Program lotów wahadłowców

Z Wikipedii

Masz nowe wiadomości (różnica z poprzednią wersją).

Ten artykuł dotyczy programu realizowanego przez NASA. Zobacz też: Program Buran - informacje o radzieckich wahadłowcach.

Start promu Columbia w 1981 roku podczas pierwszej misji amerykańskiego promu kosmicznego. Białe malowanie zewnętrznego zbiornika paliwa zostało użyte tylko podczas pierwszych dwóch lotów. Zrezygnowano z niego w celu zmniejszenia masy startowej.

Program lotów wahadłowców amerykańskich, oficjalnie nazywany Space Transportation System (STS) - System Transportu Kosmicznego, to realizowany obecnie przez NASA program załogowych lotów kosmicznych odbywanych za pomocą wahadłowców kosmicznych (ang. Space Shuttles).

Amerykański system STS składa się z trzech elementów:

zbiornika zewnętrznego (ang. External Tank - ET), który podaje paliwo do głównych silników promu (ang. Space Shuttle Main Engines - SSME)
dwóch rakiet dodatkowych na paliwo stałe (ang. Solid Rocket Boosters - SRB)
orbitera

Spis treści

1 Historia
- 1.1 Rozpoczęcie projektu
- 1.2 Budowa
2 Start
- 2.1 Sytuacje awaryjne
3 Ocena projektu
4 Misje
- 4.1 Misje na LEO
- 4.2 Wynoszenie ładunku na wyższe orbity oraz na trajektorie międzyplanetarne
  - 4.2.1 Ładunki wynoszone na wyższe orbity okołoziemskie
  - 4.2.2 Ładunki wynoszone na trajektorie międzyplanetarne
5 Przyszłość
6 Zobacz też

[edytuj] Historia

[edytuj] Rozpoczęcie projektu

Początki amerykańskiego programu wahadłowca kosmicznego sięgają końca lat 60. i początku lat 70. XX wieku. Wraz z końcem rozwoju programu Apollo NASA poszukiwała nowego celu. Jedną z głównych myśli jaką kierowała się agencja była chęć stworzenia pojazdu wielokrotnego użytku, który byłby zdolny do wynoszenia ładunków i misji załogowych na orbitę okołoziemską oraz stanowiłby podstawę do rozwoju kolejnych misji na Księżyc, a także umożliwił budowę stacji orbitalnej i zrealizowanie podróży na Marsa. W tym samym czasie Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych zajęte były rozwojem podobnego projektu pod nazwą X-20 Dyna-Soar. Niestety kurczący się budżet NASA doprowadził do konieczności wprowadzenia cięć. W ramach szukania oszczędności zrezygnowano z planów misji na Marsa pozostawiono natomiast budowę promu kosmicznego oraz stacji orbitalnej. Szybko jednak zorientowano się, że zrealizowanie obu celów, ze względu na ograniczenia finansowe nie będzie możliwe. Środki zostały zarezerwowane na budowę Space Shuttle. W niedługim czasie NASA, która koniecznie chciała zachować jak najwięcej programów badawczych, zwróciła się do Sił Powietrznych z propozycją współpracy. USAF zgodziły się uczestniczyć w programie, postawiły jednak duże wymagania przed konstrukcją, wynikające z chęci jej używania do wynoszenia ciężkich satelitów szpiegowskich (około 18 ton) na orbity okołobiegunowe, które wymagają większego udźwigu rakiety niż standardowe orbity. Dodatkowo orbiter powinien się cechować dużą zdolnością do manewrowania, co umożliwiłoby lądowanie w wielu miejscach na terenie kraju. Do osiągnięcia tych założeń potrzebna była duża powierzchnia nośna, co przekładało się na konieczność konstrukcji większych i cięższych skrzydeł. Nie mogły być one jednak za długie, gdyż ich rozpiętość ograniczona była przez ściśle ustalony, maksymalny dopuszczalny wymiar poprzeczny. Odpowiednio dużą powierzchnię można było osiągnąć tylko dzięki układowi skrzydeł delta, które są znacznie masywniejsze. Kolejno każdy wzrost masy orbitera wymagał odpowiedniego zwiększenia udźwigu dolnego stopnia rakiety nośnej. Planowany system dwustopniowy urósł przez to do rozmiarów większych od rakiety Saturn V przy jednocześnie, znacznie bardziej skomplikowanej konstrukcji. Koszty urosły niebotycznie.

Przeciwnicy wahadłowców optowali za tańszymi gotowym rozwiązaniem. Proponowali użycie rakiet Saturn V wraz z modułami Gemini do budowy i utrzymywania stacji orbitalnej. Druga strona ripostowała, że przy zakładanej, odpowiednio dużej liczbie lotów pojazdów wielokrotnego użytku, koszty będą znacznie niższe niż używanie jednorazowych rakiet. Zakładana liczba startów (średnio jeden lub dwa tygodniowo) nie mogła zostać wykorzystana przez kontrakty USAF i NASA. Dlatego zaproponowano, by wszystkie przyszłe amerykańskie loty kosmiczne przeprowadzane były przy użyciu wahadłowców. Wymagało to, aby koszt wyniesienia jednego kilograma ładunku na orbitę był niższy w przypadku promów kosmicznych niż koszt użycia jakiegokolwiek innego systemu.

W tym czasie NASA starała się zapewnić stabilne, minimum pięcioletnie, finansowanie projektu. Ówczesne realia wyglądały jednak zupełnie inaczej niż wymagały tego plany agencji. Rosnąca inflacja oraz wojna w Wietnamie doprowadziły do dużych cięć w budżecie. Postawienie wszystkiego na jedną kartę uniemożliwiło skreślenie projektu, gdyż w takim przypadku równałoby się to z całkowitym brakiem lotów załogowych aż do początku 1980. Starano rozłożyć finansowanie badań i konstrukcję na dłuższy okres. Nie było to jednak praktyczne, gdyż nie można zbudować połowy rakiety teraz, połowy później i testować każdy z fragmentów osobno. W konsekwencji wielokrotnie przeprojektowywano prom. Zrezygnowano z możliwości ponownego wykorzystywania wszystkich elementów, gdyż taki układ, praktycznie niewykonalny, był równocześnie bardzo kosztowny i nie miał szans na opłacalność. Zdecydowano się na konstrukcję z zewnętrznym zbiornikiem paliwa (ET, ang. External Tank), która była tańsza w budowie i umożliwiała zabieranie większego ładunku. Metoda ta wymagała jednak każdorazowego wyrzucania zbiornika.

Ostatecznym punktem spornym była konstrukcja silników dodatkowych. Zastanawiano się nad użyciem dolnego członu rakiety Saturn V, nad konstrukcją jednego dużego silnika na paliwo stałe oraz nad zbudowaniem dwóch mniejszych. Ostatecznie wygrał model oparty na dwóch rakietach na paliwo stałe (SRB, ang. Solid Rocket Booster) umieszczonych po obu stronach zewnętrznego zbiornika paliwa (ET). Rakiety takie są znacznie tańsze w konstrukcji, prostsze i przez to bardziej niezawodne od ich odpowiedników na paliwo płynne.

Kolejno od lewej do prawej: Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis i Endeavour. Nie zamieszczone na zdjęciu: Enterprise oraz Pathfinder.

[edytuj] Budowa

Projekt został ogłoszony 5 stycznia 1972 roku za prezydentury Richarda Nixona. Pierwszy gotowy orbiter używany do celów testowych został przedstawiony 17 września 1976 roku. Początkowo planowano nazwać go Constitution, jednak na skutek interwencji fanów serialu Star Trek, którzy zasypali agencję listami, ostatecznie zmieniono ją na Enterprise. Orbiter ten nigdy nie poleciał w kosmos.

Pierwszym w pełni funkcjonalnym wahadłowcem była Columbia. Została ona dostarczona do Centrum Lotów Kosmicznych im. Kennedy'ego 25 marca 1979 roku. W swój dziewiczy lot poleciała w misji STS-1 12 kwietnia 1981 roku. Drugim zbudowanym statkiem był Challenger, dostarczony w lipcu 1982 roku. Następnym Discovery, dostarczony w listopadzie 1983 roku. Kolejnym Atlantis, dostarczony w kwietniu 1985 roku. Po katastrofie promu Challenger 28 stycznia 1986 roku, z pozostałych części, które miały służyć jako zapasowe dla dotychczasowej floty, zbudowano prom Endeavour, który dostarczono do centrum lotów w maju 1991 roku. Katastrofa wahadłowca Columbia 1 lutego 2003 roku uziemiła pozostałe jednostki i postawiła pod znakiem zapytania ich dalsze losy. W czasie przerwy w lotach przeprowadzono Program Powrotu do Lotów (Return To Flight), w czasie którego przeprowadzono analizę przyczyn katastrofy Columbii i przedstawiono metody wykrywania uszkodzeń kadłuba oraz metod jego naprawy podczas pobytu na orbicie. Pierwszym lotem po tej przerwie był lot promu Discovery (misja STS-114) 26 lipca 2005.

[edytuj] Start

Po odpaleniu trzech głównych silników promu następuje sprawdzenie poprawności ich funkcjonowania i w momencie gdy osiągną one 90% swojej maksymalnej mocy, następuje uruchomienie dwóch pomocniczych silników rakietowych na paliwo stałe (SRB). Uruchomione rakiety na paliwo stałe nie mogą już zostać wyłączone.

[edytuj] Sytuacje awaryjne

Na wypadek różnorodnych awarii podczas startu promu kosmicznego przygotowano schematy awaryjne, umożliwiające bezpieczny powrót promu i załogi na Ziemię. Spośród pięciu możliwych zastosowano tylko jeden wariant w trakcie ósmej misji promu Challenger (STS-51-F). Możliwości przerwania startu:

Powrót na miejsce lądowania (ang. Return To Launch Site (RTLS)) — nigdy nie wypróbowany, obejmuje zawrócenie promu w trakcie działania głównych silników promu, następnie odrzucenie zewnętrznego zbiornika paliwa i wylądowanie lotem ślizgowym na lądowisku KSC.
Lądowanie w innym miejscu niż KSC (ang. East Coast Abort Landing (ECAL))
Lądowanie na innym kontynencie (ang. Transoceanic Abort Landing (TAL)) — nie zastosowany
Lądowanie po jednokrotnym okrążeniu Ziemi (ang. Abort Once Around (AOA)) — nie zastosowany
Abort to Orbit (ATO) — schemat zastosowany podczas misji STS-51-F; mimo to misja została uznana za sukces.

W przypadku zastosowania schematu ECAL wyznaczono następujące lądowiska awaryjne:

na terenie Stanów Zjednoczonych - Wilmington w Północnej Karolinie, MCAS Cherry Point w Północnej Karolinie, NAS Oceana, lądowisko w Wallops Flight Facility, w stanie Virginia, Baza Lotnicza Dover, Atlantic City w stanie New Jersey, lądowisko Gabreski w stanie Nowy Jork, Otis ANGB, Pease International
na terenie Kanady - Halifax, Stephenville, St John's, Gander oraz w bazie lotniczej Goose Bay.

Plan stosowania schematu TAL zakłada podjęcie decyzji w czasie T+2:30 min (2 minuty 30 sekund po starcie promu) z koniecznością wyłączenia silników w czasie T+8:30 min. Dwa miejsca awaryjnego lądowania zostają wybrane i przygotowane jeszcze przed startem promu. Na liście potencjalnych lądowisk znajdują się: baza lotnicza Istres we Francji; Międzynarodowy Port Lotniczy Banjul na terenie Gambii oraz Baza Lotnicza w Saragossie i Morón obie na terenie Hiszpanii.

Lądowiska, które mogą być wykorzystane w pozostałych schematach awaryjnych, to:

w Portugalii - Lajes, Beja
na terenie Islandii - Keflavik
na terenie Irlandii - Międzynarodowy Port Lotniczy Shannon
na terenie Wielkiej Brytanii - RAF Fairford
na terenie Niemiec - Port Lotniczy Kolonia/Bonn
na terenie Turcji - Ankara
na terenie Arabii Saudyjskiej - Riyadh
na atolu Diego Garcia na Oceanie Indyjskim

W przypadku braku możliwości osiągnięcia któregokolwiek z wyznaczonych lądowisk, orbiter może teoretycznie lądować na wodzie lub w innym miejscu, aczkolwiek taka sytuacja dawałaby załodze bardzo małe możliwości przeżycia.

W obu dotychczasowych katastrofach żaden ze schematów nie mógł zostać zastosowany. W katastrofie promu Challenger oderwanie się jednej z rakiet na paliwo stałe spowodowało eksplozję paliwa w zbiorniku zewnętrznym, która natychmiast rozerwała orbiter. W przypadku promu Columbia, który rozpadł się w górnych warstwach atmosfery, załoga nie miała możliwości bezpiecznego opuszczenia kabiny z powodu prędkości pojazdu.

[edytuj] Ocena projektu

Jednym z głównych motorów budowy wahadłowca była chęć stworzenia systemu wynoszącego ciężkie ładunki na orbitę okołoziemską, który przez możliwość wielokrotnego użycia tych samych elementów byłby bardziej opłacalny niż klasyczne rakiety. Paradoksalnie osiągnięcie tego celu doprowadziło do ogromnego wzrostu kosztów związanych m.in. z zapewnieniem bezpieczeństwa powrotu pojazdom. Wymagania postawione przed promem kosmicznym okazały się niezwykle trudne do spełnienia.

[edytuj] Ładowność

Maksymalny ciężar ładunku, jaki może zostać dostarczony na niską orbitę okołoziemską przez wahadłowiec, to 28 800 kg. Dla porównania rakieta Saturn V używana w programie Apollo w wersji trójstopniowej posiadała udźwig 118 000 kg. Rosyjska rakieta Energia w najcięższej wersji miała możliwość dostarczenia na orbitę ładunku 17 000 kg. Najcięższa dostępna obecnie rakieta, Delta IV Heavy, ma udźwig 23 040 kg.

[edytuj] Koszty

Całkowity koszt programu wahadłowców wyniósł w 2005 roku 145 miliardów dolarów. W budżecie na rok 2005 koszty zarezerwowane na loty promów kosmicznych wynoszą 5 miliardów dolarów, co stanowi 30% całkowitej sumy jaką dysponuje NASA. Jeden lot promu kosztuje 1,3 miliarda dolarów (średnia dla całego programu; 750 milionów dolarów gdy uwzględniamy tylko ostatnie 5 lat). Dla porównania koszt projektu MER, wraz z budową, wystrzeleniem i 90-dniową misją pierwotną obu łazików wyniósł 820 milionów dolarów. Wystrzelenie ciężkiej rakiety Tytan IV w konfiguracji zdolnej do wyniesienia 21 680 kg wynosi do 350 milionów dolarów.

[edytuj] Niezawodność

Spośród 116 wykonanych lotów 2 zakończyły się katastrofą, co stanowi 1,72% lotów. Pozostałe 114 lotów (98,27%) odbyło się bez większych przeszkód i zakończyły się sukcesem.

28 stycznia 1986 roku miała miejsce katastrofa promu Challenger podczas misji STS-51-L oraz 1 lutego 2003 roku katastrofa promu Columbia podczas misji STS-107. W obu wypadkach zginęło łącznie 14 osób.

[edytuj] Misje

Misje wahadłowców: wynoszenie satelitów na niskie orbity okołoziemskie (Low Earth Orbit - LEO), sprowadzanie na Ziemię zużytych elementów urządzeń orbitalnych, naprawa satelitów, eksperymenty naukowe i biomedyczne, obserwacje Ziemi, obserwacje astronomiczne, misje militarne, transport modułów służących do budowy stacji kosmicznej ISS, wymiana załóg i dostarczanie zapasów do stacji kosmicznych (Mir, ISS).

[edytuj] Misje na LEO

Jednym z najbardziej spektakularnych osiągnięć programu promów kosmicznych były cztery misje naprawcze Kosmicznego Teleskopu Hubble'a.
Budowa Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS): Konstrukcja stacji wymaga 33 lotów, z czego odbyło się już 19.
Misje do stacji Mir.
Eksperymenty i doświadczenia naukowe na pokładzie promu.

[edytuj] Wynoszenie ładunku na wyższe orbity oraz na trajektorie międzyplanetarne

Wynoszenie ładunków na wyższe od LEO orbity odbywa się przy pomocy dodatkowego członu rakietowego połączonego w zespół z ładunkiem, który znajduje się w ładowni pojazdu. Początkowo planowano używanie członu rakietowego na paliwo płynne, Centaur, który został specjalnie zaprojektowany i zbudowany z myślą o używaniu go w promach kosmicznych. Po katastrofie Challengera zrezygnowano jednak z pomysłu, a Centaur nie został nigdy użyty w misji wahadłowców (obecnie stanowi dodatkowy człon rakiety Tytan i Atlas). Wobec powyższego wszystkie ładunki wynoszone na wyższe orbity lub kierowane na trajektorie międzyplanetarne, korzystają z tzw. Payload Assist Module (PAM-D) lub z Inercyjnego Górnego Stopnia (Inertial Upper Stage (IUS)).

[edytuj] Ładunki wynoszone na wyższe orbity okołoziemskie

teleskop kosmiczny Chandra
Satelity Śledzenia i Przekazywania Danych (Tracking and Data Relay Satellite System), które uzupełniają sieć anten naziemnych służących do komunikacji z misjami załogowymi
Satelity Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych

[edytuj] Ładunki wynoszone na trajektorie międzyplanetarne

Sonda Galileo.
Sonda Magellan
Sonda Ulysses

[edytuj] Przyszłość

Obecnie (stan listopad 2006) planuje się wykonać jeszcze 14 lotów (13 do ISS i jedna do Teleskopu Hubble'a STS-125). Chociaż zakłada się także, iż w przypadku niezdefiniowanych potrzeb logistycznych do ISS wysłanoby jeszcze dodatkowe dwie misje STS-131 oraz STS-133. Wahadłowce przede wszystkim zajmą się będą rozbudową stacji poprzez dodanie większych elementów modularnych. Dostarczaniem aparatury naukowej zajmą się inne pojazdy (rosyjski Progress, europejski ATV, japoński HTV, czy projektowane pojazdy programu COTS). W 2010 program wahadłowców ma być ostatecznie zakończony misją STS-132. Następcą będzie planowany statek Orion, który ma odbyć dziewiczy lot w 2012-14 roku. Po kilku testowych logistycznych i załogowych lotach do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej NASA ma zamiar powrócić na Księżyc i założyć tam stałą bazę.