Космическа совалка

В 30-годишната си история, програмата за совалките е имала както своите велики моменти, така и трагични падения. Десетки астронавти са напускали Земята на успешни мисии, което е допринесло изключително много за науката. Този принос обаче си има цена. През 1986г. совалката „Чалънджър“ се взривява по време на излитане. През 2003г. „Колумбия“ се разпада над Тексас и тогава се предприемат мерки, които да направят совалките по-безопасни. През 2005г. „Дискавъри“ трябваше отново да ни изпрати в космоса, но огромно парче изолационна пяна се откъсна от външния резервоар и програмата беше отложена до Юли 2006г, когато „Дискавъри“ и „Атлантис“ поеха на успешни мисии.

В тази статия ще разгледаме забележителната технология зад американската космическа програма и изключителните усилия, които положиха от НАСА за тези успешни полети.

Първо нека се запознаем с отделните части на една совалка и мисия.

Космическата совалка се състои от следните основни компоненти:

• два реактивни двигателя – от основно значение за полета
• външен горивен резервоар – носи горивото, нужно за полета
• орбитер – превозва астронавтите и багажа

Една мисия протича при следните етапи:

• излизане в орбита
  • изстрелване – совалката излита
  • издигане
  • орбитално маневриране
• в орбита – живот в космоса
• навлизане в атмосферата
• кацане

Обикновено една мисия трае 6-7 дена, но може да продължи и до 14 дни. Нека да разгледаме всеки етап от мисията поотделно.

Изстрелване

За да се прелети от Земята до орбита, тежащата 2 милиона килограма совалка използва следните компоненти:

• два ракетни двигателя
• три основни двигателя в орбитера
• външен горивен резервоар
• орбитална маневрираща система

Ракетните двигатели

Те осигуряват основната изтласкваща сила (71 процента), нужна за изстрелването на совалката. Двигателите се състоят от:

• ракетен мотор – обшивка, ракетно гориво, стартер, дюза
• ракетно гориво
  • гориво – атомизиран алуминий (16%)
  • оксиданти – амониев перхлорат (70%)
  • катализатор – железен оксид на прах (0.2%)
  • слепител – полибутадиенова акрилна киселина (12%)
  • заздравител – епоксидна смола (2%)

• свързваща структура
• синтетични гумени пръстени между връзките
• летателни инструменти
• системи за кацане
  • парашути
  • плаващи устройства
  • устройства за сигнализация

• експлозивни заряди за отделяне на външния резервоар
• системи за контрол на тласъка
• механизъм за самоунищожение

Щом веднъж бъдат запалени, ракетните двигатели не могат да бъдат спрени. По тази причина те се задействат последни при изстрелване.

Основни двигатели

Орбитера има три основни двигателя, намиращи се в задната част на корпуса. Всеки двигател е дълъг 4.3м, с диаметър 2.3м в най-широката си точка и тежи 3039кг.
Тези двигатели осигуряват останалите 29% изтласкваща сила, нужна за изстрелването на совалката в орбита.

Двигателите изгарят течен водород и течен кислород в съотношение 6:1, които се съдържат във външния горивен резервоар. Това става изключително бързо и в изключително големи количества, равняващи се на изпразването на един семеен басейн за 10 секунди. Горивото изгаря частично в предварителната камера, за да се създадат високо налягане и горещи газове, които задвижват горивните помпи. След това горивото преминава в основната горивна камера, където изгаря напълно и излишните газове се изпускат през дюзата със скорост 10 000км/ч. Всеки двигател може да осигури между 1 668 000N и 2 090 664N изтласкване, което се регулира от 65% до 109% максимум мощност. Двигателите са монтирани върху кръгли плоскости, които позволяват да бъде контролирана посоката на изходящите газове, които пък определят посоката на ракетата.

Външен горивен резервоар

Както споменахме и по-горе, горивото за основните двигатели се съдържа във външния резервоар. Той е дълъг 48м. и има диаметър 8.4м. Когато е празен, резервоарът тежи 35 445кг. и събира около 719 000кг. ракетно гориво, което са около 2 милиона литра. Резервоарът е направен от алуминий и материали, съставени от алуминий. В него има два отделни резервоара, един за кислорода и един за водорода, които са разделени помежду си. Горивото минава по тръби с диаметър 43см. до основните двигатели на совалката. По тези тръби кислородът може да преминава максимално с 66 000 л/мин, а водородът със 179 000 л/мин.

Резервоарът е покрит с 2.5-сантиметров слой специална изолационна пяна. Тя поддържа горивото студено и го предпазва от топлината, която се създава при изстрелването. При изстрелването на „Колумбия“ през 2003г, части от изолационната пяна се откъснаха от резервоара и повредиха лявото крило на орбитера, което беше причината совалката да се разбие.

Издигане

Двигателите на двете орбитални маневриращи системи (OMS двигатели) се намират от долната страна на орбитера, по един от всяка страна на опашката. Тези двигатели променят позицията на совалката и я забавят за кацането.

Те работят с монометил хидразин (CH3NHNH2) и азотен тетраоксид (N2O4). Когато тези две субстанции влязат в контакт, те автоматично се запалват и горят при липсата на кислород. Двете се държат в отделни резервоари, всеки от който е под налягане с хелий. Той тласка течността по тръбите и няма нужда от механични помпи. Има два крана, пускащи и спиращи горивото, които се отварят от азотен газ под налягане, намиращ се в малък резервоар, близо до горивната камера на двигателя. Когато двигателите спрат, азотът отива от крановете в тръбите и ги прочиства от останалото гориво. Това предотвратява нежелани експлозии. По време на един полет има достатъчно азот, за да се отворят и затворят крановете 10 пъти.

Всеки от двата OMS двигателя осигурява 26 400N изтласкваща мощ. Заедно могат да ускорят совалката с 0.6 м/s2. Това променя скоростта на совалката с 305м/с. За навлизане или излизане от орбита е нужна промяна на скоростта с 31-153 м/с. Двигателите могат да се спрат и пуснат 1000 пъти и имат горивен живот от 15 часа.

Докато е на стартовата площадка, напълно заредената совалка тежи около 2 милиона кг. Последните приготовления по старта протичат в 31 секунди:

• -31сек. – компютрите на борда започват предстартово броене.
• -6.6сек. – основните двигатели на совалката се запалват един по един (в интервал от 0.12 секунди). Двигателите набират над 90% от мощността си.
• -3сек. основните двигатели са в позиция за излитане.
• 0сек. – ракетните двигатели се запалват и совалката излита от стартовата площадка.
• 20сек. – совалката се обръща надясно (на 180 градуса и 78градуса наклон).
• 60сек. – двигателите са на пълна мощност.
• 2мин. – ракетните двигатели се отделят от орбитера и резервоара на височина 45км. Основните двигатели продължават да работят.
  • От ракетните двигатели се пускат парашутите.
  • Двигатели се приземяват в океана на 225км. от бреговете на Флорида.
  • Кораби отиват за двигателите и ги връщат на сушата, където ще се обработят и използват пак.
• 7.7мин. – основните двигатели намалят мощност, за да се запази натоварването под 3g. Така совалката няма да се разпадне.
• 8.5мин. – основните двигатели изключват.
• 9мин. – външният горивен резервоар се отделя от орбитера. Резервоарът ще изгори в атмосферата.
• 10.5мин. – OMS двигателите се задействат, за да навлезе совалката в ниската орбита.
• 45мин. – OMS двигателите се задействат отново, за да навлезе совалката в по-висока орбита, на около 400км.

Совалката вече е в открития космос и е готова да продължи мисията си.

В орбита

Щом излезете в открития космос, орбитера става ваш дом за 14 дни. Той може да е ориентиран така, че товарните врати да сочат към Земята или обратното. Зависи от мисията. Едно от първите неща, които прави капитанът, е да отвори товарните врати, за да се охлади орбитера.

Орбитерът се състои от:

• Отделение за екипажа – където живеете и работите.
• Преден корпус – там са горивните клетки и резервоарите за газта.
• Модул с насочваща система – ракетни двигатели, които обръщат орбитера в различни посоки.
• Подвижен модул – използва се за „разходки“ в космоса.
• Средна част на корпуса
  • съдържа основни части, които дават достъп на екипажа до задните двигатели
  • представлява пода на товарното отделение

• Врати на товарното отделение – при отварянето им се охлажда орбитера.
• Механична ръка – намира се в товарното.
  • може да мести тежко оборудване от и в багажното отделение
  • платформа за астронавтите, излезли в космоса

• Задна част на корпуса – съдържа основните двигатели
• Жлебове на ОМС и ракетните двигатели.
• Самолетни елементи на орбитера
  • крила
  • опашка
  • регулираща перка

Отделението за екипажа има три палуби:

• Горна палуба
  • предна палуба – с всички контролни и предупредителни системи на совалката (кокпит).
  • места – там седят капитана, пилота и специалистите
  • задна палуба – с всички контроли за орбиталните операции

• Средна палуба
  • жилищни помещения (кухня, спални помещения, тоалетна)
  • складови помещения (личен багаж, оборудване за мисията, експерименти)
  • вход

• Долна палуба – с всички животоподдържащи, електрически и т.н. системи.

Условия на живот

Орбитера осигурява:

• Животоподдържащи системи – всичко, което ни дава Земята.
  • контрол на атмосферата
  • вода
  • контрол на температурата
  • светлина
  • храна
  • противопожарна система

• Промяна на позицията и орбита
• Връзка с наземния екип
• Навигация
• Електричество
• Компютри
• Условия за работа
  • пускане/прибиране на сателити
  • строеж – като при Международната космическа станция
  • провеждане на експерименти

Живот на борда

Орбитерът трябва да ви осигурява среда, като тази на Земята. Трябват ви въздух, храна, вода и умерена температура.

Нашата атмосфера е смес от газове (78% азот, 21% кислород, 1% други газове). Совалката трябва да осигурява подобна атмосфера. За да го направи, орбитерът е натоварен с течен кислород и течен азот в два резервоара под налягане, които се намират в средната част на корпуса. Двата газа се смесват при нормално атмосферно налягане.

Пет вентилационни системи раздвижват въздуха. Така се обират въглеродния диоксид, топлината и влагата.

Водата се получава от течния кислород и течния водород в горивните клетки на совалката (те могат да произвеждат по 11кг. вода на час). Водата преминава през водороден филтър, който премахва остатъците от водород и се складира в четири резервоара на долната палуба. Всеки резервоар събира до 75кг. вода. В тях има азот под налягане, който позволява на водата да достигне до екипажа. Питейната вода се филтрира и може да се затопли или охлади, в зависимост от нуждите. Излишната вода се събира в отделен резервоар и се изхвърля от борда.

Откритият космос е изключително студено място и температурите могат да варират в различните части на совалката. Електронното оборудване произвежда повече от достатъчно топлина, за да затопли орбитера. Проблемът е в излишната топлина. Системата за контрол на температурата трябва да се погрижи за две неща:

• Да затопля където е нужно, за да не замръзнат животоподдържащите системи.
• Да изведе излишната топлина.

Совалката има два метода на температурен контрол:

• Пасивен – за малки температурни разлики.
  • изолационни материали, покрития и боя – намаляват загубата на топлина през стените
  • електрически нагреватели – затоплят различни части на совалката

• Активен – по-сложен. Използва течност, за да регулира топлината.
  • пластини – метални пластини, които отнемат топлината при директен контакт с оборудването
  • обмен на топлина – оборудването отдава топлина на течност (вода, амоняк), която пък я предава към фреон
  • помпи, тръби, кранове – прехвърлят топлината от едно място на друго
  • радиатори – разположени по вътрешната страна на вратите на товарното отделение, те изпускат топлината в космоса

По пода на орбитера има флуоресцентни лампи, които осигуряват светлина за екипажа. Отвън също са разположени прожектори, които осветяват багажното отделение. Контролните панели са осветени отвътре, за по-лесно ориентиране.

Храната се складира в средната част на корпуса отделението на екипажа и е под различни форми. На орбитера има кухня, в която са контейнерите с храна, мястото за готвене, студена и топла вода и метални табли, за да не отлетят храната и приборите.

Както всеки дом, орбитера трябва да се чисти. Особено в орбита, летящите боклуци могат да бъдат опасни. Остатъци остават след ядене, чистене, работа и лична хигиена. За почистването на повърхностите, филтрите и самите астронавти се използват кърпи, почистващи препарати и прахосмукачки. Боклукът се разделя на мокър и сух, като мокрият се вкарва в сушилня, която изпарява водата от него. Торбите с боклук се събират на долната палуба, за да бъдат върнати и рециклирани на Земята. Биологичните отпадъци от тоалетната се сушат и складират в торби, които също се връщат на Земята и се изгарят.

В космоса рискът от пожар е много голям. На орбитера има противопожарна система, която се състои от:

• Димни детектори на всяка палуба.
• Димни детектори при електронното оборудване.
• Аларми и светлинни сигнали във всеки модул.
• Нетоксични пожарогасители.
• Маски и кислородни бутилки за всеки от екипажа.

След погасяване на пожара, системата за атмосферен контрол ще филтрира въздуха.

Позициониране, комуникация и навигация

За промяна на посоката на орбитера се използва системата за контрол, разположена в предната част и регулиращите перки на OMS двигателите в задната част.

Ракетните двигатели има 14 дюзи, които могат да въртят орбитера по всяка ос. За промяна на орбита се активират OMS двигателите. Те променят скоростта на орбитера.

Комуникация
Нужно е да има връзка с наземния екип, както и с всеки от останалите от екипажа. Екипът на НАСА в Хюстън изпраща сигнали през огромна радио антена в Ню Мексико, която ги предава на 36 000км. от Земята. Сателитите насочват сигнала към совалката. Всичко това действа и в другата посока.

В орбитера има няколко интеркома, разположени из отделението на екипажа. Носят се и лични комуникационни устройства, а видео камери има и отвън и отвътре на совалката.

Навигация, захранване и компютри

Орбитерът трябва да знае къде точно е в космоса, къде са останалите обекти и как да промени орбитата си. За да разбере къде е и с каква скорост се движи, орбитерът разчита на GPS технология. За да определи в коя посока е, разполага с няколко жироскопа. Всичката тази информация минава през бордовите компютри.

Всички системи се нуждаят от захранване. Три горивни клетки произвеждат електричество. Те комбинират кислород и водород от резервоарите под налягане и произвеждат електричество и вода. Също като електрическата система на Земята, орбитерът снабдява с електричество различните системи и модули на совалката.

Орбитерът има пет бордови компютри, които контролират важните летателни системи. Наблюдават оборудването и комуникират помежду си.
Пилотите управляват компютрите, които пък управляват полета. За улеснение на совалката има мултифункционална електронна дисплейна система (MEDS), която е нова, цветна система от 11 плоски екрана. MEDS, наричана още и „стъклената кабина“, осигурява визуално изобразяване на основните индикатори (височина, позиция, скорост). Системата се разчита лесно и с нея пилотите по-лесно управляват орбитера.

Работа на борда

Совалката е проектирана за пускане и прибиране на сателити, както и за доставяне на товари до земната орбита. Тук на помощ идва механичната ръка, която е построена в Канада, която си има лакът и китка. Ръката може да хваща товари (сателити) от товарното отделение и да ги пуска или да прибира товари от космоса в товарното.

Преди години совалката е използвана за пускане на сателити и провеждане на експерименти в космоса. При всяка мисия се изпълняват най-различни експерименти и поради липса на достатъчно място е построена космическа лаборатория. Тя е дело на европейската космическа агенция и се намира в товарното отделение. Космическата лаборатория е унищожена при инцидента с „Колумбия“ през 2003г. и сега повечето експерименти ще се провеждат на борда на Международната космическа станция.

Основната роля на совалката е строежът и снабдяването на Международната космическа станция. Совалката доставя компоненти, които са построени на Земята. Астронавтите използват механичната ръка, за да прикрепят новите модули към станцията.

Екипажът редовно трябва да прави упражнения, тъй като при безтегловност се губи костна и мускулна маса.

Когато мисията е изпълнена, е време совалката да се върне на Земята.

Завръщане на Земята

За успешно връщане на Земята е нужно десетки неща да станат както трябва. Първо орбитерър трябва да застане в определена позиция. Това е от основно значение за безопасно кацане.

Когато мисията е изпълнена, от наземната база дават команда за завръщане у дома.

1. Затварят се вратите на товарното отделение.
2. Орбитерът се завърта със задната част напред и се задействат OMS двигателите, за да намалят скоростта. До навлизане в атмосферата са нужни 25 минути.
3. През това време екипажът пуска ракетните двигатели, които преобръщат орбитера, така че дъното му да сочи към атмосферата (на около 40 градуса), а носът напред.
4. Накрая изгарят цялото останало гориво като предпазна мярка, защото при навлизането в атмосферата температурата е много висока.

Орбитерът се движи с 28 000км/ч и се нагрява от триенето с молекулите на въздуха (до около 1650 градуса по Целзий). Корпусът е покрит с керамични изолационни материали, създадени да устояват на топлината. Йонизираните газове, които обграждат совалката при навлизането й в атмосферата прекъсват радио връзката със Земята за 12 минути.

След навлизането в атмосферата, совалката може да лети във въздуха като самолет. От този момент бордовите компютри поемат контрола над орбитера. Той прави серии от S-образни завои, за да намали скоростта преди захождането към пистата. На 40км. разстояние компютрите прехвърлят управлението на капитана, който пилотира совалката през въображаем цилиндър (5 500м. в диаметър), за да я изравни с пистата. При последното захождане командирът променя ъгъла на -20 градуса (7 пъти по-голям отколкото при обикновените самолети).

Когато орбитерът е на 610 над земята, капитанът намаля скоростта, пуска колесника и активира спирачките. От задната част излиза парашут и совалката спира някъде близо до средата на пистата.

След приземяването екипажът задейства процедури по изключване. Това отнема около 20 минути, през които совалката се охлажда и отделя газове, които са се образували при навлизането в атмосферата. Екипажът излиза, а отвън чакат екипи, които започват работа по совалката.

История на совалката

С наближаването на края на програма Аполо, НАСА разглежда бъдещето на американската космическа програма. Тогава са използвали ракети за еднократна употреба и се нуждаели от надеждни, по-евтини ракети, които да се използват повече от веднъж. Идеята била за совалка, която да се изстрелва като ракета и да каца като самолет.

НАСА започват проучвания по плановете, цената и устройството на совалката, както и още много други космически компании. През 1972г. президентът Никсън обявява, че НАСА ще построят совалка, която ще се използва повече от веднъж или космическа транспортна система. НАСА решават, че совалката ще се състои от орбитер, който ще е закрепен за ракетни двигатели и външен резервоар за гориво.

По онова време се използвали аблативни топлинни щитове, които нямало да издържат при навлизане в атмосферата и трябвало да се измисли нещо друго. На конструкторите на совалката им дошла идеята да я покрият с изолационни керамични плочки, които да абсорбират топлината.

Совалката трябвало да каца като самолет, така че направили прототип на орбитера, с който да тестват аеродинамичността му. Прототипът бил наречен „Ентърпрайз“ като кораба от „Стар трек“. „Ентърпрайз“ направил множество полети и тестови приземявания, като е пускан от Боинг 747.

След много години на опити и тестове, совалката била готова да полети. Били построени четири (Колумбия, Дискавъри, Атлантис и Чаленджер). Първият полет бил през 1981г. с „Колумбия“, пилотирана от астронавтите Джош Янг и Робърт Крипен. „Колумбия“ се представила добре и скоро и останалите совалки направи успешни полети.

През 1986г. совалката „Чаленджер“ се взривява при полет и загива целият екипаж. НАСА спира програмата за няколко години, докато се изясняват причините за трагедията и не бъдат поправени. Тогава била построена совалката „Ендевър“, която трябвало да замести „Чаленджер“.

През 2003г. при навлизане в земната атмосфера, совалката „Колумбия“ се разпада в небето над САЩ. НАСА отново спира космическата програма и работи усърдно за поправяне на грешките. През 2006г. от „Дискавъри“ се откъсва парче изолационна пяна и програмата за пореден път е спряна до разрешаване на проблема. „Дискавъри“ излита два пъти през 2006г. Според НАСА, първият пуск през Юли 2006г. е бил най-сниманата совалка в историята. След няколко проблема с горивните клетки и сензорите, през Септември 2006г. пускат и „Атлантис“.

Космическите совалки са огромен технологичен напредък, но са ограничени в количеството товар, което могат да носят. Те не са тежкотоварни и не могат да напускат гравитационното поле на Земята, за да отидат на Луната например. В момента НАСА разработват нови концепции за превозни средства, които биха могли да отидат до Луната или Марс.