USA vs. ZSRR, czyli kosmiczne starcie wahadłowców [ANALIZA]

Amerykański Space Shuttle

W latach 60. XX wieku Amerykanie żyli programem Apollo, którego celem było pierwsze w historii postawienie stopy człowieka na Księżycu. Ambitny plan zapowiedziany przez ówczesnego prezydenta Johna Kennedy’ego został zrealizowany, ale dla wielu obywateli niezrozumiałe pozostało kontynuowanie go przy wykorzystaniu jednorazowych technologii. Na bazie tego w Stanach Zjednoczonych rozpoczęto debatę nad opracowaniem statku kosmicznego wielokrotnego użytku.

Pierwsze rozmowy miały miejsce jeszcze w 1967 r., kiedy Prezydencki Komitet Doradczy ds. Nauki stwierdził, że w niedalekiej przyszłości może stać się konieczne przeprowadzenie badań nad bardziej ekonomicznym środkiem transportu. Tego typu działania rozpoczęły się dwa lata później w ramach programu ILRV (ang. Integrated Launch and Reentry Vehicle).

Analizy zostały zlecone poprzez kontrakty dla amerykańskich firm, tj. North American Rockwell, General Dynamics, Lockheed lub McDonnell Douglas. Te z kolei współpracowały bezpośrednio z trzema ośrodkami NASA – Marshall Space Flight Center, Langley Research Center oraz Manned Space Flight Center.

W 1970 r. NASA oficjalnie przyjęła wizję budowy dwustopniowego systemu wynoszenia astronautów i cargo w przestrzeń kosmiczną z technologią wielokrotnego użytku. W fazie B programu konkurencyjne rozwiązania z bardziej pogłębioną analizą miały zaprezentować McDonnell Douglas i North American Rockwell (jako liderzy konsorcjów). Do fazy B w późniejszym czasie dołączył również Grumman. Jednocześnie prace kontynuowały inne firmy nie tylko z zakresu wahadłowców, ale i poszczególnych komponentów, tj. silniki rakietowe (Rocketdyne i Pratt & Whitney).

Wraz z trwającymi pracami i kolejnymi projektami na opracowanie studiów wykonalności i pogłębionych analiz, pojawiały się wątpliwości w stosunku do kosztów. W 1972 r. głosy przeciwne były tak duże, że za utrzymaniem programu wypowiedział się sam Richard Nixon po konsultacjach z NASA, która prowadziła wówczas zażartą konfrontację z instytucjami zajmującymi się wydatkami. Nixon świadomy potężnych wydatków na Apollo i technologie jednokrotnego użytku poparł pomysł wahadłowców kosmicznych.

„Dlatego zaangażowanie w program wahadłowców kosmicznych jest właściwym krokiem dla Ameryki, aby odejść od naszego obecnego przyczółka na niebie i osiągnąć rzeczywistą obecność roboczą w kosmosie – ponieważ wahadłowiec kosmiczny zapewni nam rutynowy dostęp do kosmosu poprzez drastyczne obniżenie kosztów w dolarach i czasu przygotowań.” – Richard Nixon, 1972 r.

Przemysł biorący udział w programie koncentrował się w dużej mierze na obniżeniu kosztów budowy stopnia startowego. Przykładem pomysłu była koncepcja opracowana przez Martin Marietta zakładająca wykorzystanie rakiety Titan 3L (4 boostery boczne), do której doczepiony byłby orbiter H-33 od Grumman ze zbiornikami ciekłego wodoru po bokach kadłuba nad skrzydłami.

Rozważano również wykorzystanie zmodyfikowanego pierwszego stopnia z rakiety Saturn V – określany jako S-1C – natomiast pomysł ten również przepadł. Postawiono zatem na napędy na paliwo stałe i/lub mieszankę ciekłego wodoru oraz ciekłego tlenu.

Zakończenie analiz różnych koncepcji miało miejsce w 1972 r., kiedy firma North American Rockwell, a później Rockwell International Corporation, otrzymała kontrakt na zaprojektowanie, zbudowanie i przetestowanie wahadłowców, w tym dwóch orbiterów – OV-101 i OV-102 oraz prototypu do badań napędów MPTA-098. Rockwell był liderem projektu, chociaż duża część zadań przypadła innym firmom ze Stanów Zjednoczonych, do których można zaliczyć Martin Marietta oraz Thiokol Chemical Corp.

Pierwsze próby nie mogły odbywać się przy wykorzystaniu zbiornika zewnętrznego oraz boosterów bocznych na paliwo stałe – projekt wciąż znajdował się na wczesnym etapie. Przeprowadzano testy makiet zrzucanych ze śmigłowca, natomiast do prób na prawdziwym orbiterze OV-101 potrzebna była znacznie większa maszyna, niż Sikorsky S-64 Skycrane.

W tym celu w 1974 r. NASA zakupiła od American Airlines używanego Boeinga 747, który został następnie przystosowany do prób z orbiterem, m. in. poprzez wzmocnienie konstrukcji i zainstalowanie na grzbiecie elementów, do których można było przyczepić orbiter. Warto zaznaczyć, że naukowcy nie zamierzali wykorzystać OV-101 Enterprise do lotów w kosmos, a jedynie sprawdzenia maszyny pod przyszłe misje OV-102.

Pierwsza seria prób z Enterprise odbyła się w 1977 r., kiedy inżynierowie testowali rozpędzanie się Boeinga z orbiterem doczepionym do grzbietu do prędkości nawet 250 km/h. Kilka dni później nastąpiła próba z oderwaniem się od ziemi w eskorcie samolotów.

Testy przebiegały na tyle pomyślnie, że podczas jednego z nich wyłączono nawet jeden z silników Boeinga, co symulowało awarię. Kolejne serie prób odbywały się już z astronautami na pokładzie Enterprise, a niektóre z systemów, tj. awionika lub jednostki APU (Auxiliary Propulsion Unit) – kluczowe do zapewnienia energii hydraulicznej i elektrycznej, szczególnie w fazach startu, ponownego wejścia w atmosferę lub lądowania – pozostawały włączone.

Prawdziwa zabawa zaczęła się w 1977 r. podczas trzeciej fazy testów, których celem było sprawdzenie separacji Enterprise od Boeinga 747 i lądowania. Orbiter odłączył się od nosiciela na wysokości blisko 7 km nad ziemią przy prędkości 500 km/h. Pomimo lądowania oddalonego od ustalonego miejsca i awarii jednego z komputerów pokładowych udało się przyziemić.

Oczywiście inżynierowie testowali również inne podsystemy w projekcie Space Shuttle. W 1977 - 1979 r. wykonano próby drgań, silników SSME (Space Shuttle Main Engine), boosterów i zbiornika zewnętrznego. Odbyły się również testy infrastruktury w kompleksie startowym 39A w Kennedy Space Center na Florydzie z wykorzystaniem całej konstrukcji – orbitera i zbiornika zewnętrznego z boosterami.

Warto również zauważyć, że w podobnym czasie trwały próby wytrzymałościowe prototypu STA-099, czyli przyszłego OV-099 Challenger. Inżynierowie przy pomocy odpowiedniej aparatury sprawdzali obciążenia występujące podczas pracy silników lub reakcji na wysokie temperatury podczas wchodzenia w atmosferę Ziemi.

Budowa OV-102 Columbia rozpoczęła się w 1975 r., a amerykańscy inżynierowie byli znacznie bogatsi o doświadczenie wyciągnięte z Enterprise. Wahadłowiec wzbił się po raz pierwszy do lotu w kwietniu 1981 r. z Przylądka Canaveral.

Tak, jak w przypadku większości projektów statków kosmicznych, również tutaj wystąpiły problemy techniczne związane z m. in. osłoną termiczną orbitera lub warstwą izolacyjną w zbiorniku zewnętrznym. Do tragedii doszło z kolei w marcu, kiedy technicy weszli do przedziału silnika wypełnionego azotem, a w wyniku zatrucia i zmarło dwóch z nich.

Space Shuttle ruszył pełną parą. W 1979 r. NASA przydzieliła kontrakt Rockwell International na budowę kolejnych orbiterów – OV-103 Discovery i OV-104 Atlantis – przebudowanie wspomnianego STA-099 na OV-099 Challenger oraz dostosowanie OV-102 Columbia do wersji operacyjnej po wykonaniu lotów testowych. Jeśli chodzi o debiuty poszczególnych orbiterów przebiegały one następująco:

• Sierpień 1977 r. – pierwszy samodzielny lot OV-101 Enterprise – testowy, nieprzeznaczony do lotów orbitalnych;
• Kwiecień 1981 r. – OV-102 Columbia;
• Kwiecień 1983 r. – OV-099 Challenger;
• Sierpień 1984 r. – OV-103 Discovery;
• Październik 1985 r, - OV-104 Atlantis;
• Maj 1992 r. - OV-105 Endeavour (zastępca Challengera);

Podczas programu Space Shuttle doszło do dwóch katastrof, w wyniku których zginęła załoga. Pierwsza z nich miała miejsce w ramach misji STS-51L i lotu Challengera, na pokładzie którego znajdowali się Francis „Dick” Scobee, Michael Smith, Ellison Onizuka, Judith Resnik, Ronald McNair, Gregory Jarvis oraz Christa McAuliffe.

Wahadłowiec wzbił się w powietrze 28 stycznia 1986 r. Po kilkudziesięciu sekundach konstrukcja przemieniła się w kulę ognia - za przyczynę tragedii uznano przepaloną uszczelkę między segmentami prawego boostera.

Objawy były widoczne już w pierwszych sekundach lotu, gdy z jednego ze złączy międzysegmentowych boostera zaczęły wydobywać się kłęby dymu. Około 60 s po starcie zaobserwowano płomień w pobliżu złącza między boosterem a zbiornikiem zewnętrznym, aby finalnie doszło do wycieku ciekłego wodoru. W 72 s doszło do przepalenia mocowania boostera. W 73 s zaobserwowano potężny wybuch – to ostatni moment, gdy odebrano dane telemetryczne z Challengera.

Po zakończonym śledztwie uznano, że przyczyną wadliwego działania uszczelek w najniższym łączeniu międzysegmentowym należy upatrywać m. in. w niskiej temperaturze i złych warunkach atmosferycznych. W oficjalnym raporcie zwrócono również uwagę na możliwość złego doboru pasty, która w trakcie testów zachowywała się bardzo zmiennie. Pasta chromianowo-cynkowa miała za zadanie chronić uszczelki umieszczane w specjalnych rowkach przed wpływem wysokich temperatur – swego rodzaju bariera termiczna.

W konsekwencji katastrofy Challengera większy nacisk położono na kwestie bezpieczeństwa, w tym procedury ewakuacji oraz uszczelniania w złączach międzysegmentowych boosterów. W kontekście produkcji wahadłowców, OV-105 Endeavour pełnił rolę zastępcy Challengera.

Druga tragedia miała miejsce w lutym 2003 r. w ramach misji STS-107 – katastrofa promu Columbia, w wyniku której zginęła załoga składająca się z astronautów Ricka Husbanda, Williama McCoola, Davida Browna, Kalpanę Chawla, Michaela Andersona, Laurela Clarka i Ilana Ramona.

Przyczyną był fragment pianki, która odpadła od zbiornika zewnętrznego i uszkodziła lewe skrzydło orbitera podczas startu. Wówczas nie przypuszczano, że tego typu usterka będzie miała tragiczne konsekwencje. Podczas ponownego wejścia orbitera w atmosferę Ziemi już po upływie kilku minut komputery pokładowe zaczęły rejestrować niepokojące dane. Zniszczone zostały przewody, czujniki, aż w końcu doprowadzając do wzrostu temperatury wewnątrz. Columbia rozpadł się na wysokości około 60 km nad Ziemią.

Co do zasady konstrukcja każdego z wahadłowców kosmicznych była podobna. Inżynierowie Rockwell i NASA wprowadzali zmiany na podstawie doświadczenia z lotów, natomiast różnice dotykały tylko poszczególnych systemów. Długość całego systemu wynosiła około 56 m, w tym długość orbitera to około 37 m. Masa startowa systemu wynosiła natomiast ponad 2000 t (blisko 110 t to masa samego orbitera).

W momencie startu ciąg był generowany przez 3 główne silniki RS-25 z cyklem etapowego spalania, zasilane mieszanką paliwa ciekły wodór i ciekły tlen, które opracowano w zakładach Pratt & Whitney Rocketdyne (później Aerojet Rocketdyne). Paliwo było dostarczane ze wspomnianego zbiornika zewnętrznego. Ciąg pojedynczego silnika RS-25 na poziomie morza wynosił około 1800 kN, natomiast 2100 kN w próżni kosmicznej. Dodatkowy ciąg zapewniały dwa boostery boczne na paliwo stałe.

Warto również zaznaczyć, że orbiter był wyposażony w zespoły silników do korekcji położenia RCS (Reaction Control System) – łącznie 44 jednostki - oraz dwa silniki do manewrowania na orbicie OMS (Orbital Maneuvering System). Oba systemy zasilało paliwo hipergoliczne monometylohydrazyna i tlenek azotu (N₂O₄).

Program Space Shuttle zakończył się w lipcu 2011 r. Atlantis poderwał się do lotu w celu przetransportowania 4-osobowej załogi do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Misja STS-135 zwieńczyła długoletni program amerykańskich wahadłowców kosmicznych. Oprócz kwestii bezpieczeństwa, szczególną uwagę zwrócono na rosnące koszty programu.

Radziecki system Energia-Buran

Podczas zimnej wojny Stany Zjednoczone rywalizowały ze Związkiem Radzieckiem na płaszczyźnie politycznej, wojskowej i technologicznej. Tam, gdzie NASA upatrywała możliwość tańszego wynoszenia załogi i ładunków w przestrzeń kosmiczną, Sowieci widzieli zagrożenie. W 1976 r., w odpowiedzi na program STS, rozpoczęli własny program systemu transportowego, wielokrotnego użytku – Energia-Buran. Jego historia potoczyła się jednak znacznie inaczej.

Za rozwój systemu odpowiadały radzieckie przedsiębiorstwa, tj. NPO Energia i NPO Molniya. Podstawową różnicą między amerykańskimi Space Shuttle a Energia-Buran były systemy napędowe podczas startu. Jak wspomniano wyżej, w przypadku STS ciąg generowały dwa boostery boczne na paliwo stałe przyłączone do zbiornika wewnętrznego oraz trzy silniki RS-25 orbitera z cyklem etapowego spalania na paliwo ciekły wodór i ciekły tlen, które było pobierane ze wspomnianego zbiornika.

W przypadku Energia-Buran orbiter był wynoszony przy pomocy potężnej rakiety nośnej jednokrotnego użytku Energia. System o wysokości około 59 m i średnicy blisko 20 m składał się ze stopnia centralnego (ang. core stage), który był napędzany klastrem czterech jednokomorowych silników RD-0120 zasilanych mieszanką ciekłego wodoru i ciekłego tlenu. Do segmentu dołączono natomiast 4 boostery, ale zasilane paliwem ciekłym. Każdy z nich napędzała pojedyncza jednostka RD-170 na RP-1 oraz ciekły tlen z czterema komorami spalania.

Kolejną różnicą wartą odnotowania jest zdolność wielokrotnego użytku obu systemów transportowych. Każdy z amerykańskich wahadłowców wykonał kilkadziesiąt misji, natomiast radziecki Buran (pol. burza śnieżna) tylko jedną. Rakieta Energia wyniosła wahadłowiec w listopadzie 1988 r. w ramach testowej misji bezzałogowej. Po dwukrotnym okrążeniu Ziemi orbiter łagodnie wylądował na Ziemi.

Związek Radziecki zdecydował o zakończeniu programu z uwagi na zbyt wysokie koszty. Według danych przedstawionych przez portal Russianspaceweb.com, koszt wyniesienia 20 t ładunku systemem Energia-Buran szacowano na 270 mln rubli. Autor porównał to z ówczesnym kosztem startu rakiety Proton – 5,5 mln rubli. Projekt upadł wraz ze Związkiem Radzieckim.

Niemniej jednak Buran oraz amerykańskie Space Shuttle były do siebie zbliżone pod pewnymi względami, np. wizualnie. Szacowano, że radziecki orbiter o długości blisko 37 m i masie około 105 t mógł zabrać w przestrzeń kosmiczną ładunek o masie do 30 t. Podobną zdolność posiadał system NASA.

Materiał powstał na podstawie raportów NASA, branżowych portali internetowych oraz książki „Samoloty kosmiczne” autorstwa Jacka Nowickiego oraz Krzysztofa Zięciny.