Naveta spațială: origini

James Webb a fost administratorul NASA din 1961 până în 1968, fiind o foarte bună punte de legătură dintre adminstrația SUA și oficialii SUA. Relațiile dintre James Webb și președintele Johnson s-au răcit în 1968 și Webb a demisionat înainte de aseenizarea din 1969. În acea vreme, NASA nu își făcea planuri pentru perioada ce va urma după Apollo (pe atunci era programate misiuni până la Apollo 20 care aveau să dureze până la mijlocul anilor ’70). Tom Paine a preluat administrarea agenției în 1969, o perioadă în care când viitorul NASA părea unul luminos prin prisma realizărilor din programul Apollo. Deoarece aterizările în ocean din timpul misiunilor Mercury, Gemini și Apollo au fost foarte costisitoare, unele proiecte au căutat soluții pentru aterizări pe uscat, aceste proiecte fiind germenii navetei spațiale de astăzi.

În 1969 președintele Nixon l-a însărcinat pe vicepreședintele Spiro Agnew cu formarea unei comisii care să studieze viitorul NASA, comisie din care au făcut parte persoane ca Tom Paine, Bob Seamans sau Lee Dubridge. În 1969, după un studiu de șase luni, viitorul NASA cuprindea un sistem de transport spațial care ar fi inclus Luna și în final Marte. Pentru început, ar fi fost construită o stație spațială cu un diametru de 9 metri, pentru a adăposti până la 12 oameni. Două astfel de stații spațiale ar fi fost pe orbita Pământului, una pe orbita Lunii. Planul includea și o bază pe suprafața satelitului nostru natural. O rachetă cu propulsie nucleară ar fi fost folosită pentru transferul resurselor de pe orbita Pământului pe orbita Lunii, o naveta spațială în două trepte, recuperabilă, care ar fi executat 100-150 de zboruri anual, o stație SkyLab 2 care ar urma să primească 5 vizite anuale. Producția de rachete Saturn 1B și Saturn V ar fi continuat pentru această nouă stație spațială. Planeta Marte urma să fie vizitată în jurul anului 1983, după acumularea de cunoștiințe în stațiile spațiale despre comportarea corpului uman supus timp îndelungat gravitației scăzute și după dezvoltarea operațiunilor de tranfer de combustibil pe orbită, necesare unui zbor spre Marte.

Între timp, bugetul NASA alocat pentru zborurile cu echipaj uman s-a prăbușit de la 3.8 miliarde de dolari în 1966 la 1.7 miliarde de dolari în 1972, pe fondul reducerilor bugetare suferite de agenția spațială americană în acea perioadă, cauzate în principal de razboiul din Vietnam. Unul din senatori a propus chiar anularea programului navetei spațiale, votul în Congresul SUA a fost foarte echilibrat (50:50) și doar votul vicepreședintelui de atunci a înclinat balanța în favoarea construcției navetei spațiale.

Tom Paine știa că pentru a ajunge pe Marte trebuia să avem o stație spațială pe orbita Pământului și a continuat să susțină această idee, chiar dacă se formase deja un curent favorabil construcției prioritare a navetei spațiale. Propunerea lui Paine însemna și continuarea producției de Saturn V, rachete extrem de scumpe care ar fi avut nevoie de o suplimentare a bugetului NASA. Din cauza acestor divergențe, Tom Paine părăsește poziția de administrator al agenției la mijlocul anilor 70.

La începutul anilor 70, NASA era în pericol de a-și pierde complet capacitatea de zboruri spațiale cu echipaj uman, după terminarea programului Apollo. Pentru a reduce costurile prezenței umane în spațiu, toată lumea era de acord în acei ani că soluția optima era o navetă spațială reutilizabilă. Datorită constrângerilor bugetare, pentru a menține naveta spațială pe masa de lucru, misiunile Apollo 18 și 19 au fost anulate împreună cu Saturn 1B, Saturn V și SkyLab 2 (care a fost deja construită într-o proporție destul de mare), s-a renunțat la cele trei stații spațiale din proiectul inițial. Studiile pentru propulsia nucleară nu au mai început iar programul pentru explorarea planetei Marte a fost amânat. Din tot proiectul original a mai rămas doar planul pentru naveta spațială datorită faptului că aceasta promitea refolosire și implicit costuri scăzute (relația dintre reutilizare și costuri scăzute era unanim acceptată în acea perioadă, pe toate planurile). Pentru a deveni profitabilă și mai ieftină decât lansările balistice clasice, naveta spațială trebuia să efectueze aproximativ 100 de zboruri anual, cifră cu care oficiali vremii au fost de acord pe când naveta spațială era în stadiu de proiect.

Când programul MOL (Manned Orbiting Laboratory) al aviației SUA a fost anulat, NASA a preluat defunctul proiect, și a găsit aici câteva surse de inspirație pentru proiectarea viitoarei navete spațiale. X-15, un avion de teste care nu a fost considerat un vehicul spațial, a zburat cu un rezervor extern atașat și a atins Mach 6 și o altitudine de 100 km. Cu siguranță că și modelul Navaho, care la o viteză de Mach 3 efectua o separare de rezervorul extern în condiții de presiuni și viteze mari, a fost studiat de inginerii care lucrau la noul proiect al NASA din acea vreme.

În 1969, naveta spațială arăta ca un avion X-15 și urcarea pe orbită se făcea în două trepte, combustibilul era intern, iar piloți ar fi fost prezenți în ambele trepte, nu doar în navetă. Încărcătura pe care un astfel de vehicul o putea duce pe orbită era de aproximativ 10 tone care trebuia să încapă într-o cală cu dimensiunile de 3×12 metri.

Deoarece în 1969 previziunile asupra bugetului erau optimiste, erau prevăzute aproximativ 100-150 de zboruri pe an, ceea ce ar fi însemnat că un zbor, conform previziunilor de atunci, ar fi costat aproximativ 5 milioane de dolari (în dolarii anului 1970). La un astfel de nivel al prețului, partenerii comerciali erau nerăbdători să folosească noua navetă pentru lansări de sateliți, chiar și armata SUA a luat în considerare posibilitatea de a folosi viitoarea navetă pentru toate lansările viitoare. Din acest motiv a apărut ideea printre producătorii de sateliți comerciali de a avea pe orbită sateliți care să poată fi reparați fără a fi aduși pe Pământ, folosind naveta spațială. Acest lucru va juca un rol important în designul telescopului spațial Hubble care a fost conceput pentru a suferi operațiuni orbitale de mentenanță, aspect ce a salvat până la urmă telescopul spațial, după eroare oglinzii originale care nu a fost detectată decât după punerea sa în funcțiune pe orbită.

Cerințele armatei au modificat însă specificațiile tehnice ale navetei spațiale. Armata dorea o cală de 18 metri și o încărcătură de 30 de tone, cu mult mai mult decât proiectul inițial al NASA. Naveta trebuia de asemenea să poată fi lansată și să aterizeze exact în locul de unde a fost lansată, după o orbită completă în jurul Pământului. Acest lucru se putea realiza  folosind combustibil și un sistem de propulsie suplimentar sau capacitățile aerodinamice ale navetei trebuiau să permită această manevră. Pentru că nu mai aveau la dispoziție racheta Saturn V care ar fi urcat pe orbită viitoarea stație spațială, NASA a hotărât să mărească diametrul navetei pentru a putea purta o încărcătură de 4.5 metri și lungă de maxim 18 metri (cerința armatei). O astfel de navetă ar fi fost imensă și inginerii nu știau dacă va fi posibil să atingă vitezele necesare (în jur de Mach 6). Un aspect care merită să fie reținut este acela că toate propunerile de atunci conțineau rezervoarele pentru motoare în interiorul fuzelajului vehiculului, ca în cazul avioanelor.

Inițial, costurile estimate pentru dezvoltarea navetei spațiale au fost de 12-15 miliarde de dolari, în timp ce președintele Nixon dorea ca aceste costuri să nu depășească 5 miliarde de dolari. În încercarea de a reduce costurile proiectului, una din idei a fost de a scoate rezervoarele în afara vehiculului și de a renunța la ele când naveta ar fi ajuns pe orbită, reducând astfel semnificativ mărimea acesteia, diametrul navetei fiind dictat doar de diametrul calei.

Alte propuneri pentru reducerea costurilor au fost mult mai fanteziste: la un moment dat, cineva a venit cu propunerea de a avea un vehicul format din trei părți identice, interconectate, două dintre ele asigurând propulsia și doar unul dintre ele ajungând efectiv pe orbită. Ideea a fost respinsă deoarece propulsoarele se comportau diferit față de vehiculul propriu-zis și nu avea sens designul identic al acestora. Propunerea de a folosi o singură treaptă a fost respinsă din lipsa suportului teoretic pentru acest lucru: chiar și cu tehnologia actuală, este imposibil de ajuns pe orbită astfel, cu o încărcătură de 30 de tone.

În final, după o mulțime de studii de optimizare, s-a ajuns la configurația de astăzi: un rezervor extern care conține hidrogen și oxigen lichid care alimentează motoarele navetei și două rachete laterale (recuperabile) cu combustibil solid pentru un plus de putere necesar în timpul lansării. Motivul pentru care motorul navetei se afla în vehicul și nu pe rezervorul principal este acela că NASA dorea să refolosească acest motor, extrem de performant dar și extrem de scump (corespondentul rusesc al navetei spațiale, Buran, nu avea motoarele principale în vehiculul propriu zis, propulsia pe orbită era efectuată de un rezervor care avea motoare proprii). Cum rezervorul extern este abandonat de navetă o dată ce aceasta a juns pe orbită, dacă motoarele principale erau situate pe acesta, ele nu mai putea fi recuperate. Practic singura parte nerecuperabilă din tot sistemul (pe lângă combustibil, evident) era doar rezervorul extern: vehiculul, motorul acestuia și cele două rachete laterale fiind recuperate după fiecare misiune, inspectate, reparate dacă era cazul și refolosite astfel de mai multe ori.

Motoarele navetei spațiale era considerate cele mai avansate subsisteme ale acesteia, iar dezvoltarea lor a început în avans cu un an față de dezvoltarea restului de componente, pentru a fi siguri că vor fi terminate la timp. Însă nu motoarele au cauzat cele mai mari bătăi de cap, așa cum se credea la începuturile proiectului, ci sistemul de plăcuțe ceramice folosite pentru izolarea termică a navetei la revenirea în atmosferă.

În 1971, Boeing a renunțat la proiectul său de a construi un avion supersonic pentru pasageri, lucru care a contribui pozitiv la dezvoltarea navetei spațiale, vidul creat de o astfel de decizie fiind repede acoperit, NASA și subcontractorii acesteia oferind locuri de muncă inginerilor care au rămas descoperiți de decizia Boeing.

Bugetul subțire al NASA a fost optimizat, pentru a nu avea fluctuații foarte mari de la un an la altul. Astfel, motoarele navetei aveau să fie finanțate în prima fază, urmând apoi un accent mai mare pe vehiculul propriu-zis, iar în final să fie dezvoltate rezervorul și rachetele cu combustibil solid, componente care nu ar fi pus probleme, reprezentând tehnologii deja cunoscute.

În 5 ianuarie 1972, președintele Nixon a dat undă verde programului care prevedea construcția și operarea navetei spațiale. Condițiile inițiale ale proiectului prevedeau un vehicul orbital refolosibil, rachete cu combustibil solid refolosibile, motoarele aveau să fie plasate în interiorul navetei iar rezervorul în exterior, urmând să fie schimbat după fiecare zbor. Erau prevăzute între 40 și 50 de zboruri anuale, implicând un cost de 10 până la 15 milioane de dolari pe misiune, la valoarea dolarului din 1970.  5.2 miliarde de dolari plus o rezervă de 20% avea să fie la îndemâna NASA pentru cercetare și dezvoltarea navetei spațiale, însă după plecarea lui Nixon, rezerva financiară nu a mai fost disponibilă. Mai mult, nu s-a considerat în final valoarea dolarului din 1970 ci valoarea din 1972, pierzându-se astfel sume datorate inflației dintre cei doi ani, lucru care a scăzut și mai mult bugetul alocat.

S-a renunțat la toate variantele inițiale pentru designul navetei, echipa concentrându-se pe planul descris mai sus. Ca fapt divers, a existat la un moment dat varianta folosirii primei trepte din racheta Saturn V pentru propulsarea vehiculului orbital, variantă la care s-a renunțat evident din cauza costurilor prea mari.

În acei ani, diverse grupuri de ingineri făceau lobby rachetelor cu combustibil lichid care aveau o serie de avantaje: puteau fi oprite în timpul zborului și rezervorul extern dacă ar fi avut pereți mai groși, ar fi putut fi recuperat. Însă acest lucru necesita folosirea unor presiuni mai mari în motor, o tehnologie destul de nouă pe care NASA a decis să nu o folosească deocamdată, ajutându-se astfel și de două rachete cu combustibil solid pentru prima parte a zborului unei navete spațiale, reducând astfel grosimea (și masa inițială) a rezervorului extern, cu combustibil lichid, care oricum nu mai era recuperat după zbor.

Mult mai folosite în anii ’70, rachetele cu combustibil solid păreau să fie mai sigure, din punct de vedere tehnic, fiind alegerea principală a armatei pe atunci, în lansările de sateliți. Avantajele rachetelor cu combustibil solid erau, la acea vreme, fiabilitatea și posibilitatea de a le recupera. La acea vreme se spera ca în curând avea să se dezvolte un sistem care să facă posibilă oprirea unei rachete cu combustibil solid, însă acest lucru nu s-a întâmplat nici până astăzi. Inginerii aveau să descopere mai târziu că deși putea fi oprite, acest lucru nu se putea realiza simultan pentru ambele rachete și stresul indus de acest decalaj era dincolo de limitele pe care le putea suporta ansamblul aflat în zbor (navetă, rezervor extern, două rachete cu combustibil solid).

Una din propunerile inițiale era un sistem turbojet retractabil, atașat navetei care să o controleze în timpul operațiunilor de aterizare. Acest lucru nu s-a întâmplat până la urmă, naveta bazându-se doar pe aerodinamică pentru a ajunge din atmosferă pe pistă.

Sistemul de boostere atașate serial prezenta o serie de probleme în ceea ce privește stresul indus în sistem în timpul lansării, mai ales după stabilirea mărimii încărcăturii pe care trebuia să o poarte naveta pe orbită, așa că s-a optat pentru rachete atașate paralel cu vehiculul. NASA nu a îndrăznit să modifice cerințele impuse de armată, pentru că ar fi pierdut astfel sprijinul ei și probabil sprijinul Congresului, existând astfel pericolul ca SUA să rămână fără un program spațial cu echipaj uman, prin suspendarea navetei spațiale înainte de primul zbor.

Dale Myers, o persoană cheie în dezvoltarea programului navetei spațiale, are o poveste amuzantă despre originea dimensiunea rachetelor cu combustibil solid. Acestea urmau să fie livrate pe calea ferată, folosind un tren, astfel că diametrul lor era limitat de dimensiunea vagoanelor care depindea de distanța dintre șine. Sistemul de șine de cale ferată american a fost importat din Marea Britanie. Aici, dimensiunile dintre șine au fost copiate după dimensiunile dintre roțile căruțelor care au fost moștenite din Imperiul Roman. Dimensiunle acestor căruțe au fost astfel alese încât să poată fi trase de doi cai, în paralel. Astfel, conform lui Dale Myers, se poate spune că dimensiunile rachetelor cu combustibil solid pentru naveta spațială au fost alese de fundurile a doi cai.

Din păcate, inginerii nu au putut găsi soluții pentru un sistem de salvare a echipajului în cazul unei probleme. Dacă în programele anterioare, rachetele erau dotate cu un dispozitiv care permitea desprinderea rapidă în timpul lansării a capsulei ce conținea echipajul și îndepărtarea acesteia de zona periculoasă, pentru naveta spațială un astfel de sistem nu a putut fi pus la punct. Dacă ar fi existat, probabil acesta ar fi salvat viața echipajelor de pe Challanger și Columbia. Singura posibilitate pentru echipaj este ca naveta să își păstreze integritatea. Chiar și în cazul unei aterizări forțate, echipajul putea ulterior să părăsească de urgență cabina, dar asta cerea păstrarea integrității structurale a vehiculului.

În anii ’70, inginerii aveau o siguranță de sine foarte ridicată, provenită din misiunile Apollo, care, cu excepția lui Apollo 13, au fost fiecare un succes mai mare decât precedentul. Elementul uman a fost cheia acestui succes, fiind capabil să rezolve din mers unele probleme, să improvizeze și să treacă mai departe pentru obstacole tehnice minore. De exemplu, în cazul misiunii Apollo 12 care a fost lovită de un fulger în timpul lansării, echipajul a reuși să reseteze computerul de bord manual, să-l reconfigureze și să continue misiunea.

Din păcate, în acea perioadă nimeni nu a estimat corect costurile întregului program. Atât NASA cât o serie de alte organisme, inclusiv și un institut anagajat de armată pentru un studiu de fezabilitate a navetei spațiale, au ajuns la rezultate asemănătoare, subestimând câțiva factori importanți: costul de procesare după un zbor, asigurarea securității echipajului în condiții vitrege de zbor, costurile motoarelor și ale plăcuțelor ceramice. Dacă inițial motoarele erau planificiate pentru a fi folosite în 20 de zboruri, acestea au trebuit de fapt schimbate după 3 zboruri.

Costuri suplimentare au fost generate și de redundanța computerelor de la bord. Deși în aviația civilă se folosesc trei computere de bord și avionul poate decola chair și dacă unul dintre ele este defect, naveta spațială avea să aibă patru computere la bord (plus încă unul de rezervă) și nu putea decola dacă toate cele 4 nu erau în perfect acord unul cu altul.

Marele eșec al navetei spațiale au fost costurile. Estimate inițial la un nivel mult mai scăzut, vehiculul s-a dovedit a fi extrem de costisitor în timp, din mai multe motive. În primul rând, nu s-a putut ajunge la un ritm de 40-50 de lansări anual, cum era prevăzut inițial. La acest nivel, naveta începea să devină rentabilă din punct de vedere economic. Cele mai multe lansări într-un singur an au fost 26, dar majoritatea anilor conțineau doar 8-10 lansări.

În plus, se mai adaugă și inflația. Dacă în 1970 se estima un zbor la 20 de milioane de dolari, acesta devenea 45 de milioane în 1981, data primului zbor, și 101 milioane de dolari în 2005, doar datorită inflației. Acest calcul este valabil pentru un număr de 40 de zboruri pe an, o cifră la care nu s-a ajuns niciodată. Mai realistă este o estimare pentru 8 zboruri pe an care ar fi însemnat în 1970 aproximativ 60 de milioane de dolari pe zbor, 135 de milioane de dolari în 1981 și 302 milioane de dolari pentru un singur zbor, în dolarii anului 2005. În aceste condiții, bugetul inițial alocat navetei spațiale a fost cu mult depășit, prețul curent estimat pentru o misiune fiind de 400-500 milioane de dolari.

În schimb, performanțele navetei au fost remarcabile, uneori întrecând așteptările. Naveta spațială a fost în stare să facă tot ceea ce era proiectată să facă, aici nu a dat greș, ba din contră, a excelat. A pus pe orbită încărcături militare, civile, științifice pe orbite LEO sau GEO, a reparat pe orbită sateliți sau i-a dus pe Pământ, i-a adus înpoi pe orbită, a lansat module pentru ceea ce acum a devenit Stația Spațială Internațională și a realizat sute de experimente științifice în codiții imposibil de realizat pe Pământ. În anii ’80, deși numărul lansărilor era de 4% din totalul lansărilor de pe teritoriul SUA, naveta spațială a dus pe orbită 41% din masa încărcăturilor americane din jurul Pământului.

Doar două aspecte tehnice au umbrit programul spațial al navetei, O-ringurile reci care și-au pierdut flexibilitatea și au dus la pierderea navetei Challenger împreună cu echipajul de la bord și spuma izolatoare care a dislocat o plăcuță ceramică, ducând la pierderea Columbiei.

Naveta spațială nu a beneficiat de o perioadă de grație și de teste, așa cum se întâmplă în aviație. Columbia a zburat direct pe orbita Pământului de la prima misiune și în mare navetele au rămas neschimbate de la primul lor zbor, nu au beneficiat de îmbunătățiri incrementale de-a lungul timpului. Cu toate acestea, deși și-au depășit cu mult costurile planificate, performanțele sale au fost excepționale și ne-egalate până în prezent de un alt vehicul, fiind este foarte probabil ca naveta spațială să mențină acest record mulți ani de acum înainte.

(Text adaptat după cursul MIT 16.885J / ESD.35J Aircraft Systems Engineering)

Lasă un comentariu