Space Shuttle: do svemira i natrag

Ponedjeljak, 04. prosinca 2006. u 15:18 sati

Zahvaljujemo se gospodinu Draženu Jurman što nam je ljubazno dozvolio da objavimo ovaj njegov tekst. Tekst je preuzet s njegovih web stranica na adresi www.djurman.com. Ovaj je tekst objavljen i u pcchip-u.


U rujnu ove godine space shuttle je proslavio 25. rođendan. Premda prolazi najgore razdoblje do sada, u kojem se čak spominje i trajno prizemljenje flote, ove letjelice i dalje fasciniraju i one koji nisu ljubitelji svemira. Kakva je povijest shuttlea, kako teče lansiranje i slijetanje, koje su najvažnije misije i još mnogo toga saznajte u tekstu koji slijedi.


Misija STS-001 - prvo lansiranje space shuttlea Columbia, 12. travnja 1981. godine
© Image credit: NASA / Kennedy Space Center

Ovogodišnji 04. srpnja, američki Dan nezavisnosti, ljubitelji svemira su dočekali s nestrpljenjem. Tog je dana, naime, bilo planirano i na sreću uspješno izvedeno lansiranje shuttlea Discovery. Bilo je to drugo lansiranje nakon tragedije Columbije u 2003. godini i ključno za nastavak misija shuttlea, a time i izgradnje ISS-a, Međunarodne svemirske stanice. Misija STS-121 (STS je skraćenica za Space Transportation System, što je službeno ime cjelokupnog space shuttle programa) imala je tri cilja, dokazati da su sigurnosne promjene uvedene nakon tragedije Columbije djelotvorne, testirati novu opremu i postupke za hitne popravke letjelice u svemiru te dostaviti materijal za daljnju izgradnju ISS-a i namirnice za posadu. Premda se čuje sve više argumenata da je shuttle preskup i nesiguran te da je došlo vrijeme da bude zamijenjen novim tipom letjelice, Crew Exploration Vehicle, CEV, siguran povratak Discoveryja na Zemlju nakon 13 dana misije ipak je najavio bolje dane za shuttle. Prođe li sve po planu, u vrijeme kada budete čitali ovaj tekst, shuttle Atlantis biti će na novoj, STS-115 misiji, na koju bi trebao krenuti između 27. kolovoza i 13. rujna.


Space shuttle Discovery na lansirnoj rampi 39B misije STS-121,
04. srpnja 2006. godine.
© Image credit: NASA / Kennedy Space Center

Povijest shuttlea

Važnost misije STS-115 je dvostruka. S jedne strane trebala bi biti konačna potvrda da se misije shuttle nastavljaju, dok će s druge strane obilježiti 25. rođendan ove letjelice. U dugoj povijesti shuttle je imao uspona i padova, misije su obilježene nizom povijesnih događaja (izgradnja stanice, susret s Rusima u svemiru, postavljanje Hubblea i tako dalje) ali i tragedija, poput katastrofe Challengera (STS-71, 1986.) i Columbije (STS-107, 2003. godine), u kojima je poginulo 14 astronauta, uključujući i učiteljicu Christu McAuliffe, koja je izabrana kao prva učiteljica u svemiru, u cilju populariziranja svemirskog programa u Americi.

Ideja za izgradnju space shuttlea, svemirske letjelice koja se može koristiti više puta, datira iz šezdesetih godina prošlog stoljeća, a prvi planovi i dizajn shuttlea (Faza A, Phase A) napravljeni su 1968. godine, da bi dvije godine kasnije bio predstavljen i konkretniji plan, koji je uključivao dizajn i specifikacije letjelice (Faza B, Phase B). Negdje u isto vrijeme je tadašnji američki predsjednik Nixon osnovao posebnu komisiju čiji je zadatak bio proučiti planove Faze A i B te izraditi Strategiju izgradnje shuttlea. Prvih nekoliko godina obilježeni su žestokim prepirkama oko izgleda i samog načina funkcioniranja shuttlea, da bi na kraju NASA odlučila da će shuttle izraditi tako da se orbiter ili letjelica može koristiti više puta, ali da će za svako lansiranje biti potrebne posebne pogonske rakete i vanjski tank za gorivo (solid rocket boosters i external tank). Naime, većina ljudi pod pojmom space shuttle podrazumijeva letjelicu u kojoj posada i teret odlaze u svemir. Ta se letjelica zapravo zove Orbiter, a zajedno sa raketama i vanjskim tankom za gorivo čini space shuttle. Ipak, kako i NASA-ini stručnjaci sam orbiter (pre)često zovu shuttle, isti ćemo naziv koristiti i mi u ovom tekstu. Službeni početak izrade shuttle bio je 5. siječnja 1972, a zadatak je povjeren tvrtki koja je već uspješno izradila modul Apollo, Rockwell International (tada North American Aviation).

Enterprise

Prvi shuttle, odnosno orbiter, službeno je predstavljen prije točno 30 godina, 17. rujna 1976. godine. Označen kao OV-101 (Orbital Vehicle), trebao je nositi ime Constitution. Međutim, nakon nevjerojatne kampanje koju su pokrenuli fanovi serije Star Trek, letjelica je preimenovana u "prirodno", odgovarajuće ime Enterprise. Ipak, Enterprise nikada nije poletio u svemir. Letjelica je testirana samo u suborbitalnim visinama, s ciljem ispitivanja jednog od ključnih dijelova misija, slijetanja, koje ćemo kasnije detaljnije objasniti.

Prvi "pravi" shuttle bila je Columbia, čije se prvi povijesni let dogodio, simbolično, 12. travnja 1981. godine. Naime, tog istog datuma, samo 20 godina ranije, Yuri Gagarin je bio prvi čovjek koji je poletio u svemir. Misija STS-01 bila je jednostavna i kratka – sretno poletjeti, doći u orbitu i sretno sletjeti, a dva astronauta provela su u svemiru dva dana. Misija STS-02 potvrdila je uspjeh prve i dokazala da shuttle može uspješno uzletjeti, obaviti svoju misiju u orbiti i sretno se vratiti na Zemlju. Nakon toga u flotu su ušla još tri orbitera, Challenger, Discovery i Atlantis. Endeavour je u flotu ušao 1991. godine, kao zamjena za uništeni Challenger.

Komponente shuttlea


Cijeli se space shuttle sastoji od tri glavne komponente

Kako smo već spomenuli, sam space shuttle čine tri komponente – orbiter (Orbiter Vehicle, OV), pogonske rakete (Solid Rocket Boosters, SRB) i vanjski spremnik za gorivo (External Tank, ET). Glavni razlozi zašto je usvojen "trojni" koncept shuttle je praktičnost i cijena. Naime, da bi orbiter otišao u svemir i otrgnuo se od Zemljine gravitacije, potreban je izuzetno jak potisak koji zahtjeva puno goriva. Kada bi takav sustav motora (raketa) i količina goriva bila u letjelici, ona bi bila desetak puta veća i teža nego što je sam orbiter. Međutim, tako velika i teška letjelica zahtijevala bi još više potiska da uđe u orbitu i tako u nedogled.

Problem je riješen upravo konstrukcijom tri komponente, a kako bi cijeli sustav bio što ekonomičniji, dvije komponente se višestruko koriste. Naime, kada se nakon lansiranja pogonske rakete odvoje, na njima se aktivira sustav padobrana koji ih spušta u more. Nakon otprilike pet minuta od odvajanja, pogonske rakete su u moru, a zrak koji je uhvaćen u (prazan) spremnik goriva raketa prilikom pada ih drži na površini poput bove. Pogonske rakete kupe dva posebno opremljena broda, Freedom Star i Liberty Star, te ih vraćaju u Kennedy Space Center, gdje se, nakon čišćenja i eventualnih popravaka, spremaju za ponovo korištenje. Snaga pogonskih raketa, SRB, čini više od 80 posto potiska koji diže shuttle prema svemiru, a odvajaju se nakon otprilike dvije minute, na visini od oko 45 kilometara.


Vanjski spremnik za gorivo puno je kompleksniji no što se to na prvi pogled čini...

Vanjski spremnik za gorivo, ET, najveći je i najteži dio shuttlea, u kojem je smješteno pogonsko gorivo za tri motora na samom orbiteru (SSME, Space Shuttle Main Engines). Sastoji se od tri dijela, manjeg tanka za tekući kisik na vrhu te velikog tanka (čak dvije trećine ET-a) za tekući vodik, između kojih je poseban dio s elektroničkim komponentama. Vanjski tank za gorivo ne može se ponovo koristiti, jer se odvaja pri kraju leta shuttle u orbitu, te se pri padu raspada.


Tri glavna motora shuttlea Discovery snimljena iz Međunarodne svemirske postaje 28. srpnja 2005. godine.
© Image credit: NASA / Johnson Space Center

Orbiter

Orbiter je najvažniji dio space shuttlea, u kome astronauti borave i rade dok su u svemiru i u kome se prenosi teret. Najveći dio, polovica orbitera upravo je veliko skladište (Cargo Bay, dimenzija 18x5 metara), čija se vrata otvaraju kada je letjelica pozicionirana u orbiti, kako bi se hladila.


Teretni prostor space shuttlea - Cargo Bay. © Image credit: NASA

Stražnju četvrtinu orbitera zauzimaju motori (SSME), dok je prednja četvrtina zapravo prostor u kome posada boravi i radi. Ona se sastoji od tri dijela. Na mostu ili pilotskoj palubi (flight decka) su u letu smješteni kapetan i pilot te dva člana posade, tzv. mission specialists.


Flight deck, radno mjesto posade koja upravlja shuttleom
© Image credit: NASA

Drugi dio, srednja paluba ili mid-deck, gdje u letu sjede ostali članovi posade (obično tri), ali i gdje su smještene prostorije za boravak i spavanje te zračna komora (airlock), preko koje astronauti mogu izaći iz orbitera na svemirsku šetnju. Treći dio sastoji se od manjih skladišta, laboratorija i prostora u kome astronauti izvode znanstvene pokuse u svemiru.


Dio mid-decka shuttlea Discovery za boravak astronauta, na slici su zapovjednica Eileen Collins i Mission
Specialist Charles Camarda u misiji STS-114, lansiranoj 26. srpnja 2005 godine.
© Image credit: NASA


Dio Flight-decka s (lijevo) upravljačkom pločom za robotsku ruku Canadarm, shuttlea Endeavour u misiji
STS-100 lansiranog 19. travnja 2001. godine. Na slici je Kanadski astronaut Chris A. Hadfield
© Image credit: NASA


Astronauti u zračnoj komori - Airlock, shuttlea Discovery  misije STS-114, lansiranoj 26. srpnja 2005 godine.
Lijevo je američki astronaut Steve Robinson, a desno japanski astronaut Soichi Noguchi.
© Image credit: NASA  

Uz motore, skladište i prostor za posadu, još su četiri vrlo važna dijela odnosno sustava na orbiteru. Prvi od njih je robotska ruka u skladištu, koja do katastrofe Columbie nije bila sastavni dio orbitera, već je ugrađivana po potrebi. U posljednje dvije misije Discoveryja robotska ruka je ključni dio novog sustava inspekcije termalnog štita (nosi kameru koja provjerava stanje štita, te po potrebi prenosi astronauta do mjesta na kome treba izvršiti popravke istog), pa će na dalje biti sastavni dio svake misije.


Robotska ruka Canadarm, daljinski manipulator, postao je astronautima
nezamjenjivi alat. Na slici je japanski astronaut Takao Doi iznad kojega se
vidi robotska ruka shuttlea Columbia, u misiji STS-087, 03. prosinca 1997. godine,
prilikom poslova oko sastavljanja Međunarodne svemirske postaje.
© Image credit: NASA 

Spominjani toplinski štit, thermal protection system ili TPS, drugi je ključni dio orbitera, čiji je zadatak spriječiti da ekstremne temperature pri lansiranju i slijetanju te za vrijeme boravka u svemiru, od minus 121 stupnja do plus 1650 stupnjeva Celzija, ugroze shuttle. Premda većina pri spomenu toplinskog štita odmah pomisli na crne pločice na dnu orbitera, zapravo je cijela letjelica zaštićena TPS sustavom, kojeg čini čak sedam različitih materijala.

Ostala dva ključna sustava su pogonska – sustav za manevriranje u orbiti (Orbital Maneuvering System, OMS), koji služi za pozicioniranje i premještanje shuttlea u orbiti, te Reaction Control System (RCS), sustav malih potisnika smještenih duž orbitera, koji služe za precizne manevre poput, na primjer, pristajanja na Međunarodnu svemirsku stanicu.


Prednji manevarski motori shuttlea Discovery, snimljeni 03. kolovoza 2005. godine u misiji STS-114.
© Image credit: NASA 

We are go for launch!

Da bi space shuttle uspješno obavio svoju misiju, dva su najrizičnija događaja lansiranje i slijetanje. Svako lansiranje obavlja se iz Kennedy Space Center, a nakon svih priprema orbitera i posade, službeno počinje u T-43 sati (T-43 hours and counting), kada se i aktivira čuveni sat na uzletištu. Međutim, T-43 sati ne znači da će shuttle zaista uzletjeti za 43 sati. Naime, vrijeme do lansiranja ne odbrojava se kontinuirano, već unutar ta 43 sata postoje nekoliko planiranih zaustavljanja odbrojavanja (T-xx hours/minutes and holding), koji traju od deset minuta pa do čak 12 ili 13 sati, ovisno o fazi pripreme za lansiranje. Prvi takav je na T-27 sati a zadnji na T-9 minuta, koji nema svoje točno određeno trajanje, ali ako se pripreme za lansiranje događaju po planu obično traje oko 45 minuta.


Poznati sat na uzletištu pokazuje u kojoj je fazi odbrojavanje

Kada se odbrojavanje ponovo pokrene, T-9 minuta and counting, lansiranje ulazi u zadnju fazu, u kojoj se shuttle "osamostaljuje", pa se povlači rampa kojom posada ulazi u orbiter, uključuje se pomoćni sustav napajanja letjelice, aktiviraju se sustavi koji će upaliti pogonske rakete, s vanjskog spremnika za gorivo se uklanja cijev za ventiliranje para koja sprječava nastanak leda u spremniku, letjelica u potpunosti počinje koristiti vlastitu energiju za napajanje, a lansiranje ulazi u automatsku fazu koju obavlja računalo (auto sequence start, T-31 sekunda). Na T-16 sekundi se aktivira sound suppression system, sustav koji sprječava da buka vibracije od buke i plamena raketa oštete shuttle. To se radi na način da se lansirna platforma zalije sa skoro milijun litara vode! T-6.6 sekundi pale se glavni motori na orbiteru, a na T-0 sekundi aktiviraju se i pogonske rakete koje shutlle dižu prema svemiru. Nakon 20 sekundi (t+20 sekundi) od lansiranja shuttle se okreće za 180 stupnjeva, pri čemu je orbiter okrenut prema zemlji. Nakon dvije minute od lansiranja pogonske rakete se odvajaju, na T+8,5 minuta glavni motori se gase dok se na T+9 minuta vanjski tank odvaja. Deset minuta nakon lansiranja shuttle je u niskoj orbiti, da bi se nakon 45 minuta, pomoću OMS sustava usmjerio u višu orbitu, na visini od 400 kilometara iznad površine Zemlje.


Glavni spremnik goriva za shuttle Discovery, neposredno nakon odbacivanja, u misiji STS-114,
26. srpnja 2005. godine. © Image credit: NASA 

Povratak na Zemlju

Nakon obavljenog posla u svemiru, posljednji korak u misiji je slijetanje. Ovaj je postupak puno rizičniji od lansiranja, s obzirom na to da je orbiter izložen ekstremnim temperaturama pri ulasku u atmosferu (oko 1650 stupnjeva maksimalna temperatura), a pri samom slijetanju ne koristi motore, već leti kao glider, jedrilica, dok delta krila omogućavaju manevriranje u letu. Prvi korak pri slijetanju je zatvaranje teretnog prostora i naopako pozicioniranje letjelice (kokpit gleda prema Zemlji).


Serijom manevara shuttle Discovery se mora okrenuti u položaj za ulazak u Zemljinu atmosferu.
Na slici je Discovery u misiji STS-114, snimljen 03. kolovoza 2005. godine. © Image credit: NASA 


Teretni prostor shuttlea Atlantis koji je otvoren radi boljeg hlađenja, mora se zatvoriti prije ulaska u atmosferu.
© Image credit: NASA 

Sljedeći korak je aktiviranje RCS potisnika, koji orbiter okreću za 180 stupnjeva vodoravno, tako da su motori sada u smjeru u kojem se letjelica kreće. Motori se tada aktiviraju, kako bi se orbiter usporio. Kako se orbiter usporava, tako počinje "propadati" prema Zemlji, a kada se približi gornjem sloju atmosfere, posada ponovo aktivira RCS potisnike, koji sada letjelicu okreću za 140 stupnjeva vertikalno, tako da je donji dio letjelice (crne termalne pločice) okrenut prema Zemlji. Orbiter pod kutom od 40 stupnjeva u odnosu na atmosferu ulazi u nju. Taj je dio slijetanja najkritičniji, jer je upravo tada letjelica izložena ekstremnim temperaturama, od kojih je štiti toplinski štit, a čije je oštećenje na krilu Columbie dovelo je do katastrofe. Krećući se kroz atmosferu shuttle izvodi seriju S manevara, odnosno naglo vijuga kako bi dodatno usporio. Priliko slijetanja nos orbitera je dignut, kako bi letjelica usporavala, a u trenutku kada stajni trap dodirne pistu, aktivira se kočni sustav i izbacuje se padobran iz spremišta na repu, što u konačnici i zaustavlja shuttle.


Misija STS-121 na Međunarodnoj svemirskoj postaji bila je završena 17. srpnja 2006. godine kada se
shuttle Atlantis spustio u Svemirski centar Kennedy na Floridi. © Photo credit: NASA / Kim Shiflett

Od trenutka kada orbiter stoji (full stop), proći će još 20 do 30 minuta u kojima se letjelica hladi, a posada isključuje sustave (power down, system shut down), da bi misija službeno završila otvaranjem vrata sa strane letjelice, kroz koja posada izlazi.

U susret STS-115

U većini slučajeva shuttle slijeće na isto mjesto s kojeg je lansiran, Kennedy Space Center. Međutim, ukoliko vremenske prilike to ne dozvoljavaju, postoji još nekoliko alternativnih lokacija za slijetanja. Shuttle se tada vraća u Kennedy Space Center na leđima jednog od dva posebno prilagođena aviona Boeing 747.


Nakon povratka iz svemira Shuttle Atlantis putuje na leđima modificiranoga Boeinga 747 natrag u NASA-in 
svemirski centar Kennedy, u rujnu 1998. godine. © Image Credit: Carla Thomas, NASA

Cijela procedura lansiranja i slijetanja, kao i boravka shuttle u svemiru je, naravno, puno složenija. No, kako izgleda da će se misije shuttle nastaviti, pokušali smo ukratko opisati sve ključne komponente i događaje unutar jedne misije, kako bi stekli bar okvirnu predodžbu o tome.
No, kakva je točno budućnost shuttlea, teško je reći. Sigurno je da će opet puno toga ovisiti o misiji STS-115, na koju bi Atlantis trebao poletjeti u rujnu. Prođe li ta misija bez problema, budućnost programa je svjetlija. U suprotnom, moglo bi se dogoditi da flota bude trajno prizemljena, što bi bio opasan udarac ne samo američkom egu i svemirskom programu, već i istraživanju svemira u cjelini, a da ne govorimo što bi to značilo za nedovršenu Međunarodnu svemirsku stanicu, koja doslovno ovisi o shuttleu. Ruski Soyuz može dopremiti namirnice i posadu, ali ne i materijal za gradnju stanice.

NASA ima još tri shuttlea, Discovery, Endeavor i Atlantis, a predviđeno je da svaki izdrži 100 letova. No, kako je do sada, ako uključimo i izgubljene letjelice, odrađeno ukupno tek 115 misija, postaje jasno da će shuttleovi maksimalno odraditi 50-ak misija, ako i toliko. Planovi za izgradnju nasljednika su već počeli, ali teško je očekivati da će nova letjelica krenuti u svemir u idućih 10-ak godina. Stoga se svi ljubitelji svemira nadaju da će STS-115 proći bez problema, te da će označiti povratak shuttlea u svemir.

IZDVOJENO: Flota shuttleova

Prvi shuttle koji je poletio u svemir bio je Columbia (OV-102), 12. travnja 1981. godine. Challenger (OV-099) imao je drukčiji put od prethodnika. Ova letjelica nije bila predviđena za let u svemir, već je nastala prije Columbie. Ipak, umjesto da grade potpuno novi shuttle, NASA je odlučila preurediti Challenger tako da može letjeti u svemir, a 4. travnja 1983. godine Challenger je u misiji STS-6 prvi put poletio u svemir. Iste je godine NASA dobila i treći orbiter, Discovery (OV-103), koji je prvi put lansiran krajem 1984. godine.


Shuttle Discovery na lansirnoj rampi misije STS-121, 04. srpnja 2006. godine
u T-6 sati (T minus 6). © Image credit: NASA / Kennedy Space Center

Godinu dana kasnije u Kennedy Space Center doveden je Atlantis (OV-104), čiji je prvi let zapravo početak serije misija koje je NASA radila u suradnji s američkom vojskom i Ministarstvom obrane, pretežno postavljajući razne komunikacijske i špijunske satelite i tko zna što sve ne. Time je NASA zaključila flotu od četiri orbitera. Međutim, nakon tragedije Challengera, američki je Kongres odobrio NASA-i izgradnju petog orbitera, pa je 1991. godine isporučen  Endeavour (OV-105), čime je flota opet zaokružena na četiri. Ipak, nakon tragedije Columbie nema naznaka da će NASA graditi novi orbiter, kao zamjenu.

IZDVOJENO: Najznačajnije misije

Povijest STS misija puna je velikih događaja, koje su na žalost zasjenile dvije teške tragedije katastrofe Challengera (STS-71, 1986.) i Columbije (STS-107, 2003. godine), u kojima je poginulo 14 astronauta. No, mi smo izdvojili neke koje su posebne po svojim uspjesima, poput Columbijine TS-40, prva misija koja je bila isključivo usmjerena na medicinska istraživanja u svemiru.


Ovako izgleda noćno lansiranje space shuttlea Endeavour, 02. ožujka 1995. godine u misiji STS-67 
© Image credit: NASA / Kennedy Space Center

Challenger je svoje najpoznatije misije dugovao ženama, jer je na STS-7  u svemir letjela prva američka astronautkinja, dok su na misiji STS 41-G u posadi bile dvije žene. Izdvajamo i STS-6, prvu misiju shuttlea koja je uključivala i svemirsku šetnju. I Discovery je imao nekoliko povijesnih misija, poput predzadnje, STS-114, prve misije u kojoj je shuttle popravljan u svemiru. Discovery je u svemir odveo i teleskop Hubble u sklopu misije STS-31 in April 1990, dok je deset misija kasnije, na STS-41 lansirao i Odiseja, svemirsku letjelicu namijenjenu ispitivanju sunčevih polova. Discovery je bio i prvi shuttle koji je lansiran nakon tragedija Challengera i Columbie. Atlantis je odradio najviše vojnih misija, a od onih civilnih izdvajamo lansiranje sonde Galileo.

Osim navedenih, shuttle je izveo i niz misija popravaka satelita, gradnje Međunarodne svemirske stanice, stotine eksperimenata utvrđivanja efekata bestežinskog stanja na živa bića i materijale, mapirao preko 80 posto Zemljine kopnene mase, fotografirao preko pola milijuna fotografija Zemlje iz svemira i tako dalje.

IZDVOJENO: Shuttle vs. raketoplan

Pratite li "svemirske vijesti" intenzivnije, vjerojatno ste primijetili da se u domaćim medijima shuttle često naziva raketoplan. Zašto, pojma nemam! To je neka potpuno nelogična tvorevina i toplo preporučujem da je izbjegavate! Shuttle je shuttle, koliko god ga neki htjeli reimenovati u nešto drugo.


 O ovoj zanimljivoj temi, kao i o mnoštvu drugih, ne manje zanimljivih i privlačnih tema, možete raspravljati i čitati na AstroForumu. Pridružite nam se!