Družicový stupeň raketoplánu
Z Wikipédie
| Raketoplány |
|---|
|
Družicový stupeň raketoplánu nazývaný aj vlastný raketoplán alebo orbiter je najzložitejšia a najdôležitejšia časť celého raketoplánu. Zároveň je to jediná časť raketoplánu, ktorá sa dostane do vesmíru a potom pristane. Z hľadiska leteckej terminológie je to jednoplošník so samonosným krídlom v tvare dvojitej delty. Slúži na dopravu nákladu a osôb na obežnú dráhu okolo Zeme a späť. Štartuje ako klasická raketa, návrat prebieha riadeným kĺzavým pristátím.
Orbiter má celkovú dĺžku 37,24 m, výšku 17,25 m a rozpätie krídel 23,79 m. Jeho prázdna hmotnosť je rôzna pri jednotlivých exemplároch (Columbia bola najťažšia) a pohybuje sa okolo 90 ton. Trup stroja tvorí konštrukcia z hliníkových zliatin. Pre najviac mechanicky namáhané časti je použitá oceľ a titánové zliatiny. Skladá sa z troch hlavných konštrukčných častí:
- predná časť — dvojpodlažná kabína pre posádku;
- stredná časť — trup s nákladovým priestorom;
- zadná časť — motorový priestor s motormi SSME.
Obsah |
[úprava] Predná časť
Predná časť raketoplánu má dĺžku 8,74 metrov. Jej väčšiu časť zaberá kabína pre posádku, ďalej sa v nej nachádza blok stabilizačných a manévrovacích motorov RCS a predná podvozková šachta. Predná časť je vyrobená zo sústavy nitovaných panelov, priečok a rebier. Skladá sa z dvoch základných častí - hornej a dolnej. Horná obsahuje 6 okienok s hrúbkou 16 milimetrov vyrobených z taveného kremeňa. Odolávajú teplotám až 480°C z vonkajšej strany a 426°C z vnútornej. V prednej časti je ako samostatný konštrukčný diel vložená kabína pre posádku. Kabína má tvar zrezaného kužeľa orientovaného vrcholom dopredu. Jej vnútorný objem je 71,5 metrov kubických. Kabína má vlastný systém okienok, z ktorých šesť zodpovedá šiestim okienkam v základnej konštrukcii. Aj vnútorné okná majú hrúbku 16 mm, sú vyrobené z temperovaného hlinito-kremičitého skla a ich vonkajší povrch je pokrytý reflexnou vrstvou odrážajúcou škodlivé infračervené žiarenie. Kabína pre posádku má najviac dvojicu okien smerujúcu nahor, ďalšiu dvojicu namierenú do nákladového priestoru a jedno okienko vo vstupných dverách do kabíny. Ľavé okienko na vrchole kabíny môže byť v prípade núdze pyrotechnicky odstrelené a použité ako núdzový východ. Kabína pre posádku je k prednej časti raketoplánu prichytená len v štyroch bodoch, aby sa znížil tepelný prenos z vonkajšieho prostredia. Z dôvodov tepelnej izolácie je kabína pokrytá tiež mylarovou izoláciou a pozlátenou fóliou. Samotná kabína pre posádku je rozdelená na tri paluby. Horná paluba sa nazýva pilotná alebo letová a nachádza sa tu sedadlo veliteľa letu (vľavo) a pilota (vpravo). V tejto kabíne sú sústredené všetky prvky riadenia. Nad oknami sa napríklad nachádzajú palivometre, vľavo od sedadla veliteľa sú to systémy podpory života (ventilácia, tlak vzduchu, hladina kyslíka a dusíka, teplota vzduchu…), na stenách a strope sú vypínače elektrických obvodov. Každý z pilotov má k dispozícii ručné riadenie pre rotačné a translačné manévre, pre ovládanie aerodynamickej brzdy a pedálové riadenie kormidiel. Miesto na manipuláciu s užitočným zaťažením je umiestnené v zadnej stene pilotnej paluby. Dochádza tu k riadeniu celého raketoplánu, riadeniu vypúšťania družíc z nákladového priestoru a riadeniu manipulátora RMS. Za sedadlami pilotov sú demontovateľné kreslá pre ďalších členov posádky. Priamo za sedadlom veliteľa je v podlahe priechod na strednú, alebo obytnú palubu.
Obytná paluba obsahuje na ľavej strane bočný prielez pre nástup a výstup posádky s priemerom 1010 mm a hmotnosťou 60 kg. Dvere prielezu je možné zvonka aj zvnútra otvoriť mechanicky, v prípade núdze pyrotechnicky. Dvere sú vyklápané smerom nadol (za predpokladu, že je raketoplán na štartovacej rampe je to doľava). Nad prielezom je dôležitá časť záchranného systému - teleskopická tyč. Vstupný prielez je vybavený tiež nafukovacou kĺzačkou podobne ako majú bežne dopravné lietadlá, aby pri prípadnom núdzovom pristátí posádka mohla opustiť raketoplán. Na pravej strane raketoplánu je menší núdzový prielez. Ďalší prielez vedie do nákladového priestoru raketoplánu. Slúži na prechod do prechodovej komory, alebo do laboratória v nákladovom priestore. Prechodová komora býva väčšinou inštalovaná externe. Zadná stena kabíny pre posádku je kvôli zjednodušeniu údržby ku kabíne iba priskrutkovaná, nie je teda celistvá.
V obytnej palube sa nachádzajú tiež štyri kóje na odpočinok astronautov. Okrem toho je vybavená sanitárnym zariadením, záchodom (systém WCS), umývadlom a kuchynkou. Nachádzajú sa tu tiež skrinky na uloženie potravín, osobných vecí astronautov, manuálov, vedeckého vybavenia a pod. Za priečkou v prednej časti obytnej paluby je umiestnená väčšina riadiacej elektroniky vrátane piatich palubných počítačov. Riadenie systémov raketoplánu zaisťuje päť hlavných palubných počítačov typu IBM AP-101S (pôvodne AP-101) s výkonom viac ako 1 milión operácií za sekundu a s operačnou pamäťou 256K 32-bitových slov. Počas kritických fáz letu ako je vzlet a pristátie, sú štyri počítače prepojené a navzájom sa kontrolujú. Piaty, vybavený jednoduchším programovým vybavením, slúži ako záloha.
Pod podlahou obytnej paluby sa nachádza spodná, alebo technická paluba. Je tu klimatizačné zariadenie a systémy podpory života. Do tejto paluby nie je bežne prístup, posádka sa tam môže dostať iba po demontovaní podlahových panelov v obytnej palube. Systém podpory života, odborne nazývaný ECLSS (Environmental Control and Life Support System) má dve časti: Systém slúžiaci na podporu a udržiavanie atmosféry a systém tepelnej regulácie.
Navigačný systém využíva najmä tri inerciálne plošiny IMU (Inertial Measurement Units), ktoré zásobujú palubné počítače informáciami o aktuálnej orientácii družicového stupňa v priestore a o negravitačných zrýchleniach (napr. spôsobených prácou motorov). Na ich nastavovanie slúžia automatické aj manuálne zamerovače hviezd. Negravitačné zrýchlenie meria aj ďalšia súprava štyroch lineárnych akcelerometrov. V priebehu stretávacích manévrov na stanovenie vzdialenosti družicového stupňa od cieľa a relatívnej rýchlosti sa používa palubný rádiolokátor. Pre navigáciu v závere pristátia slúži prijímač systému TACAN. V poslednom čase sa skúšobne používa navigačný systém GPS. Vlastná pilotáž letu zaisťuje prostredníctvom hlavných počítačov autopilot, ktorý môže tiež preberať príkazy pilotov z ručných ovládacích prvkov, umiestnených na letovej palube.
Komunikačný systém pracuje v pásmach Ku (15,25 až 17,25 GHz) a S (1,7 až 2,4 GHz). Väčšina spojení s riadiacim strediskom je sprostredkovaná cez družice systému TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System), umiestnených na geostacionárnej dráhe. V prvých približne 4 minútach letu môže systém pracujúci v pásme S komunikovať s pozemnou stanicou na kozmodróme priamo. Pre spojenie s Medzinárodnou kozmickou stanicou v jej blízkosti, alebo s členmi posádky, pracujúcimi v skafandroch vo voľnom priestore, sa používa systém pracujúci v pásme UKV (243 až 300 MHz). Tento systém slúži aj ako záložný pre spojenie s pozemnými stanicami.
Pred kabínou pre posádku sa nachádza blok manévrovacích motorov RCS a podvozková šachta. Táto šachta môže pojať až 610 kg balastnej záťaže, používanej pri niektorých misiách z dôvodu ľahšieho ovládania stroja.
[úprava] Stredná časť
Trup s rozmermi 18,3 × 5,2 × 4,0 m je tvorený celkove dvanástimi prepážkami z horizontálnych a vertikálnych dielov, pričom v miestach pripojenia krídel sú pre zvýšenie bezpečnosti ešte výstuže v tvare T. V trupe je umiestnený nákladový priestor, uzavierateľný dvojkrídlovými dverami, na ktorých vnútornej strane sú radiátory klimatizačného systému. Tieto radiátory prostredníctvom glykolovej slučky odvádzajú z vnútra družicového stupňa odpadové teplo. Aby mohli správne fungovať, musia byť dvere do nákladového priestoru vo vesmíre otvorené. Predné dva panely sa po otvorení dverí naviac odklopia od dverí o 35,5 stupňa. Dvere sú vyrobené z materiálu na báze uhlíka a epoxidu s jadrom z nomexu. Každá z dvoch častí dverí je k nákladovému priestoru prichytená pomocou 13-tich závesov.
V trupe sa okrem iného nachádza diaľkový manipulátor RMS (Remote Manipulator System), nazývaný aj manipulačné rameno, tri palivové batérie s výkonom 3 × 7 kW (v maxime 3 × 12 kW) a štyri nádrže s kyslíkom a štyri nádrže s vodíkom potrebným pre ich prevádzku. Nachádza sa tu tiež všetok užitočný náklad. Môže to byť jedna alebo viac družíc, sondy, moduly pre vesmírnu stanicu (Mir, ISS), zásobovacie kontajnery, alebo vesmírne laboratórium. Starší typ vesmírneho laboratória je európsky Spacelab, od letu STS-57 až po let STS-107 sa používal novší Spacehab. Býva tu tiež inštalovaná prechodová komora slúžiaca na prechod do otvoreného priestoru. Náklad sa prichytáva o nákladový priestor za pomoci 124 použiteľných úchytných skrutiek. V podpalubí nákladového priestoru sú hneď za prednou časťou po ľavej a pravej strane umiestnené batérie PRSD (Power Reactant Storage and Distribution) na kvapalný kyslík a vodík, ktoré dodávajú raketoplánu elektrickú energiu. Do elektrorozvodnej siete raketoplánu je dodávaný prúd s napätím 28 voltov. Nádrže na kvapalný vodík a kyslík sú guľovitého tvaru a ich počet sa mení v závislosti od potrieb konkrétnej misie. Pri procese výroby elektrického prúdu vzniká ako užitočný odpad voda.
[úprava] Zadná časť
Zadná časť orbitera sa nazýva motorová sekcia. Má dĺžku 5,48 metra, šírku 6,7 metra a výšku 6,09 metra. V tejto časti sú umiestnené tri turbočerpadlá APU (Auxiliary Power Units) hydraulického systému na ovládanie motorov SSME a aerodynamických riadiacich plôch. Hydraulický systém APU má výkon 100kW.
V motorovom priestore sa nachádzajú tri kyslíkovodíkové motory SSME (Space Shuttle Main Engines), ktoré sú dominantou celého raketoplánu. Majú nominálny ťah 3 × 2,1 MN vo vákuu. Dodávku pohonných látok do spaľovacích komôr týchto motorov zaisťujú turbočerpadlá, pričom časť kvapalného vodíka je najskôr vedená stenami expanznej trysky, ktoré sú tak regeneratívne ochladzované. Palivo je dodávané z externej palivovej nádrže ET. Pri jednom štarte pracujú motory nepretržite 520 sekúnd, celková záloha životnosti je najmenej 28 600 s, to je 7 1/2 hodiny prevádzky do generálnej prehliadky. Po každom lete raketoplánu sú odstránené a poslané na kontrolu.
Raketové motory raketoplánu pracujú pri extrémnych rozdieloch teploty. Kvapalný vodík je skladovaný pri teplote -253 °C. Pri spaľovaní s kvapalným kyslíkom je v spaľovacej komore dosiahnutá teplota 3 300 °C, pri ktorej sa taví železo.
Všetky tri motory sú uložené výkyvne a ich vychyľovaním hydraulickými ovládačmi je riadený smer letu raketoplánu počas jeho vzletu na obežnú dráhu. Tieto motory sú používané len pri štarte. Po oddelení hlavnej nádrže ET už nie sú pripojené na nijaký prívod paliva a na obežnej dráhe nemajú nijakú funkciu.
Pod motorovým priestorom je umiestnený trupový elevón. Nad motorovým priestorom po stranách kýlovej plochy s kormidlami a aerodynamickou brzdou sú pripevnené dva moduly manévrovacích motorov OMS (Orbital Maneuvring System), každý s jedným motorom OME s ťahom 26,7 kN. Motory OME sa používajú na konečné navedenie raketoplánu na obežnú dráhu, alebo na začiatok pristávacieho manévru. Sú výklopné a každá jednotka OMS má hmotnosť 117 kg. Okrem motorov OME nesie blok OMS ešte 12 riadiacich motorov RCS (Reaction Control System) s ťahom 3,87 kN. Ako pohonné látky pre OMS a RCS slúžia monometylhydrazín a oxid dusičitý. Palivové nádrže pre OME majú maximálnu kapacitu 3345 kg oxidu dusičitého a 2028 kg okysličovadla, motory RCS a FRCS majú k dispozícii najviac 659 kg okysličovadla a 416 kg paliva. Ďalší modul RCS, blok FRCS, so 14 motormi s ťahom 3,87 kN a dvoma motormi s ťahom 111 N je zabudovaný vpredu, pred priestorom pre posádku. Celkový počet raketových motorov v raketopláne je 49 a delia sa na 4 rôzne typy.
Do strednej a zadnej časti raketoplánu je v priebehu štartu a pristávania vháňaná zmes plynov, vďaka čomu je z týchto priestorov vytlačovaná prebytočná vlhkosť a prípadné nebezpečné plyny (napríklad vodík).
V motorovej sekcii je tiež aerodynamické kormidlo (smerovka). Pohyblivá časť smerovky je dvojitá a môže sa vyklápať doľava alebo doprava. Pri súčasnom vyklápaní jedným smerom slúži ako smerové kormidlo. Pokiaľ sú tieto dve časti roztvorené, raketoplán brzdí. Smerovka, podobne ako ostatné aerodynamické prvky, je používaná len pri lete v atmosfére a to väčšinou pri rýchlostiach v rozsahu 5 až 10 Machov.
Ďalšou časťou raketoplánu je dvojica krídel. Každé sa skladá z pozdĺžnych a priečnych rebier a nosníkov. Maximálna hrúbka krídla je 1,52 metra, jeho dĺžka v mieste ohybu krídla je podvozková šachta. Ku krídlam sú pripevnené elevóny vyklápateľné o 40° nahor a 25° smerom dole. Každý elevón sa skladá z troch častí, pričom každá časť má tri úchytné body.
Raketoplán má tiež trojbodový podvozok. Predný podvozok je krytý dvojkrídlovými dvermi, zadný je krytý jednoduchými dvermi. Predný podvozok je ovládateľný, nesie dve pneumatiky s priemerom 80 cm. Zadný podvozok má každý dve dvojice pneumatík s priemerom 110 cm. Tlak vo vnútri pneumatík je 1,8 MPa. Po vyklopení podvozku už nie je možné podvozok automaticky zatiahnuť - jeho zatiahnutie sa koná manuálne až v montážnom hangári.
[úprava] Tepelná ochrana
Povrch raketoplánu je pokrytý systémom tepelnej ochrany TPS (Thermal Protection System), chrániacim trup raketoplánu pred aerodynamickým ohrevom počas zostupu do atmosféry Zeme. Najviac namáhané časti, t. j. predok trupu a nábežná hrana krídla, sú chránené panelmi z uhlíkového laminátu, pokrytého glazúrou zo zmesi oxidu hlinitého, oxidu kremičitého a karbidu kremíka ako ochranou proti oxidácii. Odborne sa tento typ tepelnej ochrany nazýva RCC (Reinforced Carbon-Carbon - vystužený uhlík-uhlík). Spodok trupu a krídla sú pokryté dlaždicami z vysokoporézneho oxidu kremičitého, ktoré sú vyrobené z kremennej vaty, s čiernou glazúrou, zaisťujúcou vysokú emitivitu (spätné vyžarovanie) tepelného žiarenia. Horná časť krídla, boky trupu a boky kýlovej plochy sú pokryté podobnými kremennými dlaždicami, avšak s bielou glazúrou, zaisťujúcou vysokú reflektivitu (odrazivosť) tepelného žiarenia. Celkový počet dlaždíc je viac ako 30 tisíc. Ich hrúbka kolíše podľa predpokladaného tepelného zaťaženia jednotlivých miest trupu od 25 do 125 mm. Dlaždice nie sú lepené priamo na hliníkový trup, ale na pružnú podložku z Nomexovej plsti (vyrobenej z aramidu) a medzi jednotlivými dlaždicami je ponechaná dilatačná medzera, zaplnená pružnou upchávkou z keramickej tkaniny. Najmenej tepelne namáhaný vrch trupu (dvere nákladového priestoru) je pokrytý panelmi FRSI (Felt Reusable Surface Insulation) z Nomexovej plsti. Pred vyvezením raketoplánu na štartovaciu rampu je celý povrch družicového stupňa impregnovaný vodoodpudivým postrekom.
Pre pristátie je raketoplán vybavený vysúvacím podvozkom. Pre skrátenie dojazdu po pristátí je v spodnej časti kýlovej plochy zabudovaný brzdiaci páskový padák.
[úprava] Orbitery schopné letu
V Spojených štátoch bolo vyrobených celkove 5 orbiterov schopných lietať do vesmíru. Životnosť každého z nich mala byť 50 letov. Podľa poradia výroby sú to Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis a Endeavour. Pôvodne sa počítalo s výrobou a používaním len prvých štyroch družicových stupňov, avšak po havárii raketoplánu Challenger v roku 1986 bolo potrebné postaviť za neho náhradu - Endeavour. Po havárii Columbie sa však výstavba nového orbitera neplánuje a program Space Shuttle bude dokončený len so zostávajúcimi troma orbitermi. Pred dokončením prvého letuschopného raketoplánu Columbia bol v USA vyrobený ešte jeden orbiter: Enterprise. Ten však slúžil len na atmosférické skúšky a chýbali mu niektoré dôležité prvky pre vesmírny let: nemal motory, pretlakovú kabínu, systém tepelnej ochrany a ďalšie.
[úprava] Nákres orbitera
[úprava] Popis
1. stabilizačné motory — reaktívny kontrolný systém 2. podvozková šachta 3. predný podvozok 4. okienka 5. pilotná paluba 6. veliteľ letu 7. druhý pilot 8. hlavný vstupný prielez 9. priechod na obytnú palubu 10. dvere do nákladového priestoru 11. nákladový priestor 12. rameno na diaľkové ovládanie 13. radiátory 14. tri hlavné motory 15. orbitálne manévrovacie motory 16. stabilizačné a manévrovacie motory 17. nádrže s palivom a okysličovadlom 18. nádrže s héliom 19. vertikálny stabilizátor (smerovka), kormidlo 20. vyklápacia časť smerovky 21. krídlo 22. elevóny 23. zadný podvozok 24. prípojka na pozemské zariadenie
Tepelná ochrana — špeciálne tvarované izolačné platničky priliehajúce na zakrivené plochy:
A. Zosilnená uhlíkovo-uhlíková izolácia RCC (teploty nad 1 260°C)
B. Keramické platničky (648–1 260°C)
C. Platničky z keramických vlákien (370–648°C)
D. Plsť (do 370°C)
