Transbordador espacial
El Transbordador espacial es un sistema de nave espacial en órbita terrestre baja retirado y parcialmente reutilizable operado desde 1981 hasta 2011 por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) de EE. UU. como parte del programa Transbordador espacial. El nombre oficial de su programa era Sistema de Transporte Espacial (STS), tomado de un plan de 1969 para un sistema de naves espaciales reutilizables donde era el único elemento financiado para el desarrollo. El primero (STS-1) de cuatro vuelos de prueba orbitales tuvo lugar en 1981, lo que dio lugar a vuelos operativos (STS-5) a partir de 1982. Se construyeron y volaron cinco vehículos orbitales transbordadores espaciales completos en un total de 135 misiones entre 1981 y 2011. Se lanzaron desde el Centro Espacial Kennedy (KSC) en Florida. Las misiones operativas lanzaron numerosos satélites, sondas interplanetarias y el Telescopio Espacial Hubble (HST), realizaron experimentos científicos en órbita, participaron en el programa Shuttle-Mir con Rusia y participaron en la construcción y mantenimiento de la Estación Espacial Internacional (ISS). El tiempo total de la misión de la flota del transbordador espacial fue de 1323 días.
Los componentes del transbordador espacial incluyen el vehículo orbital (OV) con tres motores principales Rocketdyne RS-25 agrupados, un par de propulsores de cohetes sólidos recuperables (SRB) y el tanque externo desechable (ET) que contiene hidrógeno líquido y oxígeno líquido. El transbordador espacial se lanzó verticalmente, como un cohete convencional, con los dos SRB operando en paralelo con los tres motores principales del orbitador, que fueron alimentados desde el ET. Los SRB se desecharon antes de que el vehículo alcanzara la órbita, mientras que los motores principales continuaron funcionando, y el ET se desechó después del corte del motor principal y justo antes de la inserción en órbita, que utilizó los dos motores del Sistema de maniobra orbital (OMS) del orbitador. Al finalizar la misión, el orbitador disparó su OMS para salir de órbita y volver a entrar en la atmósfera. El orbitador estaba protegido durante el reingreso por las placas de su sistema de protección térmica y se deslizaba como un avión espacial hasta una pista de aterrizaje, generalmente hasta la instalación de aterrizaje del transbordador en KSC, Florida, o hasta Rogers Dry Lake en la base de la Fuerza Aérea Edwards, California. Si el aterrizaje se produjo en Edwards, el orbitador voló de regreso al KSC sobre el Shuttle Carrier Aircraft (SCA), un Boeing 747 especialmente modificado.
El primer orbitador, Enterprise, se construyó en 1976 y se usó en las pruebas de aproximación y aterrizaje (ALT), pero no tenía capacidad orbital. Inicialmente se construyeron cuatro orbitadores totalmente operativos: Columbia, Challenger, Discovery y Atlantis. De estos, dos se perdieron en accidentes de misión: Challenger en 1986 y Columbia en 2003, con un total de 14 astronautas muertos. En 1991 se construyó un quinto orbitador operativo (y sexto en total), Endeavour, para reemplazar al Challenger. Los tres vehículos operativos supervivientes se retiraron del servicio después del último vuelo de Atlantis' en julio. 21 de enero de 2011. Estados Unidos confió en la nave espacial rusa Soyuz para transportar astronautas a la ISS desde el último vuelo del transbordador hasta el lanzamiento de la misión Crew Dragon Demo-2 en mayo de 2020.
Diseño y desarrollo
Antecedentes históricos
Durante la década de 1950, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos propuso utilizar un planeador pilotado reutilizable para realizar operaciones militares como reconocimiento, ataque por satélite y empleo de armas aire-tierra. A fines de la década de 1950, la Fuerza Aérea comenzó a desarrollar el X-20 Dyna-Soar parcialmente reutilizable. La Fuerza Aérea colaboró con la NASA en el Dyna-Soar y comenzó a entrenar a seis pilotos en junio de 1961. Los crecientes costos de desarrollo y la priorización del Proyecto Gemini llevaron a la cancelación del programa Dyna-Soar en diciembre de 1963. Además del Dyna -Soar, la Fuerza Aérea había realizado un estudio en 1957 para probar la viabilidad de los propulsores reutilizables. Esto se convirtió en la base del avión aeroespacial, una nave espacial totalmente reutilizable que nunca se desarrolló más allá de la fase de diseño inicial en 1962-1963.
A principios de la década de 1950, la NASA y la Fuerza Aérea colaboraron en el desarrollo de cuerpos de sustentación para probar aeronaves que generaban sustentación principalmente desde sus fuselajes en lugar de alas, y probaron el NASA M2-F1, Northrop M2-F2, Northrop M2-F3, Northrop HL-10, Martin Marietta X-24A y Martin Marietta X-24B. El programa probó las características aerodinámicas que luego se incorporarían en el diseño del transbordador espacial, incluido el aterrizaje sin motor desde una gran altitud y velocidad.
Proceso de diseño
El 24 de septiembre de 1966, la NASA y la Fuerza Aérea publicaron un estudio conjunto que concluyó que se requería un nuevo vehículo para satisfacer sus respectivas demandas futuras y que un sistema parcialmente reutilizable sería la solución más rentable. El jefe de la Oficina de Vuelos Espaciales Tripulados de la NASA, George Mueller, anunció el plan para un transbordador reutilizable el 10 de agosto de 1968. La NASA emitió una solicitud de propuesta (RFP) para los diseños del Vehículo Integrado de Lanzamiento y Reentrada (ILRV), que más tarde se convertiría en el transbordador espacial. En lugar de adjudicar un contrato basado en las propuestas iniciales, la NASA anunció un enfoque por etapas para la contratación y el desarrollo del transbordador espacial; La Fase A fue una solicitud de estudios completados por empresas aeroespaciales competidoras, la Fase B fue una competencia entre dos contratistas por un contrato específico, la Fase C involucró el diseño de los detalles de los componentes de la nave espacial y la Fase D fue la producción de la nave espacial.
En diciembre de 1968, la NASA creó el Grupo de trabajo del transbordador espacial para determinar el diseño óptimo de una nave espacial reutilizable y emitió contratos de estudio con General Dynamics, Lockheed, McDonnell Douglas y North American Rockwell. En julio de 1969, el Grupo de Trabajo del Transbordador Espacial emitió un informe que determinó que el Transbordador apoyaría misiones tripuladas y estaciones espaciales de corta duración, así como las capacidades para lanzar, mantener y recuperar satélites. El informe también creó tres clases de un futuro transbordador reutilizable: la Clase I tendría un orbitador reutilizable montado en propulsores desechables, la Clase II usaría múltiples motores de cohetes desechables y un solo tanque propulsor (etapa y media), y la Clase III tendría tanto un orbitador reutilizable como un refuerzo reutilizable. En septiembre de 1969, el Space Task Group, bajo la dirección del vicepresidente Spiro Agnew, emitió un informe que pedía el desarrollo de un transbordador espacial para llevar personas y carga a la órbita terrestre baja (LEO), así como un remolcador espacial para transferencias. entre las órbitas y la Luna, y una etapa superior nuclear reutilizable para viajes al espacio profundo.
Después de la publicación del informe del Grupo de trabajo del transbordador espacial, muchos ingenieros aeroespaciales favorecieron el diseño completamente reutilizable de Clase III debido a los ahorros percibidos en los costos de hardware. Max Faget, un ingeniero de la NASA que había trabajado para diseñar la cápsula Mercury, patentó un diseño para un sistema totalmente recuperable de dos etapas con un orbitador de alas rectas montado en un propulsor de alas rectas más grande. El Laboratorio de Dinámica de Vuelo de la Fuerza Aérea argumentó que un diseño de ala recta no podría soportar las altas tensiones térmicas y aerodinámicas durante el reingreso y no proporcionaría la capacidad de rango cruzado requerida. Además, la Fuerza Aérea requería una capacidad de carga útil mayor que la que permitía el diseño de Faget. En enero de 1971, los líderes de la NASA y la Fuerza Aérea decidieron que un orbitador de ala delta reutilizable montado en un tanque de combustible desechable sería el diseño óptimo para el transbordador espacial.
Después de establecer la necesidad de una nave espacial de carga pesada reutilizable, la NASA y la Fuerza Aérea determinaron los requisitos de diseño de sus respectivos servicios. La Fuerza Aérea esperaba usar el transbordador espacial para lanzar grandes satélites y requería que fuera capaz de levantar 29 000 kg (65 000 lb) a un LEO hacia el este o 18 000 kg (40 000 lb) a una órbita polar. Los diseños de los satélites también requerían que el transbordador espacial tuviera una bahía de carga útil de 4,6 por 18 m (15 por 60 pies). La NASA evaluó los motores F-1 y J-2 de los cohetes Saturn y determinó que eran insuficientes para los requisitos del transbordador espacial; en julio de 1971, emitió un contrato con Rocketdyne para comenzar el desarrollo del motor RS-25.
La NASA revisó 29 diseños potenciales para el transbordador espacial y determinó que se debe usar un diseño con dos propulsores laterales y que los propulsores deben ser reutilizables para reducir costos. La NASA y la Fuerza Aérea optaron por usar propulsores de propulsor sólido debido a los costos más bajos y la facilidad de reacondicionarlos para reutilizarlos después de aterrizar en el océano. En enero de 1972, el presidente Richard Nixon aprobó el transbordador y la NASA decidió su diseño final en marzo. Ese agosto, la NASA otorgó el contrato para construir el orbitador a North American Rockwell, el contrato de refuerzo de cohetes sólidos a Morton Thiokol y el contrato del tanque externo a Martin Marietta.
Desarrollo
El 4 de junio de 1974, Rockwell comenzó la construcción del primer orbitador, OV-101, que más tarde se llamaría Enterprise. El Enterprise se diseñó como un vehículo de prueba y no incluía motores ni protección térmica. La construcción se completó el 17 de septiembre de 1976 y Enterprise se trasladó a la Base de la Fuerza Aérea Edwards para comenzar las pruebas. Rockwell construyó el artículo de prueba de propulsión principal (MPTA)-098, que era una armadura estructural montada en el ET con tres motores RS-25 conectados. Se probó en el Laboratorio Nacional de Tecnología Espacial (NSTL) para garantizar que los motores pudieran funcionar de manera segura a través del perfil de lanzamiento. Rockwell realizó pruebas de tensión mecánica y térmica en el artículo de prueba estructural (STA)-099 para determinar los efectos de las tensiones aerodinámicas y térmicas durante el lanzamiento y el reingreso.
El comienzo del desarrollo del motor principal del transbordador espacial RS-25 se retrasó nueve meses, mientras que Pratt & Whitney impugnó el contrato que se había emitido a Rocketdyne. El primer motor se completó en marzo de 1975, después de problemas con el desarrollo del primer motor reutilizable y regulable. Durante las pruebas del motor, el RS-25 experimentó múltiples fallas en las boquillas, así como también álabes de turbina rotos. A pesar de los problemas durante las pruebas, la NASA ordenó los nueve motores RS-25 necesarios para sus tres orbitadores en construcción en mayo de 1978.
La NASA experimentó retrasos significativos en el desarrollo del sistema de protección térmica del transbordador espacial. Las naves espaciales anteriores de la NASA habían usado escudos térmicos ablativos, pero no se podían reutilizar. La NASA optó por usar baldosas de cerámica para la protección térmica, ya que el transbordador podría construirse con aluminio liviano y las baldosas podrían reemplazarse individualmente según sea necesario. La construcción de Columbia comenzó el 27 de marzo de 1975 y se entregó al KSC el 25 de marzo de 1979. En el momento de su llegada al KSC, a Columbia aún le quedaban 6000 de sus 30 000 mosaicos para estar instalado. Sin embargo, muchas de las tejas que se habían instalado originalmente tuvieron que ser reemplazadas, lo que requirió dos años de instalación antes de que Columbia pudiera volar.
El 5 de enero de 1979, la NASA encargó un segundo orbitador. Más tarde ese mes, Rockwell comenzó a convertir STA-099 en OV-099, más tarde llamado Challenger. El 29 de enero de 1979, la NASA ordenó dos orbitadores adicionales, OV-103 y OV-104, que se llamaron Discovery y Atlantis. La construcción del OV-105, más tarde llamado Endeavour, comenzó en febrero de 1982, pero la NASA decidió limitar la flota del transbordador espacial a cuatro orbitadores en 1983. Después de la pérdida del Challenger, la NASA reanudó la producción del Endeavour en septiembre. 1987.
Pruebas
Después de llegar a Edwards AFB, Enterprise se sometió a pruebas de vuelo con el Shuttle Carrier Aircraft, un Boeing 747 que había sido modificado para transportar el orbitador. En febrero de 1977, Enterprise comenzó las Pruebas de Aproximación y Aterrizaje (ALT) y realizó vuelos cautivos, donde permaneció unido a la Aeronave Transbordadora durante la duración del vuelo. El 12 de agosto de 1977, Enterprise realizó su primera prueba de planeo, donde se separó del avión de transporte de lanzadera y aterrizó en Edwards AFB. Después de cuatro vuelos adicionales, Enterprise se trasladó al Marshall Space Flight Center (MSFC) el 13 de marzo de 1978. Enterprise se sometió a pruebas de sacudidas en la Prueba de vibración terrestre vertical acoplada, donde estaba conectado a un tanque externo y propulsores de cohetes sólidos, y se sometió a vibraciones para simular las tensiones del lanzamiento. En abril de 1979, el Enterprise fue llevado al KSC, donde fue acoplado a un tanque externo y propulsores de cohetes sólidos, y trasladado al LC-39. Una vez instalado en la plataforma de lanzamiento, el transbordador espacial se utilizó para verificar el posicionamiento adecuado del hardware del complejo de lanzamiento. Enterprise fue llevado de regreso a California en agosto de 1979 y luego participó en el desarrollo del SLC-6 en Vandenberg AFB en 1984.
El 24 de noviembre de 1980, Columbia se combinó con su tanque externo y propulsores de cohete sólido, y se trasladó a LC-39 el 29 de diciembre. La primera misión del transbordador espacial, STS-1, sería la primera vez que la NASA realiza un primer vuelo tripulado de una nave espacial. El 12 de abril de 1981, el transbordador espacial se lanzó por primera vez y fue pilotado por John Young y Robert Crippen. Durante la misión de dos días, Young y Crippen probaron el equipo a bordo del transbordador y descubrieron que varias baldosas de cerámica se habían caído de la parte superior del Columbia. La NASA se coordinó con la Fuerza Aérea para usar satélites para obtener imágenes de la parte inferior de Columbia y determinó que no hubo daños. Columbia volvió a entrar en la atmósfera y aterrizó en Edwards AFB el 14 de abril.
NASA realizó tres vuelos de prueba adicionales con Columbia en 1981 y 1982. El 4 de julio de 1982, el STS-4, pilotado por Ken Mattingly y Henry Hartsfield, aterrizó en una pista de concreto en Edwards AFB. El presidente Ronald Reagan y su esposa Nancy se reunieron con la tripulación y pronunciaron un discurso. Después de STS-4, la NASA declaró operativo su Sistema de Transporte Espacial (STS).
Descripción
El transbordador espacial fue la primera nave espacial orbital operativa diseñada para su reutilización. Cada orbitador del transbordador espacial fue diseñado para una vida útil proyectada de 100 lanzamientos o diez años de vida operativa, aunque esto se extendió más tarde. En el lanzamiento, constaba del orbitador, que contenía la tripulación y la carga útil, el tanque externo (ET) y los dos propulsores de cohetes sólidos (SRB).
La responsabilidad de los componentes del transbordador se distribuyó entre varios centros de campo de la NASA. El KSC fue responsable de las operaciones de lanzamiento, aterrizaje y cambio de rumbo para las órbitas ecuatoriales (el único perfil de órbita que se usó realmente en el programa). La Fuerza Aérea de los EE. UU. en la Base de la Fuerza Aérea de Vandenberg fue responsable de las operaciones de lanzamiento, aterrizaje y cambio de rumbo para las órbitas polares (aunque esto nunca se usó). El Centro Espacial Johnson (JSC) sirvió como punto central para todas las operaciones del transbordador y el MSFC fue responsable de los motores principales, el tanque externo y los propulsores de cohetes sólidos. El Centro Espacial John C. Stennis manejó las pruebas del motor principal y el Centro de Vuelo Espacial Goddard administró la red de seguimiento global.
Orbitador
El orbitador tenía elementos de diseño y capacidades tanto de un cohete como de un avión que le permitían lanzarse verticalmente y luego aterrizar como un planeador. Su fuselaje de tres partes proporcionó soporte para el compartimiento de la tripulación, la bahía de carga, las superficies de vuelo y los motores. La parte trasera del orbitador contenía los motores principales del transbordador espacial (SSME), que proporcionaban empuje durante el lanzamiento, así como el sistema de maniobra orbital (OMS), que permitía al orbitador alcanzar, alterar y salir de su órbita una vez en el espacio. Sus alas de doble delta tenían 18 m (60 pies) de largo y tenían un barrido de 81 ° en el borde de ataque interior y 45 ° en el borde de ataque exterior. Cada ala tenía un alvéolo interno y externo para proporcionar control de vuelo durante el reingreso, junto con una aleta ubicada entre las alas, debajo de los motores para controlar el cabeceo. El estabilizador vertical del orbitador se barrió hacia atrás a 45° y contenía un timón que podía partirse para actuar como un freno de velocidad. El estabilizador vertical también contenía un sistema de paracaídas de arrastre de dos partes para reducir la velocidad del orbitador después del aterrizaje. El orbitador utilizó un tren de aterrizaje retráctil con un tren de aterrizaje de morro y dos trenes de aterrizaje principales, cada uno con dos neumáticos. El tren de aterrizaje principal contenía dos conjuntos de frenos cada uno, y el tren de aterrizaje de morro contenía un mecanismo de dirección electrohidráulico.
Tripulación
La tripulación del transbordador espacial varió según la misión. Los vuelos de prueba solo tenían dos miembros cada uno, el comandante y el piloto, que eran pilotos calificados que podían volar y aterrizar el orbitador. Las operaciones en órbita, como los experimentos, el despliegue de la carga útil y los EVA, fueron realizadas principalmente por los especialistas de la misión que recibieron capacitación específica para las misiones y los sistemas previstos. Al principio del programa del transbordador espacial, la NASA volaba con especialistas en carga útil, que por lo general eran especialistas en sistemas que trabajaban para la compañía que pagaba el despliegue o las operaciones de la carga útil. El último especialista en carga útil, Gregory B. Jarvis, voló en STS-51-L y los futuros no pilotos fueron designados como especialistas de misión. Un astronauta voló como ingeniero de vuelos espaciales tripulados en STS-51-C y STS-51-J para servir como representante militar para una carga útil de la Oficina Nacional de Reconocimiento. La tripulación de un transbordador espacial normalmente tenía siete astronautas, y el STS-61-A volaba con ocho.
Compartimiento de tripulación
El compartimiento de la tripulación constaba de tres cubiertas y era el área habitable presurizada en todas las misiones del transbordador espacial. La cabina de vuelo constaba de dos asientos para el comandante y el piloto, así como de dos a cuatro asientos adicionales para los miembros de la tripulación. La cubierta intermedia estaba ubicada debajo de la cubierta de vuelo y era donde se instalaban las literas de la cocina y la tripulación, así como los asientos para tres o cuatro miembros de la tripulación. La cubierta intermedia contenía la esclusa de aire, que podría soportar a dos astronautas en una actividad extravehicular (EVA), así como el acceso a módulos de investigación presurizados. Un compartimiento para equipos estaba debajo de la cubierta intermedia, que almacenaba sistemas de gestión de residuos y control ambiental.
En las primeras cuatro misiones del transbordador, los astronautas usaron trajes de presión completa modificados para altitudes elevadas de la Fuerza Aérea de los EE. UU., que incluían un casco de presión completa durante el ascenso y el descenso. Desde el quinto vuelo, STS-5, hasta la pérdida del Challenger, la tripulación usó trajes de vuelo nomex de una sola pieza de color azul claro y cascos de presión parcial. Después del desastre del Challenger, los miembros de la tripulación usaron el Launch Entry Suit (LES), una versión de presión parcial de los trajes de presión de gran altitud con casco. En 1994, el LES fue reemplazado por el Advanced Crew Escape Suit (ACES) de presión completa, que mejoró la seguridad de los astronautas en una situación de emergencia. Columbia originalmente había instalado asientos de eyección cero-cero SR-71 modificados para el ALT y las primeras cuatro misiones, pero se desactivaron después de STS-4 y se quitaron después de STS-9.
La cubierta de vuelo era el nivel superior del compartimiento de la tripulación y contenía los controles de vuelo del orbitador. El comandante se sentó en el asiento delantero izquierdo y el piloto se sentó en el asiento delantero derecho, con dos o cuatro asientos adicionales configurados para miembros adicionales de la tripulación. Los paneles de instrumentos contenían más de 2100 pantallas y controles, y tanto el comandante como el piloto estaban equipados con una pantalla de visualización frontal (HUD) y un controlador de mano giratorio (RHC) para equilibrar los motores durante el vuelo con motor y volar el orbitador durante el vuelo sin motor. Ambos asientos también tenían controles de timón, para permitir el movimiento del timón en vuelo y la dirección de la rueda de morro en el suelo. Los vehículos orbitadores se instalaron originalmente con el sistema de pantalla CRT multifunción (MCDS) para mostrar y controlar la información de vuelo. El MCDS mostró la información de vuelo en los asientos del comandante y del piloto, así como en la ubicación de los asientos de popa, y también controló los datos en el HUD. En 1998, Atlantis se actualizó con el Sistema de pantalla electrónica multifunción (MEDS), que era una actualización de la cabina de vidrio de los instrumentos de vuelo que reemplazó las ocho unidades de pantalla MCDS con 11 pantallas digitales multifunción en color. MEDS voló por primera vez en mayo de 2000 en STS-98, y los otros vehículos orbitales se actualizaron. La sección de popa de la cabina de vuelo contenía ventanas que daban al compartimiento de carga útil, así como un RHC para controlar el sistema de manipulación remota durante las operaciones de carga. Además, la cabina de vuelo de popa tenía monitores para un circuito cerrado de televisión para ver la bahía de carga.
La cubierta intermedia contenía el almacenamiento del equipo de la tripulación, el área para dormir, la cocina, el equipo médico y las estaciones de higiene para la tripulación. La tripulación usó casilleros modulares para almacenar equipos que podían escalarse según sus necesidades, así como compartimentos en el piso instalados permanentemente. La cubierta intermedia contenía una escotilla de babor que la tripulación usaba para entrar y salir mientras estaba en la Tierra.
Esclusa de aire
Además, cada orbitador se instaló originalmente con una esclusa de aire interna en la plataforma intermedia. La esclusa de aire interna se instaló como una esclusa de aire externa en la bahía de carga útil en Discovery, Atlantis y Endeavour para mejorar el acoplamiento con Mir y la ISS, junto con el sistema de acoplamiento Orbiter. El módulo de la esclusa de aire puede instalarse en el compartimiento central o conectarse a él, pero en el compartimiento de carga útil. Con un volumen cilíndrico interno de 1,60 m (5 pies 3 pulgadas) de diámetro y 2,11 m (6 pies 11 pulgadas) de largo, puede albergar a dos astronautas adecuados. Tiene dos 'D' escotillas en forma de 1,02 m (40 in) de largo (diámetro) y 0,91 m (36 in) de ancho.
Sistemas de vuelo
El orbitador estaba equipado con un sistema de aviónica para proporcionar información y control durante el vuelo atmosférico. Su suite de aviónica contenía tres sistemas de aterrizaje con haz de exploración de microondas, tres giroscopios, tres TACAN, tres acelerómetros, dos altímetros de radar, dos altímetros barométricos, tres indicadores de actitud, dos indicadores de Mach y dos transpondedores de modo C. Durante el reingreso, la tripulación desplegó dos sondas de datos aéreos una vez que viajaban a una velocidad inferior a Mach 5. El orbitador tenía tres unidades de medición inercial (IMU) que utilizaba para guía y navegación durante todas las fases del vuelo. El orbitador contiene dos rastreadores de estrellas para alinear las IMU mientras está en órbita. Los rastreadores de estrellas se despliegan mientras están en órbita y pueden alinearse automática o manualmente en una estrella. En 1991, la NASA comenzó a actualizar las unidades de medición inercial con un sistema de navegación inercial (INS), que proporcionaba información de ubicación más precisa. En 1993, la NASA voló un receptor GPS por primera vez a bordo del STS-51. En 1997, Honeywell comenzó a desarrollar un GPS/INS integrado para reemplazar los sistemas IMU, INS y TACAN, que volaron por primera vez en STS-118 en agosto de 2007.
Mientras estaba en órbita, la tripulación se comunicaba principalmente mediante una de las cuatro radios de banda S, que proporcionaban comunicaciones de voz y datos. Dos de las radios de banda S eran transceptores de modulación de fase y podían transmitir y recibir información. Las otras dos radios de banda S eran transmisores de modulación de frecuencia y se usaban para transmitir datos a la NASA. Como las radios de banda S solo pueden operar dentro de su línea de visión, la NASA utilizó el Sistema satelital de seguimiento y transmisión de datos y las estaciones terrestres de la Red de adquisición de datos y seguimiento de naves espaciales para comunicarse con el orbitador a lo largo de su órbita. Además, el orbitador desplegó una radio de banda Ku de gran ancho de banda fuera de la bahía de carga, que también podría utilizarse como un radar de encuentro. El orbitador también estaba equipado con dos radios UHF para comunicaciones con el control de tráfico aéreo y los astronautas que realizaban EVA.
El sistema de control de vuelo por cable del transbordador espacial dependía completamente de su computadora principal, el Sistema de procesamiento de datos (DPS). El DPS controló los controles de vuelo y los propulsores del orbitador, así como el ET y los SRB durante el lanzamiento. El DPS constaba de cinco computadoras de propósito general (GPC), dos unidades de memoria masiva (MMU) de cinta magnética y los sensores asociados para monitorear los componentes del transbordador espacial. El GPC original utilizado fue el IBM AP-101B, que utilizaba una unidad de procesamiento central (CPU) y un procesador de entrada/salida (IOP) independientes, y una memoria de estado sólido no volátil. De 1991 a 1993, los vehículos orbitales se actualizaron al AP-101S, que mejoró la memoria y las capacidades de procesamiento, y redujo el volumen y el peso de las computadoras al combinar la CPU y el IOP en una sola unidad. Cuatro de los GPC se cargaron con el Sistema de software de aviónica primaria (PASS), que era un software específico del transbordador espacial que proporcionaba control en todas las fases del vuelo. Durante el ascenso, la maniobra, el reingreso y el aterrizaje, los cuatro PASS GPC funcionaron de manera idéntica para producir una redundancia cuádruple y verificarían los resultados por error. En caso de un error de software que pudiera causar informes erróneos de los cuatro PASS GPC, un quinto GPC ejecutaba el sistema de vuelo de respaldo, que usaba un programa diferente y podía controlar el transbordador espacial durante el ascenso, la órbita y el reingreso, pero no podía admitir un toda la misión. Los cinco GPC se separaron en tres bahías separadas dentro de la plataforma intermedia para proporcionar redundancia en caso de falla del ventilador de enfriamiento. Después de alcanzar la órbita, la tripulación cambiaría algunas de las funciones de los GPC de guía, navegación y control (GNC) a gestión de sistemas (SM) y carga útil (PL) para apoyar la misión operativa. El transbordador espacial no se lanzó si su vuelo se realizaría de diciembre a enero, ya que su software de vuelo habría requerido que las computadoras del vehículo orbital se reiniciaran en el cambio de año. En 2007, los ingenieros de la NASA idearon una solución para que los vuelos del transbordador espacial pudieran cruzar el límite de fin de año.
Las misiones del transbordador espacial generalmente traían una computadora portátil de apoyo general (PGSC) que podía integrarse con las computadoras y el conjunto de comunicaciones del vehículo orbitador, así como monitorear datos científicos y de carga útil. Las primeras misiones trajeron Grid Compass, una de las primeras computadoras portátiles, como PGSC, pero las misiones posteriores trajeron computadoras portátiles Apple e Intel.
Bahía de carga
La bahía de carga útil comprendía la mayor parte del fuselaje del vehículo orbital y proporcionaba el espacio de carga para las cargas útiles del transbordador espacial. Tenía 18 m (60 ft) de largo y 4,6 m (15 ft) de ancho, y podía acomodar cargas útiles cilíndricas de hasta 4,6 m (15 ft) de diámetro. Dos puertas de la bahía de carga útil con bisagras a cada lado de la bahía y proporcionaron un sello relativamente hermético para proteger las cargas útiles del calentamiento durante el lanzamiento y el reingreso. Las cargas útiles se aseguraron en la bahía de carga útil a los puntos de conexión en los largueros. Las puertas de la bahía de carga útil cumplieron una función adicional como radiadores para el calor del vehículo orbital y se abrieron al llegar a la órbita para rechazar el calor.
El orbitador podría usarse junto con una variedad de componentes adicionales según la misión. Esto incluyó laboratorios orbitales, propulsores para lanzar cargas útiles más lejos en el espacio, el Sistema de manipulación remota (RMS) y, opcionalmente, la plataforma EDO para extender la duración de la misión. Para limitar el consumo de combustible mientras el orbitador estaba acoplado a la ISS, se desarrolló el Sistema de transferencia de energía de la estación al transbordador (SSPTS) para convertir y transferir energía de la estación al orbitador. El SSPTS se utilizó por primera vez en STS-118 y se instaló en Discovery y Endeavour.
Sistema manipulador remoto
El Sistema de manipulación remota (RMS), también conocido como Canadarm, era un brazo mecánico conectado a la bahía de carga. Podría usarse para agarrar y manipular cargas útiles, así como servir como plataforma móvil para los astronautas que conducen un EVA. El RMS fue construido por la compañía canadiense Spar Aerospace y fue controlado por un astronauta dentro de la cabina de vuelo del orbitador usando sus ventanas y un circuito cerrado de televisión. El RMS permitía seis grados de libertad y tenía seis articulaciones ubicadas en tres puntos a lo largo del brazo. El RMS original podía desplegar o recuperar cargas útiles de hasta 29 000 kg (65 000 lb), que luego se mejoró a 270 000 kg (586 000 lb).
Laboratorio espacial
El módulo Spacelab era un laboratorio presurizado financiado por Europa que se transportaba dentro de la bahía de carga útil y permitía la investigación científica mientras estaba en órbita. El módulo Spacelab contenía dos segmentos de 2,7 m (9 pies) que se montaron en el extremo de popa de la bahía de carga útil para mantener el centro de gravedad durante el vuelo. Los astronautas ingresaron al módulo Spacelab a través de un túnel de 2,7 m (8,72 ft) o 5,8 m (18,88 ft) que se conectaba a la esclusa de aire. El equipo de Spacelab se almacenó principalmente en palés, que proporcionaron almacenamiento tanto para experimentos como para equipos informáticos y eléctricos. El hardware de Spacelab voló en 28 misiones hasta 1999 y estudió temas que incluyen astronomía, microgravedad, radar y ciencias de la vida. El hardware de Spacelab también apoyó misiones como el servicio del Telescopio Espacial Hubble (HST) y el reabastecimiento de la estación espacial. El módulo Spacelab se probó en STS-2 y STS-3, y la primera misión completa fue en STS-9.
Motores RS-25
Tres motores RS-25, también conocidos como motores principales del transbordador espacial (SSME), se montaron en el fuselaje de popa del orbitador en un patrón triangular. Las toberas del motor podrían girar ±10,5° en cabeceo y ±8,5° en guiñada durante el ascenso para cambiar la dirección de su empuje para dirigir el transbordador. Los motores reutilizables de aleación de titanio eran independientes del vehículo orbital y se retirarían y reemplazarían entre vuelos. El RS-25 es un motor criogénico de ciclo de combustión por etapas que usaba oxígeno líquido e hidrógeno y tenía una presión de cámara más alta que cualquier otro cohete de combustible líquido anterior. La cámara de combustión principal original funcionaba a una presión máxima de 226,5 bar (3285 psi). La tobera del motor mide 287 cm (113 in) de alto y tiene un diámetro interior de 229 cm (90,3 in). La tobera está refrigerada por 1.080 conductos interiores que transportan hidrógeno líquido y está térmicamente protegida por material aislante y ablativo.
Los motores RS-25 tuvieron varias mejoras para aumentar la confiabilidad y la potencia. Durante el programa de desarrollo, Rocketdyne determinó que el motor era capaz de operar de manera segura y confiable al 104 % del empuje especificado originalmente. Para mantener los valores de empuje del motor consistentes con la documentación y el software anteriores, la NASA mantuvo el empuje especificado originalmente al 100%, pero hizo que el RS-25 funcionara con un empuje mayor. Las versiones de actualización de RS-25 se denominaron Bloque I y Bloque II. Se logró un nivel de empuje del 109 % con los motores Block II en 2001, que redujeron la presión de la cámara a 207,5 bares (3010 psi), ya que tenían un área de garganta más grande. El acelerador máximo normal era 104 por ciento, con 106% o 109% utilizado para abortos de misión.
Sistema de maniobra orbital
El sistema de maniobra orbital (OMS) constaba de dos motores AJ10-190 montados en popa y los tanques de combustible asociados. Los motores AJ10 usaban monometilhidrazina (MMH) oxidada por tetróxido de dinitrógeno (N2O4). Las cápsulas transportaban un máximo de 2140 kg (4718 lb) de MMH y 3526 kg (7773 lb) de N2O4. Los motores OMS se utilizaron después del corte del motor principal (MECO) para la inserción orbital. A lo largo del vuelo, se utilizaron para cambios de órbita, así como para la quema de salida de órbita antes del reingreso. Cada motor OMS producía 27 080 N (6087 lbf) de empuje, y todo el sistema podía proporcionar 305 m/s (1000 ft/s) de cambio de velocidad.
Sistema de protección térmica
El orbitador fue protegido del calor durante el reingreso por el sistema de protección térmica (TPS), una capa protectora de absorción térmica alrededor del orbitador. A diferencia de las naves espaciales estadounidenses anteriores, que habían utilizado escudos térmicos ablativos, la reutilización del orbitador requería un escudo térmico de usos múltiples. Durante el reingreso, el TPS experimentó temperaturas de hasta 1600 °C (3000 °F), pero tuvo que mantener la temperatura de la superficie de aluminio del vehículo orbital por debajo de los 180 °C (350 °F). El TPS constaba principalmente de cuatro tipos de mosaicos. El cono de la nariz y los bordes de ataque de las alas experimentaron temperaturas superiores a los 1300 °C (2300 °F) y estaban protegidos por tejas de carbono-carbono reforzadas (RCC). Los mosaicos RCC más gruesos se desarrollaron e instalaron en 1998 para evitar daños por micrometeoritos y desechos orbitales, y se mejoraron aún más después del daño causado por RCC en el desastre de Columbia. Comenzando con el STS-114, los vehículos orbitales estaban equipados con el sistema de detección de impacto del borde de ataque del ala para alertar a la tripulación sobre cualquier daño potencial. Toda la parte inferior del vehículo orbital, así como las demás superficies más calientes, se protegieron con aislamiento de superficie reutilizable para altas temperaturas. Las áreas en las partes superiores del vehículo orbital se recubrieron con un aislamiento de superficie reutilizable de baja temperatura blanco, que brindó protección para temperaturas inferiores a 650 °C (1200 °F). Las puertas de la bahía de carga útil y partes de las superficies superiores del ala se recubrieron con un aislamiento de superficie de fieltro reutilizable, ya que la temperatura se mantuvo por debajo de los 370 °C (700 °F).
Tanque externo
El tanque externo (ET) del transbordador espacial transportaba el propulsor para los motores principales del transbordador espacial y conectaba el vehículo orbital con los propulsores de cohetes sólidos. El ET medía 47 m (153,8 ft) de alto y 8,4 m (27,6 ft) de diámetro, y contenía tanques separados para oxígeno líquido e hidrógeno líquido. El tanque de oxígeno líquido estaba alojado en la nariz del ET y tenía 15 m (49,3 pies) de altura. El tanque de hidrógeno líquido comprendía la mayor parte del ET y tenía 29 m (96,7 pies) de altura. El vehículo orbital se adjuntó al ET en dos placas umbilicales, que contenían cinco propulsores y dos umbilicales eléctricos, y accesorios estructurales delanteros y traseros. El exterior del ET se cubrió con espuma naranja en aerosol para permitirle sobrevivir al calor del ascenso.
El ET proporcionó propulsor a los motores principales del transbordador espacial desde el despegue hasta el apagado del motor principal. El ET se separó del vehículo orbital 18 segundos después de que se apagara el motor y podría activarse de forma automática o manual. En el momento de la separación, el vehículo orbital retrajo sus placas umbilicales y los cordones umbilicales se sellaron para evitar que el exceso de propulsor se ventile en el vehículo orbital. Después de que se cortaron los pernos unidos a los accesorios estructurales, el ET se separó del vehículo orbital. En el momento de la separación, se expulsó oxígeno gaseoso desde la nariz para hacer que el ET cayera, asegurando que se rompería al volver a entrar. El ET era el único componente importante del sistema del transbordador espacial que no se reutilizaba y viajaría a lo largo de una trayectoria balística hacia el océano Índico o el Pacífico.
Para las dos primeras misiones, STS-1 y STS-2, el ET se cubrió con 270 kg (595 lb) de pintura blanca de látex ignífuga para brindar protección contra los daños causados por la radiación ultravioleta. Investigaciones posteriores determinaron que la propia espuma naranja estaba suficientemente protegida y que el ET ya no estaba cubierto con pintura de látex a partir de STS-3. Un tanque ligero (LWT) voló por primera vez en STS-6, lo que redujo el peso del tanque en 4700 kg (10 300 lb). El peso del LWT se redujo quitando componentes del tanque de hidrógeno y reduciendo el grosor de algunos paneles de revestimiento. En 1998, un ET superligero (SLWT) voló por primera vez en STS-91. El SLWT utilizó la aleación de aluminio y litio 2195, que era un 40 % más resistente y un 10 % menos densa que su predecesora, la aleación de aluminio y litio 2219. El SLWT pesaba 3400 kg (7500 lb) menos que el LWT, lo que permitía al transbordador espacial llevar elementos pesados a la órbita de alta inclinación de la ISS.
Propulsores de cohetes sólidos
Los propulsores de cohetes sólidos (SRB) proporcionaron el 71,4 % del empuje del transbordador espacial durante el despegue y el ascenso, y fueron los motores de combustible sólido más grandes jamás volados. Cada SRB medía 45 m (149,2 pies) de alto y 3,7 m (12,2 pies) de ancho, pesaba 68 000 kg (150 000 lb) y tenía un exterior de acero de aproximadamente 13 mm (0,5 pulgadas) de espesor. Los subcomponentes del SRB eran el motor de combustible sólido, la nariz cónica y la tobera del cohete. El motor de combustible sólido comprendía la mayor parte de la estructura de la SRB. Su carcasa constaba de 11 secciones de acero que componían sus cuatro segmentos principales. El cono de la nariz albergaba los motores de separación delanteros y los sistemas de paracaídas que se utilizaron durante la recuperación. Las boquillas de los cohetes podrían girar hasta 8 ° para permitir ajustes en vuelo.
Los motores de los cohetes se llenaron cada uno con un total de 500 000 kg (1 106 640 lb) de propulsor sólido para cohetes (APCP+PBAN) y se unieron al edificio de ensamblaje de vehículos (VAB) en KSC. Además de proporcionar empuje durante la primera etapa del lanzamiento, los SRB brindaron soporte estructural para el vehículo orbitador y ET, ya que eran el único sistema que estaba conectado a la plataforma de lanzamiento móvil (MLP). En el momento del lanzamiento, los SRB estaban armados en T-5 minutos y solo podían encenderse eléctricamente una vez que los motores RS-25 se habían encendido y no tenían problemas. Cada uno proporcionó 12 500 kN (2 800 000 lbf) de empuje, que luego se mejoró a 13 300 kN (3 000 000 lbf) a partir del STS-8. Después de gastar su combustible, los SRB se desecharon aproximadamente dos minutos después del lanzamiento a una altitud de aproximadamente 46 km (150 000 pies). Después de la separación, desplegaron paracaídas flotante y principal, aterrizaron en el océano y fueron recuperados por las tripulaciones a bordo de los barcos MV Freedom Star y MV Liberty Star. Una vez devueltos a Cabo Cañaveral, fueron limpiados y desmontados. Luego, el motor del cohete, el encendedor y la boquilla se enviaron a Thiokol para restaurarlos y reutilizarlos en vuelos posteriores.
Los SRB se sometieron a varios rediseños a lo largo de la vigencia del programa. STS-6 y STS-7 usaron SRB que eran 2300 kg (5000 lb) más livianos que las cajas de peso estándar debido a paredes que eran 0,10 mm (0,004 in) más delgadas, pero se determinó que eran demasiado delgadas. Los vuelos posteriores hasta STS-26 utilizaron cajas que eran 0,076 mm (0,003 in) más delgadas que las cajas de peso estándar, lo que ahorró 1800 kg (4000 lb). Después del desastre del Challenger como resultado de la falla de una junta tórica a baja temperatura, los SRB se rediseñaron para proporcionar un sello constante independientemente de la temperatura ambiente.
Vehículos de apoyo
Las operaciones del transbordador espacial contaron con el apoyo de vehículos e infraestructura que facilitaron su transporte, construcción y acceso de la tripulación. Los transportadores de orugas llevaron el MLP y el transbordador espacial desde el VAB hasta el sitio de lanzamiento. Los Shuttle Carrier Aircraft (SCA) eran dos Boeing 747 modificados que podían llevar un orbitador en la espalda. El SCA original (N905NA) voló por primera vez en 1975 y se usó para el ALT y para transportar el orbitador desde Edwards AFB al KSC en todas las misiones antes de 1991. Se adquirió un segundo SCA (N911NA) en 1988 y se usó por primera vez para transportar Endeavour desde la fábrica hasta el KSC. Tras el retiro del transbordador espacial, el N905NA se exhibió en el JSC y el N911NA se exhibió en el Joe Davis Heritage Airpark en Palmdale, California. El vehículo de transporte de tripulación (CTV) era un puente de reacción del aeropuerto modificado que se usaba para ayudar a los astronautas a salir del orbitador después del aterrizaje, donde se someterían a sus chequeos médicos posteriores a la misión. El Astrovan transportó a los astronautas desde los alojamientos de la tripulación en el edificio de operaciones y verificación hasta la plataforma de lanzamiento el día del lanzamiento. El Ferrocarril de la NASA constaba de tres locomotoras que transportaban segmentos SRB desde el Ferrocarril de la Costa Este de Florida en Titusville hasta el KSC.
Perfil de la misión
Preparación de lanzamiento
El transbordador espacial se preparó para su lanzamiento principalmente en el VAB en el KSC. Los SRB se ensamblaron y conectaron al tanque externo en el MLP. El vehículo orbital se preparó en Orbiter Processing Facility (OPF) y se transfirió al VAB, donde se usó una grúa para girarlo a la orientación vertical y acoplarlo al tanque externo. Una vez que se ensambló toda la pila, uno de los transportadores de orugas llevó el MLP durante 5,6 km (3,5 mi) hasta el Complejo de lanzamiento 39. Después de que el transbordador espacial llegara a una de las dos plataformas de lanzamiento, se conectaría a las estructuras de servicio fijo y de rotación, que brindaban capacidades de servicio, inserción de carga útil y transporte de tripulación. La tripulación fue transportada a la plataforma de lanzamiento a las T-3 horas y entró en el vehículo orbital, que se cerró a las T-2 horas. El oxígeno líquido y el hidrógeno se cargaron en el tanque externo a través de umbilicales que se unieron al vehículo orbital, que comenzó a las T-5 horas 35 minutos. A las T-3 horas 45 minutos, se completó el llenado rápido de hidrógeno, seguido 15 minutos más tarde por el llenado del tanque de oxígeno. Ambos tanques se llenaron lentamente hasta el lanzamiento a medida que se evaporaban el oxígeno y el hidrógeno.
Los criterios de compromiso de lanzamiento consideraron la precipitación, las temperaturas, la nubosidad, el pronóstico de rayos, el viento y la humedad. El transbordador espacial no se lanzó en condiciones en las que podría haber sido golpeado por un rayo, ya que su columna de escape podría haber provocado un rayo al proporcionar una ruta de corriente a tierra después del lanzamiento, que ocurrió en el Apolo 12. La regla del yunque de la NASA para el lanzamiento de un transbordador establece que una nube de yunque no podía aparecer a una distancia de 19 km (10 nmi). El oficial meteorológico de lanzamiento del transbordador supervisó las condiciones hasta que se anunció la decisión final de cancelar un lanzamiento. Además del clima en el sitio de lanzamiento, las condiciones tenían que ser aceptables en uno de los sitios de aterrizaje de aborto transatlántico y el área de recuperación de SRB.
Lanzamiento
La tripulación de la misión y el personal del Centro de control de lanzamiento (LCC) completaron las verificaciones de los sistemas durante la cuenta regresiva. Dos retenciones integradas en T−20 minutos y T−9 minutos proporcionaron descansos programados para abordar cualquier problema y preparación adicional. Después de la espera integrada en T-9 minutos, la cuenta regresiva fue controlada automáticamente por el Ground Launch Sequencer (GLS) en el LCC, que detuvo la cuenta regresiva si detectaba un problema crítico con cualquiera de los transbordadores espaciales a bordo. sistemas En T-3 minutos 45 segundos, los motores comenzaron a realizar pruebas de cardán, que concluyeron en T-2 minutos 15 segundos. El sistema de procesamiento de lanzamiento desde tierra entregó el control a los GPC del vehículo orbital en T-31 segundos. En T−16 segundos, los GPC armaron los SRB, el sistema de supresión de sonido (SPS) comenzó a empapar las trincheras MLP y SRB con 1 100 000 L (300 000 gal EE. UU.) de agua para proteger el vehículo orbital de daños por energía acústica y gases de escape del cohete. reflejada desde la zanja de llamas y MLP durante el despegue. En T-10 segundos, se activaron encendedores de hidrógeno debajo de cada campana del motor para sofocar el gas estancado dentro de los conos antes de la ignición. Si no se queman estos gases, los sensores a bordo podrían dispararse y crear la posibilidad de una sobrepresión y explosión del vehículo durante la fase de disparo. Las preválvulas del tanque de hidrógeno se abrieron en T-9,5 segundos en preparación para el arranque del motor.
A partir de T−6,6 segundos, los motores principales se encendieron secuencialmente a intervalos de 120 milisegundos. Se requería que los tres motores RS-25 alcanzaran el 90 % del empuje nominal en T−3 segundos; de lo contrario, los GPC iniciarían un aborto RSLS. Si los tres motores indicaban un rendimiento nominal en T-3 segundos, se les ordenaba que tuvieran una configuración de cardán para despegar y se emitía el comando para armar los SRB para el encendido en T-0. Entre T−6,6 segundos y T−3 segundos, mientras los motores RS-25 estaban encendidos pero los SRB todavía estaban atornillados a la plataforma, el empuje compensado haría que el transbordador espacial se inclinara hacia abajo 650 mm (25,5 in) medidos en la punta del tanque externo; el retraso de 3 segundos permitió que la pila volviera a estar casi vertical antes de que se encendiera el SRB. Este movimiento fue apodado el "twang." En T−0, se detonaron las ocho tuercas frangibles que sujetaban las SRB a la plataforma, se desconectaron los umbilicales finales, se ordenó a las SSME acelerar al 100 % y se encendieron las SRB. En T+0,23 segundos, los SRB acumularon suficiente empuje para que comenzara el despegue y alcanzaron la presión máxima de la cámara en T+0,6 segundos. En T−0, el Centro de Control de Misión JSC asumió el control del vuelo desde el LCC.
En T+4 segundos, cuando el transbordador espacial alcanzó una altitud de 22 metros (73 pies), los motores RS-25 se aceleraron hasta un 104,5 %. En aproximadamente T+7 segundos, el transbordador espacial rodó a una orientación de cabeza hacia abajo a una altitud de 110 metros (350 pies), lo que redujo el estrés aerodinámico y proporcionó una mejor orientación de comunicación y navegación. Aproximadamente 20 a 30 segundos después del ascenso y una altitud de 2700 metros (9000 pies), los motores RS-25 se redujeron al 65 % al 72 % para reducir las fuerzas aerodinámicas máximas en Max Q. Además, la forma del propulsor SRB fue diseñado para hacer que el empuje disminuya en el momento de Max Q. Los GPC podrían controlar dinámicamente el acelerador de los motores RS-25 en función del rendimiento de los SRB.
Aproximadamente T+123 segundos y una altitud de 46 000 metros (150 000 pies), los sujetadores pirotécnicos liberaron los SRB, que alcanzaron un apogeo de 67 000 metros (220 000 pies) antes de lanzarse en paracaídas al océano Atlántico. El transbordador espacial continuó su ascenso utilizando únicamente los motores RS-25. En misiones anteriores, el transbordador espacial permaneció con la cabeza hacia abajo para mantener las comunicaciones con la estación de seguimiento en las Bermudas, pero las misiones posteriores, comenzando con STS-87, cambiaron a una orientación con la cabeza hacia arriba en T+6 minutos para comunicarse con el constelación de satélites de seguimiento y retransmisión de datos. Los motores RS-25 se estrangularon en T+7 minutos 30 segundos para limitar la aceleración del vehículo a 3 g. 6 segundos antes del corte del motor principal (MECO), que ocurrió en T+8 minutos 30 segundos, los motores RS-25 se redujeron al 67 %. Los GPC controlaron la separación de ET y arrojaron el oxígeno líquido y el hidrógeno restantes para evitar la desgasificación mientras estaban en órbita. El ET continuó en una trayectoria balística y se rompió durante el reingreso, con algunas piezas pequeñas aterrizando en el Océano Índico o Pacífico.
Las primeras misiones usaban dos disparos del OMS para alcanzar la órbita; el primer disparo elevó el apogeo mientras que el segundo circularizaba la órbita. Las misiones posteriores a STS-38 utilizaron los motores RS-25 para lograr el apogeo óptimo y utilizaron los motores OMS para circularizar la órbita. La altitud orbital y la inclinación dependían de la misión, y las órbitas del transbordador espacial variaban de 220 km (120 nmi) a 620 km (335 nmi).
En órbita
El tipo de misión que se le asignó al transbordador espacial determina el tipo de órbita en la que entró. El diseño inicial del transbordador espacial reutilizable preveía una plataforma de lanzamiento cada vez más barata para desplegar satélites comerciales y gubernamentales. Las primeras misiones transportaban satélites de forma rutinaria, lo que determinaba el tipo de órbita en la que entraría el vehículo orbitador. Tras el desastre del Challenger, muchas cargas útiles comerciales se trasladaron a cohetes comerciales desechables, como el Delta II. Si bien las misiones posteriores todavía lanzaron cargas útiles comerciales, las asignaciones del transbordador espacial se dirigieron rutinariamente hacia cargas útiles científicas, como el telescopio espacial Hubble, Spacelab y la nave espacial Galileo. Comenzando con STS-74, el vehículo orbital realizó acoplamientos con la estación espacial Mir. En su última década de funcionamiento, el transbordador espacial se utilizó para la construcción de la Estación Espacial Internacional. La mayoría de las misiones implicaron permanecer en órbita de varios días a dos semanas, aunque era posible realizar misiones más largas con la plataforma Extended Duration Orbiter. La misión STS-80 de 17 días y 15 horas fue la misión de transbordador espacial de mayor duración.
Reingreso y aterrizaje
Aproximadamente cuatro horas antes de salir de órbita, la tripulación comenzó a preparar el vehículo orbital para el reingreso cerrando las puertas de carga útil, irradiando el exceso de calor y retrayendo la antena de banda Ku. El vehículo orbital maniobró para colocarse boca abajo, con la cola primero, y comenzó un encendido OMS de 2 a 4 minutos aproximadamente 20 minutos antes de volver a entrar en la atmósfera. El vehículo orbital se reorientó a una posición de morro hacia adelante con un ángulo de ataque de 40°, y los chorros del sistema de control de reacción hacia adelante (RCS) se vaciaron de combustible y se desactivaron antes del reingreso. El reingreso del vehículo orbital se definió como comenzando a una altitud de 120 km (400 000 pies), cuando viajaba a aproximadamente Mach 25. El reingreso del vehículo orbital fue controlado por los GPC, que siguieron un preestablecido plan de ángulo de ataque para evitar el calentamiento inseguro del TPS. Durante el reingreso, la velocidad del orbitador se reguló alterando la cantidad de arrastre producido, que se controló mediante el ángulo de ataque, así como el ángulo de inclinación lateral. Este último podría usarse para controlar la resistencia sin cambiar el ángulo de ataque. Se realizó una serie de inversiones de balanceo para controlar el acimut mientras se inclina. Los jets RCS de popa del vehículo orbital se desactivaron cuando sus alerones, elevadores y timón se hicieron efectivos en la atmósfera inferior. A una altitud de 46 km (150 000 pies), el vehículo orbital abrió su freno de velocidad en el estabilizador vertical. 8 minutos 44 segundos antes del aterrizaje, la tripulación desplegó las sondas de datos aéreos y comenzó a reducir el ángulo de ataque a 36°. La relación máxima de planeo/relación de elevación a arrastre del orbitador varió considerablemente con la velocidad, desde 1,3 a velocidades hipersónicas hasta 4,9 a velocidades subsónicas. El vehículo orbital voló a uno de los dos conos de alineación de rumbo, ubicados a 48 km (30 mi) de distancia de cada extremo de la línea central de la pista, donde realizó sus giros finales para disipar el exceso de energía antes de su aproximación y aterrizaje. Una vez que el vehículo orbital viajaba subsónicamente, la tripulación asumió el control manual del vuelo.
La fase de aproximación y aterrizaje comenzó cuando el vehículo orbital se encontraba a una altitud de 3000 m (10 000 pies) y viajaba a 150 m/s (300 nudos). El orbitador siguió una senda de planeo de -20° o -18° y descendió a aproximadamente 51 m/s (167 ft/s). El freno de velocidad se usó para mantener una velocidad continua, y la tripulación inició una maniobra previa al ensanchamiento con una senda de planeo de -1,5° a una altitud de 610 m (2000 pies). El tren de aterrizaje se desplegó 10 segundos antes del aterrizaje, cuando el orbitador estaba a una altitud de 91 m (300 ft) y viajaba a 150 m/s (288 kn). Una maniobra de bengala final redujo la velocidad de descenso del vehículo orbital a 0,9 m/s (3 pies/s), y el aterrizaje se produjo a 100–150 m/s (195–295 kn), según el peso del orbitador. vehículo. Después de que el tren de aterrizaje aterrizó, la tripulación desplegó un paracaídas de arrastre fuera del estabilizador vertical y comenzó a frenar las ruedas cuando el orbitador viajaba a menos de 72 m/s (140 nudos). Después de que las ruedas del orbitador se detuvieran, la tripulación desactivó los componentes de vuelo y se preparó para salir.
Lugares de aterrizaje
El principal sitio de aterrizaje del transbordador espacial fue la instalación de aterrizaje del transbordador en KSC, donde ocurrieron 78 de los 133 aterrizajes exitosos. En caso de condiciones de aterrizaje desfavorables, el transbordador podría retrasar su aterrizaje o aterrizar en una ubicación alternativa. La alternativa principal fue Edwards AFB, que se utilizó para 54 aterrizajes. STS-3 aterrizó en el puerto espacial de White Sands en Nuevo México y requirió un extenso procesamiento posterior después de la exposición a la arena rica en yeso, parte de la cual se encontró en los escombros de Columbia después de STS-107. Los aterrizajes en aeródromos alternativos requirieron que el Shuttle Carrier Aircraft transportara el orbitador de regreso a Cabo Cañaveral.
Además de los aeródromos de aterrizaje planificados previamente, había 85 sitios de aterrizaje de emergencia acordados para usarse en diferentes escenarios de aborto, con 58 ubicados en otros países. Los lugares de aterrizaje se eligieron en función de las relaciones políticas, el clima favorable, una pista de al menos 2300 m (7500 pies) de largo y equipo TACAN o DME. Además, dado que el vehículo orbital solo tenía radios UHF, los sitios internacionales con solo radios VHF no habrían podido comunicarse directamente con la tripulación. Se planificaron instalaciones en la costa este de los EE. UU. para aterrizajes abortados en la costa este, mientras que varios sitios en Europa y África se planificaron en caso de un aterrizaje abortado transoceánico. Las instalaciones estaban preparadas con equipo y personal en caso de un aterrizaje de emergencia del transbordador pero nunca fueron utilizadas.
Procesamiento posterior al desembarque
Después del aterrizaje, los equipos de tierra se acercaron al orbitador para realizar controles de seguridad. Los equipos que usaban equipos de respiración autónomos probaron la presencia de hidrógeno, hidracina, monometilhidracina, tetróxido de nitrógeno y amoníaco para garantizar que el área de aterrizaje fuera segura. Se conectaron líneas de aire acondicionado y freón para enfriar a la tripulación y el equipo y disipar el exceso de calor del reingreso. Un cirujano de vuelo abordó el orbitador y realizó controles médicos a la tripulación antes de desembarcar. Una vez que el orbitador estuvo asegurado, fue remolcado a la OPF para ser inspeccionado, reparado y preparado para la próxima misión.
Programa del transbordador espacial
El transbordador espacial voló desde el 12 de abril de 1981 hasta el 21 de julio de 2011. A lo largo del programa, el transbordador espacial realizó 135 misiones, de las cuales 133 regresaron a salvo. A lo largo de su vida útil, el transbordador espacial se utilizó para realizar investigaciones científicas, desplegar cargas útiles comerciales, militares y científicas, y participó en la construcción y operación de Mir y la ISS. Durante su mandato, el transbordador espacial sirvió como el único vehículo estadounidense para lanzar astronautas, del cual no hubo reemplazo hasta el lanzamiento de Crew Dragon Demo-2 el 30 de mayo de 2020.
Presupuesto
Se ha estimado que el presupuesto total de la NASA para el programa del transbordador espacial es de 221 000 millones de dólares (en dólares de 2012). Los desarrolladores del transbordador espacial abogaron por la reutilización como una medida de ahorro de costos, lo que resultó en mayores costos de desarrollo por supuestos menores costos por lanzamiento. Durante el diseño del transbordador espacial, las propuestas de la Fase B no eran tan baratas como indicaban las estimaciones iniciales de la Fase A; El gerente del programa del transbordador espacial, Robert Thompson, reconoció que la reducción del costo por libra no era el objetivo principal de las fases de diseño posteriores, ya que otros requisitos técnicos no se podían cumplir con los costos reducidos. Las estimaciones de desarrollo realizadas en 1972 proyectaron un costo por libra de carga útil tan bajo como $ 1109 (en 2012) por libra, pero los costos reales de carga útil, sin incluir los costos de investigación y desarrollo del transbordador espacial, fueron de $ 37 207 (en 2012).) por libra. Los costos por lanzamiento variaron a lo largo del programa y dependieron de la tasa de vuelos, así como de los procedimientos de investigación, desarrollo e investigación en todo el programa del transbordador espacial. En 1982, la NASA publicó una estimación de $ 260 millones (en 2012) por vuelo, que se basó en la predicción de 24 vuelos por año durante una década. El costo por lanzamiento desde 1995 hasta 2002, cuando los orbitadores y la ISS no se estaban construyendo y no había trabajo de recuperación luego de la pérdida de la tripulación, fue de $ 806 millones. La NASA publicó un estudio en 1999 que concluía que los costos eran de $576 millones (en 2012) si había siete lanzamientos por año. En 2009, la NASA determinó que el costo de agregar un solo lanzamiento por año era de $ 252 millones (en 2012), lo que indica que gran parte de los costos del programa del transbordador espacial son para personal durante todo el año y operaciones que continuaron independientemente de la tasa de lanzamiento. Teniendo en cuenta todo el presupuesto del programa Space Shuttle, el costo por lanzamiento fue de $ 1.642 mil millones (en 2012).
Desastres
El 28 de enero de 1986, el STS-51-L se desintegró 73 segundos después del lanzamiento debido a la falla del SRB derecho, matando a los siete astronautas a bordo del Challenger. El desastre fue causado por el deterioro por baja temperatura de una junta tórica, un sello de misión crítica que se usa entre los segmentos de la carcasa del SRB. La falla de la junta tórica permitió que los gases de combustión calientes escaparan entre las secciones de refuerzo y quemaran el ET adyacente, lo que provocó una secuencia de eventos catastróficos que provocaron la desintegración del orbitador. Las repetidas advertencias de los ingenieros de diseño expresando su preocupación por la falta de evidencia de las juntas tóricas & # 39; Los gerentes de la NASA habían ignorado la seguridad cuando la temperatura estaba por debajo de los 53 °F (12 °C).
El 1 de febrero de 2003, Columbia se desintegró durante el reingreso, matando a los siete tripulantes del STS-107, debido a los daños en el borde de ataque de carbono-carbono del ala causados durante el lanzamiento. Los ingenieros de control en tierra habían realizado tres solicitudes separadas de imágenes de alta resolución tomadas por el Departamento de Defensa que habrían proporcionado una comprensión del alcance del daño, mientras que el ingeniero jefe de TPS de la NASA solicitó que los astronautas a bordo Columbia se le permitirá salir del vehículo para inspeccionar los daños. Los gerentes de la NASA intervinieron para detener las imágenes del orbitador del Departamento de Defensa y rechazaron la solicitud de la caminata espacial y, por lo tanto, la NASA no consideró la viabilidad de los escenarios para la reparación o el rescate de astronautas por parte de Atlantis. gestión en ese momento.
Crítica
La reutilización parcial del transbordador espacial fue uno de los principales requisitos de diseño durante su desarrollo inicial. Las decisiones técnicas que dictaron la devolución y reutilización del orbitador redujeron las capacidades de carga útil por lanzamiento. La intención original era compensar esta menor carga útil reduciendo los costos por lanzamiento y una alta frecuencia de lanzamiento. Sin embargo, los costos reales del lanzamiento de un transbordador espacial fueron más altos de lo previsto inicialmente, y el transbordador espacial no realizó las 24 misiones previstas por año como predijo inicialmente la NASA.
El transbordador espacial se pensó originalmente como un vehículo de lanzamiento para desplegar satélites, para lo cual se utilizó principalmente en las misiones anteriores al desastre del Challenger. El precio de la NASA, que estaba por debajo del costo, era más bajo que el de los vehículos de lanzamiento desechables; la intención era que el gran volumen de misiones del transbordador espacial compensara las pérdidas financieras iniciales. La mejora de los vehículos de lanzamiento desechables y la transición de las cargas útiles comerciales en el transbordador espacial dieron como resultado que los vehículos de lanzamiento desechables se convirtieran en la principal opción de despliegue para los satélites. Un cliente clave para el transbordador espacial fue la Oficina Nacional de Reconocimiento (NRO) responsable de los satélites espía. La existencia de la conexión de NRO se clasificó hasta 1993, y las consideraciones secretas de los requisitos de carga útil de NRO llevaron a la falta de transparencia en el programa. El programa Shuttle-Centaur propuesto, cancelado a raíz del desastre del Challenger, habría empujado a la nave espacial más allá de su capacidad operativa.
Los fatales desastres Challenger y Columbia demostraron los riesgos de seguridad del transbordador espacial que podrían resultar en la pérdida de la tripulación. El diseño del avión espacial del orbitador limitó las opciones de aborto, ya que los escenarios de aborto requerían el vuelo controlado del orbitador a una pista o permitir que la tripulación saliera individualmente, en lugar de las opciones de escape de aborto en las cápsulas espaciales Apollo y Soyuz. Los primeros análisis de seguridad anunciados por los ingenieros y la gerencia de la NASA predijeron que la posibilidad de una falla catastrófica que resultara en la muerte de la tripulación iba desde 1 en 100 lanzamientos hasta 1 en 100,000. Tras la pérdida de dos misiones del transbordador espacial, se reevaluaron los riesgos de las misiones iniciales y se descubrió que la posibilidad de una pérdida catastrófica del vehículo y la tripulación era de 1 en 9. Posteriormente, se criticó a la dirección de la NASA por aceptar un mayor riesgo. a la tripulación a cambio de tasas de misión más altas. Los informes Challenger y Columbia explicaron que la cultura de la NASA no había logrado mantener segura a la tripulación al no evaluar objetivamente los riesgos potenciales de las misiones.
Jubilación
El retiro del transbordador espacial se anunció en enero de 2004. El presidente George W. Bush anunció su Visión para la exploración espacial, que pedía el retiro del transbordador espacial una vez que completara la construcción de la ISS. Para garantizar que la ISS se ensamblara correctamente, los socios contribuyentes determinaron la necesidad de 16 misiones de ensamblaje restantes en marzo de 2006. En octubre de 2006 se aprobó una misión adicional de mantenimiento del telescopio espacial Hubble. Originalmente, STS-134 iba a ser la última misión del transbordador espacial. Sin embargo, el desastre de Columbia resultó en la preparación de orbitadores adicionales para el lanzamiento en caso de una misión de rescate. Mientras Atlantis se preparaba para la misión final de lanzamiento según necesidad, en septiembre de 2010 se tomó la decisión de que volaría como STS-135 con una tripulación de cuatro personas que podría permanecer en la ISS en el evento de una emergencia. STS-135 se lanzó el 8 de julio de 2011 y aterrizó en el KSC el 21 de julio de 2011 a las 5:57 a. m. EDT (09:57 UTC). Desde entonces hasta el lanzamiento de Crew Dragon Demo-2 el 30 de mayo de 2020, EE. UU. envió a sus astronautas a bordo de la nave espacial rusa Soyuz.
Después del vuelo final de cada orbitador, se procesó para que fuera seguro mostrarlo. Los sistemas OMS y RCS utilizados presentaban los principales peligros debido a su propulsor hipergólico tóxico, y la mayoría de sus componentes se eliminaron permanentemente para evitar cualquier desgasificación peligrosa. Atlantis está en exhibición en el Complejo de Visitantes del Centro Espacial Kennedy, Discovery está en el Centro Udvar-Hazy, Endeavour está en exhibición en el California Science Center, y Enterprise se exhibe en el Intrepid Sea-Air-Space Museum. Los componentes de los orbitadores se transfirieron a la Fuerza Aérea de EE. UU., el programa ISS y los gobiernos de Rusia y Canadá. Los motores se quitaron para usarlos en el Sistema de lanzamiento espacial y se agregaron boquillas RS-25 de repuesto para fines de exhibición.
En la cultura popular
El Servicio Postal de EE. UU. ha publicado varias ediciones de franqueo que representan el transbordador espacial. Los primeros sellos de este tipo se emitieron en 1981 y se exhiben en el Museo Postal Nacional.
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