В 30-годишната си история, програмата за совалките е имала както

В 30-годишната си история, програмата за совалките е имала както своите велики моменти, по този начин и трагични падения. Десетки астронавти са напускали Земята на сполучливи задачи, което е асъдействало извънредно доста за науката. Този принос обаче си има цена. През 1986г. совалката „ Чалънджър “ се взривява по време на политане. През 2003г. „ Колумбия “ се разпада над Тексас и тогава се подхващат ограничения, които да създадат совалките по-безопасни. През 2005г. „ Дискавъри “ трябваше още веднъж да ни изпрати в космоса, само че голямо парче изолационна пяна се откъсна от външния контейнер и програмата беше отсрочена до Юли 2006г, когато „ Дискавъри “ и „ Атлантис “ поеха на сполучливи задачи.

В тази публикация ще разгледаме забележителната технология зад американската галактическа стратегия и изключителните старания, които поставиха от НАСА за тези сполучливи полети.

Първо дано се срещнем с обособените елементи на една совалка и задача.

Космическата совалка се състои от следните съществени съставни елементи:

• два реактивни мотора – от главно значение за полета
• външен горивен контейнер – носи горивото, нужно за полета
• орбитер – транспортира астронавтите и багажа

Една задача протича при следните стадии:

• излизане в орбита
  • изстрелване – совалката излетява
  • издигане
  • орбитално маневриране
• в орбита – живот в космоса
• нахлуване в атмосферата
• кацане

Обикновено една задача трае 6-7 дни, само че може да продължи и до 14 дни. Нека да разгледаме всеки стадий от задачата поотделно.

Изстрелване

За да се прелети от Земята до орбита, тежащата 2 милиона кг совалка употребява следните съставни елементи:

• два ракетни мотора
• три съществени мотора в орбитера
• външен горивен контейнер
• орбитална маневрираща система

Ракетните мотори

Те обезпечават главната изтласкваща мощ (71 процента), нужна за изстрелването на совалката. Двигателите се състоят от:

• ракетен мотор – облицовка, ракетно гориво, запалител, дюза
• ракетно гориво
  • гориво – атомизиран алуминий (16%)
  • оксиданти – амониев перхлорат (70%)
  • катализатор – стоманен оксид на прахуляк (0.2%)
  • слепител – полибутадиенова акрилна киселина (12%)
  • заздравител – епоксидна смола (2%)

• свързваща конструкция
• синтетични гумени пръстени сред връзките
• летателни принадлежности
• системи за кацане
  • парашути
  • плаващи устройства
  • устройства за сигнализация

• избухливи заряди за обособяване на външния контейнер
• системи за надзор на тласъка
• механизъм за самоизтребление

Щом един път бъдат запалени, ракетните мотори не могат да бъдат спрени. По тази причина те се задействат последни при изстрелване.

Основни мотори

Орбитера има три съществени мотора, намиращи се в задната част на корпуса. Всеки мотор е дълъг 4.3м, с диаметър 2.3м в най-широката си точка и тежи 3039кг.
Тези мотори обезпечават останалите 29% изтласкваща мощ, нужна за изстрелването на совалката в орбита.

Двигателите изгарят течен водород и течен О2 в съответствие 6:1, които се съдържат във външния горивен контейнер. Това става извънредно бързо и в извънредно огромни количества, равняващи се на изпразването на един фамилен басейн за 10 секунди. Горивото изгаря отчасти в предварителната камера, с цел да се основат високо налягане и горещи газове, които задвижват горивните помпи. След това горивото минава в главната горивна камера, където изгаря изцяло и непотребните газове се изпускат през дюзата със скорост 10 000км/ч. Всеки мотор може да обезпечи сред 1 668 000N и 2 090 664N изтласкване, което се контролира от 65% до 109% най-много мощ. Двигателите са инсталирани върху кръгли плоскости, които разрешават да бъде следена посоката на изходящите газове, които пък дефинират посоката на ракетата.

Външен горивен контейнер

Както споменахме и нагоре, горивото за главните мотори се съдържа във външния контейнер. Той е дълъг 48м. и има диаметър 8.4м. Когато е празен, резервоарът тежи 35 445кг. и събира към 719 000кг. ракетно гориво, което са към 2 милиона литра. Резервоарът е изработен от алуминий и материали, формирани от алуминий. В него има два обособени резервоара, един за кислорода и един за водорода, които са разграничени между тях. Горивото минава по тръби с диаметър 43см. до главните мотори на совалката. По тези тръби кислородът може да минава оптимално с 66 000 л/мин, а водородът със 179 000 л/мин.

Резервоарът е затрупан с 2.5-сантиметров пласт специфична изолационна пяна. Тя поддържа горивото студено и го защищава от топлината, която се основава при изстрелването. При изстрелването на „ Колумбия “ през 2003г, елементи от изолационната пяна се откъснаха от резервоара и повредиха лявото крило на орбитера, което беше повода 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 мотори трансформират позицията на совалката и я забавят за кацането.

Те работят с монометил хидразин (CH3NHNH2) и азотен тетраоксид (N2O4). Когато тези две вещества влязат в контакт, те автоматизирано се възпламеняват и горят при неналичието на О2. Двете се държат в обособени резервоари, всеки от който е под налягане с хелий. Той тласка течността по тръбите и няма потребност от механични помпи. Има два крана, пускащи и спиращи горивото, които се отварят от азотен газ под налягане, намиращ се в дребен контейнер, покрай горивната камера на мотора. Когато моторите спрат, азотът отива от крановете в тръбите и ги прочиства от останалото гориво. Това предотвратява нежелани детонации. По време на един полет има задоволително азот, с цел да се отворят и затворят крановете 10 пъти.

Всеки от двата OMS мотора обезпечава 26 400N изтласкваща мощност. Заедно могат да ускорят совалката с 0.6 м/s2. Това трансформира скоростта на совалката с 305м/с. За нахлуване или излизане от орбита е нужна смяна 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, изцяло заредената совалка тежи към 2 милиона кг. Последните мерки по старта протичат в 31 секунди:

• -31сек. – компютрите на борда стартират предстартово преброяване.
• -6.6сек. – главните мотори на совалката се възпламеняват един по един (в период от 0.12 секунди). Двигателите набират над 90% от мощността си.
• -3сек. главните мотори са в позиция за политане.
• 0сек. – ракетните мотори се възпламеняват и совалката излетява от стартовата площадка.
• 20сек. – совалката се обръща надясно (на 180 градуса и 78градуса наклон).
• 60сек. – моторите са на цялостна мощ.
• 2мин. – ракетните мотори се отделят от орбитера и резервоара на височина 45км. Основните мотори не престават да работят.
  • От ракетните мотори се пускат парашутите.
  • Двигатели се приземяват в океана на 225км. от крайбрежията на Флорида.
  • Кораби отиват за моторите и ги връщат на сушата, където ще се обработят и употребяват отново.
• 7.7мин. – главните мотори понижат мощ, с цел да се резервира натоварването под 3g. Така совалката няма да се разпадне.
• 8.5мин. – главните мотори изключват.
• 9мин. – външният горивен контейнер се отделя от орбитера. Резервоарът ще изгори в атмосферата.
• 10.5мин. – OMS моторите се задействат, с цел да навлезе совалката в ниската орбита.
• 45мин. – OMS моторите се задействат още веднъж, с цел да навлезе совалката в по-висока орбита, на към 400км.

Совалката към този момент е в открития космос и е подготвена да продължи задачата си.

В орбита

Щом излезете в открития космос, орбитера става ваш дом за 14 дни. Той може да е насочен по този начин, че товарните порти да сочат към Земята или противоположното. Зависи от задачата. Едно от първите неща, които прави капитанът, е да отвори товарните порти, с цел да се охлади орбитера.

Орбитерът се състои от:

• Отделение за екипажа – където живеете и работите.
• Преден корпус – там са горивните кафези и резервоарите за газта.
• Модул с насочваща система – ракетни мотори, които обръщат орбитера в разнообразни направления.
• Подвижен модул – употребява се за „ разходки “ в космоса.
• Средна част на корпуса
  • съдържа съществени елементи, които дават достъп на екипажа до задните мотори
  • съставлява пода на товарното поделение

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

• Задна част на корпуса – съдържа главните мотори
• Жлебове на ОМС и ракетните мотори.
• Самолетни детайли 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, водача и експертите
  • задна палуба – с всички контроли за орбиталните интервенции

• Средна палуба
  • жилищни пространства (кухня, спални пространства, тоалетна)
  • складови пространства (личен багаж, съоръжение за задачата, експерименти)
  • вход

• Долна палуба – с всички животоподдържащи, електрически и така нататък системи.

Условия на живот

Орбитера обезпечава:

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

• Промяна на позицията и орбита
• Връзка с наземния екип
• Навигация
• Електричество
• Компютри
• Условия за работа
  • пускане/прибиране на спътници
  • градеж – като при Международната галактическа станция
  • осъществяване на опити

Живот на борда

Орбитерът би трябвало да ви обезпечава среда, като тази на Земята. Трябват ви въздух, храна, вода и умерена температура.

Нашата атмосфера е примес от газове (78% азот, 21% О2, 1% други газове). Совалката би трябвало да обезпечава сходна атмосфера. За да го направи, орбитерът е претрупан с течен О2 и течен азот в два резервоара под налягане, които се намират в междинната част на корпуса. Двата газа се смесват при обикновено атмосферно налягане.

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

Водата се получава от течния О2 и течния водород в горивните кафези на совалката (те могат да създават по 11кг. вода на час). Водата минава през водороден филтър, който отстранява остатъците от водород и се складира в четири резервоара на долната палуба. Всеки контейнер събира до 75кг. вода. В тях има азот под налягане, който разрешава на водата да доближи до екипажа. Питейната вода се филтрира и може да се затопли или охлади, според от потребностите. Излишната вода се събира в обособен контейнер и се изхвърля от борда.

Откритият космос е извънредно студено място и температурите могат да варират в другите елементи на совалката. Електронното съоръжение създава повече от задоволително топлота, с цел да затопли орбитера. Проблемът е в непотребната топлота. Системата за надзор на температурата би трябвало да се погрижи за две неща:

• Да затопля където е нужно, с цел да не замръзнат животоподдържащите системи.
• Да изведе непотребната топлота.

Совалката има два метода на температурен надзор:

• Пасивен – за дребни температурни разлики.
  • изолационни материали, покрития и багра – понижават загубата на топлота през стените
  • електрически нагреватели – затоплят разнообразни елементи на совалката

• Активен – по-сложен. Използва течност, с цел да контролира топлината.
  • пластини – железни пластини, които лишават топлината при пряк контакт с оборудването
  • продан на топлота – оборудването отдава топлота на течност (вода, амоняк), която пък я предава към фреон
  • помпи, тръби, кранове – трансферират топлината от едно място на друго
  • радиатори – ситуирани по вътрешната страна на вратите на товарното поделение, те изпускат топлината в космоса

По пода на орбитера има флуоресцентни лампи, които обезпечават светлина за екипажа. Отвън също са ситуирани прожектори, които осветяват багажното поделение. Контролните панели са осветени от вътрешната страна, за по-лесно насочване.

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

Както всеки дом, орбитера би трябвало да се чисти. Особено в орбита, летящите отпадъци могат да бъдат рискови. Остатъци остават след ястие, почистване, работа и персонална хигиена. За почистването на повърхностите, филтрите и самите астронавти се употребяват кърпи, почистващи препарати и прахосмукачки. Боклукът се разделя на влажен и изсъхнал, като мокрият се вкарва в сушилня, която изпарява водата от него. Торбите с отпадък се събират на долната палуба, с цел да бъдат върнати и рециклирани на Земята. Биологичните боклуци от тоалетната се сушат и складират в торби, които също се връщат на Земята и се изгарят.

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

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

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

Позициониране, връзка и навигация

За смяна на посоката на орбитера се употребява системата за надзор, ситуирана в предната част и регулиращите перки на OMS моторите в задната част.

Ракетните мотори има 14 дюзи, които могат да въртят орбитера по всяка ос. За смяна на орбита се задействат OMS моторите. Те трансформират 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 голяма радио антена в Ню Мексико, която ги предава на 36 000км. от Земята. Сателитите насочват сигнала към совалката. Всичко това работи и в другата посока.

В орбитера има няколко интеркома, ситуирани из отделението на екипажа. Носят се и персонални информационни устройства, а видео камери има и извън и от вътрешната страна на совалката.

Навигация, зареждане и компютри

Орбитерът би трябвало да знае къде тъкмо е в космоса, къде са останалите обекти и по какъв начин да промени орбитата си. За да разбере къде е и с каква скорост се движи, орбитерът разчита на GPS технология. За да дефинира в коя посока е, разполага с няколко жироскопа. Всичката тази информация минава през бордовите компютри.

Всички системи се нуждаят от зареждане. Три горивни кафези създават електричество. Те комбинират О2 и водород от резервоарите под налягане и създават електричество и вода. Също като електрическата система на Земята, орбитерът доставя с електричество другите системи и модули на совалката.

Орбитерът има пет бордови компютри, които управляват значимите летателни системи. Наблюдават оборудването и споделят между тях.
Пилотите ръководят компютрите, които пък ръководят полета. За облекчение на совалката има мултифункционална електронна дисплейна система (MEDS), която е нова, цветна система от 11 плоски екрана. MEDS, наричана още и „ стъклената кабина “, обезпечава образно обрисуване на главните знаци (височина, позиция, скорост). Системата се разчита елементарно и с нея водачите по-лесно ръководят орбитера.

Работа на борда

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

Преди години совалката е употребена за стартиране на спътници и осъществяване на опити в космоса. При всяка задача се извършват най-различни опити и заради липса на задоволително място е издигната галактическа лаборатория. Тя е дело на европейската галактическа организация и се намира в товарното поделение. Космическата лаборатория е унищожена при случая с „ Колумбия “ през 2003г. и в този момент множеството опити ще се организират на борда на Международната галактическа станция.

Основната роля на совалката е градежът и снабдяването на Международната галактическа станция. Совалката доставя съставни елементи, които са издигнати на Земята. Астронавтите употребяват механичната ръка, с цел да прикрепят новите модули към станцията.

Екипажът постоянно би трябвало да прави извършения, защото при безтегловност се губи костна и мускулна маса.

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

Завръщане на Земята

За сполучливо връщане на Земята е нужно десетки неща да станат както би трябвало. Първо орбитерър би трябвало да застане в избрана позиция. Това е от главно значение за безвредно кацане.

Когато задачата е изпълнена, от наземната база дават команда за завръщане вкъщи.

1. Затварят се вратите на товарното поделение.
2. Орбитерът се завърта със задната част напред и се задействат OMS моторите, с цел да понижат скоростта. До нахлуване в атмосферата са нужни 25 минути.
3. През това време екипажът пуска ракетните мотори, които прекатурват орбитера, тъй че дъното му да сочи към атмосферата (на към 40 градуса), а носът напред.
4. Накрая изгарят цялото останало гориво като защитна мярка, тъй като при навлизането в атмосферата температурата е доста висока.

Орбитерът се движи с 28 000км/ч и се нагрява от триенето с молекулите на въздуха (до към 1650 градуса по Целзий). Корпусът е затрупан с керамични изолационни материали, основани да устояват на топлината. Йонизираните газове, които обкръжават 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 аероплан. От този миг бордовите компютри поемат контрола над орбитера. Той прави серии от S-образни завои, с цел да понижи скоростта преди захождането към пистата. На 40км. разстояние компютрите трансферират ръководството на капитана, който пилотира совалката през утопичен цилиндър (5 500м. в диаметър), с цел да я изравни с пистата. При последното захождане командирът трансформира ъгъла на -20 градуса (7 пъти по-голям в сравнение с при елементарните самолети).

Когато орбитерът е на 610 над земята, капитанът понижа скоростта, пуска колесника и задейства спирачките. От задната част излиза парашут и совалката стопира някъде покрай средата на пистата.

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

История на совалката

С наближаването на края на стратегия Аполо, НАСА преглежда бъдещето на американската галактическа стратегия. Тогава са употребявали ракети за еднократна приложимост и се нуждаели от надеждни, по-евтини ракети, които да се употребяват повече от един път. Идеята била за совалка, която да се изстрелва като ракета и да каца като аероплан.

НАСА стартират изследвания по проектите, цената и устройството на совалката, както и още доста други галактически компании. През 1972г. президентът Никсън афишира, че НАСА ще построят совалка, която ще се употребява повече от един път или галактическа транспортна система. НАСА вземат решение, че совалката ще се състои от орбитер, който ще е закрепен за ракетни мотори и външен контейнер за гориво.

По това време се употребявали аблативни топлинни щитове, които нямало да устоят при нахлуване в атмосферата и трябвало да се измисли нещо друго. На конструкторите на совалката им пристигнала концепцията да я покрият с изолационни керамични плочки, които да всмукват топлината.

Совалката трябвало да каца като аероплан, тъй че създали първообраз на орбитера, с който да тестват аеродинамичността му. Прототипът бил наименуван „ Ентърпрайз “ като кораба от „ Стар трек “. „ Ентърпрайз “ направил голям брой полети и тестови приземявания, като е пускан от Боинг 747.

След доста години на опити и проби, совалката била подготвена да полети. Били издигнати четири (Колумбия, Дискавъри, Атлантис и Чаленджер). Първият полет бил през 1981г. с „ Колумбия “, пилотирана от астронавтите Джош Янг и Робърт Крипен. „ Колумбия “ се показала добре и скоро и останалите совалки направи сполучливи полети.

През 1986г. совалката „ Чаленджер “ се взривява при полет и умира целият екипаж. НАСА стопира програмата за няколко години, до момента в който се обясняват аргументите за нещастието и не бъдат поправени. Тогава била издигната совалката „ Ендевър “, която трябвало да замести „ Чаленджер “.

През 2003г. при нахлуване в земната атмосфера, совалката „ Колумбия “ се разпада в небето над Съединени американски щати. НАСА още веднъж стопира галактическата стратегия и работи старателно за коригиране на грешките. През 2006г. от „ Дискавъри “ се откъсва парче изолационна пяна и програмата за следващ път е спряна до разрешаване на казуса. „ Дискавъри “ излетява два пъти през 2006г. Според НАСА, първият пуск през Юли 2006г. е бил най-сниманата совалка в историята. След няколко казуса с горивните кафези и датчиците, през Септември 2006г. пускат и „ Атлантис “.

Космическите совалки са голям софтуерен прогрес, само че са лимитирани в количеството товар, което могат да носят. Те не са тежкотоварни и не могат да напущат гравитационното поле на Земята, с цел да отидат на Луната да вземем за пример. В момента НАСА създават нови концепции за транспортни средства, които биха могли да отидат до Луната или Марс.