Углепластиковые ускорители Шаттла

В начале 80-х годов, в период активного развития программы Space Shuttle, возникла острая необходимость в увеличении полезной нагрузки, особенно для запусков на полярные орбиты с базы Ванденберг. Это требовалось Министерству Обороны США для вывода на орбиту тяжелых разведывательных спутников серии Keyhole, масса которых достигала 14.5 тонн. Для решения задачи снижения массы этих ускорителей NASA обратилось к концепции использования композитных материалов.

В январе 1981 г. космический центр им. Маршалла выдал запрос на изучение возможности создания твердотопливных ускорителей с корпусами, изготовленными из углепластика (FWC SRB), этот подход обещал снижение сухой массы каждого ускорителя на 11 тонн (по сравнению со "стандартными" ускорителями, сделанными из высокопрочной стали марки D6AC) и увеличение выводимой полезной нагрузки на 2100 кг. Подрядчиком по разработке стала компания Hercules Aerospace совместно с Morton Thiokol.

Инженеры столкнулись с задачей создания композитного корпуса, который бы полностью соответствовал геометрии и интерфейсам существующих стальных ускорителей, но при этом обладал значительно меньшей массой. Конструкция FWC SRB была аналогична стандартной и состояла из 4 сегментов. Предполагалось использование системы соединений типа “двойной шип-паз” (или “двойной выступ-впадина") и двух уплотнительных O-ring колец, как и в оригинальной конструкции ускорителей, применявшейся до катастрофы Challenger.

Для изготовления корпусов применялось углеродное волокно Hercules AS4 12K и эпоксидная смола. Технология заключалась в комбинированной намотке волокна на оправку: геликоидальной (под углом примерно 29 градусов) и кольцевой (под углом 90 градусов) с последующей полимеризацией в автоклаве. Толщина стенок варьировалась от 28.4 мм в средней части сегмента до 45.7 мм на краях, чтобы повысить прочность соединений. Полученные сегменты проходили ультразвуковой контроль.

В рамках программы были изготовлены три опытных двигателя: DM6, DM7 и QM5. Огневые испытания двигателя DM6 состоялись в октябре 1984 года. Испытания показали, что корпус из композитных материалов не выдерживает расчётные внутренние нагрузки (проблемы возникли уже на 20% сверх номинала, хотя по требованию должно было быть как минимум 40%). Второе огневое испытание, двигателя DM7, было проведено в апреле 1985 года и также выявило проблемы с прочностью корпуса. Третье огневое испытание, двигателя QM5, было отменено после катастрофы Шаттла Челленджер в январе 1986 года.

Несмотря на усилия инженеров, достигнуть приемлемых характеристик прочности не удалось. После катастрофы Challenger все работы по программе FWC SRB были прекращены. Программа была закрыта, а её наработки, в частности, конструкцию соединений, применили в RSRM (Redesigned Solid Rocket Motor - модернизированный твердотопливный ускоритель), которые использовались в миссиях Шаттла после STS-51L. В конечном итоге, с использованием RSRM и работой двигателей SSME на 109% режиме, удалось достичь массы полезной нагрузки в 12.7 тонн. Однако, целевая масса в 14.5 тонн, необходимая для вывода на полярную орбиту с базы Ванденберг тяжелых спутников, так и не была достигнута. Таким образом, даже с учетом всех улучшений, задача увеличения грузоподъемности Шаттла для этих специфических миссий не была выполнена.