Space Shuttle — это отставная, частично многоразовая низкоорбитальная космическая система, эксплуатируемая с 1981 по 2011 год Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) в рамках программы Space Shuttle . Официальное название программы — Space Transportation System (STS), взятое из плана 1969 года, возглавляемого вице-президентом США Спиро Агню, по системе многоразовых космических кораблей, где это был единственный пункт, финансируемый для разработки. [7] : 163–166 [8] [9]
Первый ( STS-1 ) из четырех орбитальных испытательных полетов состоялся в 1981 году, что привело к эксплуатационным полетам ( STS-5 ), начавшимся в 1982 году. Пять полных орбитальных аппаратов Space Shuttle были построены и летали в общей сложности в 135 миссиях с 1981 по 2011 год. Они стартовали из Космического центра Кеннеди (KSC) во Флориде . Эксплуатационные миссии запустили многочисленные спутники , межпланетные зонды и космический телескоп Хаббл (HST), проводили научные эксперименты на орбите, участвовали в программе Shuttle- Mir с Россией и участвовали в строительстве и обслуживании Международной космической станции (МКС). Общее время миссии флота Space Shuttle составило 1323 дня. [10]
Компоненты Space Shuttle включают в себя Orbiter Vehicle (OV) с тремя кластерными главными двигателями Rocketdyne RS-25 , парой возвращаемых твердотопливных ракетных ускорителей (SRB) и расходуемым внешним баком (ET), содержащим жидкий водород и жидкий кислород . Space Shuttle запускался вертикально , как обычная ракета, с двумя SRB, работающими параллельно с тремя главными двигателями орбитального аппарата , которые заправлялись топливом от ET. SRB были сброшены до того, как аппарат достиг орбиты, в то время как главные двигатели продолжали работать, а ET был сброшен после отключения главного двигателя и непосредственно перед выходом на орбиту , который использовал два двигателя орбитальной системы маневрирования (OMS) орбитального аппарата. По завершении миссии орбитальный аппарат запустил свой OMS, чтобы сойти с орбиты и снова войти в атмосферу . Орбитальный аппарат был защищен во время входа в атмосферу плитками системы тепловой защиты , и он скользил как космоплан к взлетно-посадочной полосе, обычно к посадочному комплексу шаттла в KSC, Флорида, или к Rogers Dry Lake на авиабазе Эдвардс , Калифорния. Если посадка происходила в Эдвардсе, орбитальный аппарат летел обратно в KSC на борту Shuttle Carrier Aircraft (SCA), специально модифицированного Boeing 747, предназначенного для перевозки шаттла над ним.
Первый орбитальный аппарат, Enterprise , был построен в 1976 году и использовался в испытаниях по заходу на посадку и посадке (ALT), но не имел орбитальных возможностей. Первоначально было построено четыре полностью работоспособных орбитальных аппарата: Columbia , Challenger , Discovery и Atlantis . Из них два были потеряны в результате несчастных случаев во время миссии: Challenger в 1986 году и Columbia в 2003 году , в результате чего погибло в общей сложности 14 астронавтов. Пятый действующий (и шестой в общей сложности) орбитальный аппарат, Endeavour , был построен в 1991 году для замены Challenger . Три сохранившихся действующих аппарата были выведены из эксплуатации после последнего полета Atlantis 21 июля 2011 года. США полагались на российский космический корабль « Союз» для перевозки астронавтов на МКС с последнего полета шаттла до запуска миссии Crew Dragon Demo-2 в мае 2020 года. [11]
В конце 1930-х годов правительство Германии запустило проект « Amerikabomber », и идея Ойгена Зенгера совместно с математиком Ирен Бредт представляла собой крылатую ракету под названием Silbervogel (по-немецки «серебряная птица»). [12] В 1950-х годах ВВС США предложили использовать многоразовый пилотируемый планер для выполнения военных операций, таких как разведка, спутниковая атака и применение оружия класса «воздух-земля». В конце 1950-х годов ВВС начали разработку частично многоразового X-20 Dyna-Soar . Военно-воздушные силы сотрудничали с NASA по проекту Dyna-Soar и начали подготовку шести пилотов в июне 1961 года. Рост расходов на разработку и приоритетность проекта Gemini привели к отмене программы Dyna-Soar в декабре 1963 года. В дополнение к Dyna-Soar Военно-воздушные силы провели исследование в 1957 году, чтобы проверить осуществимость многоразовых ускорителей. Это стало основой для аэрокосмического самолета , полностью многоразового космического корабля, который так и не был разработан после начальной стадии проектирования в 1962–1963 годах. [7] : 162–163
Начиная с начала 1950-х годов, NASA и ВВС сотрудничали в разработке подъемных тел для испытания самолетов, которые в первую очередь создавали подъемную силу за счет своих фюзеляжей, а не крыльев, и испытали NASA M2-F1 , Northrop M2-F2 , Northrop M2-F3 , Northrop HL-10 , Martin Marietta X-24A и Martin Marietta X-24B . Программа проверяла аэродинамические характеристики, которые позже будут включены в конструкцию Space Shuttle, включая безмоторную посадку с большой высоты и скорости. [13] : 142 [14] : 16–18
24 сентября 1966 года, когда космическая программа «Аполлон» приближалась к завершению проектирования, НАСА и ВВС опубликовали совместное исследование, в котором пришли к выводу, что для удовлетворения их будущих потребностей требуется новый корабль, и что частично многоразовая система будет наиболее экономически эффективным решением. [7] : 164 Глава Управления пилотируемых космических полетов НАСА Джордж Мюллер объявил о плане создания многоразового шаттла 10 августа 1968 года. 30 октября 1968 года НАСА опубликовало запрос предложений (RFP) на разработку интегрального пускового и возвращаемого транспортного средства (ILRV). [15] Вместо того чтобы заключать контракт на основе первоначальных предложений, НАСА объявило о поэтапном подходе к контрактованию и разработке космического шаттла; Фаза A была запросом на исследования, выполненные конкурирующими аэрокосмическими компаниями, Фаза B была конкурсом между двумя подрядчиками на получение конкретного контракта, Фаза C включала проектирование деталей компонентов космического корабля, а Фаза D была производством космического корабля. [16] [14] : 19–22
В декабре 1968 года NASA создало целевую группу Space Shuttle для определения оптимальной конструкции многоразового космического корабля и выдало контракты на исследования компаниям General Dynamics , Lockheed , McDonnell Douglas и North American Rockwell . В июле 1969 года целевая группа Space Shuttle опубликовала отчет, в котором определила, что Shuttle будет поддерживать краткосрочные пилотируемые миссии и космическую станцию, а также возможности запуска, обслуживания и извлечения спутников. В отчете также были созданы три класса будущих многоразовых шаттлов: Class I будет иметь многоразовый орбитальный аппарат, установленный на одноразовых ускорителях, Class II будет использовать несколько одноразовых ракетных двигателей и один топливный бак (ступень-и-полтора), а Class III будет иметь как многоразовый орбитальный аппарат, так и многоразовый ускоритель. В сентябре 1969 года Космическая целевая группа под руководством вице-президента США Спиро Агню опубликовала доклад, призывающий к разработке космического челнока для доставки людей и грузов на низкую околоземную орбиту (НОО), а также космического буксира для перелетов между орбитами и Луной и многоразовой ядерной верхней ступени для путешествий в дальний космос. [7] : 163–166 [8]
После публикации отчета Space Shuttle Task Group многие инженеры аэрокосмической отрасли отдали предпочтение конструкции Class III, полностью многоразового использования, из-за предполагаемой экономии затрат на оборудование. Макс Фаже , инженер НАСА, работавший над проектированием капсулы Mercury , запатентовал конструкцию двухступенчатой полностью возвращаемой системы с прямым крылом орбитального аппарата, установленного на более крупном прямокрылом ускорителе. [17] [18] Лаборатория динамики полета ВВС утверждала, что конструкция с прямым крылом не сможет выдержать высокие тепловые и аэродинамические нагрузки во время входа в атмосферу и не обеспечит требуемую дальность полета. Кроме того, ВВС требовали большую грузоподъемность, чем позволяла конструкция Фаже. В январе 1971 года руководство НАСА и ВВС решило, что многоразовый дельта-крыло орбитального аппарата, установленный на одноразовом топливном баке, будет оптимальной конструкцией для Space Shuttle. [7] : 166
После того, как они установили необходимость в многоразовом, тяжелом космическом корабле, НАСА и ВВС определили требования к конструкции своих соответствующих служб. ВВС ожидали использовать Space Shuttle для запуска больших спутников и требовали, чтобы он был способен поднимать 29 000 кг (65 000 фунтов) на восточную низкую околоземную орбиту или 18 000 кг (40 000 фунтов) на полярную орбиту . Проекты спутников также требовали, чтобы Space Shuttle имел грузовой отсек размером 4,6 на 18 м (15 на 60 футов). НАСА оценило двигатели F-1 и J-2 с ракет Saturn и определило, что они недостаточны для требований Space Shuttle; в июле 1971 года оно выдало контракт Rocketdyne на начало разработки двигателя RS-25 . [7] : 165–170
NASA рассмотрело 29 потенциальных проектов для Space Shuttle и определило, что следует использовать проект с двумя боковыми ускорителями, а ускорители должны быть многоразовыми для снижения затрат. [7] : 167 NASA и ВВС решили использовать твердотопливные ускорители из-за более низкой стоимости и простоты их восстановления для повторного использования после приземления в океане. В январе 1972 года президент Ричард Никсон одобрил Shuttle, и в марте NASA приняло решение о его окончательном проекте. Разработка главного двигателя Space Shuttle (SSME) оставалась обязанностью Rocketdyne, и контракт был выдан в июле 1971 года, а обновленные спецификации SSME были представлены Rocketdyne в апреле того же года. [19] В августе того же года NASA заключило контракт на строительство орбитального аппарата с North American Rockwell. В августе 1973 года контракт на внешний бак был заключен с Martin Marietta , а в ноябре контракт на твердотопливный ракетный ускоритель — с Morton Thiokol . [7] : 170–173
4 июня 1974 года Rockwell начал строительство первого орбитального аппарата OV-101, названного Constitution, позже переименованного в Enterprise . Enterprise был разработан как испытательный аппарат и не включал двигатели или теплозащиту. Строительство было завершено 17 сентября 1976 года, и Enterprise был перемещен на базу ВВС Эдвардс для начала испытаний. [7] : 173 [20] Rockwell построил Main Propulsion Test Article (MPTA)-098 , который представлял собой структурную ферму, прикрепленную к ET с тремя прикрепленными двигателями RS-25. Он был испытан в Национальной лаборатории космических технологий (NSTL), чтобы убедиться, что двигатели могут безопасно работать по профилю запуска. [21] : II-163 Rockwell провел механические и термические испытания на прочность Structural Test Article (STA)-099, чтобы определить влияние аэродинамических и термических напряжений во время запуска и входа в атмосферу. [21] : I-415
Начало разработки главного двигателя космического челнока RS-25 было отложено на девять месяцев, пока Pratt & Whitney оспаривала контракт, выданный Rocketdyne. Первый двигатель был завершен в марте 1975 года после проблем с разработкой первого дросселируемого многоразового двигателя. Во время испытаний двигателя у RS-25 произошло несколько отказов сопел, а также сломались лопатки турбины. Несмотря на проблемы во время испытаний, NASA заказало девять двигателей RS-25, необходимых для трех строящихся орбитальных аппаратов в мае 1978 года. [7] : 174–175
NASA столкнулось со значительными задержками в разработке системы тепловой защиты космического челнока . Предыдущие космические корабли NASA использовали абляционные тепловые экраны, но их нельзя было использовать повторно. NASA решило использовать керамическую плитку для тепловой защиты, поскольку шаттл можно было построить из легкого алюминия , а плитки можно было заменять по отдельности по мере необходимости. Строительство Columbia началось 27 марта 1975 года, и он был доставлен в KSC 25 марта 1979 года. [7] : 175–177 На момент прибытия в KSC на Columbia все еще оставалось установить 6000 из 30 000 плиток. Однако многие из плиток, которые были изначально установлены, пришлось заменить, что потребовало двух лет установки, прежде чем Columbia смогла полететь. [14] : 46–48
5 января 1979 года НАСА ввело в эксплуатацию второй орбитальный аппарат. Позже в том же месяце Роквелл начал переоборудовать STA-099 в OV-099, позже названный Challenger . 29 января 1979 года НАСА заказало два дополнительных орбитальных аппарата, OV-103 и OV-104, которые были названы Discovery и Atlantis . Строительство OV-105, позже названного Endeavour , началось в феврале 1982 года, но в 1983 году НАСА решило ограничить флот Space Shuttle четырьмя орбитальными аппаратами. После потери Challenger НАСА возобновило производство Endeavour в сентябре 1987 года. [14] : 52–53
После прибытия на авиабазу Эдвардс, Enterprise прошел летные испытания с самолетом-носителем шаттла , Boeing 747, который был модифицирован для перевозки орбитального аппарата. В феврале 1977 года Enterprise начал испытания на заход на посадку и посадку (ALT) и прошел полеты с привязью, где он оставался прикрепленным к самолету-носителю шаттла на протяжении всего полета. 12 августа 1977 года Enterprise провел свой первый тест на планирование, где он отсоединился от самолета-носителя шаттла и приземлился на авиабазе Эдвардс. [7] : 173–174 После четырех дополнительных полетов Enterprise был перемещен в Космический центр Маршалла (MSFC) 13 марта 1978 года. Enterprise прошел испытания на вибрацию в ходе испытания на вибрацию при сочленении с вертикальным грунтом, где он был прикреплен к внешнему баку и твердотопливным ракетным ускорителям и подвергался вибрациям для имитации напряжений запуска. В апреле 1979 года Enterprise был доставлен в KSC, где он был прикреплен к внешнему баку и твердотопливным ракетным ускорителям, и перемещен в LC-39 . После установки на стартовой площадке Space Shuttle использовался для проверки правильного позиционирования оборудования стартового комплекса. Enterprise был доставлен обратно в Калифорнию в августе 1979 года и позже использовался при разработке SLC -6 на авиабазе Ванденберг в 1984 году. [14] : 40–41
24 ноября 1980 года Columbia была состыкована с внешним баком и твердотопливными ракетными ускорителями, а 29 декабря была перемещена в LC-39. [21] : III-22 Первая миссия Space Shuttle, STS-1 , стала первым пилотируемым полетом космического корабля для NASA. [21] : III-24 12 апреля 1981 года Space Shuttle был запущен в первый раз, и его пилотировали Джон Янг и Роберт Криппен . Во время двухдневной миссии Янг и Криппен проверили оборудование на борту шаттла и обнаружили, что несколько керамических плиток отвалились от верхней стороны Columbia . [ 22] : 277–278 NASA координировало свои действия с ВВС, чтобы использовать спутники для получения изображений нижней части Columbia , и определило, что повреждений нет. [22] : 335–337 Колумбия вошла в атмосферу и приземлилась на авиабазе Эдвардс 14 апреля. [21] : III-24
NASA провело три дополнительных испытательных полета с Columbia в 1981 и 1982 годах. 4 июля 1982 года STS-4 , пилотируемый Кеном Мэттингли и Генри Хартсфилдом , приземлился на бетонной взлетно-посадочной полосе на авиабазе Эдвардс. Президент Рональд Рейган и его жена Нэнси встретились с экипажем и выступили с речью. После STS-4 NASA объявило о запуске своей космической транспортной системы (STS). [7] : 178–179 [23]
Space Shuttle был первым действующим орбитальным космическим аппаратом, разработанным для повторного использования . Каждый орбитальный аппарат Space Shuttle был разработан для прогнозируемого срока службы в 100 запусков или десяти лет эксплуатации, хотя позже этот срок был продлен. [24] : 11 При запуске он состоял из орбитального аппарата , который содержал экипаж и полезную нагрузку, внешнего бака (ET) и двух твердотопливных ракетных ускорителей (SRB). [2] : 363
Ответственность за компоненты шаттла была распределена между несколькими полевыми центрами NASA. KSC отвечал за запуск, посадку и разворотные операции для экваториальных орбит (единственный профиль орбиты, фактически использовавшийся в программе). Военно-воздушные силы США на авиабазе Ванденберг отвечали за запуск, посадку и разворотные операции для полярных орбит (хотя это никогда не использовалось). Космический центр Джонсона (JSC) служил центральной точкой для всех операций шаттла, а MSFC отвечал за основные двигатели, внешний бак и твердотопливные ракетные ускорители. Космический центр Джона К. Стенниса занимался испытаниями основных двигателей, а Центр космических полетов Годдарда управлял глобальной сетью слежения. [25]
Орбитальный аппарат имел элементы конструкции и возможности как ракеты, так и самолета, что позволяло ему взлетать вертикально и приземляться как планер. [2] : 365 Его трехсекционный фюзеляж обеспечивал поддержку отсека экипажа, грузового отсека, поверхностей полета и двигателей. Задняя часть орбитального аппарата содержала главные двигатели космического челнока (SSME), которые обеспечивали тягу во время запуска, а также систему орбитального маневрирования (OMS), которая позволяла орбитальному аппарату достигать, изменять и выходить с орбиты после выхода в космос. Его двухтреугольные крылья имели длину 18 м (60 футов) и были стреловидны на 81° по внутренней передней кромке и на 45° по внешней передней кромке. Каждое крыло имело внутренний и внешний элевоны для обеспечения управления полетом во время входа в атмосферу, а также закрылок, расположенный между крыльями, под двигателями, для управления тангажом . Вертикальный стабилизатор орбитального аппарата был стреловиден назад на 45° и содержал руль направления , который мог разделяться, чтобы действовать как тормоз скорости . [2] : 382–389 Вертикальный стабилизатор также содержал двухкомпонентную систему парашютного сопротивления для замедления орбитального аппарата после приземления. Орбитальный аппарат использовал убирающееся шасси с носовой стойкой и двумя основными стойками шасси, каждая из которых содержала по две шины. Основная стойка шасси содержала по два тормозных узла каждая, а носовая стойка шасси содержала электрогидравлический рулевой механизм. [2] : 408–411
Экипаж Space Shuttle менялся в зависимости от миссии. Они проходили тщательное тестирование и обучение, чтобы соответствовать квалификационным требованиям для своих ролей. Экипаж был разделен на три категории: пилоты, специалисты по полетам и специалисты по полезной нагрузке. Пилоты далее делились на две роли: командиры космических челноков и пилоты космических челноков. [26] В испытательных полетах участвовало всего два члена, командир и пилот, которые оба были квалифицированными пилотами, которые могли управлять и приземлять орбитальный аппарат. Операции на орбите, такие как эксперименты, развертывание полезной нагрузки и выходы в открытый космос, проводились в основном специалистами миссии, которые были специально обучены для своих предполагаемых миссий и систем. В начале программы Space Shuttle NASA летало со специалистами по полезной нагрузке, которые, как правило, были системными специалистами, работавшими на компанию, оплачивающую развертывание или эксплуатацию полезной нагрузки. Последний специалист по полезной нагрузке, Грегори Б. Джарвис , летал на STS-51-L , и будущие непилоты были назначены специалистами миссии. Астронавт летал в качестве инженера по космическим полетам на STS-51-C и STS-51-J , чтобы служить военным представителем полезной нагрузки Национального разведывательного управления . Экипаж космического челнока обычно состоял из семи астронавтов, а на STS-61-A летало восемь. [21] : III-21
Отсек экипажа состоял из трех палуб и был герметичной, обитаемой зоной во всех миссиях Space Shuttle. Летная палуба состояла из двух сидений для командира и пилота, а также дополнительных двух-четырех сидений для членов экипажа. Средняя палуба была расположена под летной палубой и была местом, где были установлены камбуз и койки экипажа, а также три или четыре сиденья для членов экипажа. Средняя палуба содержала воздушный шлюз, который мог поддерживать двух астронавтов во время внекорабельной деятельности (EVA), а также доступ к герметичным исследовательским модулям. Отсек оборудования находился под средней палубой, в котором хранились системы контроля окружающей среды и управления отходами. [14] : 60–62 [2] : 365–369
В первых четырех миссиях шаттла астронавты носили модифицированные высотные скафандры полного давления ВВС США, которые включали шлем полного давления во время подъема и спуска. С пятого полета, STS-5 , до потери Challenger , экипаж носил цельные светло-голубые летные костюмы из номекса и шлемы частичного давления. После катастрофы Challenger члены экипажа носили Launch Entry Suit (LES), версию высотных скафандров с частичным давлением со шлемом. В 1994 году LES был заменен на Advanced Crew Escape Suit полного давления (ACES), который повысил безопасность астронавтов в чрезвычайной ситуации. Первоначально Columbia имела модифицированные катапультные кресла SR-71 zero-zero, установленные для ALT и первых четырех миссий, но они были отключены после STS-4 и сняты после STS-9 . [2] : 370–371
Летная палуба была верхним уровнем отсека экипажа и содержала органы управления полетом для орбитального аппарата. Командир сидел на переднем левом сиденье, а пилот сидел на переднем правом сиденье, с двумя-четырьмя дополнительными сиденьями, установленными для дополнительных членов экипажа. Приборные панели содержали более 2100 дисплеев и органов управления, а командир и пилот были оба оснащены дисплеем на лобовом стекле (HUD) и вращающимся ручным контроллером (RHC) для подвеса двигателей во время полета с двигателем и управления орбитальным аппаратом во время полета без двигателя. Оба сиденья также имели органы управления рулем направления , чтобы обеспечить движение руля направления в полете и управление носовым колесом на земле. [2] : 369–372 Первоначально орбитальные аппараты были оснащены многофункциональной системой отображения на ЭЛТ (MCDS) для отображения и управления полетной информацией. MCDS отображала полетную информацию на сиденьях командира и пилота, а также на заднем сиденье, а также управляла данными на HUD. В 1998 году Atlantis был модернизирован с помощью многофункциональной электронной системы отображения (MEDS), которая представляла собой стеклянную кабину , модернизированную для пилотских приборов, которая заменила восемь дисплеев MCDS на 11 многофункциональных цветных цифровых экранов. MEDS впервые была запущена в мае 2000 года на STS-101 , и другие орбитальные аппараты были модернизированы до нее. Кормовая часть полетной палубы содержала окна, выходящие в грузовой отсек, а также RHC для управления системой дистанционного манипулятора во время грузовых операций. Кроме того, кормовая часть полетной палубы имела мониторы для замкнутой телевизионной системы для просмотра грузового отсека. [2] : 372–376
Средняя палуба содержала хранилище оборудования экипажа, спальную зону, камбуз, медицинское оборудование и гигиенические станции для экипажа. Экипаж использовал модульные шкафчики для хранения оборудования, которое можно было масштабировать в зависимости от потребностей, а также постоянно установленные отсеки в полу. Средняя палуба содержала люк с левого борта, который экипаж использовал для входа и выхода во время пребывания на Земле. [21] : II–26–33
Шлюзовая камера — это конструкция, установленная для обеспечения перемещения между двумя пространствами с различными газовыми компонентами, условиями или давлениями. Продолжая структуру средней палубы, каждый орбитальный аппарат изначально был установлен с внутренним шлюзом в средней палубе. Внутренний шлюз был установлен как внешний шлюз в грузовом отсеке на Discovery , Atlantis и Endeavour для улучшения стыковки с Mir и МКС вместе с системой стыковки Orbiter . [21] : II–26–33 Модуль шлюза может быть установлен в среднем отсеке или подключен к нему, но в грузовом отсеке. [27] : 81 С внутренним цилиндрическим объемом диаметром 1,60 метра (5 футов 3 дюйма) и длиной 2,11 метра (6 футов 11 дюймов) он может вместить двух астронавтов в скафандрах. Он имеет два люка в форме буквы D длиной (диаметром) 1,02 м (40 дюймов) и шириной 0,91 м (36 дюймов). [27] : 82
Орбитальный аппарат был оснащен системой авионики для предоставления информации и управления во время атмосферного полета. Его комплект авионики содержал три системы посадки с микроволновым сканирующим лучом , три гироскопа , три TACAN , три акселерометра , два радиолокационных высотомера , два барометрических высотомера , три индикатора положения , два индикатора числа Маха и два транспондера режима C. Во время возвращения экипаж развернул два зонда воздушных данных , когда они двигались медленнее, чем 5 Маха. Орбитальный аппарат имел три инерциальных измерительных блока (IMU), которые он использовал для наведения и навигации на всех этапах полета. Орбитальный аппарат содержит два звездных трекера для выравнивания IMU во время нахождения на орбите. Звездные трекеры развертываются во время нахождения на орбите и могут автоматически или вручную выравниваться по звезде. В 1991 году НАСА начало модернизировать инерциальные измерительные блоки с помощью инерциальной навигационной системы (INS), которая предоставляла более точную информацию о местоположении. В 1993 году NASA впервые запустило GPS- приемник на борту STS-51 . В 1997 году Honeywell начала разработку интегрированной GPS/INS для замены систем IMU, INS и TACAN, которые впервые были запущены на борту STS-118 в августе 2007 года. [2] : 402–403
Находясь на орбите, экипаж в основном общался с помощью одного из четырех радио S-диапазона , которые обеспечивали как голосовую, так и информационную связь. Два из радио S-диапазона были приемопередатчиками с фазовой модуляцией и могли передавать и принимать информацию. Два других радио S-диапазона были передатчиками с частотной модуляцией и использовались для передачи данных в NASA. Поскольку радиостанции S-диапазона могут работать только в пределах прямой видимости , NASA использовало наземные станции Системы спутниковой ретрансляции и отслеживания данных и Сети слежения и сбора данных космических аппаратов для связи с орбитальным аппаратом по всей его орбите. Кроме того, орбитальный аппарат развернул широкополосную радиостанцию диапазона Ku из грузового отсека, которая также могла использоваться в качестве радара сближения. Орбитальный аппарат также был оснащен двумя УВЧ- радиостанциями для связи с управлением воздушным движением и астронавтами, проводящими ВКД. [2] : 403–404
Система управления полетом по проводам космического челнока полностью зависела от его главного компьютера, Системы обработки данных (DPS). DPS управляла органами управления полетом и двигателями на орбитальном аппарате, а также ET и SRB во время запуска. DPS состояла из пяти универсальных компьютеров (GPC), двух блоков памяти на магнитной ленте (MMU) и связанных с ними датчиков для контроля компонентов космического челнока. [2] : 232–233 Первоначально используемый GPC был IBM AP-101B , который использовал отдельный центральный процессор (CPU) и процессор ввода-вывода (IOP), а также энергонезависимую твердотельную память . С 1991 по 1993 год орбитальные аппараты были модернизированы до AP-101S, что улучшило возможности памяти и обработки, а также уменьшило объем и вес компьютеров за счет объединения CPU и IOP в один блок. Четыре GPC были загружены основной системой программного обеспечения авионики (PASS), которая была специфичным для Space Shuttle программным обеспечением, которое обеспечивало управление на всех этапах полета. Во время подъема, маневрирования, входа в атмосферу и посадки четыре PASS GPC функционировали одинаково, чтобы обеспечить четверное резервирование и проверяли свои результаты на наличие ошибок. В случае ошибки программного обеспечения, которая могла вызвать ошибочные отчеты от четырех PASS GPC, пятый GPC запускал резервную систему полета, которая использовала другую программу и могла управлять Space Shuttle во время подъема, орбиты и входа в атмосферу, но не могла поддерживать всю миссию. Пять GPC были разделены на три отдельных отсека в средней палубе, чтобы обеспечить резервирование в случае отказа вентилятора охлаждения. После достижения орбиты экипаж переключал некоторые функции GPC с наведения, навигации и контроля (GNC) на управление системами (SM) и полезной нагрузкой (PL) для поддержки оперативной миссии. [2] : 405–408 Space Shuttle не был запущен, если его полет должен был длиться с декабря по январь, поскольку его программное обеспечение полета потребовало бы перезагрузки компьютеров орбитального корабля при смене года. В 2007 году инженеры NASA разработали решение, чтобы полеты Space Shuttle могли пересекать границу конца года. [28]
Миссии Space Shuttle обычно приносили портативный компьютер общей поддержки (PGSC), который мог интегрироваться с компьютерами и комплектом связи орбитального корабля, а также контролировать научные и полезные данные. Ранние миссии приносили Grid Compass , один из первых ноутбуков, как PGSC, но более поздние миссии приносили ноутбуки Apple и Intel . [2] : 408 [29]
.jpg/1280px-STS132_Atlantis_undocking2_(cropped).jpg)
Отсек полезной нагрузки включал большую часть фюзеляжа орбитального корабля и обеспечивал грузовое пространство для полезных грузов космического челнока. Он был 18 м (60 футов) в длину и 4,6 м (15 футов) в ширину и мог вмещать цилиндрические полезные грузы диаметром до 4,6 м (15 футов). Две двери отсека полезной нагрузки навешивались по обе стороны отсека и обеспечивали относительно герметичное уплотнение для защиты полезных грузов от нагрева во время запуска и возвращения в атмосферу. Полезные грузы были закреплены в отсеке полезной нагрузки к точкам крепления на лонжеронах . Двери отсека полезной нагрузки выполняли дополнительную функцию радиаторов для тепла орбитального корабля и открывались по достижении орбиты для отвода тепла. [14] : 62–64
Орбитальный аппарат мог использоваться совместно с различными дополнительными компонентами в зависимости от миссии. Это включало орбитальные лаборатории, [21] : II-304, 319 ускорители для запуска полезных грузов дальше в космос, [21] : II-326 система дистанционного манипулятора (RMS), [21] : II-40 и опционально поддон EDO для увеличения продолжительности миссии. [21] : II-86 Чтобы ограничить расход топлива, пока орбитальный аппарат был стыкован с МКС, была разработана система передачи энергии от станции к шаттлу (SSPTS) для преобразования и передачи энергии станции на орбитальный аппарат. [21] : II-87–88 SSPTS впервые была использована на STS-118 и была установлена на Discovery и Endeavour . [21] : III-366–368
Система дистанционного манипулятора (RMS), также известная как Canadarm, представляла собой механическую руку, прикрепленную к грузовому отсеку. Она могла использоваться для захвата и манипулирования полезными грузами, а также служить мобильной платформой для астронавтов, совершающих выход в открытый космос. RMS была построена канадской компанией Spar Aerospace и управлялась астронавтом внутри полетной палубы орбитального корабля с помощью окон и замкнутой телевизионной системы. RMS допускала шесть степеней свободы и имела шесть сочленений, расположенных в трех точках вдоль руки. Первоначальная RMS могла развертывать или извлекать полезные грузы весом до 29 000 кг (65 000 фунтов), который позже был улучшен до 270 000 кг (586 000 фунтов). [2] : 384–385
Модуль Spacelab был финансируемой Европой герметичной лабораторией, которая перевозилась внутри грузового отсека и позволяла проводить научные исследования на орбите. Модуль Spacelab содержал два сегмента по 2,7 м (9 футов), которые были установлены в кормовой части грузового отсека для поддержания центра тяжести во время полета. Астронавты входили в модуль Spacelab через туннель длиной 2,7 или 5,8 м (8,72 или 18,88 футов), который соединялся с воздушным шлюзом. Оборудование Spacelab в основном хранилось на поддонах, которые обеспечивали хранение как экспериментов, так и компьютерного и силового оборудования. [2] : 434–435 Оборудование Spacelab было запущено в 28 миссиях до 1999 года и изучало такие предметы, как астрономия, микрогравитация, радиолокация и науки о жизни. Оборудование Spacelab также поддерживало такие миссии, как обслуживание космического телескопа Хаббл (HST) и пополнение запасов космической станции. Модуль Spacelab был испытан на STS-2 и STS-3, а первая полноценная миссия состоялась на STS-9. [30]
Три двигателя RS-25, также известные как основные двигатели Space Shuttle (SSME), были установлены на хвостовой части фюзеляжа орбитального корабля в треугольной схеме. Сопла двигателей могли поворачиваться на ±10,5° по тангажу и на ±8,5° по рысканию во время подъема, чтобы изменять направление своей тяги для управления шаттлом. Многоразовые двигатели из титанового сплава были независимы от орбитального корабля и снимались и заменялись между полетами. RS-25 — это криогенный двигатель с циклом ступенчатого сгорания, который использовал жидкий кислород и водород и имел более высокое давление в камере, чем любая предыдущая ракета на жидком топливе. Первоначальная основная камера сгорания работала при максимальном давлении 226,5 бар (3285 фунтов на квадратный дюйм). Сопло двигателя имеет высоту 287 см (113 дюймов) и внутренний диаметр 229 см (90,3 дюйма). Сопло охлаждается 1080 внутренними линиями, по которым течет жидкий водород, и термически защищено изоляционным и абляционным материалом. [21] : II–177–183
Двигатели RS-25 имели несколько усовершенствований для повышения надежности и мощности. В ходе программы разработки Rocketdyne определила, что двигатель способен безопасно и надежно работать при 104% от первоначально указанной тяги. Чтобы сохранить значения тяги двигателя в соответствии с предыдущей документацией и программным обеспечением, NASA сохранило первоначально указанную тягу на уровне 100%, но заставило RS-25 работать с более высокой тягой. Модернизированные версии RS-25 были обозначены как Block I и Block II. Уровень тяги 109% был достигнут с двигателями Block II в 2001 году, что снизило давление в камере до 207,5 бар (3010 фунтов на кв. дюйм), поскольку он имел большую площадь горла . Нормальный максимальный дроссель составлял 104 процента, при этом 106% или 109% использовались для прерывания миссии. [14] : 106–107
Система орбитального маневрирования (OMS) состояла из двух установленных на корме двигателей AJ10-190 и связанных с ними топливных баков. Двигатели AJ10 использовали монометилгидразин (MMH), окисленный тетраоксидом диазота (N 2 O 4 ). Гондолы несли максимум 2140 кг (4718 фунтов) MMH и 3526 кг (7773 фунта) N 2 O 4 . Двигатели OMS использовались после выключения основного двигателя (MECO) для выхода на орбиту. На протяжении всего полета они использовались для изменения орбиты, а также для увода с орбиты перед входом в атмосферу. Каждый двигатель OMS выдавал 27 080 Н (6087 фунтов силы) тяги, и вся система могла обеспечить изменение скорости на 305 м/с (1000 футов/с) . [21] : II–80
Орбитальный аппарат был защищен от тепла во время входа в атмосферу системой тепловой защиты (TPS), тепловым защитным слоем вокруг орбитального аппарата. В отличие от предыдущих американских космических аппаратов, которые использовали абляционные тепловые экраны, для повторного использования орбитального аппарата требовался многоразовый тепловой экран. [14] : 72–73 Во время входа в атмосферу TPS подвергался воздействию температур до 1600 °C (3000 °F), но должен был поддерживать температуру алюминиевой оболочки орбитального аппарата ниже 180 °C (350 °F). TPS в основном состоял из четырех типов плиток. Носовой конус и передние кромки крыльев подвергались воздействию температур выше 1300 °C (2300 °F) и были защищены армированными углеродно-углеродными плитками (RCC). Более толстые плитки RCC были разработаны и установлены в 1998 году для предотвращения повреждений от микрометеороидов и орбитального мусора и были дополнительно усовершенствованы после повреждений RCC, вызванных катастрофой Columbia . Начиная с STS-114 , орбитальные аппараты были оснащены системой обнаружения удара передней кромки крыла, чтобы предупреждать экипаж о любых потенциальных повреждениях. [21] : II–112–113 Вся нижняя часть орбитального аппарата, а также другие самые горячие поверхности были защищены плитками высокотемпературной многоразовой поверхностной изоляции, изготовленными из покрытых боросиликатным стеклом кремниевых волокон, которые удерживали тепло в воздушных карманах и перенаправляли его наружу. Области на верхних частях орбитального аппарата были покрыты плитками белой низкотемпературной многоразовой поверхностной изоляции с аналогичным составом, которая обеспечивала защиту при температурах ниже 650 °C (1200 °F). Двери грузового отсека и части верхних поверхностей крыла были покрыты многоразовой поверхностной изоляцией из войлока Nomex или бета-тканью , поскольку температура там оставалась ниже 370 °C (700 °F). [2] : 395
Внешний бак космического челнока (ET) был самой большой [ требуется разъяснение ] частью ракеты [ требуется цитата ] и нёс топливо для главных двигателей космического челнока, а также соединял орбитальный аппарат с твёрдотопливными ракетными ускорителями. ET был 47 м (153,8 фута) в высоту и 8,4 м (27,6 фута) в диаметре и содержал отдельные баки для жидкого кислорода и жидкого водорода. Бак с жидким кислородом размещался в носовой части ET и имел высоту 15 м (49,3 фута). Бак с жидким водородом составлял большую часть ET и имел высоту 29 м (96,7 фута). Орбитальный аппарат был прикреплён к ET двумя соединительными пластинами, которые содержали пять топливных и два электрических шлангокабеля, а также передние и задние структурные крепления. Внешняя часть ET была покрыта оранжевой пеной, напыляемой для того, чтобы позволить ему выдержать жару подъема [2] : 421–422 и предотвратить образование льда из-за криогенного топлива. [31]
ET обеспечивал топливом главные двигатели Space Shuttle с момента старта до выключения главного двигателя. ET отделялся от орбитального корабля через 18 секунд после выключения двигателя и мог запускаться автоматически или вручную. Во время отделения орбитальный корабль убирал свои соединительные пластины, а соединительные шнуры были запечатаны, чтобы предотвратить попадание избыточного топлива в орбитальный корабль. После того, как болты, прикрепленные к структурным креплениям, были срезаны, ET отделялся от орбитального корабля. Во время отделения газообразный кислород выпускался из носа, чтобы заставить ET кувыркаться, гарантируя, что он разрушится при входе в атмосферу. ET был единственным основным компонентом системы Space Shuttle, который не использовался повторно, и он должен был двигаться по баллистической траектории в Индийский или Тихий океан. [2] : 422
For the first two missions, STS-1 and STS-2, the ET was covered in 270 kg (595 lb) of white fire-retardant latex paint to provide protection against damage from ultraviolet radiation. Further research determined that the orange foam itself was sufficiently protected, and the ET was no longer covered in latex paint beginning on STS-3.[21]: II-210 A light-weight tank (LWT) was first flown on STS-6, which reduced tank weight by 4,700 kg (10,300 lb). The LWT's weight was reduced by removing components from the hydrogen tank and reducing the thickness of some skin panels.[2]: 422 In 1998, a super light-weight ET (SLWT) first flew on STS-91. The SLWT used the 2195 aluminum-lithium alloy, which was 40% stronger and 10% less dense than its predecessor, 2219 aluminum-lithium alloy. The SLWT weighed 3,400 kg (7,500 lb) less than the LWT, which allowed the Space Shuttle to deliver heavy elements to ISS's high inclination orbit.[2]: 423–424
The Solid Rocket Boosters (SRB) provided 71.4% of the Space Shuttle's thrust during liftoff and ascent, and were the largest solid-propellant motors ever flown.[5] Each SRB was 45 m (149.2 ft) tall and 3.7 m (12.2 ft) wide, weighed 68,000 kg (150,000 lb), and had a steel exterior approximately 13 mm (.5 in) thick. The SRB's subcomponents were the solid-propellant motor, nose cone, and rocket nozzle. The solid-propellant motor comprised the majority of the SRB's structure. Its casing consisted of 11 steel sections which made up its four main segments. The nose cone housed the forward separation motors and the parachute systems that were used during recovery. The rocket nozzles could gimbal up to 8° to allow for in-flight adjustments.[2]: 425–429
The rocket motors were each filled with a total 500,000 kg (1,106,640 lb) of solid rocket propellant (APCP+PBAN), and joined in the Vehicle Assembly Building (VAB) at KSC.[2]: 425–426 In addition to providing thrust during the first stage of launch, the SRBs provided structural support for the orbiter vehicle and ET, as they were the only system that was connected to the mobile launcher platform (MLP).[2]: 427 At the time of launch, the SRBs were armed at T−5 minutes, and could only be electrically ignited once the RS-25 engines had ignited and were without issue.[2]: 428 They each provided 12,500 kN (2,800,000 lbf) of thrust, which was later improved to 13,300 kN (3,000,000 lbf) beginning on STS-8.[2]: 425 After expending their fuel, the SRBs were jettisoned approximately two minutes after launch at an altitude of approximately 46 km (150,000 ft). Following separation, they deployed drogue and main parachutes, landed in the ocean, and were recovered by the crews aboard the ships MV Freedom Star and MV Liberty Star.[2]: 430 Once they were returned to Cape Canaveral, they were cleaned and disassembled. The rocket motor, igniter, and nozzle were then shipped to Thiokol to be refurbished and reused on subsequent flights.[14]: 124
The SRBs underwent several redesigns throughout the program's lifetime. STS-6 and STS-7 used SRBs 2,300 kg (5,000 lb) lighter due to walls that were 0.10 mm (.004 in) thinner, but were determined to be too thin to fly safely. Subsequent flights until STS-26 used cases that were 0.076 mm (.003 in) thinner than the standard-weight cases, which reduced 1,800 kg (4,000 lb). After the Challenger disaster as a result of an O-ring failing at low temperature, the SRBs were redesigned to provide a constant seal regardless of the ambient temperature.[2]: 425–426
The Space Shuttle's operations were supported by vehicles and infrastructure that facilitated its transportation, construction, and crew access. The crawler-transporters carried the MLP and the Space Shuttle from the VAB to the launch site.[32] The Shuttle Carrier Aircraft (SCA) were two modified Boeing 747s that could carry an orbiter on its back. The original SCA (N905NA) was first flown in 1975, and was used for the ALT and ferrying the orbiter from Edwards AFB to the KSC on all missions prior to 1991. A second SCA (N911NA) was acquired in 1988, and was first used to transport Endeavour from the factory to the KSC. Following the retirement of the Space Shuttle, N905NA was put on display at the JSC, and N911NA was put on display at the Joe Davies Heritage Airpark in Palmdale, California.[21]: I–377–391 [33] The Crew Transport Vehicle (CTV) was a modified airport jet bridge that was used to assist astronauts to egress from the orbiter after landing, where they would undergo their post-mission medical checkups.[34] The Astrovan transported astronauts from the crew quarters in the Operations and Checkout Building to the launch pad on launch day.[35] The NASA Railroad comprised three locomotives that transported SRB segments from the Florida East Coast Railway in Titusville to the KSC.[36]
The Space Shuttle was prepared for launch primarily in the VAB at the KSC. The SRBs were assembled and attached to the external tank on the MLP. The orbiter vehicle was prepared at the Orbiter Processing Facility (OPF) and transferred to the VAB, where a crane was used to rotate it to the vertical orientation and mate it to the external tank.[14]: 132–133 Once the entire stack was assembled, the MLP was carried for 5.6 km (3.5 mi) to Launch Complex 39 by one of the crawler-transporters.[14]: 137 After the Space Shuttle arrived at one of the two launchpads, it would connect to the Fixed and Rotation Service Structures, which provided servicing capabilities, payload insertion, and crew transportation.[14]: 139–141 The crew was transported to the launch pad at T−3 hours and entered the orbiter vehicle, which was closed at T−2 hours.[21]: III–8 Liquid oxygen and hydrogen were loaded into the external tank via umbilicals that attached to the orbiter vehicle, which began at T−5 hours 35 minutes. At T−3 hours 45 minutes, the hydrogen fast-fill was complete, followed 15 minutes later by the oxygen tank fill. Both tanks were slowly filled up until the launch as the oxygen and hydrogen evaporated.[21]: II–186
The launch commit criteria considered precipitation, temperatures, cloud cover, lightning forecast, wind, and humidity.[37] The Space Shuttle was not launched under conditions where it could have been struck by lightning, as its exhaust plume could have triggered lightning by providing a current path to ground after launch, which occurred on Apollo 12.[38]: 239 The NASA Anvil Rule for a Shuttle launch stated that an anvil cloud could not appear within a distance of 19 km (10 nmi).[39] The Shuttle Launch Weather Officer monitored conditions until the final decision to scrub a launch was announced. In addition to the weather at the launch site, conditions had to be acceptable at one of the Transatlantic Abort Landing sites and the SRB recovery area.[37][40]
The mission crew and the Launch Control Center (LCC) personnel completed systems checks throughout the countdown. Two built-in holds at T−20 minutes and T−9 minutes provided scheduled breaks to address any issues and additional preparation.[21]: III–8 After the built-in hold at T−9 minutes, the countdown was automatically controlled by the Ground Launch Sequencer (GLS) at the LCC, which stopped the countdown if it sensed a critical problem with any of the Space Shuttle's onboard systems.[40] At T−3 minutes 45 seconds, the engines began conducting gimbal tests, which were concluded at T−2 minutes 15 seconds. The ground Launch Processing System handed off the control to the orbiter vehicle's GPCs at T−31 seconds. At T−16 seconds, the GPCs armed the SRBs, the sound suppression system (SPS) began to drench the MLP and SRB trenches with 1,100,000 L (300,000 U.S. gal) of water to protect the orbiter vehicle from damage by acoustical energy and rocket exhaust reflected from the flame trench and MLP during lift-off.[41][42] At T−10 seconds, hydrogen igniters were activated under each engine bell to quell the stagnant gas inside the cones before ignition. Failure to burn these gases could trip the onboard sensors and create the possibility of an overpressure and explosion of the vehicle during the firing phase. The hydrogen tank's prevalves were opened at T−9.5 seconds in preparation for engine start.[21]: II–186
Beginning at T−6.6 seconds, the main engines were ignited sequentially at 120-millisecond intervals. All three RS-25 engines were required to reach 90% rated thrust by T−3 seconds, otherwise the GPCs would initiate an RSLS abort. If all three engines indicated nominal performance by T−3 seconds, they were commanded to gimbal to liftoff configuration and the command would be issued to arm the SRBs for ignition at T−0.[43] Between T−6.6 seconds and T−3 seconds, while the RS-25 engines were firing but the SRBs were still bolted to the pad, the offset thrust would cause the Space Shuttle to pitch down 650 mm (25.5 in) measured at the tip of the external tank; the 3-second delay allowed the stack to return to nearly vertical before SRB ignition. This movement was nicknamed the "twang." At T−0, the eight frangible nuts holding the SRBs to the pad were detonated, the final umbilicals were disconnected, the SSMEs were commanded to 100% throttle, and the SRBs were ignited.[44][45] By T+0.23 seconds, the SRBs built up enough thrust for liftoff to commence, and reached maximum chamber pressure by T+0.6 seconds.[46][21]: II–186 At T−0, the JSC Mission Control Center assumed control of the flight from the LCC.[21]: III–9
At T+4 seconds, when the Space Shuttle reached an altitude of 22 meters (73 ft), the RS-25 engines were throttled up to 104.5%. At approximately T+7 seconds, the Space Shuttle rolled to a heads-down orientation at an altitude of 110 meters (350 ft), which reduced aerodynamic stress and provided an improved communication and navigation orientation. Approximately 20–30 seconds into ascent and an altitude of 2,700 meters (9,000 ft), the RS-25 engines were throttled down to 65–72% to reduce the maximum aerodynamic forces at Max Q.[21]: III–8–9 Additionally, the shape of the SRB propellant was designed to cause thrust to decrease at the time of Max Q.[2]: 427 The GPCs could dynamically control the throttle of the RS-25 engines based upon the performance of the SRBs.[21]: II–187
At approximately T+123 seconds and an altitude of 46,000 meters (150,000 ft), pyrotechnic fasteners released the SRBs, which reached an apogee of 67,000 meters (220,000 ft) before parachuting into the Atlantic Ocean. The Space Shuttle continued its ascent using only the RS-25 engines. On earlier missions, the Space Shuttle remained in the heads-down orientation to maintain communications with the tracking station in Bermuda, but later missions, beginning with STS-87, rolled to a heads-up orientation at T+6 minutes for communication with the tracking and data relay satellite constellation. The RS-25 engines were throttled at T+7 minutes 30 seconds to limit vehicle acceleration to 3 g. At 6 seconds prior to main engine cutoff (MECO), which occurred at T+8 minutes 30 seconds, the RS-25 engines were throttled down to 67%. The GPCs controlled ET separation and dumped the remaining liquid oxygen and hydrogen to prevent outgassing while in orbit. The ET continued on a ballistic trajectory and broke up during reentry, with some small pieces landing in the Indian or Pacific Ocean.[21]: III–9–10
Early missions used two firings of the OMS to achieve orbit; the first firing raised the apogee while the second circularized the orbit. Missions after STS-38 used the RS-25 engines to achieve the optimal apogee, and used the OMS engines to circularize the orbit. The orbital altitude and inclination were mission-dependent, and the Space Shuttle's orbits varied from 220 to 620 km (120 to 335 nmi).[21]: III–10
The type of mission the Space Shuttle was assigned to dictate the type of orbit that it entered. The initial design of the reusable Space Shuttle envisioned an increasingly cheap launch platform to deploy commercial and government satellites. Early missions routinely ferried satellites, which determined the type of orbit that the orbiter vehicle would enter. Following the Challenger disaster, many commercial payloads were moved to expendable commercial rockets, such as the Delta II.[21]: III–108, 123 While later missions still launched commercial payloads, Space Shuttle assignments were routinely directed towards scientific payloads, such as the Hubble Space Telescope,[21]: III–148 Spacelab,[2]: 434–435 and the Galileo spacecraft.[21]: III–140 Beginning with STS-71, the orbiter vehicle conducted dockings with the Mir space station.[21]: III–224 In its final decade of operation, the Space Shuttle was used for the construction of the International Space Station.[21]: III–264 Most missions involved staying in orbit several days to two weeks, although longer missions were possible with the Extended Duration Orbiter pallet.[21]: III–86 The 17 day 15 hour STS-80 mission was the longest Space Shuttle mission duration.[21]: III–238
Approximately four hours prior to deorbit, the crew began preparing the orbiter vehicle for reentry by closing the payload doors, radiating excess heat, and retracting the Ku band antenna. The orbiter vehicle maneuvered to an upside-down, tail-first orientation and began a 2–4 minute OMS burn approximately 20 minutes before it reentered the atmosphere. The orbiter vehicle reoriented itself to a nose-forward position with a 40° angle-of-attack, and the forward reaction control system (RCS) jets were emptied of fuel and disabled prior to reentry. The orbiter vehicle's reentry was defined as starting at an altitude of 120 km (400,000 ft), when it was traveling at approximately Mach 25. The orbiter vehicle's reentry was controlled by the GPCs, which followed a preset angle-of-attack plan to prevent unsafe heating of the TPS. During reentry, the orbiter's speed was regulated by altering the amount of drag produced, which was controlled by means of angle of attack, as well as bank angle. The latter could be used to control drag without changing the angle of attack. A series of roll reversals[c] were performed to control azimuth while banking.[47] The orbiter vehicle's aft RCS jets were disabled as its ailerons, elevators, and rudder became effective in the lower atmosphere. At an altitude of 46 km (150,000 ft), the orbiter vehicle opened its speed brake on the vertical stabilizer. At 8 minutes 44 seconds prior to landing, the crew deployed the air data probes, and began lowering the angle-of-attack to 36°.[21]: III–12 The orbiter's maximum glide ratio/lift-to-drag ratio varied considerably with speed, ranging from 1.3 at hypersonic speeds to 4.9 at subsonic speeds.[21]: II–1 The orbiter vehicle flew to one of the two Heading Alignment Cones, located 48 km (30 mi) away from each end of the runway's centerline, where it made its final turns to dissipate excess energy prior to its approach and landing. Once the orbiter vehicle was traveling subsonically, the crew took over manual control of the flight.[21]: III–13
The approach and landing phase began when the orbiter vehicle was at an altitude of 3,000 m (10,000 ft) and traveling at 150 m/s (300 kn). The orbiter followed either a -20° or -18° glideslope and descended at approximately 51 m/s (167 ft/s). The speed brake was used to keep a continuous speed, and crew initiated a pre-flare maneuver to a -1.5° glideslope at an altitude of 610 m (2,000 ft). The landing gear was deployed 10 seconds prior to touchdown, when the orbiter was at an altitude of 91 m (300 ft) and traveling 150 m/s (288 kn). A final flare maneuver reduced the orbiter vehicle's descent rate to 0.9 m/s (3 ft/s), with touchdown occurring at 100–150 m/s (195–295 kn), depending on the weight of the orbiter vehicle. After the landing gear touched down, the crew deployed a drag chute out of the vertical stabilizer, and began wheel braking when the orbiter was traveling slower than 72 m/s (140 kn). After the orbiter's wheels stopped, the crew deactivated the flight components and prepared to exit.[21]: III–13
The primary Space Shuttle landing site was the Shuttle Landing Facility at KSC, where 78 of the 133 successful landings occurred. In the event of unfavorable landing conditions, the Shuttle could delay its landing or land at an alternate location. The primary alternate was Edwards AFB, which was used for 54 landings.[21]: III–18–20 STS-3 landed at the White Sands Space Harbor in New Mexico and required extensive post-processing after exposure to the gypsum-rich sand, some of which was found in Columbia debris after STS-107.[21]: III–28 Landings at alternate airfields required the Shuttle Carrier Aircraft to transport the orbiter back to Cape Canaveral.[21]: III–13
In addition to the pre-planned landing airfields, there were 85 agreed-upon emergency landing sites to be used in different abort scenarios, with 58 located in other countries. The landing locations were chosen based upon political relationships, favorable weather, a runway at least 2,300 m (7,500 ft) long, and TACAN or DME equipment. Additionally, as the orbiter vehicle only had UHF radios, international sites with only VHF radios would have been unable to communicate directly with the crew. Facilities on the east coast of the US were planned for East Coast Abort Landings, while several sites in Europe and Africa were planned in the event of a Transoceanic Abort Landing. The facilities were prepared with equipment and personnel in the event of an emergency shuttle landing but were never used.[21]: III–19
After the landing, ground crews approached the orbiter to conduct safety checks. Teams wearing self-contained breathing gear tested for the presence of hydrogen, hydrazine, monomethylhydrazine, nitrogen tetroxide, and ammonia to ensure the landing area was safe.[48] Air conditioning and Freon lines were connected to cool the crew and equipment and dissipate excess heat from reentry.[21]: III-13 A flight surgeon boarded the orbiter and performed medical checks of the crew before they disembarked. Once the orbiter was secured, it was towed to the OPF to be inspected, repaired, and prepared for the next mission.[48]
The Space Shuttle flew from April 12, 1981,[21]: III–24 until July 21, 2011.[21]: III–398 Throughout the program, the Space Shuttle had 135 missions,[21]: III–398 of which 133 returned safely.[21]: III–80, 304 Throughout its lifetime, the Space Shuttle was used to conduct scientific research,[21]: III–188 deploy commercial,[21]: III–66 military,[21]: III–68 and scientific payloads,[21]: III–148 and was involved in the construction and operation of Mir[21]: III–216 and the ISS.[21]: III–264 During its tenure, the Space Shuttle served as the only U.S. vehicle to launch astronauts, of which there was no replacement until the launch of Crew Dragon Demo-2 on May 30, 2020.[49]
The overall NASA budget of the Space Shuttle program has been estimated to be $221 billion (in 2012 dollars).[21]: III−488 The developers of the Space Shuttle advocated for reusability as a cost-saving measure, which resulted in higher development costs for presumed lower costs-per-launch. During the design of the Space Shuttle, the Phase B proposals were not as cheap as the initial Phase A estimates indicated; Space Shuttle program manager Robert Thompson acknowledged that reducing cost-per-pound was not the primary objective of the further design phases, as other technical requirements could not be met with the reduced costs.[21]: III−489−490 Development estimates made in 1972 projected a per-pound cost of payload as low as $1,109 (in 2012) per pound, but the actual payload costs, not to include the costs for the research and development of the Space Shuttle, were $37,207 (in 2012) per pound.[21]: III−491 Per-launch costs varied throughout the program and were dependent on the rate of flights as well as research, development, and investigation proceedings throughout the Space Shuttle program. In 1982, NASA published an estimate of $260 million (in 2012) per flight, which was based on the prediction of 24 flights per year for a decade. The per-launch cost from 1995 to 2002, when the orbiters and ISS were not being constructed and there was no recovery work following a loss of crew, was $806 million. NASA published a study in 1999 that concluded that costs were $576 million (in 2012) if there were seven launches per year. In 2009, NASA determined that the cost of adding a single launch per year was $252 million (in 2012), which indicated that much of the Space Shuttle program costs are for year-round personnel and operations that continued regardless of the launch rate. Accounting for the entire Space Shuttle program budget, the per-launch cost was $1.642 billion (in 2012).[21]: III−490
On January 28, 1986, STS-51-L disintegrated 73 seconds after launch, due to the failure of the right SRB, killing all seven astronauts on board Challenger. The disaster was caused by the low-temperature impairment of an O-ring, a mission-critical seal used between segments of the SRB casing. Failure of the O-ring allowed hot combustion gases to escape from between the booster sections and burn through the adjacent ET, leading to a sequence of catastrophic events which caused the orbiter to disintegrate.[50]: 71 Repeated warnings from design engineers voicing concerns about the lack of evidence of the O-rings' safety when the temperature was below 53 °F (12 °C) had been ignored by NASA managers.[50]: 148
On February 1, 2003, Columbia disintegrated during re-entry, killing all seven of the STS-107 crew, because of damage to the carbon-carbon leading edge of the wing caused during launch. Ground control engineers had made three separate requests for high-resolution images taken by the Department of Defense that would have provided an understanding of the extent of the damage, while NASA's chief TPS engineer requested that astronauts on board Columbia be allowed to leave the vehicle to inspect the damage. NASA managers intervened to stop the Department of Defense's imaging of the orbiter and refused the request for the spacewalk,[21]: III–323 [51] and thus the feasibility of scenarios for astronaut repair or rescue by Atlantis were not considered by NASA management at the time.[52]
The partial reusability of the Space Shuttle was one of the primary design requirements during its initial development.[7]: 164 The technical decisions that dictated the orbiter's return and re-use reduced the per-launch payload capabilities. The original intention was to compensate for this lower payload by lowering the per-launch costs and a high launch frequency. However, the actual costs of a Space Shuttle launch were higher than initially predicted, and the Space Shuttle did not fly the intended 24 missions per year as initially predicted by NASA.[53][21]: III–489–490
The Space Shuttle was originally intended as a launch vehicle to deploy satellites, which it was primarily used for on the missions prior to the Challenger disaster. NASA's pricing, which was below cost, was lower than expendable launch vehicles; the intention was that the high volume of Space Shuttle missions would compensate for early financial losses. The improvement of expendable launch vehicles and the transition away from commercial payloads on the Space Shuttle resulted in expendable launch vehicles becoming the primary deployment option for satellites.[21]: III–109–112 A key customer for the Space Shuttle was the National Reconnaissance Office (NRO) responsible for spy satellites. The existence of NRO's connection was classified through 1993, and secret considerations of NRO payload requirements led to lack of transparency in the program. The proposed Shuttle-Centaur program, cancelled in the wake of the Challenger disaster, would have pushed the spacecraft beyond its operational capacity.[54]
The fatal Challenger and Columbia disasters demonstrated the safety risks of the Space Shuttle that could result in the loss of the crew. The spaceplane design of the orbiter limited the abort options, as the abort scenarios required the controlled flight of the orbiter to a runway or to allow the crew to egress individually, rather than the abort escape options on the Apollo and Soyuz space capsules.[55] Early safety analyses advertised by NASA engineers and management predicted the chance of a catastrophic failure resulting in the death of the crew as ranging from 1 in 100 launches to as rare as 1 in 100,000.[56][57] Following the loss of two Space Shuttle missions, the risks for the initial missions were reevaluated, and the chance of a catastrophic loss of the vehicle and crew was found to be as high as 1 in 9.[58] NASA management was criticized afterwards for accepting increased risk to the crew in exchange for higher mission rates. Both the Challenger and Columbia reports explained that NASA culture had failed to keep the crew safe by not objectively evaluating the potential risks of the missions.[57][59]: 195–203
The Space Shuttle retirement was announced in January 2004.[21]: III-347 President George W. Bush announced his Vision for Space Exploration, which called for the retirement of the Space Shuttle once it completed construction of the ISS.[60][61] To ensure the ISS was properly assembled, the contributing partners determined the need for 16 remaining assembly missions in March 2006.[21]: III-349 One additional Hubble Space Telescope servicing mission was approved in October 2006.[21]: III-352 Originally, STS-134 was to be the final Space Shuttle mission. However, the Columbia disaster resulted in additional orbiters being prepared for launch on need in the event of a rescue mission. As Atlantis was prepared for the final launch-on-need mission, the decision was made in September 2010 that it would fly as STS-135 with a four-person crew that could remain at the ISS in the event of an emergency.[21]: III-355 STS-135 launched on July 8, 2011, and landed at the KSC on July 21, 2011, at 5:57 a.m. EDT (09:57 UTC).[21]: III-398 From then until the launch of Crew Dragon Demo-2 on May 30, 2020, the US launched its astronauts aboard Russian Soyuz spacecraft.[62]
Following each orbiter's final flight, it was processed to make it safe for display. The OMS and RCS systems used presented the primary dangers due to their toxic hypergolic propellant, and most of their components were permanently removed to prevent any dangerous outgassing.[21]: III-443 Atlantis is on display at the Kennedy Space Center Visitor Complex in Florida,[21]: III-456 Discovery is on display at the Steven F. Udvar-Hazy Center in Virginia,[21]: III-451 Endeavour is on display at the California Science Center in Los Angeles,[21]: III-457 and Enterprise is displayed at the Intrepid Museum in New York.[21]: III-464 Components from the orbiters were transferred to the US Air Force, ISS program, and Russian and Canadian governments. The engines were removed to be used on the Space Launch System, and spare RS-25 nozzles were attached for display purposes.[21]: III-445
Similar spacecraft
The present limit on Shuttle landing payload is 14,400 kg (31,700 lb). This value applies to payloads intended for landing.
{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)