Propulsia navetei spațiale (1)

Voi extinde în continuare articolul dedicat propulsiei navetei spațiale, publicat nu cu mult timp în urmă, detaliind câteva aspecte legate de motoarele principale ale navetei.

Sistemul principal de propulsie (Main Propulsion System – MPS) asigură forța necesară decolării până (aproape de) inserția orbitală (plasarea navetei pe o orbită stabilă în jurul Pământului), moment în care motoarele principale sunt oprite definitiv (eveniemnt denumit MECO – Main Engine Cut-Off), la aproximativ 5 minute după lansare. Pentru succesul lansării, cea mai mare contribuție (80%) o au cele două rachete (boostere) plasate lateral, care funcționează cu combustibil solid, motiv pentru care sunt denumite SRB (solid rocket boosters). După aproximativ două minute de la aprindere, SRB-urile se consumă și se desprind automat, căzând în ocean, de unde sunt recuperate și folosite ulterior, la alte misiuni. Puterea SRB-urilor este fixă, nu poate fi modificată şi o dată pornire, acestea nu mai pot fi oprite decât la terminarea combstibilului. După desprinderea SRB-urilor, naveta se folosește doar de motoarele proprii (în număr de trei, denumite SSME – Space Shuttle Main Engines) pentru a continua drumul spre orbită, motoare alimentate de combustibil lichid din rezervorul principal (External Tank, ET). Acestea pot fi ajutate de către un alt set de motoare, denumite OMS (Orbital Maneuvring System), folosite în principal pentru manevre orbitale, ajustarea orbitei și reintrarea în atmosferă la finalul misiunii, despre care vom detalia mai mult data viitoare.

În timpul lansării, motoarele principale sunt aprinse cu 5 secunde înainte de părăsirea rampei, adică înante de pornirea SRB-urilor. Puterea acestora nu este suficientă pentru a ridica naveta, care rămâne fixată pe rampa de lansare până la pornirea rachetelor SRB suplimentare. Abia atunci ansamblul format din naveta, rezervor exter şi SRB-uri se ridică de la sol.

Când combustibilul lichid se termină, rezervorul extern se desprinde de navetă, cade în ocean și nu mai este recuperat. Dacă parametrii orbitali nu au fost încă atinși, se folsește OMS. La reintrarea în atmosferă, conductele folosite pentru curgerea combustibilului din ET spre motoare sunt purjate și apoi presurizate cu heliu, pentru a împiedica pătrunderea contaminanților în aceste zone.

Naveta spațială are trei motoare principale care folosesc hidrogen lichid pe post de combustibil și oxigen lichid pe post de oxidant. Hidrogenul este folosit și ca agent de răcire. Puterea motoarelor poate fi reglată între 67% – 106%, cu pași de 1%, 100% reprezentând puterea nominală de funcționare. Acestea pot fi deplasate în jurul axei centrale cu până la 10 grade, făcând astfel posibilă schimbarea direcției navetei în timpul zborului. Inițial, combustibilul este parțial ars la presiune ridicată și temperaturi joase într-o antecameră după care este ars complet la presiuni și temperaturi înalte în camera principală de combustie. Rezervorul extern este încărcat cu combustibil înainte de lansare, din două rezervoare aflate în vecinătatea rampei. La câteva secunde după lansare (aproximativ 20), motoarele sunt aduse într-un regim de funcţionare de sub 100%, pentru a minimiza presiunea undelor de şoc asupra fuselajului, formate când naveta trece într-un regim supersonic al vitezei (Max-q, maximum dynamic pressure). După acest moment (aproximativ 1 minut), motoarele sunt din nou împinse la capacitate maximă, pentru a asigura viteza necesară ajungerii pe orbită.

Sistemul de propulsie este în strânsă legătură cu sistemul electric sau computerul de bord. Valvele motorului sunt acționate de sistemul hidraulic iar computerul de bord dă comanda unor dispozitive pirotehnice să separe prin mici explozii controlate cele două SRB-uri și rezervorul extern. Software-ul pentru zbor este încărcat pe patru computere redundante, un al cincilea computer fiind folosit pentru backup, care la nevoie este pornit manual. Software-ul este împărțit în secțiuni, fiecare secțiune (OPS) e corespunzând unei etape a misiunii, după cum urmează: OPS 1 – decolare, OPS 2 – orbitare, OPS 3 – reintrare în atmosferă, aterizare, OPS 6 –  aterizare de urgență.

Începând cu pornirea motoarelor, până la oprirea lor, toţi paşii sunt automatizaţi şi deciziile sunt luate de calculatorul de bord. Practic, echipajul atinge panoul de bord după MECO sau eventual după operaţiunile OMS suplimentare, o dată ce naveta se află pe orbită stabilă. În 1994, în timpul lansării navetei Endeavour în cadrul misiunii STS-68, după pornirea motoarelor principale, computerul de bord a ordonat oprirea acestora înainte de pornirea SRB-urilor, datorită unei defecţtiuni a unei pompe din cadrul rezervorului extern. Decizia calcualtorului a evitat practic o catastrofă, deoarece o întârziere de câteva secunde ar fi putut fi fatală echipajului.

În episodul următor vom detalia funcţionarea OMS, pentru a înţelege mai bine manevrele orbitale şi revenirea pe pista de aterizare a unei navete spaţiale.

Naveta spaţială (II): Propulsia

Naveta spaţială este un vehicul reutilizabil care permite transportarea de echipaj uman şi echipamente ştiinţifice pe orbita Pământului la costuri reduse comparativ cu lansările de rachete clasice. Datorită acestui lucru, propulsia navetei spaţială este diferită de cea a unei rachete.

Pentru lansare, care este verticală, se folosesc două tipuri de rachete total diferite. Motorele principale ale navetei, în număr de trei, sunt alimentate cu combustibil lichid (hidrogen), dintr-un rezervor exterior (External Tank – ET, cel de culoare portocalie din imagine de mai jos. Deşi consumă aproape 4000 de litrii de hidrogen pe secundă, aceste moatoare nu sunt suficiente pentru a plasa pe orbită naveta spaţială, astfel că acestea sunt ajutate de două rachete ataşate rezervorului extern şi denumite SRB (solid rocket boosters, rachete cu combustibil solid). Acestea, spre deosebire de motoarele principale, nu au o putere reglabilă şi nici nu pot fi oprite, o dată pornite, dar ele asigură peste 80% din puterea necesară pentru lansare. După consumare întregii cantităţi de combustibil, cele două rachete se desprind de ansamblul navetă – rezervor extern şi cad în apele oceanului Atlantic, de unde sunt recuperate şi refolosite pentru alte lansări. Naveta, în ultima sa parte din drumul spre orbită este propulsată de motoarele sale principale. Când combustibil din rezervorul extern este şi el epuizat, acesta se desprinde şi el iar din acest moment naveta spaţială nu mai poate să îşi folosească motoarele principale.

Ajunsă pe orbită, naveta nu poate fi lăsată fără un mijloc de propulsie. Pentru manevre orbitale fine, apropiere de ISS sau alte obiective, se foloseşte sistemul de reacţie şi control, RCS – Reaction Control System. Prin nişte duze, plasate pe botul şi în spatele navetei (care fiind pe orbită se află în condiţii de microgravitaţie), este evacuat cu putere un gaz, care astfel poate deplasa sau roti naveta în direcţia dorită. Acest mijloc de propulsie nu este unul foarte puternic, dar extrem de eficient în vid şi în condiţii de gravitaţie scăzută, fiind folosit încă din primele misiuni spaţiale cu echipaj uman. Gurile acestor duze uneori apar ca nişte găuri în fuselaj, datorită faptului că unghiul lor este unul ascuţit, astfel evitându-se perforarea burţii navetei, care ar fi compromis eficacitatea scutului termic, vital pentru reintrarea în atmosferă.

RCS nu este însă suficient de puternic pentru alterarea orbitei şi nici pentru pregătirile pentru aterizare, când navetă spaţială trebuie şă îşi altereze drastic traiectoria, manevră pentru care este nevoie de un impuls substanţial. Dar cum motoarele principale nu pot fi folosite, din princina lipsei de combustibil, s-a găsit o altă variantă: OMS (Orbital Maneuvering System) care constă din două rachete plasate în spatele navetei, alimentate cu combustibil lichid aflat în compartimente speciale la bordul navetei, în spatele acestor motoare. Acestea au o putere mult mai mică decât motoarele principale, fiind mai aproapiate de RCS, dar sunt suficiente pentru unele corecţii ale orbitei sau pentru deceleraţia finală, care marcheză reintrarea navetei în atmosferă şi revenirea pe Pământ.

Folosind aceste trei mijloace de propulsie, naveta poate fi ridicată pe orbită, aici poate efectua manevre complexe de corecţie a orbiei, rendez-vous cu Hubble sau alte obiecte (sateliţi), andocări cu MIR sau ISS, iar la final ea va ateriza pe o pistă asemeni avioanelor, după un picaj controlat de pe orbită, prin atmosfera Pământului, ceea ce face din naveta spaţială unul din cele mai complexe, versate şi utile aparate de zbor create până în prezent.

Naveta spațială (I): Flota

Naveta spațială a fost concepută pentru a fi un vehicul reutilizabil care să permită Statelor Unite accesul la spațiul cosmic din vecinătatea Pământului. Nu a fost concepută și nu poate efectua călătorii până la Lună sau Marte, dar în acest moment este singura modalitate de a ridica pe orbită peste 24 de tone de materiale, motiv pentru care navetele au fost folosite intens pentru construcția Stației Spațiale Internaționale. În plus, exceptând rezervorul extern cu combustibil lichid, naveta spațială este un vehicul reutilizabil, spre deosebire de rachetele anterioare, lucru ce reduce enorm costurile de operare. Ea decolează într-un mod asemănător rachetelor, dar la reintrarea în atmosferă se comportă ca un avion și aterizează ca atare. Un echipaj de minim 2 astronauți este necesar pentru operarea navetei, echipajele uzuale variind de la 3 până la maximum 5 membrii ai echipajului.

Enterprise (OV-101) a fost prima navetă spațială construită, dar această nu a zburat niciodată în spațiu. A zburat doar în atmosfera terestră, în 1977, pentru teste și la final multe din componente au fost folosite pentru contrucția celorlalte navete. În prezent, Enterprise este expusă la muzeul Smithsonian. Numele i-a fost dat la presiunea fanilor Star Trek.

Columbia (OV-102) a avut prima lansare în data de 12 aprilie 1981 (misiunea STS-1), efectuând 28 de zboruri cosmice până la misiunea STS-107, când, la reintrarea în amtosferă s-a dezintegrat datorită unor probleme cu scutul termic. A efectuat zboruri spre ISS, Hubble, a plasat sateliți și telescoape diverse pe orbită. După tragicul eveniment, o navă din serialul Star Trek: Enterprise i-a purtat numele, NX-02 Columbia.

Challenger (OV-099) a fost a treia navetă construită și a doua care avea să ajungă pe orbită. După zece misiuni, Challenger avea să explodeze la 73 de secunde după o lansare, în data de 28 ianuarie 1986. În cadrul misiunii STS-41B a fost efectuat prima activitate extravehiculară (EVA) fără ca astronautul să fie legat fizic de navă, Bruce McCandless folosind o unitate MMU pentru deplasare.

Discovery (OV-103) a zburat pentru prima dată în cadrul misiunii STS-41D, 30 august 1984. În cadrul STS-31, Doscovery punea pe orbită telescopul spațial Hubble și în 1998 avea să îl aibă ca membru al echipajului pe John Glenn, care a devenit cel mai în vârstă astronaut din istorie (77 de ani). Discovery va fi reatrasă din uz în acest an. În prezent, a totalizat 37 de misiuni.

Atlantis (OV-104) are la activ 31 de misiuni, prima fiind în data de 3 octombrie 1985. Atlantis a fost prima naveta care a andocat cu fosta stație spațială MIR, în 1995 și a fost ultima navetă care a vizitat telescopul spațial Hubble, cu ocazia ultimului service al acestuia.

Endeavour (OV-105) a fost construită pentru a înlocui naveta Challenger, din piesele de de rezervă ale acesteia și ale restului flotei. După pierderea lui Challenger, s-a pus în discuție utilizare lui Enterprise, însă în locul pregătirii acesteia pentru zbor, s-a preferat un vehicul nou. Endeavour a zburat în spațiu prima dată în mai 1987, efectuând 24 de misiuni până în prezent. Endeavour este astfel cea mai nouă navetă, ea benefiind de unele upgrade-uri hardware față de restul flotei.

Deși la exterior navetele seamănă foarte mult între ele, componentele acestora sunt sensibil diferite. Spre exemplu, Endeavour se poate alimenta cu energie electrică de la ISS, ceea ce îi permite să rămână andocată cu aceasta o perioadă mai lungă. Dacă inițial navetele efectuau zboruri pentru plasare pe orbită a diverșilor sateliți de telecomunicații, după incidentul navetei Challenger, acest tip de misiuni au fost considerate prea riscante și s-a renunțat la ele. În schimb, întreaga flotă s-a concentrat pe construirea Stației Spațiale Internaționale, aducerea de provizii și rotiri ale echipajului.

În prezent, doar trei navete sunt în uz (Discovery, Atlantis și Endeavour) ele urmând să fie retrase din uz la finele acestui an. Însă deoarece acest lucru ar însemna ca astronauții americani să apeleze la Agenția Spațială Rusă pentru a ajunge pe orbită (și implicit ISS), se discută dacă misiunile navetei spațiale nu pot continua și în perioada următoare.

Foto: NASA Images.