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Naveta spatiala

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Naveta spatiala
STS120LaunchHiRes-edit1.jpg
Lansarea navetei spațiale Discovery pentru misiunea STS-120
informație
Funcţie Naveta cu echipajul

Navetă parțial reutilizabilă

Producător Alianța Spațială Unită
Alliant Techsystems
Thiokol
Lockheed Martin
Boeing
Rockwell International
Tara de origine Statele Unite Statele Unite
Costul pe lansare 450 milioane USD până la 1,5 miliarde USD (2011)
Dimensiuni
Înălţime 56,1 m
Diametru 8,7 m
Masa 2030 t
Stadioane 2
Capacitate
Sarcina utilă către orbita pământului joasă 27,5 t
Sarcina utilă către
ISS
16,05 t
Sarcina utilă către
GTO
3,81 t
Sarcina utilă către
Orbita polară
12,7 t
Istoria lansărilor
Stat retras
Lansarea bazelor Complexul de lansare Kennedy Space Center 39
Lansări totale 135
Succesele 133
Falimentele 2
Falimente parțiale 1 ATO în timpul STS-51-F
Zbor inaugural 12 aprilie 1981
Zbor final 21 iulie 2011
Încărcături semnificative Componentele Stației Spațiale Internaționale
Sateliți TDRS
Spacelab
Telescop spațial Hubble
Galileo , Magellano , Ulise
Rachete auxiliare (etapa 0) - SRB
Nr. De rachete auxiliare 2
Împingere 12.500 kN x2
Impuls specific 269 ​​s
Timpul de aprindere 124 s
Propulsor Solid
Etapa 1 - Orbiter + Rezervor extern
Grupuri de propulsie x3 SSME
Împingere 5250 kN x3 la nivelul mării
Impuls specific 455 s
Timpul de aprindere 480 s
Propulsor LH 2 / LOX

Sistemul de transport spațial [1] ( STS ), cunoscut în mod obișnuit ca Space Shuttle [2] Space Shuttle sau Shuttle , a fost un sistem reutilizabil de lansare spațială a NASA , agenția guvernamentală americană responsabilă de programele spațiale , utilizată pentru misiuni spațiale pe orbită în jurul Pământul . Lansat pentru prima dată pe orbită la 12 aprilie 1981 [3] , și-a finalizat ultima misiune la 21 iulie 2011 . [4]

Istorie

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Programul de navetă spațială .

Războiul rece și lansările

Istoria Navetei Spațiale începe și este inserată la sfârșitul contextului Războiului Rece cu celebra cursă spațială în contrast puternic cu cealaltă mare superputere a vremii: Uniunea Sovietică .

În special cu dezvoltarea unei nave spațiale reutilizabile de la începutul anilor 1970 , NASA spera să își continue proiectele și programele spațiale cu o reducere semnificativă a costurilor de acces la spațiu , dar complexitatea proiectului, problemele legate de siguranță și costurile de operare ( 500 de milioane de dolari pe lansare) nu au reușit progresiv să îndeplinească aceste așteptări până la eliminarea sa finală în 2011. [5]

Întregul sistem a fost retras din funcțiune la 21 iulie 2011, după 135 de lansări [6] . Cele mai importante misiuni efectuate au permis lansarea de sateliți (inclusiv telescopul Hubble ) și trei sonde interplanetare [7] , pentru a efectua experimente științifice în spațiu și întreținerea și construirea stațiilor spațiale . Cinci orbitatori au fost construiți în timpul Programului Navetei Spațiale , doi au fost distruși în accidente și trei au fost retrași.

În istoria sa a fost folosit pentru misiuni spațiale orbitale de NASA, Departamentul Apărării al SUA ,Agenția Spațială Europeană , Japonia și Germania [8] [9] . Statele Unite au finanțat dezvoltarea STS și operațiunile de gestionare, cu excepția Spacelab D1 și D2 , finanțate de Germania de Vest și respectiv Germania Reunificată [8] [10] [11] [12] [13] . Mai mult, SL-J a fost parțial finanțat de Japonia [9] .

Primele studii

De la „Silbervogel” la X-15

Prima mențiune a unei rachete cu o aripă capabilă să părăsească atmosfera inferioară a fost într-un proiect germano-austriac realizat de inginerul Eugen Sänger datând din 1933. Conceptul a fost dezvoltat mai târziu spre sfârșitul celui de-al doilea război mondial cu proiectarea Silbervogel , un avion care ar fi trebuit să permită bombardarea Statelor Unite după ce a efectuat un zbor suborbital . La sfârșitul războiului, forțele aeriene americane au studiat cu aviația nord-americană o rachetă cu aripi, numită Navaho , pentru transportul armelor nucleare . După câteva zboruri de testare în 1957, proiectul a fost abandonat în favoarea rachetelor balistice Atlas , Titan și Thor.

În această perioadă, centrul de cercetare aeronautică din SUA, NACA , devenit ulterior NASA , a fost puternic implicat în cercetarea avioanelor cu rachete, atât de mult încât a fost construit Bell X-1, care a spart bariera sonoră în 1947 . Aceste studii au condus la identificarea rapidă a două probleme majore de proiectare: instabilitatea în zborul atmosferic și disiparea căldurii în timpul reintrării în atmosferă. Acesta din urmă a condus la studiul de noi materiale pentru construirea unui scut termic adecvat. Construcția rachetei X-15 , care a avut loc în 1954, a permis experimentarea diferitelor soluții. Noile descoperiri au făcut posibilă atingerea, în 1960, a unei viteze de Mach 6,8 și la o altitudine de 108 km. X-15 a reușit să experimenteze majoritatea fazelor de zbor pe care naveta spațială le va întâlni decenii mai târziu la întoarcerea pe Pământ [14] .

Organism de sprijin (1957-1970)

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Corp portant .
Trei exemple de corp portant. X-24 A, M2-F3 , HL-10 .

Pentru a reduce solicitările termice și mecanice suferite de un avion care zboară la viteză mare, o soluție este îndepărtarea aripii și generarea de ridicare cu forma corpului extinsă. Avioanele de acest tip, numite corp portant , au fost studiate de NASA începând cu 1957. Mai multe prototipuri și-au demonstrat capacitatea de a efectua reintrări și ocoliri cu ușurință. Din acest concept a fost proiectul Boeing X-20 Dyna-Soar , dorit de Forțele Aeriene SUA în 1957. Acesta consta dintr-un corp portant și o aripă delta , a fost lansat ca o rachetă și apoi a aterizat ca un avion . Proiectul a progresat până în 1963, când a fost închis din motive bugetare, deoarece nu a fost justificat de un scenariu de misiune clar identificat [14] .

Proiectul navetei în faza experimentală (1968-1970)

Primele schițe ale navetei spațiale.

În timp ce NASA a fost angajată în ultimele etape ale dezvoltării programului Apollo , agenția spațială a lansat la 30 octombrie 1968 o consultare pentru dezvoltarea unui sistem de lansare reutilizabil capabil să pună pe orbită mică o sarcină utilă cuprinsă între 2, 3 și 23 tone și să returneze pe Pământ cel puțin 1 tonă de marfă și cu un compartiment de cel puțin 85 m³. În februarie anul următor, patru companii: North American Rockwell , Lockheed , General Dynamics și McDonnell Douglas au fost selectate pentru a participa la acest studiu preliminar [15] .

Diferitele centre de cercetare NASA au avut opinii divergente asupra proiectului navetei. Maxime Faget, care reprezenta Centrul de zbor spațial Marshall, a fost în favoarea unei navete mici echipate cu aripi mici drepte, cu șanse reduse de compensare, dar planor mai ușor și mai bun la viteze subsonice: DC-Shuttle 3, un model de aeronave 1 a. va fi realizat în mai 1970 pentru a studia aerodinamica cu viteză redusă. Centrele Langley și Dryden au susținut în schimb soluția corpului portant și au contribuit mai ales la dezvoltarea H-10. O soluție de acest tip are o capacitate intermediară de compensare între aripa dreaptă și aripa delta, deși teoretic mai puțin voluminoasă decât cea din urmă. Forțele aeriene și Laboratorul Draper au fost în favoarea unei aripi delta care oferă o capacitate maximă de compensare. NASA a decis ulterior să elimine conceptul unui corp portant a cărui formă nu este compatibilă cu vagoanele și echipamentele de transport, eliminând și ipoteza utilizării unei aripi cu geometrie variabilă din cauza greutății excesive care ar fi dus la nava spațială [16]. ] .

Începutul proiectului (1969-1972)

O continuare a programului Apollo (1969)

La începutul anului 1969, NASA a studiat continuarea programului Apollo . În euforia succeselor programului lunar, s-au dezvoltat mai multe propuneri: construirea unei stații spațiale , a unei baze lunare, a unei expediții pe Marte și proiectarea unei navete [17] . Un comitet, numit „ Space Task Group ”, a fost creat la cererea președintelui american Richard Nixon pentru a se pregăti pentru următoarele zboruri cu echipaj ale NASA. [18]

Lucrările acestui grup au condus la formularea a trei scenarii posibile cu un buget anual cuprins între 5 și 10 miliarde de dolari, o sumă egală sau mai mare decât bugetul anual al programului Apollo la vârf. Cea mai puțin ambițioasă propunere a implicat dezvoltarea simultană a unei navete și a unei stații spațiale. Președintele Nixon nu a acceptat niciunul dintre aceste scenarii, deoarece le-a găsit prea scumpe. [18]

Concept de navetă reutilizabilă proiectat în 1969 de nord-americanul Rockwell .

NASA a decis astfel să concentreze finanțarea asupra dezvoltării navetei spațiale, considerând că disponibilitatea acestuia din urmă este o cerință necesară pentru construirea ulterioară a stației. Directorii NASA credeau, de asemenea, că naveta ar putea fi utilizată pentru a înlocui alte 10 lansatoare disponibile în acel moment, inclusiv cele utilizate de militari, pentru lansarea sateliților pe orbită.

Sfârșitul Războiului Rece și prăbușirea programului spațial sovietic au îndepărtat o mare parte din justificarea sa din programul SUA. Președintele Nixon, care a trebuit să se confrunte cu o situație bugetară foarte limitată, nu a dorit să facă alegeri de profil pentru explorarea spațiului, deoarece nu a crezut că există suficiente consecințe politice. Nixon a plasat proiectul NASA sub controlul supraveghetorilor bugetului federal (OMB - Office of Management and Budget ) începând din 1970, ceea ce a necesitat o justificare pentru fiecare cheltuială a agenției spațiale. Organismul de control a pus numeroase limite și constrângeri asupra progresului dezvoltării navetei, atât de mult încât directorul NASA James C. Fletcher a crezut că nu numai OMB se ocupa de gestionarea bugetului, ci s-a prefăcut că face alegeri. pe proiect [15] [19] .

Pentru a combate scepticismul OMB, NASA a angajat o firmă de consultanță externă, Mathematica, pentru a efectua un studiu asupra sarcinii economice a proiectului. Rezultatele au fost foarte favorabile, deoarece s-a emis ipoteza unei scăderi drastice a costurilor de punere pe orbită de către naveta reutilizabilă în comparație cu rachetele convenționale. Acest raport va fi folosit de NASA pentru a apăra profitabilitatea proiectului, în special față de Senat [20] .

Faza B: Proiectare (1970-1971)

Desen de Maxime Faget , circa 1969, reprezentând o navetă complet reutilizabilă în două etape.

La sfârșitul fazei A, în iunie 1970, NASA impune noi specificații într-o fază de proiectare mai detaliată, numită faza B. Specifică faptul că naveta va decola vertical și va ateriza orizontal. Complexul va trebui să fie plasat pe o orbită de 500 km cu o înclinație de 55 ° și să aibă o sarcină utilă de 6,8 tone. Cererea specifică pentru sarcina utilă crește câteva luni mai târziu pentru a întâlni armata, care a finanțat proiectul, care a necesitat 30 de tone pe orbită mică.

Companiile concurente sunt invitate să proiecteze două versiuni, una mai asemănătoare cu nevoile agenției spațiale și cealaltă cu așteptările armatei. Mai mult, este necesar ca naveta să facă o a doua încercare de aterizare, în cazul în care prima eșuează, folosind astfel motoare cu reacție . Naveta era de așteptat să fie disponibilă pentru a zbura din nou la două săptămâni după încheierea unei misiuni pentru o frecvență cuprinsă între 25 și 40 de zboruri pe an. Fiecare navetă trebuia să transporte un echipaj de doi astronauți. [21] [22]

Două companii au fost selectate pentru faza B: McDonnell Douglas, asociat cu Martin Marietta și North American Rockwell cu General Dynamics. Deja în martie 1971 cei doi constructori pregătiseră un proiect de proiect. Ambele s-au dovedit a fi foarte similare în ceea ce privește orbitatorul , de asemenea, deoarece NASA le-a furnizat specificații foarte restrictive. Cu toate acestea, propunerile pentru transportator au apărut foarte diferite. Un factor comun a fost utilizarea aluminiului pentru structură în locul titanului mai eficient, exclus din forța aeriană militară, deoarece a fost considerat că nu a fost testat suficient [16] .

Abandonarea proiectului de navetă complet reutilizabil (1971)

James C. Fletcher a devenit administrator NASA în aprilie 1971 și de la începutul mandatului său a fost responsabil de promovarea proiectului navetei spațiale, care a fost blocat la acea vreme, către Senatul Statelor Unite . Curând și-a dat seama că singura modalitate de a ajunge la un acord cu privire la finanțare a fost integrarea nevoilor armatei pentru a obține sprijinul lor în specificațiile navetei. De asemenea, a inițiat încercări de cooperare internațională, deși cu rezultate modeste: Europa (și în special Germania) s-au angajat să construiască Spacelabul destinat zborului în calea Orbiterului [23] și Canada pentru a construi un braț mecanic pentru nava spațială, numit Canadarm. și folosit pentru a ridica sarcini pe orbită [24] [25] .

În mai 1971, Oficiul Bugetului (OMB) a anunțat că NASA va trebui să se stabilească pentru anii următori cu un buget redus la 3,2 miliarde de dolari pe an, cu un miliard de alocat dezvoltării navei spațiale. Cu această constrângere financiară, NASA a fost nevoită să abandoneze proiectul unui sistem complet reutilizabil, al cărui cost de dezvoltare ar fi necesitat peste două miliarde anual. Cu toate acestea, configurația aripii delta a fost menținută pentru a satisface nevoile militare [16] . Încă pentru a respecta constrângerile bugetare, NASA a optat, în iunie 1971, pentru un tanc extern care nu poate fi refolosit [16] .

Pentru a reduce în continuare costurile, NASA a solicitat un prim studiu de propulsie la care au contribuit Grumman, Boeing, Lockheed, McDonnell-Douglas, Martin Marietta și nord-americanul Rockwell. Producătorii trebuiau să ia în considerare trei alternative: utilizarea unei etape Saturn IC, utilizarea unei etape alimentate de un nou motor cu propulsie lichidă sau utilizarea unei rachete solide . În urma acestui studiu, NASA a ales să folosească această din urmă opțiune, care a economisit 500 de milioane de dolari în costuri de dezvoltare în comparație cu propulsoarele cu propulsor lichid, dar a crescut costul operațiunilor de lansare cu aproape dublu (500 de dolari pentru fiecare. Kilogram de sarcină utilă versus 275 de dolari pe kilogram) [ 16] .

Decizia de a începe (1972)

Președintele Richard Nixon nu dorea să fie considerat cel care oprise misiunile spațiale umane ale Statelor Unite, care erau încă considerate un element de prestigiu pentru națiune. Mai mult, dacă opinia publică și comunitatea științifică ar fi fost de acord asupra necesității de a reduce bugetul dedicat zborurilor umane, președintele nu a fost imun la presiunile industriei aerospațiale și la considerațiile electorale. Retragerea SUA din Vietnam a dus la prăbușirea ordinelor militare, criza industriei și declinul programului Apollo a provocat o recesiune pe care industria aerospațială americană nu o cunoscuse niciodată: jumătate din inginerii și angajații care lucrează în sectorul în care erau redundant. Această problemă a fost cu siguranță relevantă pentru viitoarele alegeri prezidențiale [26] .

Estimarea costurilor navetei NASA pentru capacitatea sa (decembrie 1971) [27]
Scenariu 1 2 2A 3 4
Diametrul și lungimea compartimentului de încărcare 3,1 m × 9,1 m 3,7 m × 12,2 m 4,3 m × 13,7 m 4,3 m × 15,2 m 4,6 m × 18,3 m
Masa sarcinii utile 13,6 t 13,6 t 20,4 t 29,5 t 29,5 t
Cost de dezvoltare (miliarde de dolari) 4.7 4.9 5.0 5.2 5.5
Costul unei misiuni (milioane de dolari) 6.6 7.0 7.5 7.6 7.7
Cost de lansare pe kg ($) 485 492 368 254 260

NASA a continuat să-și apere proiectul de navetă spațială, subliniind reducerea costului plasării încărcăturii pe orbită în comparație cu lansatoarele tradiționale refolosibile. De asemenea, agenția a propus o versiune mai puternică a sistemului capabilă să suporte o sarcină mai mare, atât pentru a satisface nevoile Forțelor Aeriene, cât și pentru a permite asamblarea unei stații spațiale . În cele din urmă, președintele Nixon și-a dat undă verde pentru cel mai ambițios proiect al navetei din 5 ianuarie 1972. Dar dezvoltarea sa s-a ciocnit cu un declin constant al bugetului: finanțarea pentru NASA a ajuns, de fapt, de la 1,7% din bugetul total. statul federal din 1970 la 0,7% în 1986 [27] [28] . Pentru a finanța în mod adecvat dezvoltarea navetei, NASA a trebuit să abandoneze lansarea celei de-a doua stații Skylab . Misiunile spațiale umane americane au fost astfel suspendate până la primul zbor Shuttle care a avut loc abia în 1981 [16] .

Alegerea producătorilor

Licitația pentru proiectarea și construcția Orbiter a fost lansată în martie 1972 de NASA. De la început, s-au evidențiat propunerile lui North American Rockwell , fost producător al modulului de comandă și service Apollo , cu sediul în California, și cel al Grumman producător al modulului lunar Apollo și situat în statul New York . Pentru comitetul de selecție NASA, prima propunere s-a remarcat prin costul redus, greutatea redusă a Orbiter și sistemul robust de gestionare a proiectelor, în timp ce Grumman a fost considerat mai interesant din punct de vedere tehnic. Proiectul Rockwell din America de Nord a fost ales în cele din urmă pe 26 iulie 1972 pentru 2,6 miliarde de dolari: la acest preț compania s-a angajat să construiască doi Orbitori și un model pentru teste operaționale. Două orbite suplimentare au fost planificate la o dată ulterioară. [29]

Orbiterul ales ar putea fi pus pe orbită mică 29,5 t și avea o dimensiune de 18,3 m × 4,57 m. A fost produs în Palmdale , California . În 1973 compania Thiokol obținuse mandatul pentru construcția celor două rachete de rapel și Martin Marietta cel pentru tancul extern, produs la instalația de asamblare Michoud deținută de NASA. Rocketdyne a fost în schimb selectat, la sfârșitul lunii martie 1972, pentru producția motoarelor principale ( motorul principal al navetei spațiale - SSME) ale Orbiter [30] [31] .

Dezvoltarea (1972-1981)

În primii doi ani de la semnarea contractului, s-au făcut multe modificări la specificațiile navetei, în principal pentru a reduce costurile de dezvoltare. Aripa dublă delta a fost introdusă în această fază pentru a îmbunătăți capacitatea de zbor cu viteză redusă și, în plus, a permis, cu intervenții limitate în proiectarea frontului, să compenseze problemele de poziție ale centrului de greutate care ar fi putut să apară. într-o etapă ulterioară a dezvoltării. Una dintre cele mai importante inovații a fost abandonarea motoarelor cu reacție pentru a fi utilizate în fazele de aterizare.

Pentru a muta naveta acum nemotorizată între site-uri, NASA a achiziționat un Boeing 747 de ocazie în 1974, care a fost amenajat pentru a-l transporta pe spatele fuselajului (avionul se numea Shuttle Carrier Aircraft ). Primul test al motorului SSME al Orbiter a avut loc la 17 octombrie 1975. Rezervorul extern a fost redus progresiv pentru a permite o economie de greutate de 4,5 tone. Construcția primului navetă Enterprise s-a încheiat în martie 1976, dar nu a mai fost folosită în faza operațională, deoarece era prea grea [32] .

La 12 august 1977, a avut loc primul zbor fără pilot al navetei, ridicat și apoi coborât din 747, ca parte a programului de teste de abordare și aterizare . Livrarea primelor SSME operaționale a fost amânată cu doi ani din cauza unor inconveniente în faza de testare care au dus la o revizuire a proiectului. În februarie 1980 a fost finalizat al șaptelea și ultimul test de calificare rapel [16] [33] .

Primul zbor spațial al Navetei Spațiale a avut loc pe 12 aprilie 1981 cu misiunea STS-1 . Naveta spațială Columbia , condusă de expertul astronaut John W. Young și cu Robert Crippen ca pilot, a făcut 17 orbite în puțin peste două zile, revenind în siguranță la baza forțelor aeriene Edwards . Înainte de utilizarea operațională, au fost efectuate alte trei misiuni ( STS-2 , STS-3 , STS-4 ) pentru a testa întregul sistem, care a avut loc între 1981 și 1982 [16] .

Descriere

Naveta constă în esență din trei subseturi:

  • Vehiculul Orbiter (în acronim OV): este singura componentă care intră pe orbită cu astronauții la bord, un compartiment de transport pentru încărcare, trei motoare principale care utilizează combustibilul prezent în rezervorul extern și un sistem de manevră orbitală cu două motoare mai mici ( OMS );
  • două Solid Rocket Booster (SRB în abreviere): rachete combustibil solid reutilizabil, perclorat de amoniu ( N H 4 Cl O 4) și aluminiu , care se detașează la două minute după lansare la o înălțime de 66 km și sunt recuperate în ocean datorită faptului că rata de cădere este redusă semnificativ de unele parașute;
  • rezervorul extern (în abrevierea ET): un rezervor mare de combustibil extern care conține oxigen lichid (în partea de sus) și hidrogen lichid (în partea de jos) care sunt utilizate pentru alimentarea celor trei motoare principale ale Orbiterului. Se detașează după aproximativ 8 minute și jumătate la o altitudine de 109 km, explodează în atmosferă și cade înapoi în mare fără a fi recuperat.

Proiectele inițiale includeau rezervoare suplimentare de combustibil pe Orbiter și alte echipamente care nu au fost niciodată construite.

Vehiculul este asamblat în clădirea de asamblare a vehiculului de la Kennedy Space Center , Florida , și apoi transportat printr-o platformă mobilă la complexul de lansare 39 . Lansarea navetei are loc într-o poziție verticală, ca o rachetă convențională , datorită tracțiunii oferite de cele trei motoare principale și cele două amplificatoare laterale (SRB). La aproximativ două minute după lansare, cele două RBS-uri sunt evacuate, iar naveta își continuă zborul până pe orbita intenționată folosind motoarele sale, alimentate de propulsorul conținut în rezervorul extern. Odată ce ajunge pe orbită, principalele motoare sunt oprite și rezervorul lăsat să ardă în atmosfera Pământului .

Naveta este concepută pentru a ajunge pe orbite între 185 și 643 km altitudine cu un echipaj de doi până la șapte astronauți [34] [35] (zece în cazul unei misiuni de recuperare de urgență). În primele misiuni de testare, echipajul era format doar din comandant și pilot. O misiune orbitală durează în medie două săptămâni. Manevra de reintrare necesită naveta pentru a-și reduce viteza prin motoarele de manevră până când se află pe o traiectorie de coborâre care îi permite să traverseze diferitele straturi ale atmosferei și să se întoarcă pe Pământ . Aterizarea are loc fără propulsie, un pic ca un planor , pe o pistă lungă în diferite locuri posibile.

Orbiter

Suprastructură

Orbiterul a fost proiectat cu aceleași principii ca un avion construit din aliaj de aluminiu . Fuzelajul este împărțit în patru subseturi: fuselajul din față, compartimentul de marfă, aripile și fuselajul din spate. În fuzelajul din față se află trenul de aterizare din față, motoarele de control al atitudinii ( RCS ) utilizate pe orbită și instrumentele de ghidare și navigație. Zona echipajului este o structură independentă presurizată conectată la restul structurii navetei în doar 4 puncte de atașare pentru a reduce schimbul de căldură .

Secțiunea mijlocie a navetei conține în principal compartimentul de marfă și oferă un cârlig pentru aripi. Este o structură în formă de U, deschisă la fiecare capăt, 18 metri lungime, 5,2 metri lățime, 4 metri înălțime și 13,5 tone în greutate. Mai jos și în lateralele sale se află angrenajele trenului principal de aterizare. Două uși dintr-un material mai ușor decât aluminiul sunt utilizate pentru a închide compartimentul de sarcină și pentru a îndeplini funcția de radiatoare pentru disiparea căldurii în exces atunci când naveta este pe orbită. Închiderea lor în timpul reintrării este fundamentală pentru rigiditatea întregii navete [36] .

Schema ilustrativă a navetei.

Propulsie

Orbiter are trei sisteme de propulsie separate. Il sistema di propulsione principale si compone di tre motori a razzo criogenici (chiamati SSME ) che vengono utilizzati solo per il posizionamento della navetta in orbita e traggono il loro propellente dalserbatoio esterno . Entrambi i motori del sistema di manovra orbitale ( OMS ) sono utilizzati per integrare l'azione degli SSME dopo il loro spegnimento e per modificare l'orbita durante la missione. I piccoli motori di controllo di assetto ( Reaction control system ) vengono invece utilizzati per modificare l'assetto della navetta in orbita e per piccole correzioni orbitali.

La propulsione principale: gli SSME

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Space Shuttle main engine .
Test di accensione di un propulsore SSME .

I tre motori a razzo, chiamati SSME ( Space Shuttle main engine ), si trovano dietro l'Orbiter e sono utilizzati insieme con i booster laterali a propellente solido per produrre la spinta necessaria a mettere la navetta in orbita. Questi motori a razzo a propellente liquido , una volta spenti non possono più essere riaccesi, ma hanno prestazioni che superano tutte le produzioni equivalenti passate e presenti. Ogni motore può generare circa 1,8 MN di spinta al decollo ei tre motori possono generare un impulso specifico ( I sp ) di 453 secondi nel vuoto o 363 secondi a livello del mare, con velocità di scarico rispettivamente di 4 440 m/s e 3 560 m/s.

In tutto un motore pesa circa 3,2 t . Dopo ogni missione i motori sono rimossi e trasportati allo Space Shuttle Main Engine Processing Facility per le ispezioni e le eventuali sostituzioni di componenti. Gli SSME sono progettati per accumulare 27 000 secondi di funzionamento (per un totale di 55 lanci con 8 minuti di funzionamento continuo), ma si stima che la sua vita operativa è di più di 15 000 secondi di funzionamento e 30 lanci. Questi motori traggono il loro carburante nel serbatoio esterno e non rivestono nessun'altra funzione nella durata della missione dopo che il serbatoio viene sganciato al termine della fase di ascesa. Se la spinta cumulativa risulta essere insufficiente per mettere l'orbiter nell'orbita corretta, può essere aggiunta anche la spinta dei due motori di manovra orbitale [37] .

I motori principali dello Shuttle sono stati oggetto di molti perfezionamenti per migliorare la affidabilità e aumentare la potenza. Ciò spiega come mai durante la procedura di lancio si possono sentire comandi curiosi, come Porta la potenza al 106% ; questo non significa che i motori vengano portati oltre il limite: il valore del 100% è il livello di potenza dei motori principali originali. Attualmente, il contratto per la fornitura dei motori prevede un valore del 109%. I motori originali potevano arrivare al 102%; il 109% fu ottenuto nel 2001 con la fornitura Block II [38] .

Il sistema di manovra orbitale (OMS)

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Orbital Maneuvering System .

Entrambi i motori del sistema di manovra orbitale ( Orbital Maneuvering System o OMS) sono utilizzati sia per posizionare la navetta nell'orbita voluta al termine della fase di lancio sia, alla fine della missione, per ridurre la velocità della navetta e permettere il rientro. Durante la permanenza nello spazio, possono anche fare minori correzioni dell'orbita. Ogni motore è posto in un involucro estraibile, situati sul retro dell' Orbiter su entrambi i lati dell' impennaggio e sopra gli SSME. Ogni motore funziona a idrazina e tetrossido di diazoto , propellenti di facile stoccaggio e di tipo ipergolico [39] .

Con un impulso specifico nel vuoto di 313 secondi sono molto meno efficienti degli SSME, ma permettono la riaccensione di svariate volte, caratteristica essenziale per la loro funzione. La spinta è di 2,7 tonnellate, possono essere orientati a ±8° in beccheggio e ±7° in imbardata . Entrambi i motori, che possiedono circa 10,4 tonnellate di propellente in ogni serbatoio, possono fornire un delta-v di circa 300 ms −1 , di cui circa la metà è utilizzata per inserire la navetta in orbita [40] .

I propulsori di controllo di assetto (RCS)

Motori RCS anteriori della navetta.

I motori di controllo di assetto ( Reaction control system - RCS) vengono utilizzati per modificare l'assetto dello Shuttle quando l'atmosfera è troppo rarefatta perché le superfici mobili dell' Orbiter siano efficaci. Essi vengono utilizzati anche in orbita quando la velocità dell'Orbiter deve essere corretta di un valore inferiore a 2 m/s. I motori sono distribuiti sulle due piattaforme degli OMS e sulla parte anteriore della navetta. Ci sono due tipi di motori. I più potenti hanno una spinta di 395 kg con un impulso specifico di 289 secondi. I motori Vernier , con un impulso specifico di 228 secondi, vengono utilizzati per regolazioni molto fini: con una spinta di 11 kg, possono fornire un impulso di una durata compresa tra 0,08 e 125 secondi. Sulla parte anteriore dell'Orbiter ci sono motori più potenti, mentre in ogni alloggiamento dei motori OMS ci sono 12 motori di 395 kg di spinta. Tutti questi motori usano lo stesso propellente dei motori di manovra orbitale, ma con i propri serbatoi distribuiti tra i tre siti [41] .

La protezione termica

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Sistema di protezione termica dello Space Shuttle .
Simulazione al computer del calore sulla navetta durante il rientro. Le temperature all'esterno possono raggiungere i 1 650 °C durante questa fase.

Il sistema di protezione termica dello Space Shuttle è lo scudo termico che protegge l'Orbiter nella fase del rientro atmosferico durante una missione, quando si raggiungono temperature di 1 650 °C . Inoltre, costituisce anche una barriera dal freddo dello spazio mentre lo Shuttle è in orbita [42] . Esso ricopre completamente la superficie dello Shuttle ed è costituito da sette diversi materiali a seconda della protezione termica richiesta in una particolare parte del velivolo [43] [44] [45] .

L' Orbiter ha cambiato il suo sistema di protezione termico diverse volte per ridurre il peso e il carico di lavoro. Le piastrelle di ceramica devono essere controllate dopo ogni volo per trovare eventuali rotture; inoltre assorbono umidità e quindi devono essere protette dalla pioggia. Questo inconveniente è stato dapprima risolto spruzzando sulle tegole il prodotto Scotchgard ; in seguito è stata sviluppata una soluzione ad hoc. In un secondo tempo molte tegole della sezione dello Shuttle, che da un controllo accurato, risultarono meno calde, furono sostituite da grandi pannelli di un materiale isolante avente la consistenza del feltro ; ciò ha comportato il vantaggio di non dover ispezionare in modo particolarmente accurato zone molto grandi del rivestimento (in particolare la zona del carico) [46] .

Gli alloggi dell'equipaggio

La navetta è in grado di ospitare fino a 8 astronauti su due ponti: uno di volo ( Flight deck ) e uno intermedio ( Mid deck ). In questi due livelli, più uno scompartimento inferiore, portano a un totale di 72 m 2 disponibili, a fronte di soli 8,5 m 2 della navicella spaziale russa Sojuz che trasporta tre cosmonauti [47] .

Ponte di volo

Configurazione di lancio della navetta:
1. Scomparti per oggetti
2. Finestrini
3. Passaggio tra il ponte di volo e intermedio
4. Seggiolino pilota
5. Seggiolino comandante
6-9 Seggioli specialisti di missione
10. Avionica
11. Accesso al serbatoio di idrossido di litio
12. Camera di compensazione
13. Seggiolino
14. Punto di attacco ali-fusoliera
15. Portello di accesso alla navetta
16. Motori di manovra anteriore.

L'abitacolo può ospitare 4 persone. Nella configurazione di lancio, il comandante e il pilota sono posti anteriormente, davanti alla strumentazione, rispettivamente a sinistra ea destra. Dietro al pilota siedono i due specialisti di missione. Una volta raggiunta l'orbita, i sedili, tranne quello del comandante, vengono rimossi. Nella parte posteriore sono presenti pannelli di controllo del braccio robotico e gli ancoraggi che permettono agli astronauti di mantenere una posizione fissa durante il lavoro. L'operatore del braccio dispone di due finestre che si affacciano sulla zona carico e due sul soffitto dell'Orbiter. A lato, due posti laterali sono dedicati a varie strumentazioni di controllo.

Nella parte anteriore, si trovano i comandi per la selezione dei diversi sistemi di propulsione e per la selezione dei computer GPC ( General Purpose Computer). A sinistra, il comandante ha accesso ai sistemi di controllo termico , di pressurizzazione e climatizzazione e di antincendio. Di fronte al pilota e al comandante sono collocati due indicatori: ADI ( Attitude Direction Indicator ) e l'HSI ( Horizontal Situation Indicator ) che forniscono informazioni sulla velocità, sull' accelerazione e sulla posizione nello spazio. Alla sua destra, il comandante, ha i controlli per la potenza idraulica ed elettrica.

Glass cockpit di ultima generazione installato sulla flotta Shuttle a partire dal 2001.

Al centro, si trovano cinque MFD ( Multi-function Display ) che riportano le informazioni necessarie per le varie fasi della missione. Tra i due sedili si trovano una tastiera , un timer, selezionatori di antenne e ponti radio, nonché indicatori di controllo di assetto. Frontalmente i piloti dispongono di un joystick utilizzato per far ruotare la navetta sui tre assi.

Per minimizzare lo spazio necessario per il cockpit , un ampio pannello di interruttori è stato posizionato sul soffitto dell'abitacolo. Sul pavimento, una pedaliera permette di ruotare il timone di coda della navetta come un aereo, durante l'ultima fase dell'atterraggio [47] .

Ponte intermedio e dotazioni

Il ponte centrale è il luogo dove si svolge gran parte della vita dell'equipaggio. Fino a tre sedili (quattro per il Columbia tuttavia mai sfruttati completamente [47] ) potevano essere installati durante il lancio e al rientro per gli specialisti del carico utile .

Sulla destra è presente un bagno per gli astronauti mentre un angolo cottura permette all'equipaggio di preparare i pasti. Frontalmente sono installati orizzontalmente dei singoli compartimenti per il riposo che possono essere chiusi come armadi. L'equipaggio qui dispone anche di un tapis roulant che utilizzano per mantenere la loro forma fisica in assenza di peso [47] .

Gli astronauti dispongono anche di presidi medici (SOMS, Shuttle Orbiter Medical System ) che permettono la cura di malattie o lesioni lievi. Si compongono di una scatola blu (MBK, Medications and Bandage Kit ) contenenti farmaci e materiali per fasciature e immobilizzazione di arti e una scatola blu con strisce rosse (EMK, Emergency Medical Kit ) contenente un kit di pronto soccorso e dispositivi medici. Gli strumenti diagnostici di bordo e le informazioni fornite dall'equipaggio della navetta permettono il trattamento di lievi ferite o malesseri sotto la supervisione di medici che operano presso il centro di controllo missione di Houston. [48]

La camera di equilibrio

La navetta dispone di una camera di equilibrio (o airlock ) che permette all'equipaggio di effettuare passeggiate spaziali . Quando gli Stati Uniti decisero di partecipare al programma della stazione spaziale russa Mir , la camera venne modificata per permettere l'aggancio tra i due complessi. Questo sistema di aggancio è stato poi modificato per permettere l'aggancio con la Stazione Spaziale Internazionale [49] .

Il sistema di calcolo

Il sistema di calcolo della navetta consiste in 200 computer assegnati a ciascun sistema. I sistemi originali erano dei computer IBM modello 360 basati su processori Intel 8086 , con sottosistemi di controllo video basati su microcontrollori RCA 1802 , collegati a monitor analogici posti nella cabina di pilotaggio, similmente agli attuali aerei di linea modello DC-10 . Nelle ultime versioni la cabina di pilotaggio è basata su cinque computer APA-101S ridondanti basati su processori 80386 ed è dotata di sistemi a tutto display . I cinque calcolatori di bordo usano complessivamente circa 2 MB di memoria RAM a nuclei magnetici che, diversamente dalla normale RAM integrata a transistor, è completamente immune alle radiazioni. I computer impiegano il linguaggio di programmazione HAL/S . Come nella tradizione del Progetto Apollo-Sojuz , anche delle calcolatrici programmabili vengono portate a bordo (originariamente si usava il modello Hewlett-Packard 41C) [50] .

Durante le fasi "critiche" (lancio e atterraggio) i 5 computer che lavorano in parallelo eseguono gli stessi calcoli: ricevono le stesse informazioni e sono sincronizzati 440 volte al secondo. Per superare gli errori del software, le decisioni sono prese a maggioranza quando c'è discrepanza tra i risultati [51] .

Sistemi energetici

Una cella a combustibile usata nelle capsule spaziali.

Le navette spaziali sono alimentate a energia elettrica per mezzo di tre celle a combustibile . 2 832 kg di ossigeno sono distribuiti in otto serbatoi di 95,3 cm di diametro e 1 584 kg di idrogeno in quattro serbatoi di 115,6 cm di diametro. Queste 3 batterie garantiscono una tensione di 28 V per una intensità compresa tra 61 e 436 A . Le celle a combustibile producono acqua che dopo una filtrazione può essere utilizzata dagli astronauti . Le celle a combustibile sono un elemento critico dell'Orbiter. In diverse occasioni la durata della missione è stata accorciata a causa di loro guasti o malfunzionamenti [52] .

Idraulica

Il sistema idraulico dello Shuttle viene utilizzato per indirizzare gli ugelli del motore SSME e per estrarre il carrello di atterraggio. L'alimentazione è fornita da tre unità di potenza ausiliaria (APU, Auxiliary Power Unit ), installate nella parte posteriore della navetta. Ognuna pesa circa 39 kg ed è in grado di fornire una potenza di 138 hp attraverso una turbina azionata dai gas emessi durante la decomposizione catalitica di idrazina a 930 °C, la turbina aziona poi una pompa con una portata di 4 litri al secondo. Il loro serbatoio di alimentazione contiene 134 kg di idrazina messa in pressione a 27 bar per mezzo di elio [53] .

Il serbatoio esterno

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Serbatoio esterno dello Space Shuttle .
IlSerbatoio esterno transita davanti al VAB.

Il serbatoio esterno (chiamato anche external tank ) contiene idrogeno e ossigeno liquidi.

Durante il decollo e l'ascesa dello Shuttle, esso fornisce il carburante e l'ossidante sotto pressione ai tre propulsori principali situati sull'Orbiter e viene espulso dopo 10 secondi dallo spegnimento dei propulsori principali ( Main Engine Cut Off , in sigla MECO). [54]

Il serbatoio è l'elemento più grande dello Space Shuttle e, quando viene riempito, anche il più pesante. È costituito da tre componenti principali: il serbatoio di prua dell' ossigeno , un serbatoio intermedio non pressurizzato che contiene la maggior parte dei componenti elettrici, il serbatoio di poppa dell' idrogeno . [55]

Oltre alle funzioni di fornitura di carburante, il serbatoio costituisce anche la struttura portante dello Shuttle. Esso infatti fornisce il supporto strutturale per l'aggancio dei Solid Rocket Boosters e dell'Orbiter. I due punti di ancoraggio per gli SRB sono posizionati a poppa ea prua, mentre sono presenti un punto di aggancio a prua e due a poppa per l'Orbiter. Nell'area di poppa sono anche presenti dei collegamenti che trasportano fluidi, gas, segnali elettrici ed energia elettrica tra il serbatoio e l'orbiter. Anche i segnali ei controlli tra l'orbiter ei due SRB transitano tramite queste connessioni. [54]

A differenza dei Solid Rocket Boosters , il Serbatoio Esterno non è riutilizzabile, si distrugge infatti durante il rientro nell'atmosfera terrestre prima dell'impatto con l' Oceano Indiano o l' Oceano Pacifico , lontano dalle rotte marittime.

Durante le missioni STS-1 e STS-2 il serbatoio esterno era verniciato di bianco per proteggere l'isolamento che riveste la maggior parte del serbatoio stesso. Miglioramenti di progetto e misure successive permisero di provare che la verniciatura non era necessaria, permettendo di risparmiare una frazione di peso apprezzabile, aumentando quindi il carico utile che è possibile portare in orbita . [56]

Altre riduzioni di peso sono state ottenute eliminando alcune parti interne nel serbatoio dell' idrogeno che si sono mostrate non necessarie. Ne è risultato un modello di serbatoio esterno leggero che è stato poi adottato nella gran parte delle missioni dello Shuttle. Con il volo STS-91 si è visto l'impiego per la prima volta di un serbatoio esterno superleggero , realizzato con la lega alluminio - litio 2195, più leggero di 3,4 tonnellate rispetto all'ultima generazione di serbatoi leggeri. Poiché lo Shuttle non può volare senza equipaggio, tutti questi miglioramenti sono stati provati durante voli operativi. [54]

I razzi a propellente solido (booster)

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Space Shuttle Solid Rocket Booster .
Lancio dello Space Shuttle Columbia per la missione STS-3

I due razzi laterali (SRB - Solid Rocket Booster ) riutilizzabili forniscono la spinta principale allo Shuttle al decollo e fino a un'altezza di 45,7 km. Inoltre essi portano l'intero peso delserbatoio esterno e dell'Orbiter e trasmettono il peso del carico attraverso la loro struttura alla Mobile Launcher Platform . Ogni SRB ha una spinta al decollo (a livello del mare) di circa 12,45 MN e poco dopo il lancio la spinta aumenta fino a 13,78 MN - 14,67 MN . Ogni SRB è lungo 45,5 me ha un diametro di 3,7 m con un peso al lancio di 570 tonnellate, pari al 60% della massa totale al decollo. Il peso del carburante per ogni SRB è di 499 te il peso a vuoto è di circa 87 t. Settantacinque secondi dopo la separazione dallo Shuttle gli SRB raggiungono l'apogeo a un'altezza di circa 67 km e tornano a terra rallentati da tre paracadute. Essi impattano nell'oceano a circa 226 km di distanza e vengono in seguito recuperati. [57]

Gli elementi principali che costituiscono questo razzo sono il propulsore (involucro, carburante, sistema di accensione, ugello), la struttura, il sistema di separazione, gli strumenti di operazioni per il volo, l'avionica, le cariche pirotecniche, il sistema di decelerazione, il sistema di controllo vettoriale della spinta e il sistema di distruzione di sicurezza. [58] [59]

Ogni razzo è collegato alserbatoio esterno all'altezza della struttura di poppa tramite due supporti laterali e un collegamento diagonale. Sulla piattaforma di lancio ogni razzo è anche connesso alla mobile launcher platform al bordo esterno anteriore con quattro agganci esplosivi che vengono staccati al decollo.

Un SRB è costituito di sette segmenti di acciaio prodotti individualmente, assemblati a coppie dal costruttore e inviati al Kennedy Space Center tramite un treno per l'assemblaggio finale. I segmenti sono collegati assieme tramite un supporto circolare chiuso con tre guarnizioni O-ring (ne erano utilizzati due prima dell' incidente al Challenger ) e uno speciale mastice termoresistente. [57]

Molti miglioramenti agli SRB erano stati pianificati per migliorare le prestazioni e la sicurezza, ma non sono mai stati messi in pratica; erano culminati nel progetto Advanced SRB , che avrebbe dovuto essere prodotto nella metà degli anni novanta e che sarebbe stato notevolmente più semplice, economico e probabilmente più sicuro a fronte di prestazioni superiori, ma che è stato in seguito cancellato per tagliare i costi dopo che erano già stati investiti 2,2 miliardi di dollari . La cancellazione del progetto Advanced SRB ha portato allo sviluppo del serbatoio esterno superleggero , che dà una parte dell'aumento di carico utile senza miglioramenti dal punto di vista della sicurezza. Inoltre l' aeronautica ha sviluppato un proprio progetto di booster molto più leggero e in un singolo pezzo, ma anche questo è stato cancellato. [60]

Flotta

La NASA ha costruito cinque Orbiter, quattro operativi in orbita (ognuno dei quali con caratteristiche diverse): Challenger, Columbia, Discovery, Atlantis; dopo la distruzione del Challenger, venne costruito un sesto Orbiter operativo: l'Endeavour.

  • Enterprise (OV-101): consegnato alla NASA nel 1977, è stato il primo utilizzato per convalidare il trasporto della navetta sul retro del Boeing 747. Negli anni successivi Enterprise è stato utilizzato per prove di vibrazione e per la validazione delle procedure di montaggio prima del lancio dello Shuttle al Kennedy Space Center. Nel 1985 la navetta, che non era attrezzata per missioni in orbita, è stata donata al Museo Nazionale dell'Aria e dello Spazio di Washington [61] .
  • Columbia (OV-102): è stato il primo Orbiter in servizio operativo. Ha effettuato 28 voli tra il 1981 e il 2003 prima di distruggersi durante il suo rientro in atmosfera il 1º febbraio 2003. Columbia pesava 3,6 tonnellate in più rispetto agli Orbiter seguenti [62] : le ali e la fusoliera risultavano essere più pesanti. Il Columbia era dotato di strumentazione usata per il controllo e il monitoraggio di moltissimi parametri di volo durante i primi voli di test [63] .
  • Challenger (OV-099, ex-STA-099): nel 1982 venne costruito il secondo Orbiter. Volò per la prima volta nel 1983 durante la missione STS-6 . Rimase distrutto durante il lancio del suo decimo volo, STS-51-L , il 28 gennaio 1986.
  • Discovery (OV-103): ha fatto il suo volo inaugurale nel 1984, durante la missione STS-41-D Ha completato 39 missioni arrivando a essere l'Orbiter con il maggior numero di voli. È stato ritirato dal servizio dopo la missione STS-133 .
  • Atlantis (OV 104): ha fatto il suo volo inaugurale nel 1985 per la missione STS-51-J . È stato ritirato dal servizio dopo la missione STS-135 .
  • Endeavour (OV-105): primo volo nel 1992 durante la missione STS-49 . È stato costruito dopo la perdita del Challenger e ha compiuto 26 voli. È stato ritirato dal servizio dopo la missione STS-134 .
Gli Space Shuttle costruiti, in ordine cronologico (non raffigurato l' Enterprise ).

Altre due navette sono state costruite per lo sviluppo del progetto:

  • Pathfinder : costruito nel 1977 dal Marshall Space Flight Center è un modellino statico di legno e metallo in cui il peso, le dimensioni e la forma sono quasi uguali a un vero Orbiter. Venne utilizzato per convalidare alcune procedure a terra [64] .
  • Explorer (ora Indipendence): copia statica 1:1 di un Orbiter originale, costruita nel 1992, mai usata né per test né per missioni.

Statistiche di volo

( al 9 marzo 2011 )

Shuttle Primo volo Tempo
di volo
Orbite Distanza
in km
Voli Volo più lungo Equipaggio
e passeggeri
EVA Agganci con
Mir / ISS
Satelliti
messi
in orbita
Atlantis 3 ottobre 1985 293 g 18 h 29 m 37 s 4 648 194 168 813 32 13g 20h 12 m 44s 191 32 7 / 11 14
Challenger 4 aprile 1983 62g 07h 56m 15s 995 41 527 416 10 8g 05h 23m 33s 60 6 0 / 0 10
Columbia 12 aprile 1981 300g 17h 40m 22s 4 808 201 497 772 28 17g 15h 53m 18s 160 7 0 / 0 8
Discovery 30 agosto 1984 364g 12h 55m 31s 5 830 238 539 667 39 15g 02h 48m 08s 252 47 1 / 13 31
Endeavour 7 maggio 1992 280g 09h 39m 44s 4 429 166 003 247 24 16g 15h 08m 48s 148 46 1 / 10 3
Totale 1301g 18h 41m 29s 20 710 841 736 915 133 17,66g (STS-80) 811 138 9 / 34 66

La missione più lunga è stata la STS-80 , effettuata dal Columbia nel novembre 1996, della durata complessiva di 17 giorni, 15 ore, 53 minuti e 18 secondi.

Svolgimento di una missione

Preparazione

Atlantis nel Orbiter Processing Facility per la preparazione alla missione STS-129 .

Dopo che l'O rbiter ha passato una revisione in uno dei tre edifici dedicati alla sua manutenzione ( Orbiter Processing Facility , o OPF), situati al Kennedy Space Center in Florida, riceve una parte del carico utile della missione successiva e vengono caricati i materiali di consumo. [65] L'Orbiter viene poi pesato al fine di determinare con precisione il suo centro di gravità , dato fondamentale per la corretta gestione dei parametri di volo da parte dei computer di bordo. Quindi la navetta viene trasferita al Vehicle Assembly Building (VAB), l'enorme edificio di assemblaggio costruito per i razzi Saturn V durante il programma Apollo . Qui viene messo in posizione verticale e vengono installati i due booster laterali e ilserbatoio esterno . Per eseguire tali procedure, si utilizzano due carroponte di 200 tonnellate in grado di alzare la navetta a circa 100 metri. L'intero complesso viene posizionato sulla Mobile Launcher Platform che verrà utilizzata per spostarlo verso il luogo di lancio e come base per il decollo. Vengono poi testati i collegamenti meccanici ed elettrici tra i tre componenti e gli impianti di terra. Tutte queste verifiche richiedono, teoricamente, almeno sei giorni [66] .

Atlantis viene spostato, tramite il Crawler-transporter , verso la zona di lancio.

Sotto la piattaforma di lancio mobile, viene inserito un veicolo cingolato (il Crawler-transporter ) che permetterà di spostare l'intero complesso dal VAB fino alla rampa di lancio , muovendosi a una velocità inferiore a 2 km/h . Il veicolo, anch'esso un retaggio del programma Apollo, raggiunge la destinazione in circa 6 ore. Ogni rampa di lancio ( 39A e 39B ) è dotata di strutture che permettono il completamento dei preparativi della navetta e cioè una torre metallica fissa ( Fixed service structure o FSS) e una parte mobile ( Rotaring service structure ) che può ruotare per ricoprire l'intera stiva dell'Orbiter. La parte fissa contiene le linee di alimentazione dei propellenti e altre strumentazioni, nonché una passerella che permette all'equipaggio di entrare nella navetta. La parte mobile è costituita da 5 livelli di piattaforme che consentono di lavorare sul vano di carico in un ambiente controllato. Essa fornisce, inoltre, l'accesso alla zona del motore [66] .

Il carico utile trasportato dalla navetta spesso include molti componenti. Alcuni di questi sono destinati a rimanere in orbita , come i componenti della Stazione Spaziale Internazionale , altri di fare ritorno sulla Terra come contenitori di esperimenti o strutture destinati al trasporto di materiali. Tutti gli elementi del carico vengono controllati, imballati e installati presso il Kennedy Space Center. Una parte è installata quando l'Orbiter è in orizzontale e il resto direttamente sulla rampa di lancio. Altre procedure svolte prima del lancio sono il caricamento del combustibile e la chiusura delle porte della stiva. L'ultima attività svolta prima del lancio è una simulazione dello stesso che viene effettuata con l'equipaggio a bordo. Il conto alla rovescia incomincia 47 ore prima del decollo e comprende una revisione generale dei sistemi e del software di volo installato. AT -11 ore (T = ora di partenza) la struttura mobile (RSS) viene rimossa e il caricamento di idrogeno e ossigeno liquido nel serbatoio esterno ha inizio [66] .

Lancio

Schema di una tipica missione.

Tutte le missioni Shuttle sono lanciate dal Kennedy Space Center (KSC). Lo Shuttle Launch Weather Officer , il responsabile al monitoraggio delle condizioni meteorologiche, controlla la situazione per determinare se il lancio è possibile. In particolare, le condizioni devono essere accettabili anche in almeno un sito per l'atterraggio di emergenza, che viene chiamato Transatlantic Abort Landing site [67] . Sono disponibili diversi siti per l'atterraggio dello Shuttle. Le condizioni meteorologiche accettabili escludono la presenza di fulmini poiché, nonostante lo Shuttle sia schermato elettricamente dalla sua superficie conduttrice (come avviene negli aerei di linea), durante il lancio la scia dei propulsori potrebbe fornire un percorso conduttivo del fulmine verso terra [68] . Inoltre non può essere effettuato il lancio se sono presenti dei cumulonembi a incudine ( cumulonimbus incus ) entro 10 miglia nautiche (19 km) [69] .

Il giorno del lancio, dopo l'ultima pausa nel conteggio alla rovescia a T - 9 minuti, lo Shuttle incomincia i preparativi finali. In questo periodo il conteggio viene controllato automaticamente tramite computer del centro di controllo lancio, da un software chiamato Ground Launch Sequencer . Esso arresta automaticamente il lancio se rileva un problema critico a un qualunque sistema di bordo del velivolo.

A 16 secondi dal lancio, si attiva il sistema di soppressione del suono chiamato Sound Suppression System . Esso consiste nel riempimento della Mobile Launcher Platform con 1 100 m³ di acqua in modo da proteggere l'Orbiter dall'energia acustica riflessa generata dallo scarico dei propulsori [70] .

Lancio dello Shuttle Atlantis all'alba nel 2001. Il sole è dietro la telecamera e l'ombra dei gas di scarico interseca la Luna .

A 10 secondi dal lancio vengono attivati i sistemi di accensione dell'idrogeno sotto ognuno dei tre ugelli dei propulsori dello Shuttle, in modo da eliminare eventuali gas stagnanti all'interno degli ugelli prima della partenza vera e propria. L'accumulo di questi gas potrebbe infatti provocare un'esplosione al momento dell'accensione. Viene incominciato, tramite le turbo pompe dei propulsori principali, il caricamento della camera di combustione con idrogeno e ossigeno liquidi.

A 6,6 secondi dal lancio vengono accesi i tre propulsori sull'orbiter , in modo sequenziale a un intervallo di 120 ms . I computer dello Shuttle ( GPC ) controllano che i propulsori raggiungano il 90% della spinta nominale prima di incominciare l'orientamento finale degli ugelli nella configurazione di lancio [71] . Quando i tre propulsori si accendono, l'enorme calore dello scarico trasforma una grande quantità d'acqua del sistema di soppressione in vapore che si sprigiona dalla piattaforma di lancio. I tre propulsori devono raggiungere il 100% della spinta entro 3 secondi dall'accensione; se tutto procede come previsto, al momento del lancio vengono attivati i razzi a combustibile solido . Una volta accesi, essi non possono essere spenti. Dopo l'avvio dei propulsori dell'Orbiter, ma mentre i booster sono ancora connessi alla piattaforma di lancio, la differenza di spinta dei tre propulsori provoca lo spostamento dell'intero gruppo di componenti (booster, serbatoio e orbiter) di 2 metri. Quando anche gli SRB raggiungono una spinta stabile, 8 cariche pirotecniche NASA standard detonator (NSD) vengono fatte detonare in successione da un computer di bordo chiamato Master Events Controller per sganciare il velivolo dalla piattaforma di lancio [72] .

Poco dopo aver superato la torre della piattaforma di lancio, lo Shuttle incomincia una manovra di rotazione per impostare l'inclinazione orbitale. Il veicolo sale nell'atmosfera compiendo un arco, accelerando man mano che il peso dei booster e del serbatoio diminuiscono. Quando si trova in orbita a un'altezza di circa 380 km la velocità è di 7,68 km/s ( 27 650 km/h ).

Lo Shuttle a Mach 2,46 ea un'altezza di 66 000 piedi (20 000 m). Le superfici del velivolo sono colorate in base al coefficiente di pressione ei contorni grigi rappresentano la variazione di densità dell'aria circostante. I valori sono calcolati con il software OVERFLOW.

Il punto, chiamato Max q , è quello in cui lo Shuttle subisce la massima pressione aerodinamica e per questo motivo la spinta dei tre propulsori è temporaneamente diminuita per evitare stress alla struttura, particolarmente vulnerabile in alcune zone come le ali. In questo punto avviene un fenomeno noto come singolarità di Prandtl-Glauert : il velivolo effettua la transizione a velocità supersonica e si formano delle nubi di condensazione attorno a esso [73] .

Dopo 126 secondi dal lancio i booster sono esauriti e vengono distaccati dal velivolo attraverso l'attivazione di cariche esplosive e dei piccoli razzi di separazione che li allontanano dal resto del velivolo. Essi rientrano nell'atmosfera e sono rallentati da un sistema di paracadute fino all'ammaraggio nell'oceano. Lo Shuttle continua ad accelerare verso l'orbita con i tre propulsori principali. Al momento del distacco dei booster, il velivolo ha un rapporto spinta-peso inferiore a 1 — ovvero i propulsori hanno spinta insufficiente per contrastare la forza di gravità e la velocità verticale diminuisce temporaneamente. Tuttavia, il peso del propellente diminuisce man mano che viene bruciato dai propulsori, e, dopo poco, il rapporto spinta-peso torna a essere maggiore di 1, aumentando l'accelerazione dello Shuttle (sempre più leggero) verso l'orbita.

La traiettoria a questo punto è molto piatta e quasi orizzontale. A circa 5 minuti e 45 secondi dopo la partenza, l'Orbiter ruota per orientare le antenne di comunicazione verso i satelliti.

Nelle ultime decine di secondi di spinta dei propulsori, la massa del velivolo è sufficientemente bassa da richiedere la diminuzione della potenza di questi ultimi per limitare l'accelerazione a 3 g , per evitare un eccessivo stress fisico all'equipaggio.

I tre propulsori vengono spenti prima dell'esaurimento completo del carburante, poiché se fossero attivi in assenza di carburante si danneggerebbero gravemente. La quantità di ossigeno si esaurisce prima dell'idrogeno, poiché l'ossigeno liquido tende a reagire violentemente. Ilserbatoio esterno viene sganciato attraverso cariche esplosive. Esso precipita nell'atmosfera disintegrandosi prima di toccare la superficie terrestre, generalmente sopra l' Oceano Indiano . La distruzione è agevolata dalla presenza di idrogeno al suo interno, che lo fa letteralmente esplodere, in modo da limitare la grandezza dei frammenti in caduta.

L'Orbiter attiva i propulsori Orbital maneuvering system (OMS) per allontanarsi dal serbatoio. Nelle missioni verso la stazione spaziale i propulsori di manovra vengono attivati quando i propulsori principali sono ancora in funzione. In questo modo l'Orbiter è in un percorso che, nel caso di malfunzionamento dei propulsori, lo riporterebbe in un sentiero di discesa verso la Terra [74] .

Procedure per il lancio

Il lancio di una missione dello Space Shuttle è controllato da un conto alla rovescia. Due orologi vengono utilizzati per il suo calcolo. Uno non ufficiale, chiamato L ( launch ), indica il tempo reale rimanente al lancio e uno ufficiale, più spesso menzionato e chiamato T, che include diverse sospensioni ( hold ) in concomitanza con lo svolgimento di alcune verifiche preliminari. Le sospensioni previste potranno essere allungate, qualora i parametri della missione lo permettano, nel caso si presentasse la necessità di ulteriori verifiche o il dover correggere alcuni problemi. I lanci verso la Stazione Spaziale Internazionale non consentono di estendere le sospensioni per lungo tempo a causa della limitata finestra di lancio a disposizione (della durata di non più di 10 minuti) [75] [76] [77] [78] .

Fasi principali del lancio

  • T -43 ore e in funzione - Il Direttore dei Test dello Shuttle effettua la tradizionale chiamata alle postazioni e il display del conto alla rovescia viene attivato.
    • Incomincia il controllo finale del veicolo e delle attrezzature per il lancio
    • Controllo dei sistemi di volo di riserva
    • Controllo del software di volo memorizzato nelle unità di memoria di massa e dei display
    • Caricamento del software di volo di riserva nei computer di uso generale dell'Orbiter
    • Rimozione delle piattaforme del ponte intermedio e del ponte di volo
    • Attivazione e test dei sistemi di navigazione
    • Completamento della preparazione per caricare i reagenti e il sistema di distribuzione
    • Completamento delle ispezioni preliminari al ponte di volo
  • T -27 ore e sospeso - Questa è la prima sospensione programmata e di solito dura quattro ore.
    • Allontanamento dalla piattaforma di lancio di tutto il personale non necessario
  • T -27 ore e in funzione
    • Inizio delle operazioni per caricare i reagenti criogenici nei serbatoi delle celle a combustibile dell' Orbiter
  • T -19 ore e sospeso - Questa sospensione programmata di solito dura quattro ore.
    • Distacco dell'unità ombelicale intermedia dell'Orbiter
  • T -19 ore e in funzione
    • Incomincia la preparazione finale dei tre motori principali dell'Orbiter
    • Riempimento del serbatoio dell'acqua del sistema di soppressione acustica
    • Chiusura dei servizi della coda sulla piattaforma di lancio
  • T -11 ore e sospeso - La durata di questa sospensione programmata varia, ma di solito dura dalle 12 alle 13 ore.
    • Preparazione dell'equipaggiamento degli astronauti
    • Spostamento della struttura di servizio rotante nella posizione "park"
    • Attivazione delle unità di misurazione inerziale e dei sistemi di comunicazione
  • T -11 ore e in funzione
    • Inizio dei controlli funzionali del tracker stellare
    • Caricamento della pellicola nelle numerose cineprese sulla rampa di lancio
    • Attivazione delle celle a combustibile
    • Allontanamento dall'area a pericolo di esplosioni di tutto il personale non necessario
    • Passaggio dei depuratori dell'aria dell'orbiter all'azoto gassoso
  • T -6 ore e sospeso - Questa sospensione programmata di solito dura due ore.
    • La squadra di lancio verifica che non ci siano violazioni dei criteri per il lancio prima di caricare il serbatoio esterno con i propellenti
    • Allontanamento di tutto il personale dalla piattaforma di lancio
    • Raffreddamento delle linee di trasferimento del propellente
    • Inizio del caricamento del serbatoio esterno con circa 1 900 di propellenti criogenici
  • T -6 ore e in funzione
    • Conclusione del caricamento del serbatoio esterno con il carico di idrogeno liquido e ossigeno liquido
    • Il Final Inspection Team arriva alla rampa di lancio per effettuare una dettagliata ispezione del veicolo
  • T -3 ore e sospeso - Questa sospensione programmata di solito dura due ore
    • Esecuzione della calibrazione pre-volo dell'unità di misurazione inerziale
    • Allineamento delle antenne dell'Area di Lancio di Merritt Island
  • T -3 ore e in funzione
Gli astronauti Rex Walheim e Sandra Magnus stanno per entrare nello Space Shuttle Atlantis per la missione STS-135 . Mancano poche ore al lancio.
    • L'equipaggio parte per la rampa di lancio
    • Completamento della preparazione per la chiusura della White Room della rampa di lancio
    • I membri dell'equipaggio incominciano a entrare nell'Orbiter
    • Controllo del posizionamento degli interruttori dell'abitacolo
    • Gli astronauti effettuano un controllo radio con il centro di controllo del lancio (Kennedy Space Center) e il controllo di missione (Johnson Space Center)
    • Chiusura del portellone dell'Orbiter e ricerca di eventuali perdite
    • Completamento della chiusura della White Room
    • La squadra addetta alla chiusura si reca alla zona di rientro
    • I dati principali del sistema di guida sono trasferiti al sistema di riserva
  • T -20 minuti e sospeso - Questa sospensione programmata di solito dura 10 minuti.
    • Il Direttore dei Test dello Shuttle effettua l'ultimo briefing
    • Completamento dell'allineamento dell'unità di misurazione inerziale
  • T -20 minuti e in funzione
    • Passaggio del computer di bordo dell'Orbiter alla configurazione di lancio
    • Inizio del condizionamento termico delle celle a combustibile
    • Chiusura delle valvole di sfiato della cabina dell'Orbiter
    • Passaggio del sistema di volo di riserva alla configurazione di lancio
  • T -9 minuti e sospeso - Questa è l'ultima sospensione programmata e la lunghezza varia a seconda della missione.
    • Il direttore del lancio, la squadra di gestione della missione e il direttore dei test dello Shuttle chiedono ai propri team per un go/no go al lancio
  • T -9 minuti e in funzione
T-0: si accendono gli SRB e lo Space Shuttle decolla.
    • Avvio della sequenza automatica di lancio dalla Terra.
    • Ritrazione del braccio di accesso all'Orbiter (T-7 minuti, 30 secondi)
    • Avvio unità di registrazione della missione (T-6 minuti, 15 secondi)
    • Avvio delle unità di alimentazione ausiliarie (T-5 minuti, 0 secondi)
    • Avvio del recupero dell'ossigeno liquido (T-4 minuti, 55 secondi)
    • Inizio dei test sulle superfici aerodinamiche dell'Orbiter, seguiti dai test sull'orientamento dei motori principali (T-3 minuti, 55 secondi)
    • Pressurizzazione del serbatoio dell'ossigeno liquido (T-2 minuti, 55 secondi);
    • Ritrazione del braccio per lo sfiato dell'ossigeno gassoso, o "beanie cap" (T-2 minuti, 55 secondi)
    • I membri dell'equipaggio chiudono e bloccano le visiere dei caschi (T-2 minuti, 0 secondi)
    • Pressurizzazione del serbatoio dell'idrogeno liquido (T-1 minuto, 57 secondi)
    • Spegnimento riscaldatori bi-pod (T-1 minuto, 52 secondi)
    • Spegnimento dei riscaldatori dei giunti dei SRB (T-60 secondi)
    • L'Orbiter è alimentato solo dall'energia interna (T-50 secondi)
    • Il sistema di controllo del lancio a terra è pronto per la sequenza di avvio automatica (T-31 secondi)
    • Attivazione del sistema di soppressione acustica della rampa di lancio (T-16 secondi)
    • Attivazione del sistema di combustione dell'idrogeno dei motori principali (T-10 secondi)
    • Accensione dei motori principali (T-6,6 secondi)
  • T -0

Cancellazione del lancio

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Space Shuttle abort mode .
Pannello di selezione delle modalità di interruzione sullo Space Shuttle Challenger . Fotografia presa durante STS-51-F .

Nel caso di problemi durante il lancio, l'operazione dei razzi SRB non può essere fermata. Dopo l'accensione degli SRB, le modalità di cancellazione della missione possono essere applicate solo dopo che sono esauriti e sono stati sganciati. Sono previste le seguenti modalità di cancellazione [80] :

  • Ritorno al sito di lancio ( RTLS, Return To Launch Site ); non si è mai verificata
  • Cancellazione con atterraggio nella Costa orientale ( ECAL, East Coast Abort Landing ); non si è mai verificata
  • Cancellazione con atterraggio transoceanico ( TAL, Transoceanic Abort Landing ); non si è mai verificata [81]
  • Cancellazione a lancio completato ( AOA, Abort Once Around ); non si è mai verificata
  • Cancellazione verso un' orbita ( ATO, Abort to Orbit ); si è verificata durante la missione STS-51-F ; ha costretto a ripianificare la missione, ma la missione è stata comunque dichiarata completata con successo [82] .

La modalità di cancellazione dipende da quando, nella fase di ascesa, la cancellazione stessa si rende necessaria. Se l' idrogeno e l' ossigeno non sono necessari, vengono consumati deliberatamente in modo da poter abbandonare il serbatoio esterno in modo sicuro.

Una cancellazione con atterraggio transoceanico deve essere dichiarata in un intervallo di tempo che va approssimativamente da T+2min,30s (decollo più due minuti e trenta secondi) e lo spegnimento dei motori principali, a circa T+8min,30s L'atterraggio potrebbe avvenire nella Base Aerea di Ben Guerir, in Marocco ; all' Aeroporto internazionale di Banjul , Gambia ; nella Base Aerea di Saragozza o nella Base Aerea di Morón de la Frontera in Spagna [81] .

Se l' Orbiter non riuscisse a raggiungere una pista, sarebbe costretto ad atterrare sul terreno o ad ammarare; è improbabile che l'equipaggio che si trovasse ancora a bordo possa sopravvivere [83] .

Comunque, nel caso in cui lo Shuttle sia in volo planato controllato, il sistema di fuga per l'equipaggio permette l'evacuazione per mezzo di lancio con paracadute . Una particolare pertica permette ai membri dell'equipaggio di accedere a una via di fuga che conduce sotto l' ala sinistra dell'Orbiter.

Nei due incidenti che si sono verificati avvenne tutto così in fretta che si poté fare ben poco; l'unica contromisura ebbe luogo durante il volo STS-51: poiché i razzi SRB erano ancora accesi dopo che si erano separati dal resto del veicolo, furono fatti esplodere da un comando inviato dalla NASA che ha innescato delle cariche esplosive che sono installate a questo scopo [84] .

Rientro e atterraggio

Il Columbia tocca la pista al Kennedy Space Center al termine della missione STS-73 .

Quasi tutte le procedure di rientro atmosferico dello Shuttle sono controllate dai computer, anche se è sempre possibile accedere ai controlli manuali in caso di emergenza. L'avvicinamento e l'atterraggio possono essere controllate dal pilota automatico , ma normalmente sono effettuate dai piloti.

Il veicolo incomincia il rientro attivando i propulsori OMS di manovra, mentre vola "sottosopra" e con la coda dell'orbiter in direzione del movimento. I motori restano accesi per 3 minuti, riducendo la velocità dello Shuttle di circa 90 m/se abbassando il suo perigeo verso l'atmosfera superiore. Successivamente ruota su sé stesso, ponendo la prua verso l'alto.

La densità dell'aria incomincia a manifestare i suoi effetti quando il velivolo si trova a 400 000 piedi (120 000 m) di altezza a una velocità di 8,2 km/s (Mach 25). Il veicolo in quel momento è controllato dai propulsori del Reaction Control System e dalle superfici di volo, in modo da mantenere un assetto cabrato di 40°. Questa posizione produce un notevole attrito che non solo rallenta l'Orbiter fino a raggiungere una velocità di atterraggio, ma diminuisce anche il riscaldamento esterno. Inoltre, il veicolo effettua un percorso con curve a "S" con angolo di virata di 70° [85] .

Endeavour dispiega il paracadute per aumentare la frenata.

Il rapporto massimo di planata ( rapporto resistenza-portanza ) muta considerevolmente con la velocità, passando da 1:1 a velocità ipersoniche, 2:1 a velocità supersoniche fino a raggiungere 4,5:1 in volo subsonico durante l'avvicinamento e l'atterraggio [86] .

Nell'atmosfera inferiore l'Orbiter si sposta come un " aliante ", tranne per la velocità di discesa considerevolmente più elevata (50 m/s).

Quando ha rallentato a circa Mach 3, vengono attivate due sonde sulla parte destra e sinistra della fusoliera inferiore dell'Orbiter, per misurare la pressione atmosferica in relazione al movimento del veicolo.

Quando incomincia la fase di avvicinamento e atterraggio, l'Orbiter si trova a 3 000 m di altezza ea una distanza di 12 km dalla pista. I piloti applicano i freni aerodinamici per rallentare il velivolo da 682 km/ha circa 346 km/h (velocità finale di atterraggio). Il carrello di atterraggio viene fatto scendere quando l'Orbiter si muove a 430 km/h. Quando le ruote toccano la pista, per aiutare i freni, viene dispiegato un paracadute che si sgancia quando ha rallentato l'Orbiter a circa 110 km/h.

Dopo l'atterraggio, il veicolo si arresta sulla pista per diversi minuti in modo da disperdere i velenosi vapori di idrazina , utilizzata come carburante sia nel reaction control system sia nelle tre auxiliary power unit . Inoltre è necessario attendere un certo periodo di tempo per far raffreddare la fusoliera esterna prima di poter far scendere gli astronauti [85] .

Procedure per l'atterraggio

Per incominciare l'atterraggio, l'Orbiter ruota in modo da tenere la coda nella direzione dell'orbita ed effettua un'accensione dei propulsori detta Deorbit Burn , per uscire dall'orbita. Questa accensione infatti rallenta la navetta ed essa incomincia la discesa verso l'atmosfera terrestre. L'accensione dura dai tre ai quattro minuti e l'atterraggio avviene circa un'ora dopo. Il momento dell'accensione viene chiamato Time of Ignition - TIG .

Fasi principali dell'atterraggio

  • TIG-4 ore
    • Inizio preparazione per l'atterraggio
    • Computer di bordo configurati per il rientro
    • Sistemi idraulici che comandano le superfici aerodinamiche configurati per il rientro
  • TIG-3 ore
    • Chiusura della stiva di carico
    • Conferma del Controllo Missione
  • TIG-2 ore
    • L'equipaggio indossa le tute di lancio e si fissa ai sedili
  • TIG-1 ora
    • Conferma del Controllo missione per l'accensione per l'uscita dall'orbita
  • TIG
    • Accensione propulsori per 3 o 4 minuti
  • Atterraggio - 30 minuti
    • L'Orbiter e il suo equipaggio incominciano a sentire gli effetti dell'atmosfera. A questo punto l'Orbiter si trova a circa 80 miglia (129 km) di altezza ed è il punto dell' Entry Interface o Interfaccia d'ingresso .
    • Per rallentare la discesa, l'Orbiter effettua una serie di quattro virate di 80° formando una "S"
  • Atterraggio - 5 minuti
    • L'Orbiter continua a rallentare la sua velocità e il comandante prende il controllo manuale del velivolo, scendendo a 19°
  • Atterraggio - 15 secondi
    • Estensione del carrello di atterraggio
  • Atterraggio
    • L'Orbiter tocca la pista a una velocità compresa tra 344 km/he 363 km/h
    • Pochi istanti dopo viene aperto il paracadute per rallentare.

Siti di atterraggio

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Lista delle piste di atterraggio dello Space Shuttle .

Condizioni permettendo, lo Shuttle atterra sempre al Kennedy Space Center ; tuttavia, se la situazione meteorologica non rende possibile l'atterraggio, è possibile utilizzare la base di Edwards in California o altre piste di atterraggio. Lo Space Shuttle Columbia , durante la missione STS-3 atterrò anche alla White Sands Missile Range nel Nuovo Messico , anche se questo sito è considerato come ultima scelta poiché gli ingegneri temono che la sabbia possa danneggiare la parte esterna dell'Orbiter.

Le operazioni di manutenzione

Lo Shuttle Discovery viene portato nell' OPF al termine della missione STS-114 .

Al termine della missione, l'Orbiter viene spostato in uno dei tre edifici dedicati ( Orbiter Processing Facility OPF) che si trovano al Kennedy Space Center, in cui vengono eseguite le operazioni di manutenzione ordinaria. L'Orbiter viene sollevato da diverse piattaforme mobili che permettono l'accesso alle diverse parti della navetta. Per prima cosa vengono aperte le porte del vano carico ed estratto il carico utile della missione precedente. Molte altre componenti vengono poi rimosse per essere analizzate con più cura, tra cui i tre motori principali (SSME) che vengono revisionati in un edificio dedicato ( Main Engine Processing Facility ) [87] .

Lo scudo termico viene analizzato mattonella per mattonella e quelle che risultano danneggiate o mostrano segni di cedimento vengono sostituite. Vengono analizzati e corretti i malfunzionamenti che si sono verificati nell'ultima missione. Il carrello di atterraggio e altre componenti strutturali vengono accuratamente ispezionati. La manutenzione e la configurazione dell'Orbiter per la missione successiva ha mediamente la durata di meno di 100 giorni [66] .

Aggiornamenti

Le operazioni di manutenzione e aggiornamento vengono eseguite periodicamente con due obiettivi principali: limitare il rischio e ridurre i costi di manutenzione. Alcuni aggiornamenti apportati nel 2000 hanno avuto lo scopo di ridurre il rischio di perdita della navetta durante la fase di ascesa e di migliorare le informazioni a disposizione delle squadre di emergenza. Queste migliorie hanno ridotto il rischio di perdita della navetta da 1/248 a 1/483. Questo rischio, stimato a 1/78 nel 1988 per la missione STS-26 , fu ridotto a 1/248 agendo soprattutto sull'affidabilità degli SSME [88] .

Tra i più importanti aggiornamenti effettuati sulla navetta si possono citare [89] :

  • Rafforzamento del carrello per consentire l'atterraggio dello Shuttle alla Shuttle Landing Facility ;
  • L'installazione della camera di compensazione e sistema di ancoraggio nel vano di carico dello Shuttle per l'attracco con la stazione spaziale Mir ;
  • L'installazione di un glass cockpit di moderna concezione in cabina di comando al posto della strumentazione analogica .
  • L'aumento della potenza massima dei motori SSME portati, dopo varie modifiche, al 109% della potenza originale (ma in condizioni normali non si supera il 104%).

Tipologie di missioni

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Lista delle missioni dello Space Shuttle .

Lo Space Shuttle è stato progettato come un veicolo dotato di grande versatilità. Durante la sua vita operativa è stato impiegato per il trasporto di grandi carichi verso diverse orbite , per il trasferimento dell'equipaggio della Stazione Spaziale Internazionale e per effettuare missioni di manutenzione come quelle sul telescopio spaziale Hubble .

Tipologie di missione negli anni di operatività.

Lancio e manutenzione di satelliti

I lavori sul telescopio spaziale Hubble nel corso della missione STS-103 .

All'inizio della fase operativa dello Space Shuttle, il suo principale compito era quello di inserire in orbita satelliti . La NASA sperava di abbassare i costi di lancio grazie alla riusabilità della navetta. Durante la prima missione operativa, STS-5 , che seguiva i primi voli di test, il Columbia ha messo in orbita bassa i satelliti di comunicazione Anik C-3 e SBS-C che poi raggiunsero l' orbita geostazionaria utilizzando il proprio motore. Anche le tre missioni successive furono dedicate al lancio di satelliti. [90]

Lo Shuttle è l'unico veicolo spaziale capace di riportare i satelliti sulla Terra. La prima missione di questo tipo è stata la STS-51-A . La navetta è anche in grado di raggiungere satelliti e agganciarli in modo da permettere all'equipaggio di effettuare delle riparazioni. Il caso più noto è quello del telescopio spaziale Hubble : cinque missioni dello Space Shuttle sono state dedicate ai lavori di manutenzione al fine di estenderne la vita operativa. La prima missione ha potuto salvare il telescopio spaziale che inizialmente non era in grado di funzionare a seguito di un errore di progettazione. L'ultima missione per questo scopo, la STS-125 , ha avuto luogo nel 2009. [91]

Dopo il disastro del Challenger nel 1986, venne deciso che la navetta non avrebbe più portato satelliti commerciali in orbita ma solo satelliti militari, scientifici e governativi. Il lancio di questi risultò, al contrario delle aspettative, molto costoso ea poco a poco si è tornati a utilizzare lanciatori convenzionali. L'ultima missione dello Shuttle per lanciare un satellite è stata la STS-93 che mise in orbita il Chandra durante l'estate 1999. [92]

Lancio di sonde spaziali

Lo Shuttle era stato concepito anche per il lancio di sonde spaziali ea tal fine, nell'ambito del progetto Shuttle-Centaur , era stata sviluppata una versione del razzo Centaur adatta a essere trasportata dalla navetta spaziale. Dopo il disastro del Challenger del 1986, il trasporto del Centaur venne ritenuto pericoloso e al suo posto si preferì utilizzare l' Inertial Upper Stage [93] . La navetta spaziale ha lanciato alcune importanti sonde interplanetarie, come: la Sonda Magellano , la Sonda Galileo e la Sonda Ulisse ; in seguito, per il lancio delle sonde si è tornati ai lanciatori convenzionali.

Laboratorio spaziale

Lo Spacelab installato nella stiva.

La ricerca nel campo della microgravità è stato un altro importante obbiettivo delle missioni Shuttle. La navetta offre una piattaforma flessibile che consente di eseguire esperimenti di qualsiasi tipo. Il vano carico può ospitare esperimenti esposti in vuoto o in un modulo pressurizzato in cui l'equipaggio può svolgere attività di ricerca, in ambiente vivibile. Il primo laboratorio di questo tipo è stato lo Spacelab sviluppato dalla Agenzia spaziale europea , il cui volo inaugurale ha avuto luogo durante la missione STS-9 nel novembre 1983. Spacelab ha partecipato a 22 missioni Shuttle, l'ultimo volo si è avuto nel 1998 con la STS-90 . [94] [95]

Lo Spacehab fu il successore di Spacelab. Molto più flessibile, lo spazio laboratorio poteva essere utilizzato anche per trasporto materiale verso la Stazione Spaziale Internazionale. [96] [97] L'ultima missione dedicata esclusivamente alla ricerca è stata la STS-107 dello Space Shuttle Columbia , esploso poi nella fase di rientro.

Anche le missioni Shuttle che non sono principalmente finalizzate alla ricerca scientifica portano con sé esperimenti. Spesso nel vano di carico vengono inseriti esperimenti scientifici che vengono eseguiti automaticamente. L'equipaggio spesso svolge anche esperimenti sul ponte della navetta, durante la permanenza in orbita.

A servizio delle stazioni spaziali

Atlantis lascia la stazione spaziale Mir .

Grazie alla sua flessibilità, lo Shuttle si è rivelato il mezzo ideale per l'assemblaggio di una stazione spaziale e per il suo rifornimento. La Stazione Spaziale Internazionale dipende molto dai voli della navetta. Molti componenti della stazione sono di una dimensione che non consente loro la messa in orbita da parte di altri razzi. D'altra parte, il braccio Canadarm della navetta è stato utilizzato per assemblare i moduli direttamente sulla stazione. La navetta ha inoltre consentito la rotazione dell'equipaggio permanente sulla stazione.

A causa dell'importante ruolo svolto dalla navetta nell'assemblaggio della stazione, la messa a terra della flotta degli Shuttle dopo il disastro del Columbia, avvenuto nel febbraio 2003, ha portato al rinvio di alcune tappe fondamentali di diversi anni. Diversi esperimenti scientifici che dovevano essere installati nella stazione stessa sono stati cancellati.

Negli anni novanta la navetta ha compiuto diversi voli per la stazione russa Mir . Tra il 1995 e il 1998 lo Shuttle ha attraccato nove volte alla stazione, in relazione al programma Shuttle-Mir , la prima collaborazione tra le due potenze dopo il programma Apollo-Soyuz del 1975. [98] [99]

La fase operativa dello Shuttle

Lo Shuttle per conquistare il mercato dei lanci commerciali (1982-1985)

Un satellite per telecomunicazioni viene rilasciato dalla stiva dello Space Shuttle Columbia durante la missione STS-5 , la prima del programma con uno scopo operativo, dopo i primi quattro test.

L'11 novembre 1982 lo Shuttle Columbia incomincia la fase operativa del programma con la missione STS-5 in cui mette in orbita due satelliti per telecomunicazioni privati. In questo momento la navetta possiede il monopolio del mercato statunitense per i lanci di satelliti, sia pubblici sia privati, militari o civili. La NASA sperava di raggiungere una frequenza di un lancio a settimana. Allo scopo di attirare clienti internazionali, il costo del lancio è sottovalutato e vengono praticati sconti anche per i lanci di satelliti militari. Grazie a questi incentivi già nove operatori di telecomunicazione internazionali si rivolsero alla NASA per il lancio dei propri satelliti, questo portò al lancio di 24 satelliti commerciali nei primi tre anni di attività della navetta. Il numero teorico di satelliti trasportabili in una sola missione è di cinque, ma non potendo prevedere le conseguenze di un atterraggio di emergenza con tale peso, la NASA, prudentemente preferì fissare a tre il numero massimo. La navetta mise anche in orbita i satelliti TDRS della NASA. Il 4 aprile 1983 allo Shuttle Columbia si affiancò una nuova navetta: il Challenger . In questi primi incominciarono anche le missioni con a bordo lo Spacelab che fu portato in orbita per quattro volte [100] .

Il pubblico seguì con vivo interesse i primi voli della navetta che vantava caratteristiche uniche, ma la grande richiesta di lanci, da parte di clienti internazionali, mascherava le prime difficoltà finanziarie del programma. Nel 1985 apparve chiaro che la NASA aveva dei problemi a lanciare più di uno Shuttle al mese, una frequenza di cinque volte inferiore a quella preventivata e su cui si basavano i calcoli di budget. La manutenzione, infatti, apparve estremamente più complessa del previsto e questi costi non poterono essere caricati sul budget dell'ente, poiché era bloccato fino al 1988 [101] .

Intanto vennero prodotti altri due Orbiter : il Discovery nel novembre del 1983 e l' Atlantis nell'aprile del 1985 [102] [103] ..

Il disastro del Challenger e le sue conseguenze (1986)

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Disastro dello Space Shuttle Challenger .
La disintegrazione del Challenger al decollo della missione STS-51-L .

Il 28 gennaio 1986 la navetta Challenger andò distrutta dopo 73 secondi dal lancio, uccidendo l'intero equipaggio della missione STS-51-L . La causa fu un guasto a una guarnizione, detta O-ring , nel segmento inferiore del razzo a propellente solido ( SRB ) destro [104] . Questa era la venticinquesima missione del programma e il decimo volo del Challenger . L'indagine della Commissione Rogers evidenziò la cattiva gestione del programma da parte della NASA: Il problema che ha causato l'incidente era già stato identificato ma sottovalutato a causa di un miope approccio e di una mancanza di dialogo tra i vari responsabili [105] . Il rapporto rivelò inoltre che i rischi delle missioni erano superiori a quanto stimato.

Questo rapporto modificò pesantemente l'operatività della navetta. Venne infatti stabilito che il lancio di satelliti e qualunque altra operazione spaziale che non avesse dovuto disporre di un equipaggio per il suo raggiungimento, si sarebbe realizzata mediante lanciatori convenzionali, in modo da non rischiare inutilmente vite umane, cosa ritenuta moralmente inaccettabile per una missione spaziale. Questa scelta comportò la fine della carriera commerciale dello Space Shuttle. Poiché lo sviluppo di lanciatori convenzionali era rimasto fermo per l'utilizzo della navetta, questo contribuì al successo del lanciatore europeo Ariane [101] .

Il Challenger venne sostituito dall' Endeavour , costruito con parti di ricambio delle altre navette, nel maggio del 1991 [106] .

L'operatività della navetta dopo il Challenger (1988-2003)

Dopo una pausa durata trentadue mesi, la prima missione dopo l'incidente, STS-26 , fu lanciata il 29 settembre 1988. Dopo l'incidente del Challenger il Dipartimento della Difesa rinunciò all'uso della navetta spaziale. Una navetta e una base di lancio dedicata esclusivamente alle necessità militare era stata costruita presso la Vandenberg Air Force Base e stava per essere inaugurata al momento dell'incidente Challenger: non sarà mai utilizzata. Nonostante la nuova scelta per l'uso della navetta, vari satelliti (TDR, telecomunicazioni satellitari) e sonde ( Galileo e Ulisse ) furono inviati nello spazio grazie a essa, poiché il loro design non consentiva la messa in orbita per mezzo di vettori tradizionali [107] .

L'incidente Shuttle Columbia e la decisione di cancellare il programma (2003-2010)

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Disastro dello Space Shuttle Columbia .
Una commemorazione improvvisata all'entrata principale del Johnson Space Center a Houston , dopo l'incidente del Columbia .

Il 1º febbraio 2003 l'Orbiter Columbia , dopo che il rivestimento esterno dell'ala sinistra rimase irreparabilmente danneggiato da un frammento del rivestimento schiumoso del serbatoio esterno staccatosi al momento del lancio, si disintegrò durante la fase di rientro atmosferico uccidendo tutti i membri del suo equipaggio [108] . Ancora una volta venne messa in discussione la gestione del programma da parte della NASA: l'anomalia che aveva portato al disastro era già nota, ma non venne mai risolta [109] . Inoltre, il fitto calendario di montaggio della Stazione Spaziale Internazionale, imposto nel 2001 dai tagli al bilancio imposti dalla NASA, mise sotto pressione l'ente spaziale tanto da fargli sottovalutare i rischi. Quando dopo 18 mesi i voli ripresero con la missione STS-114 , molte misure vennero adottate per limitare i rischi. A ogni missione venne imposta una accurata ispezione dello scudo termico (mediante l' Orbiter Boom Sensor System ) una volta raggiunta l'orbita. Se la valutazione avesse riscontrato dei problemi irrisolvibili, un secondo Shuttle era pronto per essere lanciato per compiere una missione di salvataggio (missione chiamata STS-3xx ).

Il 15 gennaio 2004, il Presidente statunitense George W. Bush rese pubblici gli obiettivi a lungo termine del programma spaziale americano nel campo dell'esplorazione del sistema solare e delle missioni umane. Questa strategia è formalizzata nel Vision for Space Exploration . La definizione di questo documento fu spinta da due motivazioni [110] [111]

Lancio di STS-114 , lo Shuttle torna a volare.
  • La NASA doveva sostituire la flotta di navette spaziali, che risaliva a quasi tre decenni prima, ma la Stazione Spaziale doveva essere completata e resa pienamente operativa;
  • Il Presidente voleva ricondursi ai successi del Programma Apollo, fissando obiettivi ambiziosi e coinvolgenti che vedevano in primo piano l'esplorazione dello spazio da parte dell'uomo.

Le ultime missioni

Facendo eco all'approccio del Presidente John Kennedy , George W. Bush chiese alla NASA di realizzare un programma che consentisse di effettuare viaggi sulla Luna entro il 2020. Questo programma prese il nome di Programma Constellation . Si stabilì inoltre che i voli dello Shuttle dovessero terminare entro il 2010, quando la Stazione Spaziale Internazionale doveva essere completata [112] .

Nel 2010, il presidente neoeletto Barack Obama cancellò il Constellation per motivi di bilancio e protrasse la vita dello Shuttle fino alla prima metà del 2011, con la missione conclusiva STS-135 effettuata l'8 luglio [113] [114] .

La fine dell'era dello Shuttle

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Abbandono dello Space Shuttle .
L' Atlantis fa il suo ritorno al KSC dopo la sua ultima missione, STS-135 .

Il 21 luglio 2011, con l'atterraggio al Kennedy Space Center dell' STS-135 Atlantis , lanciato l'8 luglio 2011, si concluse ufficialmente l'era dello Space Shuttle. I tre Orbiter rimasti, Discovery (OV-103), Atlantis (OV-104) ed Endeavour (OV-105) saranno ricondizionati per poter essere esposti in diversi musei di storia aerospaziale negli Stati Uniti a partire dal 2012. Essi si andranno ad aggiungere all'orbiter Enterprise (OV-101) che non ha mai volato nello spazio ed è servito unicamente per le prove dinamiche di rientro e atterraggio. [115]

Molte parti utilizzate nel programma verranno esposte in vari musei. Circa 7 000 piastrelle facenti parte dello scudo termico sono state proposte, a 25 dollari l'una, alle scuole e università statunitensi che ne hanno fatto richiesta. [116]

Il 12 aprile 2011, la NASA annunciò i siti in cui verranno esposti gli Orbiter rimasti: [117] [118]

Note

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  2. ^ Space Shuttle tradotto letteralmente significa "navetta spaziale".
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