HL-20: Gdyby duży nie mógł mały uratuje sytuację. Mini-wahadłowiec jako wsparcie dla programu STS na wypadek uziemienia orbiterów (Studium 1988.r)

Pełnowymiarowa makieta HL-20 (fot.NASA)

Mało znanym w zalewie patetycznych filmów i programów popularnonaukowych na temat programu wahadłowców faktem jest rosnąca rezerwa zaufania wobec swojej nowej konstrukcji samej NASA już w pierwszych latach jej użytkowania. Wahadłowce były Ideą (przez wielkie I). Miały reprezentować wszystkie marzenia związane z dostępem człowieka do przestrzeni kosmicznej: bezpieczeństwo, niskie koszty, dużą częstotliwość lotów. Miały być tak zwyczajne jak dzisiaj używane samoloty pasażerskie. Niestety rzeczywistość okazała się ekstremalnie bardziej skomplikowana…tak jak sam pojazd.

Nie przewidzisz jutra…rzut monetą to najlepsza wróżba

Po kilku latach niełatwej (oraz kosztownej) eksploatacji trzeba było zmierzyć się z oczywistą kwestią. Katastrofa promu Challenger z 1986 roku, który uśmiercił całą swoją załogę była potwierdzeniem istnienia problemu. Użytkowanie orbiterów może być zawieszone. Mogą nie być wstanie polecieć w kosmos. Dla USA, które było w trakcie zaawansowanych prac na własną stacją kosmiczną (którą promy miały zresztą budować) stało się jasne, że trzeba przyjąć rzeczywistość taką jaką jest. Promy nie są i nie będą tanim, i niezawodnym pośrednikiem pomiędzy Ziemią a przestrzenią kosmiczną. Nie można było w 100% oprzeć załogowej obecności człowieka na orbicie tylko o nie. Stacja kosmiczna to konkretne zobowiązanie. Wymaga regularnego zaopatrywania i odwiedzin statków z Ziemi. Zaniedbanie tego obowiązku już się USA przydarzyło przy eksploatacji stacji Skylab. Pozwolili sobie zrobić kilkuletnią przerwę w załogowych lotach kosmicznych kończąc program Apollo a nie dysponując alternatywnym środkiem obsługi stacji. Życzeniowe myślenie, że stacja (lub raczej laboratorium kosmiczne jakiego określenia woleli używać sami jej twórcy) „jakoś dotrwa” do rozpoczęcia lotów pierwszych wahadłowców, które mogłyby poprawić jej orbitę nie zdało egzaminu. Skylab spłonął w atmosferze zanim pojawiły się możliwości podniesienia stacji na większą wysokość. Nie można było przewidzieć, że zwiększona aktywność słoneczna przyspieszy degradację orbity. Amerykanie mogli jedynie patrzeć jak ich pierwsza i jedyna do tej pory samodzielnie skonstruowana placówka kosmiczna spala się w atmosferze.

Pozostałości niepilnowanej stacji kosmicznej, którym udało się „przeżyć” wejście w atmosferę na wystawie w jednym z muzeów.

Co dwa to nie jeden

W latach osiemdziesiątych oprócz wahadłowców NASA za główny cel stawiała sobie budowę i długoczasową eksploatację dużej stacji kosmicznej. Miała ona nosić nazwę Freedom i jej elementy widoczne są dzisiaj w kształcie ISS w nierosyjskich częściach stacji. W pierwotnym zamyśle Freedom miał być stacją amerykańską jakkolwiek planowano udział państw trzecich w projekcie. Najistotniejszą kwestią było to, że żadne z tych państw nie dysponowało załogowym statkiem kosmicznym mogącym obsługiwać stację (Japonia, Kanada, ESA). Z racji czasu, w którym planowano przedsięwzięcie Związek Radziecki nie był brany pod uwagę. W takiej sytuacji wahadłowce były jedynym statkiem, który miał stację budować, umożliwiać loty załóg i zaopatrywać ją. Uzależnienie od jednego tylko pojazdu, który zdążył sprawić w trakcie kilku lat użytkowania niemałe problemy (przede wszystkim utrata jednego w 1986 roku i uziemienie w związku z tym całej floty na długi czas) zapaliło w głowach naukowców racjonalne czerwone światło.

Widać uderzające podobieństwo planowanej w latach 80tych stacji Freedom do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. To zupełnie inna historia ale jest ono nieprzypadkowe.

Pojawiła się też inna kwestia. Stacja Freedom miała być dużą obsadzoną na stałe (podobnie jak dzisiaj ISS) placówką kosmiczną. Wahadłowce mogły być jednak zadokowane do niej tylko przez kilkanaście dni. Po tym okresie musiały powrócić na Ziemię. Kosmonauci na pokładzie stacji nie mieliby zatem możliwości awaryjnego powrotu do domu! Taka sytuacja była z oczywistych powodów nie do pomyślenia.

Jak to by miało wyglądać…

Potrzebne były studia koncepcyjne nad skonstruowaniem pojazdu stanowiącego uzupełninie luki jaką tworzyły wahadłowce STS.  Zadania jakie stawiano nowej konstrukcji to próba zaleczenia wad jakie miały przez cały okres eksploatacji wahadłowce.  Drugi typ statku w użyciu przez NASA zabezpieczałby komunikację ze stacją na wypadek gdyby orbitery STS sprawiały problemy. CERV (Crew Emergency Return Vehicle) miał być tak zaprojektowany, żeby móc pozostawać zadokowanym do stacji przez długi czas umożliwiając powrót załodze w każdym momencie trwania misji. Miał ponadto stanowić tani sposób wystrzeliwania załóg do nowej stacji. W takim wypadku oznaczenie programu stanowiłby akronim PLS, o którym później.

Porównanie rozmiarów wahadłowca STS i jego planowanego mniejszego kuzyna.

Pod uwagę brano dwie wersję kształtu takiego pojazdu. Nie będzie zaskoczeniem, że były to: kapsuła lub wahadłowiec oparty o kadłub nośny ( wahadłowiec STS był konstrukcją opartą o uskrzydlenie typu delta- warto być świadomym różnicy). Lata osiemdziesiąte były czasem gdy skrzydlate statki kosmiczne miały swoje „pięć minut”. Każdy chał taki mieć. Rosjanie pracowali nad Kliperem, zbudowali Burana, ESA pracowała nad Hermesem a Chińczycy nad H-2. Dzisiaj jesteśmy świadkami zupełnie odwrotnego trędu- do mody wracają kapsuły. Wtedy jednak zdecydowano się na kosmiczny samolot. Co ciekawe nie zdecydowano się na własną konstrukcję a postanowiono zbudować ją na podstawie danych wywiadowczych traktujących o radzieckim mini-wahadłowcu BOR-4, który służył do testowania technologii mających być wykorzystanymi w programie Buran a biorącym swe korzenie z programu samolotu kosmicznego Spiral!

Na wspomniane dane wywiadowcze składały się zdjęcia z samolotu P3 Orion lotnictwa Australii, które sfotografowały odzyskanie BOR 4 po udanej misji.

Po przeanalizowaniu zdjęć BOR-4 okazało się, że Rosjanie opracowali konstrukcję o świetnych parametrach aerodynamicznych. Tak dobrych, że zrezygnowano z wykorzystania własnych osiągnięć NASA na tym polu- konstrukcji X-24A, M2-F3 oraz HL-10. Amerykańska kopia BOR-4 dostała oznaczenie HL-20.

Pomimo, że trudno to sobie wyobrazić, jako że cały HL-20 zmieściłby się w ładowni swojego większego kuzyna to miał mieścić w swoim wnętrzu 2 członków załogi oraz 8 kosmonautów w wersji statku wykonującego misje do stacji Freedom…plus niewielki ładunek.

Główne cele konstrukcji

Jak więc widać głównym zadaniem HL-20 obok roli kapsuły ratunkowej byłoby zapewnienie taniej płynnej rotacji załóg na stacji kosmicznej co oddaje skrót programu który byłby z nim związany- PLS: Personnel Launch System, który jasno wskazuje obsługę kosmonautów jako priorytetową w programie. Warto przypomnieć, że znane wszystkim ciężkie wahadłowce, które pamiętamy z ostatnich trzech dekad lotów związane były z programem STS- Space Transportation System i kolejne loty były numerowane skrótem od STS-1 aż do ostatniego STS-135.

Prace nad HL-20 były dosyć daleko zaawansowane. Powstała pełnowymiarowa makieta.

Typowa misja PLS z wykorzystaniem HL-20 zakładała start na szczycie rakiety (Wahadłowce STS były wynoszone na boku rdzawego zbiornika zewnętrznego paliwa i dwóch rakiet pomocniczych SRB). Mini-wahadłowciec przygotowywany byłby do lotu osobno względem rakiety która miałaby go wynieść (w programie STS cały zespół startowy był przygotowywany do lotu w budynku VAB- Vehicle Assembly Building).

Sekwencja startowa rozpoczynałaby się w momencie przelotu stacji Freedom nad stanowiskiem startowym. Warto wspomnieć, że planowana inklinacja (nachylenie orbity względem równika) miała wynosić dla niej 28st. Dzisiejsza ISS ma inklinację orbity 51st. co jest spowodowane wymogiem możliwości obsługi przez Rosję, której w projekcie Freedom miało nie być.

Po starcie mały wahadłowiec miał wejść na niską- szybką orbitę 185 km i gonić stację znajdującą się przeszło 200km wyżej. Po manewrach korekcyjnych dokowanie odbyłoby się na wysokości 410 km (mniej więcej taka sama na jakiej krąży ISS). Po wymianie załóg HL-20 miał wrócić ze „starą załogą” na Ziemię. Całość misji miała trwać około 72 godzin. Lądowanie odbyłoby się w sposób identyczny jaki znamy z programu STS.

Do możliwych misji poza głównym przeznaczeniem miały być misje o priorytecie czasu, czyli „na szybko” czego pomimo podobnych wymagań nie mogły zapewnić duże wahadłowce- ich realny czas przygotowania okazał się dużo większy niż zakładany w planach. Brano również pod uwagę misje serwisowe do satelitów. W tym przypadku załoga zostałaby zmniejszona, żeby dostosować wewnętrzną przestrzeń do dłuższej samodzielnej misji.

No więc gdzie on jest?

Tak miała wyglądać stacja Freedom. Pomimo ambicji wizja nie do osiągnięcia przez jedno ambitne państwo. 16 krajów jednak dało radę. ISS garściami czerpie z tego projektu w nierosyjskiej części stacji.

Koniec końców projekt stacji Freedom musiał pójść na kompromis z nową polityczno-ekonomiczną rzeczywistością . Ekstremalnie kosztowne loty STS czyniły budowę kompleksu bardzo drogą. Sam projekt przerośniętej stacji (amerykanie poszli na całego i przez długi czas projekt musiał borykać się z deficytem zasilania) był dużym wyzwaniem i nawet na papierze wyglądało to przerażająco. Liczba spacerów kosmicznych potrzebnych do złożenia stacji na orbicie to blisko 3000 godzin łącznie prac prowadzonych w skafandrach kosmicznych przez kosmonautów!(przypis1)

Po rozpadzie ZSRR obydwa mocarstwa miały wspólny interes we współpracy. Rosjanie dla których lata 90 to potężny kryzys finansowy mieli jednocześnie gigantyczne doświadczenie w budowie i utrzymywaniu długookresowych stacji orbitalnych. Amerykanie dokładnie na odwrót. Nikłe doświadczenie w zakresie misji o długim czasie trwania ale stosunkowo dobrą sytuację ekonomiczną (ciekawostką jest, że pierwszy moduł ISS „Zarja”, pomimo, że zaprojektowany i wybudowany przez Rosjan został sfinansowany przez USA).

Co dwie głowy to nie jedna

W wyniku tego koszty opracowania nowej placówki zostały obniżone przez dołączenie do projektu stacji segmentu rosyjskiego którym była planowana stacja MIR-2. Statkami ewakuacyjnymi zostały sprawdzone oraz, jak na standardy astronautyczne, tanie w budowie i eksploatacji Sojuzy . USA nie zdecydowało się na kontynuowanie prac nad własnym statkiem. Z konsekwencjami tej decyzji mierzy się właśnie dzisiaj od lat nie mając możliwości wysłania samodzielnie człowieka w kosmos i płacąc słone (jakkolwiek dużo mniejsze niż w przypadku misji STS) pieniądze za miejsca w statkach rosyjskich.

Tak to miało wyglądać. HL-20 opuszczający stację Freedom.

Podsumowanie

HL-20 reprezentował wahadłowiec takim jaki powinien być od początku bez wad większego kuzyna. Wszystkie cechy i właściwości bycia orbiterem służą tylko i wyłącznie załodze. Ładunkowi taki komfort jest niepotrzebny. Małe przeciążenia, komfort lotu większy niż w przypadku niewielkiej kapsuły, kontrolowany lot po w łagodnym wejściu w atmosferę. Wreszcie też inny ważny argument- koszty. HL-20 sprowadzał koszty do poziomu jaki był w założeniach projektu STS…nigdy nie osiągniętego. Loty wahadłowców były ekstremalnie drogie. Idea mini wahadłowca była też pogodzeniem się z istotnym faktem podróży w przestrzeń kosmiczną- Ludzie powinni lecieć osobno a ciężki ładunek mieć swój własny system wynoszenia. Czy jest to spóźniona lekcja skoro HL-20 nigdy nie został zbudowany? W żadnym wypadku. Na podstawie BOR-4/HL20 jest właśnie budowany jedyny załogowy wahadłowiec na świecie! Dream Chaser, który wydaje się być spełnieniem marzeń o skrzydlatym orbiterze (choć na bazie kadłuba nośnego) posiadającego cechy,  w które nie udało się wpisać przez 30 lat służby orbiterom STS.

Szersze omówienie konstrukcji HL-20 w odniesieniu do budowanego mini-wahadłowca Dream Chaser i całej związanej z nim historii do przeczytania w 25 numerze AstroNautilusa. Zapraszam do nabycia tego wciąż dostępnego numeru! 

Artykuł „Dream Chaser- w pogoni za snem” znajdziecie na stronie drugiej numeru!

Wszystkie dane techniczne dotyczące HL-20 zosały zaczerpnięte z http://www.astronautix.com/craft/hl20.htm

przypis : 1 http://www.astronautix.com/craft/spaeedom.htm ostatni akapit