Внешний топливный бак МТКК «Спейс шаттл» () — один из основных компонентов системы «Спейс шаттл», содержащий жидкий водород в качестве топлива и жидкий кислород в качестве окислителя. Во время старта и подъёма он подаёт топливо и окислитель под давлением к трём маршевым двигателям RS-25 орбитального корабля. Топливный бак работает в течение 480 секунд после старта, после отключения главных двигателей менее чем через 10 секунд отбрасывается на высоте около 113 км. Как правило, он сгорает в плотных слоях атмосферы, но некоторые его части могут упасть в Индийском океане (или Тихом океане в случае траекторий запуска с прямым выведением), вдали от морских путей. Это единственный одноразовый компонент «Спейс шаттла», а также единственный его компонент, не имеющий собственных ракетных двигателей.
Описание
Изначально внешний бак окрашивался в белый цвет для первых двух запусков «Шаттлов». Начиная с STS-3, он оставался неокрашенным для снижения общей массы системы. Являлся самым большим элементом космического корабля «Шаттл», а при загрузке он также был самым тяжёлым, хотя и значительно уступал по массе двум боковым ускорителям, но превосходил каждый из них в отдельности. Он состоял из трех основных компонентов:
передний бак с жидким кислородом (LOX); безнапорный промежуточный бак, в котором находится большинство электрических компонентов; кормовой бак с жидким водородом (LH2); это была самая большая часть, но она была относительно лёгкой из-за очень низкой плотности жидкого водорода.
Внешний бак был несущей конструкцией всей системы во время запуска, обеспечивая структурную поддержку для крепления твердотопливных ракетных ускорителей (SRB) космического корабля и орбитального корабля. Бак соединялся с каждым ускорителем в одном переднем узле крепления (через межбаковую траверсу) и одном заднем кронштейне, а с орбитальным аппаратом — в одном переднем креплении и двух задних сошках. В задней части крепления также располагались системы коммуникационных кабелей и трубопроводов топливной системы. Трубопроводы соединяли маршевые двигатели орбитера (RS-25) с баковыми объёмами, а сеть кабелей связывала электронику внешнего бака и твердотопливных ускорителей с общей системой датчиков и управляющих сигналов, а также системой бортового питания челнока.
Хотя внешние баки всегда выбрасывались, возможно, их можно было повторно использовать на орбите astronautix.com (NASA Report, Utilization of the external tanks of the space transportation system ). Планы повторного использования варьировались от включения в космическую станцию в качестве дополнительного жилого или исследовательского пространства, в качестве баков для ракетного топлива для межпланетных миссий (например, на Марс) до сырья для орбитальных заводов.
Другая концепция заключалась в том, чтобы использовать внешние баки в качестве грузового перевозчика для крупногабаритных полезных грузов. Одно из предложений заключалось в том, чтобы главное зеркало телескопа с 7-метровой апертурой перевозить вместе с баком. Другой концепцией был Aft Cargo Carrier (ACC).
Версии На протяжении многих лет NASA работало над уменьшением веса внешних баков для повышения общей эффективности. Уменьшение веса привело к почти равному увеличению грузоподъёмности всей системы.
Бак оранжевого цвета Классический оранжевый цвет внешнего бака соответствует цвету напыляемой пеноизоляции. Первые два бака, использовавшиеся для STS-1 и STS-2, были окрашены в белый цвет, чтобы защитить баки от ультрафиолета в течение длительного времени, которое шаттл провёл на стартовой площадке до запуска. Поскольку это не оказалось проблемой, Martin Marietta (теперь часть Lockheed Martin) уменьшил вес, оставив неокрашенной изоляцию цвета ржавчины, напыляемую аэрозолем, начиная с STS-3, сэкономив примерно 272 кгNational Aeronautics and Space Administration «NASA Takes Delivery of 100th Space Shuttle External Tank.» Press Release 99-193. August 16, 1999..
Standard Weight Tank Оригинальный внешний топливный бак неофициально известен как Standard Weight Tank (SWT) и был изготовлен из алюминиевого сплава 2219, высокопрочного алюминиево-медного сплава, используемого во многих аэрокосмических изделиях.
После STS-4 было устранено несколько сотен килограммов веса за счёт удаления противогейзерной линии. Эта линия шла параллельно линии подачи кислорода, обеспечивая путь циркуляции жидкого кислорода. Это уменьшает накопление газообразного кислорода в питающей магистрали при предстартовой заправке (заправке жидким кислородом). После оценки данных о загрузке топлива в результате наземных испытаний и первых нескольких миссий космического корабля «Шаттл» линия защиты от гейзеров была удалена для последующих миссий. Общая длина и диаметр внешнего бака остаются неизменными. Последний SWT, запущенный на STS-7, имел сухую массу около 35 тонн.
Lightweight Tank Начиная с миссии STS-6, был представлен лёгкий внешний бак (LWT). Этот бак использовался для большинства полётов «Шаттла» и последний раз использовался во время запуска злополучной миссии STS-107. Хотя резервуары немного различаются по весу, каждый из них весил около 30 тонн в сухом состоянии.
Снижение веса по сравнению с SWT было достигнуто за счёт исключения частей стрингеров (конструктивных элементов жёсткости, проходящих по длине водородного бака), использования меньшего количества колец жёсткости и модификации основных шпангоутов в водородном баке. Кроме того, значительные части бака были фрезерованы по-другому, чтобы уменьшить толщину, а вес хвостового твердотопливного ракетного ускорителя внешнего бака был уменьшен за счет использования более прочного, но лёгкого и менее дорогого титанового сплава.
Super Lightweight Tank Сверхлёгкий внешний топливный бак (SLWT) впервые стартовал в 1998 году на STS-91 и использовался во всех последующих миссиях за двумя исключениями (STS-99 и STS-107)* «FACT SHEET SPACE SHUTTLE EXTERNAL TANK» April 2007 Lockheed Martin http://www.nasa-klass.com/Curriculum/Get_Training%201/ET/RDG_ET-Additional/ETFactSheet.pdf https://www.nasa.gov/returntoflight/system/system_ET.html . SLWT имел в основном ту же конструкцию, что и LWT, за исключением того, что в нем использовался алюминиево-литиевый сплав (Al 2195) для большей части конструкции бака. Этот сплав обеспечил значительное снижение веса бака (около 3175 кг) по сравнению с LWT. Производство также включало технологию сварки трением с перемешиванием. Хотя все внешние баки, произведённые после появления SLWT, имели эту конфигурацию, один LWT оставался на складе, чтобы его можно было использовать по запросу до конца эры шаттлов. SLWT обеспечил 50 % прироста производительности, необходимого для того, чтобы шаттл достиг Международной космической станции. Уменьшение веса позволило орбитальному аппарату нести больше полезной нагрузки на сильно наклонённую орбиту МКС.
Составные части
Внешний бак имеет три основных конструкции: бак с жидким кислородом, промежуточный бак и бак с жидким водородом. Оба резервуара изготовлены из обшивки из алюминиевого сплава с опорными или стабилизирующими рамами по мере необходимости. В межбаковой алюминиевой конструкции используются стрингеры обшивки со стабилизирующими шпангоутами. Основными алюминиевыми материалами, используемыми для всех трёх конструкций, являются сплавы 2195 и 2090. Сплав 2195 представляет собой алюминиево-литиевый сплав, разработанный Lockheed Martin и Reynolds для хранения криогенных материалов (и используемый для версии SLW — более ранние версии использовали сплав 2219Super Lightweight External Tank , NASA, retrieved December 12, 2013). Сплав 2090 представляет собой коммерчески доступный алюминиево-литиевый сплав.
Бак с жидким кислородом Бак с жидким кислородом (LOX) расположен в верхней части внешнего бакаОфициально они называются «вперёд/назад», поскольку позиции на шаттле обозначаются по отношению к орбитальному аппарату в горизонтальном/планирующем полёте, но при вертикальной установке на стартовой платформе они рассматриваются как «верх/низ» и имеет оживальную форму для уменьшения аэродинамического сопротивления и аэротермодинамического нагрева. Носовая часть оживала закрыта плоской съёмной накладкой и носовым конусом. Носовой обтекатель состоит из съёмного конического узла, который служит аэродинамическим обтекателем для силовой установки и компонентов электрической системы. Передний элемент носового обтекателя функционирует как литой алюминиевый громоотвод. Объем резервуара составляет 559,1 м3 при 150 кПа и −182,8 °C (криогенный).
Бак подаётся в питающую линию диаметром 430 мм, по которой жидкий кислород подаётся через промежуточный бак, а затем за пределы внешнего бака к кормовому правому разъединителю шлангокабелей внешнего бака/орбитального аппарата. Подающая линия диаметром 430 мм позволяет жидкому кислороду течь со скоростью приблизительно 75 800 кг/мин при работе RS-25 на 104 % или обеспечивает максимальный поток 1,1099 м3/с.
Все нагрузки, кроме аэродинамических, передаются от бака с жидким кислородом через болтовое фланцевое соединение с промежуточным баком.
Резервуар также включает в себя внутреннюю перегородку выплёскивания и вихревую перегородку для гашения выплёскивания жидкости. Вихревая перегородка устанавливается над выпускным отверстием подачи жидкого кислорода, чтобы уменьшить завихрение жидкости, возникающее в результате выплёскивания, и предотвратить захват газов в подаваемом жидком кислороде.
Промежуточный бак Промежуточный бак является конструктивным соединением внешнего бака между баками с жидким кислородом и жидким водородом. Его основные функции заключаются в приёме и распределении всех осевых нагрузок от боковых ускорителей и передаче нагрузок между баками.
Два передних фитинга боковых ускорителей расположены на конструкциях промежуточного бака под углом 180° друг к другу. Поперёк конструкции проходит балка, которая механически крепится к соединительной арматуре. При срабатывании бокового ускорителя балка изгибается из-за высоких нагрузок. Эти нагрузки будут передаваться арматуре.
К фитингам крепления боковых ускорителей примыкает большая кольцевая рама. Нагрузки от фитингов передаются на большую кольцевую раму, которая затем распределяет касательные нагрузки на обшивку промежуточного бака. Две панели обшивки, называемые упорными панелями, распределяют сосредоточенные осевые нагрузки боковых ускорителей на баки с жидким кислородом и жидким водородом и на соседние панели обшивки. Эти смежные панели состоят из шести панелей со стрингерами.
Промежуточный бак выполняет также функцию защитного отсека для размещения оперативных приборов.
Бак с жидким водородом Бак с жидким водородом (LH2) — это нижняя часть внешнего бакаОфициально они называются «вперёд/назад», поскольку позиции на шаттле обозначаются по отношению к орбитальному аппарату в горизонтальном/планирующем полете, но при вертикальной установке на стартовой платформе они рассматриваются как «верх/низ». Он состоит из четырёх цилиндрических секций ствола, носового и кормового куполов. Секции ствола соединены между собой пятью основными кольцевыми шпангоутами. Эти кольцевые рамы принимают и распределяют нагрузки. Передняя рама между куполом и стволом распределяет нагрузки, прикладываемые через конструкцию промежуточного бака, а также является фланцем для крепления бака жидкого водорода к промежуточному. Заднее главное кольцо воспринимает нагрузки, создаваемые орбитальным аппаратом, от опорных стоек кормового орбитального аппарата, и нагрузки, создаваемые боковыми ускорителями, от задних опорных стоек ускорителей. Остальные три кольцевых рамы распределяют тяговые нагрузки орбитального аппарата и опорные нагрузки фидерной линии бака жидкого кислорода. Затем нагрузки от рам распределяются по панелям обшивки ствола. Резервуар имеет объём 1514,6 м3 при 202 кПа и −252,8 °C (криогенный).