие характеристики

К 1977 г., когда начались первые «полевые» испытания корабля «Шаттл», его облик практически полностью сформировался. Тем не менее уточнение характеристик системы происходило на довольно позднем этапе ее создания. Этим, в частности, объясняются расхождения в данных об аппарате, приводимых в разных источниках. Кроме того, характеристики системы зависят от наклонения орбиты, на которую выходит корабль в данном полете, и ее высоты, полезной нагрузки (ПН), находящейся в грузовом отсеке, и др. Ассигнования, выделенные на программу «Шаттл», предусматривали создание четырех рабочих экземпляров орбитальной ступени – № 102 «Колумбия», № 099 «Челленджер», № 103 «Дискавери» и № 104 «Атлантис». Экземпляр № 101 «Энтерпрайз» предназначался только для испытаний, без выведения на орбиту. Отдельные экземпляры орбитальной ступени также имели несколько отличающиеся характеристики.

Масса всей транспортной космической системы «Шаттл» составила около 2000 т, в том числе внешний топливный бак с топливом – более 738 т, пара снаряженных РДТТ – более 1167т, орбитальная ступень с грузом – до 114 т.

Были выработаны четыре наиболее характерные схемы полетов. Первая предусматривает выведение на орбиту наклонением 28° и высотой 185 км ПН массой около 29,5 т – после запуска с мыса Канаверал в восточном направлении. При этом стартовый вес космоплана превышает 114 т. Второй вариант позволяет вывести на орбиту с наклонениями 50 – 57° и той же высотой ПН массой более 11,3 т – в случае запуска с мыса Канаверал в северо-восточном направлении. Стартовая масса корабля будет приближаться к 100 т. Третья схема, рассчитанная на запуск с базы ВВС Ванденберг в южном направлении, дает возможность вывести 14,5 т на приполярную орбиту наклонением 104° и высотой 185 км. В этом случае при старте вес орбитальной ступени составит 97 т. Четвертый вариант предназначен главным образом для возвращения с приполярной орбиты ПН, достигающей 11,3 т. В соответствии с этой схемой космоплан, весящий 85 т, стартует с базы Ванденберг в южном направлении. При этом корабль может достигнуть орбиты высотой 185 км с наклонением 104°, неся на борту ПН 1134 кг. Максимальная ПН, выводимая на полярную орбиту, составляет 18,14 т.

Наибольшая величина ПН, которую космический корабль способен вернуть с орбиты, определяется максимумом его общего посадочного веса – 85,23 т. Из них ПН может достигать 14,5 т.

Кроме четырех основных, подготовлен целый ряд других схем полета. Они используют различные сочетания маневров выведения и коррекции орбиты, а также широкий спектр технических средств. При этом наибольшая высота орбиты для космоплана составляет 1100 км.

Конфигурация. В аэродинамических очертаниях орбитальной ступени «Шаттла» выразилось стремление конструкторов добиться возможности больших углов разворота на гиперзвуковой скорости и в то же время хороших планирующих качеств на дозвуковой скорости. Компромиссом между этими двумя требованиями явилось треугольное крыло корабля с двойной стреловидностью. Угол стреловидности передней кромки крыла меняется от 81° до 45°. Это обеспечивает на гиперзвуковой скорости аэродинамическое качество 1,3 при угле атаки 34° при сравнительно низких тепловых нагрузках и коэффициенте подъемной силы, достигающем 0,8. Когда же скорость снижается до дозвуковой, аэродинамическое качество возрастает до 4,4 при угле атаки 18° и коэффициенте подъемной силы 0,9.

Конструктивно фюзеляж корабля состоит из передней, средней и хвостовой секций, причем его форма была рассчитана на установку оперения, размещение грузового отсека размером 18,28 × 4,57 м в средней секции и трех мощных ЖРД в хвостовой секции. Полная длина космоплана составляет 38,27 м.

Передняя секция фюзеляжа представляет собой силовую конструкцию для размещения отсека экипажа, ниш носового шасси, люков двигателей системы ориентации и вспомогательных систем. Отсек экипажа разделен на три части: кабина экипажа, средняя палуба и находящийся под ее полом отсек оборудования и вспомогательных систем. Жизнь и работа экипажа проходят в верхней секции (кабине экипажа) и на средней палубе, имеющих общий объем 71,5 м³.

Все индикаторы и органы управления «Шаттлом», системы, обеспечивающие выполнение полета, расположены в кабине экипажа на верхней (летной) палубе. Эта секция рассчитана на размещение в ней до 4 человек на участках выведения и посадки. Во время орбитальных операций для них здесь имеются 6 основных рабочих постов. Так, для командира корабля и второго пилота предназначены левое и правое передние кресла. Органы управления и полетные индикаторы дублированы или имеют двухсторонний доступ, благодаря чему кораблем можно управлять с любого из кресел.

Выполнение операций с ПН, находящейся в грузовом отсеке, осуществляется с поста обслуживания, расположенного в задней части кабины экипажа. Это, обращенное назад, третье рабочее место используется специалистом по ПН для открывания и закрывания створок грузового отсека, работы с радиаторами системы кондиционирования и дистанционным манипулятором, а также для управления системой освещения и телевизионными камерами в грузовом отсеке. Два обращенных назад иллюминатора обеспечивают визуальное наблюдение за грузовым отсеком.

Операции по контролю и выполнению работ с фиксированной ПН грузового отсека могут проводиться тем же (третьим) астронавтом с поста специалиста по полезной нагрузке, обращенного к левой стороне кабины (позади кресла командира).

Четвертый член экипажа, специалист по программе полета, обычно находится на своем посту позади кресла второго пилота, лицом к правой стенке летной палубы. Этот специалист отвечает за управление и необходимую последовательность выполнения всех операций.

Шестое рабочее место, расположенное рядом с постом обслуживания ПН в задней части кабины, является пультом причаливания. Он содержит все необходимое для выполнения ориентации и точного маневрирования во время сближения на орбите. Два иллюминатора в верхней части кабины обеспечивают обзор для наблюдения за целью.

Таким образом, во время работы на орбите командир и второй пилот используют обращенное вперед рабочее место и обращенный назад рабочий пост причаливания, специалист по ПН работает на посту с левой стороны кабины и на посту обслуживания у задней стенки, а специалист по программе полета действует на пульте у правой стенки кабины. Однако во время выведения и спуска все четыре члена экипажа находятся в обращенных вперед креслах. На верхней палубе обзор пилотам обеспечивают шесть передних иллюминаторов. Все иллюминаторы, кроме двух на задней стенке, имеют трехслойную конструкцию.

На средней палубе (под летной) могут размещаться дополнительные кресла для еще трех членов экипажа. Это помещение является бытовым отсеком и соединяется с летной палубой через люк в его потолке. Во время операций на орбите кресла в бытовом отсеке убираются. На борту могут быть размещены еще три кресла в случае осуществления полета для спасения астронавтов, терпящих бедствие на орбите.

Жилая зона средней палубы содержит спальные места, кухню, отсек для сбора отходов, санузел, складной стол для приема пиши и т. д. В жилой зоне возможен доступ к электронному оборудованию и нишам со снаряжением, документацией и личными вещами. В задней части средней палубы расположена шлюзовая камера, обеспечивающая в полете выход одетого в скафандр астронавта в распахнутый грузовой отсек. Нижняя секция, расположенная под полом средней палубы, содержит основные элементы системы кондиционирования и удаления отходов.

Доступ в отсек экипажа на стартовой площадке осуществляется через круглый люк средней палубы, имеющей в нем единственный иллюминатор.

Средняя секция фюзеляжа представляет собой несущую силовую конструкцию длиной 18,59 м, включающую силовые элементы для крепления крыла, грузовой отсек и систему электропитания. Две створки люка грузового отсека проходят по всей длине средней части фюзеляжа. Раскрытие и закрытие створок осуществляются посредством электромеханического привода. Система из 32 замков фиксирует створки в закрытом положении.

Внутри грузового отсека объемом 339,8 м³ предусмотрены различные средства обращения с полезной нагрузкой, включая элементы крепления, средства защиты от воздействия среды, дистанционный манипулятор, средства связи и обработки информации, а также передачи электроэнергии, жидкостей и газов. Крепление ПН осуществляется с помощью точек фиксации. Контроль теплового режима в грузовом отсеке ограничивается пассивными средствами в виде изоляции и предполетным кондиционированием от наземного оборудования.

Для облегчения перемещения ПН в грузовой отсек и из него в условиях невесомости на «Шаттле» предусматривается манипулятор с дистанционным управлением, закрепленный в передней части грузового отсека вблизи линии шарниров левой створки. Манипулятор имеет выносные телекамеры и систему освещения и представляет собой трехзвенную «руку» длиной 15,24 м. На конце манипулятора имеется цанговый патрон, охватывающий ведущий вал, к которому может быть прикреплено выбранное устройство. Все органы управления и индикаторы работы манипулятора установлены на посту обслуживания ПН. Несмотря на имеющиеся на задней стенке летной палубы иллюминаторы, для большинства операций с манипулятором требуется использование телекамер. Точность контакта системы ±6 см, максимальная дистанция торможения для незагруженной «руки» оценивалась в 61 см. Неиспользуемый манипулятор располагается вдоль линии шарниров левой двери грузового отсека, протянувшись почти на всю его длину, и опирается на У-образные подставки в зафиксированном положении. Создание манипулятора было осуществлено фирмой СПАР (Торонто) и является вкладом Канады в программу «Спейс Шаттл».

Конструктивные возможности корабля позволяют установить в передней части грузового отсека, у переборки кабины экипажа, герметичный переходной отсек со стыковочным узлом, обращенным вверх.

Средняя секция фюзеляжа «Шаттла» весит около 6100 кг. Помимо того, что она образует отсек ПН и включает в себя конструкцию центроплана, на ней установлены также обтекатель передней части крыла и поворотные опоры главных стоек шасси с каждой стороны фюзеляжа. Под полом грузового отсека располагается система электропитания.

Задняя секция фюзеляжа является опорой для вертикального киля, содержит силовую раму, три маршевых двигателя, два двигателя системы орбитального маневрирования, два блока реактивной системы ориентации и основную часть центроплана крыла. Здесь же размещены два основных узла крепления внешнего топливного бака, а также трубопроводы подачи жидкого кислорода и водорода из наружного бака в двигатели. Тепловой экран защищает конструкцию и подсистемы от избыточного тепла, выделяемого двигателями, а на нижней части секции закреплен подфюзеляжный закрылок. Наружная обшивка и пол изготовлены из алюминия, а силовая рама – из титана.

Вертикальный киль представляет собой двухлонжеронную, многонервюрную конструкцию, прикрепленную к задней секции на болтах. Руль направления состоит из двух секций и разделен по продольной оси для использования в качестве воздушного тормоза. Киль имеет высоту 8,23 м.

Крыло и шасси. Крыло выполнено из алюминия с гофрированной стенкой лонжерона, нервюрами ферменного типа и с приклепанными к обшивке стрингерами. Площадь крыла (819,9 м²) создает около 80% подъемной силы.

Частью конструкции крыла являются ниши и створки главных строек шасси. Трехколесное шасси остается убранным и гидравлически отключенным до момента выпуска перед приземлением, когда открываются сдвоенные носовые и одинарные основные створки шасси, обеспечивая срабатывание гидравлики для его выпуска. Все три стойки имеют сдвоенные колеса, а четыре главных колеса оснащены бериллиевыми тормозами, а также полностью модулированной системой управления разворотом. Носовая стойка снабжена поворотной системой с демпфированием. У всех трех стоек есть возможность выпуска и фиксации шасси под действием собственного веса в случае отказа гидравлической системы. Четыре главных колеса имеют радиус качения 46,7 см, а два носовых колеса – 33,8 см.

Поверхности аэродинамического управления. На задней кромке крыла находятся элевоны, а на вертикальном стабилизаторе – руль направления. Элевоны в основном обеспечивают управление по тангажу и крену, а руль направления – по курсу. Разрезной руль направления работает, как уже говорилось, так же, как воздушный тормоз.

Тепловая защита. Термическое покрытие корабля должно обеспечивать поддержание температур обшивки не выше 450 К, стенок кабины экипажа – не выше 322 К, внутри грузового отсека не выше 366 К, а в отсеках, где размещаются двигатели и шасси, – 450К, хотя при входе в атмосферу допускается нагрев отдельных участков до 1755 К. Нос фюзеляжа и передние кромки крыльев, нагревающихся до этой температуры, защищены многослойным покрытием из углеродной ткани, пропитанной фенольной смолой – RCC. Участки, нагревающиеся до 820–1500 К, защищены покрытием HRSJ, созданном на основе кварцевого волокна, которое нанесено на поверхность обшивки в основном в виде квадратных плиток размером 15,2 × 15,2 см при толщине от 19 до 63,3 мм (в зависимости от нагрева участка). Участки, нагревающиеся до 680 – 820 К, защищены плитками размером 20,3 × 20,3 см из материала LRSJ, также состоящего из кварцевого волокна. Их толщина колеблется от 5,1 до 25,4 мм. Участки, нагревающиеся до 645 К, защищены теплозащитой FRSJ, представляющей собой войлок толщиной 4,1 – 10,2 мм с нанесенной белой силиконовой резиной. Всего космоплан покрывает более 30 000 плиток, общая масса которых составляет 7,16 т.

Двигательная установка. Создание основной маршевой двигательной установки челночного корабля считалось самой сложной технической задачей программы «Шаттл». Конструкторам было необходимо спроектировать не только наиболее мощный и продуктивный двигатель, но и обеспечить его многократное использование, для достижения чего требовалась высокая надежность, ремонтопригодность и целый ряд других труднодостижимых качеств, Разработка главных двигателей оказывала решающее влияние на темп реализации программы на начальном этапе. Первое испытание двигателя было проведено в марте 1975 г., а в ноябре 1976 г. началось изготовление первого летного комплекта.

Двигатель, именуемый ССМЕ, разрабатывался фирмой «Рокетдайн». В нем применяется высокоэффективное криогенное топливо – жидкий водород в качестве горючего и жидкий кислород в качестве окислителя. Тяга ССМЕ на поверхности Земли – 1,67 МН, в пустоте – 2,09 МН, удельный импульс на поверхности Земли – 3567 м/с, в пустоте – 4464 м/с, масса конструкции – 3 т, масса залитого ЖРД – 3,2 т, высота – 4,24 м, диаметр – 2,67 м. Двигатель работает в полете в течение 520 с, но в аварийной ситуации может действовать до 823 с. Его общий ресурс 7,5 ч, что позволяет использовать двигатель в 55 полетах. В двигательной установке «Шаттла» используется связка из трех ССМЕ, которые создают 99% скорости, необходимой кораблю для достижения орбиты. Двигатель состоит из камеры, газовода, двух газогенераторов, основных турбонасосных агрегатов окислителя и горючего, агрегатов управления и т. д. ЖРД выполнен по схеме с дожиганием: около 20% топлива сгорает в газогенераторе, образуя восстановительный газ сравнительно низкой температуры, который используется для привода турбонасосов и затем поступает в камеру, где дожигается с оставшейся частью топлива.

ССМЕ устанавливается в корпусе космоплана на карданном подвесе, который позволяет двигателю отклоняться с помощью гидроприводов по командам компьютеров для управления траекторией полета.

Помимо двигателей ССМЕ, в хвостовой части фюзеляжа размещены два двигателя системы орбитального маневрирования ОМС, Они предназначены для довыведения корабля на околоземную орбиту после отделения от топливного бака, а также маневров коррекции орбиты и торможения для входа в атмосферу. Топливом для двигателей является монометилгидразин и четырехокись азота, их тяга составляет 26,7 кН.

Топливная система двигателей ОМС взаимосвязана с топливной системой двигателей ориентации РКС, две группы которых находятся в общих корпусах с блоками орбитального маневрирования. Третья группа двигателей ориентации находится в носовой части космоплана. Всего система РКС насчитывает 44 двигателя малой тяги двух видов. Из них 16 двигателей находятся в носовом модуле и по 14 в двух задних блоках. Эти системы предназначены для выполнения маневров точной коррекции и ориентации корабля в безвоздушном пространстве. (Продолжение следует.)

Розгачева Ирина Кирилловна

САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ СИСТЕМЫ ВО ВСЕЛЕННОЙ

Гл. отраслевой редактор Л. А. Ерлыкин. Редактор И. Г. Вирко. Мл. редактор С. С. Патрикеева. Худож. редактор К. А. Вечерин. Техн. редактор Н. В. Клецкая. Корректор В. И. Гуляева.

ИБ № 10930

Сдано в набор 25.08.89. Подписано к печати 19.10.89. Т-01283. Формат бумаги 84×108¹/₃₂. Бумага тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 3,36. Усл. кр.-отт. 3,57. Уч.-изд. л. 3,65. Тираж 26 506 экз. Заказ 1598. Цена 15 коп. Издательство «Знание». 101835, ГСП, Москва, Центр, проезд Серова, д. 4. Индекс заказа 894211.

Типография Всесоюзного общества «Знание». Москва, Центр, Новая пл.. д. 3/4.

4-я стр. обложки