Space Shuttle

Kosmosesüstik Discovery startimas missioonile STS-120 (2007)

Space Shuttle'i programmi embleem

Kosmosesüstik Atlantis stardiplatvormil

Kosmosesüstiklennuki kabiin, juhtpaneel

Space Shuttle oli osaliselt taaskasutatav kanderaketisüsteem, mida kasutas Space Shuttle'i programmi raames NASA. Selle peamised komponendid olid kosmosesüstik (inglise keeles Orbiter), kolm põhimootorit, välispaak ja kaks tahkekütuskiirendit.

Esimese lennu kosmosesse tegi Space Shuttle 12. aprillil 1981, plaanipärased lennud algasid 1982. aastal. Kosmosesüstikute pardal sooritati teaduskatseid, nendega varustati ISS-i ning viidi orbiidile hulk satelliite ja kosmosesonde, sealhulgas Hubble'i kosmoseteleskoop. Hiljem kasutati Space Shuttle'it korduvalt kosmoseteleskoobi kosmoses parandamiseks ja täiustamiseks.

Space Shuttle startis vertikaalselt nagu tavalised kanderaketid. Stardi ajal oli kosmosesüstik kinnitatud väliskütusepaagi ja kahe tahkekütuskiirendi külge. Tahkekütuskiirendid eraldusid enne kosmosesse jõudmist ja väliskütusepaak eraldus enne orbiidile jõudmist. Kosmosemissiooni lõpus käivitas kosmosesüstik orbiidilt laskumiseks ja atmosfääri sisenemiseks oma orbitaalse manööverdussüsteemi (Orbital Maneuvering System) mootorid. Seejärel maandus süstik maandumisrajale nagu tavaline mootoriteta lauglennuk.

Süstikute stardipaigaks oli Kennedy Kosmosekeskus Florida osariigis. NASA eelistas süstikute maandumispaigana samuti Kennedy Kosmosekeskust. Halva ilma korral kasutati maandumiseks ka Edwardsi õhujõudude baasi Californias; ühe Columbia missiooni (STS-3) korral oli maandumispaigaks White Sandsi kosmosesadam (White Sands Space Harbor) New Mexicos. Lisaks oli olemas mitukümmend varulennuvälja teistes riikides. Edwardsisse ja White Sandsi maandumisel lennutati süstik selleks kohandatud Boeing 747 turjal tagasi Kennedy Kosmosekeskusse.

Kosmosesüstikuid ehitati algselt viis. Esimene kosmosesüstik, Enterprise, oli mõeldud katselendudeks ja polnud plaanitud kosmosesse minema. Järgmised neli süstikut – Columbia, Challenger, Discovery ja Atlantis – ehitati kosmosemissioonideks kuni kaheksa astronaudiga pardal. Neljast süstikust kaks, Challenger ja Columbia, hävisid 1986. ja 2003. aasta katastroofides, milles hukkus kokku 14 astronauti. 1991. aastal ehitati Challengeri asenduseks kuues kosmosesüstik Endeavour. Viimased süstikud eemaldati kasutusest aastal 2011, ning Space Shuttle'i viimaseks missiooniks jäi kosmosesüstiku Atlantis lend STS-135, mis toimus 8. juulist 21. juulini 2011.

Ajalugu

Space Shuttle'i ehitamise kavanditele hakati mõtlema varsti pärast Apollo programmi lõpetamist. Kuna Apollo programm oli osutunud majanduslikult kulukaks, võeti vastu otsus teha algust korduvkasutusega kosmoselennuvahendi loomisega, mis avaks tee massiliste kosmoslendude säästlikule korraldamisele. Ühe kavandina pakuti ka välja Wernher von Brauni loodud kuuraketi Saturn V esimesel astmel baseeruv korduvkasutatav kosmosesõiduk, mida esmakordselt nimetati Shuttle'iks ('süstik').

• 26. juulil 1972 valis NASA projekteerijaks ja arendajaks Rockwelli kosmosetranspordisüsteemide osakonna Downeys Californias.
• 17. septembril 1976 väljus Enterprise (OV-101) tehasest.
• 29. jaanuaril 1979 sõlmis NASA lepingud Rockwelliga kahe süstiku ehitamiseks: OV-103 (Discovery) ja OV-104 (Atlantis)
• 8. märtsil 1979 viidi Columbia (OV-102) Palmdale'ist Drydenisse

1981. aastal kasutati kosmosesüstikut Columbia süstikuprogrammi esimesel missiooni STS-1. 1980. aastate alguses ehitati Columbiale lisaks veel kolm kosmosesüstikut. Need olid Challenger, Discovery ja Atlantis, millega hakati peaaegu kohe regulaarlende tegema. Challengeri kümnes lend lõppes 1986. aasta jaanuaris katastroofiga, mille põhjustas ühe stardikiirendi küljelt välja paiskunud põlemisleek. Challengeri kaotus oli NASAle suureks tagasilöögiks ja kõik süstikud said lennukeelu. Lende taasalustati 1988. NASA ehitas 1992. aastal Challengeri asendamiseks Endeavouri.

17 aastat pärast Challenger katastroofi kaotas NASA Columbia, mis purunes 1. veebruaril 2003 Maa atmosfääri sisenemisel, kui pöördus tagasi oma 28. lennult. Õnnetuse uurimisel selgus, et stardi ajal oli välise kütusepaagi küljest eraldunud isolatsioonitükk löönud süstiku kuumuskilpi augu. See põhjustas atmosfääri sisenemisel vigastatud koha ülekuumenemise, kuni süstik süttis, kaotas juhitavuse ja purunes.

Kirjeldus

Space Shuttle koosnes kolmest osast: süstiklennukist, välimisest kütusepaagist ja kahest tahkekütus-stardikiirendist. Kogu kanderaketisüsteemi pikkus oli 56,14 m ja suurim laius 23,79 m. Stardivalmis Space Shuttle kaalus umbes 2050 tonni ja võis Maa orbiidile viia 27 500 kilogrammi kasulikku lasti. Kasulik last paiknes süstiklennuki lastiruumis, mis oli 18,3 meetrit pikk ja 4,6 meetrit lai. Orbiidile jõudnult aitas lasti välja tõsta spetsiaalne Canadarmi robotkäsi, mis asus kokkupanduna lastiruumis.

Laeva osad

Välimine kütusepaak

 Pikemalt artiklis Space Shuttle'i välispaak

Kosmosesüstiku välispaak teel koostehalli

Välispaak oli Space Shuttle'i kõige suurem komponent. Paak oli 47 m pikk ja 8,38 meetrit lai, selle kogukaal oli 757 tonni ja ruumala (maht) 2025 m³. Välispaak sisaldas veeldatud hapnikku ja veeldatud vesinikku. Paagi suurusest hoolimata oli selle tühikaal kõigest 27 tonni, sest need valmistati kergmetallide alumiiniumi ja liitiumi sulamist. Isolatsioonimaterjalina kasutati välispaagis vahtplasti. Isolatsioon oli vajalik, et ülikülm (−252 °C) veeldatud vesinik paagi õhukese metallkesta seina rabedaks ei muudaks ega lõhki ei paisutaks. Välispaak oli Space Shuttle'i ainuke komponent, mida ei saanud taaskasutada.

Tahkekütuskiirendid

Tahkekütuskiirendid olid esimesed tahkekütusraketid, mida sai taaskasutada. Ühe kiirendi täismass oli 590 tonni ja see arendas 1275-tonnist (üks kiirendi 12,46 MN) veojõudu. Kiirendite puuduseks oli nende kõrge opereerimismaksumus ja suhteline ohtlikkus. Kiirendite kütuseks oli alumiiniumipulbri ja ammooniumperkloraat-oksüdandiga segu, mis põles igas keskkonnas, sõltumata õhu olemasolust. Ohtlikud olid sellised kiirendid seetõttu, et tahkekütuskiirendit pole tekkiva probleemi korral võimalik enne kütuse lõpuni põlemist välja lülitada. Seepärast võis kiirendiga tekkiv probleem meeskonnale eluohtlik olla.

Süstiklaev

 Pikemalt artiklis kosmosesüstik (Space Shuttle)

Discovery lähenemas ISSile

Süstiklaevu ehitas NASA kuus, millest üks ei käinud kunagi kosmoses. Ehitusjärjekorras olid need:

• OV-101 – Enterprise (ainult testimiseks, kosmoses ei käinud)
• OV-099 (algselt STA-099) – Challenger
• OV-102 – Columbia
• OV-103 – Discovery
• OV-104 – Atlantis
• OV-105 – Endeavour

Süstiklennuk oli orbiidil 37,24 meetri pikkune ja 117-tonnise kogumassiga kosmoselaev, mille tiivaulatus oli 23,79 m. Kosmosesüstiku kriitilisemad alad oli kaetud mitme tolli paksuste kuumakindlate boorsilikaatkihti kandvate amorfse-kristallilise struktuuriga polüstüroolvahttermoplastplaatidega, mis kaitsesid süstiklennuki ninaosa, korpuse ja deltatiiva esiservi kuumuse eest atmosfääri sisenemisel. Pärast Columbia katastroofi oli astronautidel pärast Maa orbiidile jõudmist kuumuskilbi kontrollimine kohustuslik.

Lisalast koos meeskonna hädavajalike tarvetega asus süstiklennuki teki alusel vahetekil, kus astronaudid said orbiidil olles tegeleda katsetega ja seal ka magada. Süstikust said astronaudid orbiidil olles väljuda õhuluku kaudu, mis avanes vahesektsiooni kaudu kosmosesse. Süstiku lastiruumis asus peale lasti ka robotkäsi, mis kujutas endast umbes 400 kg raskust kraananoolt. Sellega sai lastiruumis olevad seadmed ja satelliidid välja tõsta ja orbiidile paigutada või ka orbiidil oleva objekti kinni haarata ja süstiku lastiruumi paigutada.

Lend

Enne starti

Stardiplatvormil kosmosesüstiku pealtvaade

Kosmosesüstikud startisid Kennedy kosmosekeskusest, stardiplatvormilt 39A või 39B. Süstik monteeriti kokku suures koostehallis ja toimetati püstises asendis liikuva stardialusega 4,83 km kaugusele stardipaigale. Enne lõpliku stardiloa andmist jälgiti ilmateateid, sest stardi ajal pidi ilm hea olema ja 10 meremiili raadiuses ei tohtinud olla äikest. Lisaks pidi ilm olema hea vähemalt ühel varulennuväljal, kuhu süstik oleks vajadusel saanu hädamaanduda. Loa saamisele järgnes välimise kütusepaagi täitmine ja astronautide stardivalmistumine.

Start

Atlantis startimas oma eelviimasele missioonile

16 sekundit enne starti lülitati sisse stardiplatvormi helisummutussüsteem (SPS), mis kaitses süstikut akustilise energia ja leekide eest. 6 sekundit enne starti käivitusid süstiku kolm põhimootorit, mis moodustasid tõukejõust 71%. Peamootorid pidid saavutama 90% oma võimsusest kõigest kolme sekundiga, sest vastasel korral oleks arvuti stardi automaatselt katkestanud ja tahkekütuskiirendid poleks käivitunud. Plaanipärase stardi ajal käivitusid kolm sekundit pärast starti kiirendid ja süstik alustas tõusu kosmosesse. Varsti pärast starti alustas süstik kombineeritud pööramismanöövrit püsttelje suhtes, et jätkata tõusu orbiidile.

Mootorid drosseldati 30–50 sekundit pärast starti 72-protsendise võimsuse peale, et vähendada maksimaalse aerodünaamilise rõhu (tuntud kui max Q) ajal tekkivaid pingeid. Kui seda poleks tehtud, oleks süstik max Q ajal purunenud. Kui lennujuhid said telemeetria kaudu kinnituse, et aerodünaamiline rõhk jääb lubatu piiresse, lülitati mootorid uuesti täisvõimsusele. Stardikiirendite tööiga oli kaks minutit ja need eraldusid umbes 44 km kõrgusel. Inertsist sööstsid kiirendid kuni 64–65 km kõrgusele, enne kui hakkasid tagasi langema. Kiirendid langesid umbes viie minuti jooksul kolme langevarju abil Atlandi ookeani, kust need üles korjati. Väliskütusepaak jäi süstiku külge kaheksaks minutiks. Umbes 90 km kõrgusel eraldus paak pärast süstiku rakettmootorite väljalülitamist ja põles Maa atmosfääri tihedamatesse kihtidesse sisenemisel ära. Pärast seda käivitusid süstiku orbitaalse manööverdussüsteemi mootorid, mis kiirendasid kosmoselaeva esimese kosmilise kiiruseni.

Maandumine

Kosmosesüstiku Atlantis viimane atmosfääri sisenemine nähtuna ISSist

Pärast missiooni lõppu hakati süstikut maandumiseks ette valmistama. Laskumist alustati umbes 122 km kõrguselt ja maandumiskohast 8000 km kauguselt. Süstiku laskumist juhtis arvuti, aga vajadusel said piloot ja komandör juhtimise üle võtta, mida astronaudid tavaliselt maandumise viimases faasis tegidki. Enne atmosfääri sisenemist, keerati süstik orbiidi lennusuunal 180° ümber ja käivitati kolmeks minutiks kaks orbitaalse manööverdussüsteemi mootorit, et süstiku kiirust vähendada. Enne atmosfääri sisenemist pöörati süstiku ninaosa 44 väiksema abimootori koostöös jälle lennusuunda. Atmosfääri sisenedes tõusis süstiku soojuskilbi väliskatte temperatuur suure kiiruse ja õhuhõõrdumise tõttu väga kõrgele, mistõttu oli kuumuskaitsekilpi korrasolek tähtis. Auk kuumuskaitsekilbis tähendanuks süstiku kindlat hävimist. Umbes 50 km kõrgusel langes kiirus sedavõrd väikeseks, et hõõrdumisest tingitud õhu hõõgumine süstiku ümber lõppes ja astronaudid said juhtimise üle võtta. Pärast seda toimus ka süstiku manööver, kus süstiku korpuse kohtumisnurk seati lauglemisasendile vajalikuks. Umbes kilomeetri kaugusel maandumisrajast alustati kolm sekundit kestvat rakettpidurdust, millest järgmine etapp oli teliku väljalaskmine. Süstik maandus nagu laugur, mootoreid kasutamata. Maandumisrajal oli süstiku pidurdamisel abiks eriline pidurduslangevari, mis avanes, kui ninateliku ratas vastu maandumisrada puutus. Pärast peatumist oodati paar minutit, et lasta süstiku kerel jahtuda ja otsida märke võimalikust kütuselekkest. Seejärel võis meeskond väljuda.

Põhiandmed

Kosmosesüstik võrreldes Nõukogude Liidu Sojuz-TMiga

Süstiklennuk

• Pikkus: 37,24 m
• Tiivaulatus: 23,79 m
• Mass koos lastiga: 117 tonni
• Kasuliku lasti maksimaalne mass: 22 700 kg
• Meeskonnaliikmete arv: 7
• Lastiruumi mõõtmed: 4,6 × 18,3 m
• Kiirus orbiidil: 7,91 km/s

Välimine kütusepaak

• Pikkus: 46,9 m
• Läbimõõt: 8,4 m
• Ruumala: 2 030 000 liitrit
• Tühimass: 27 tonni
• Täismass: 747 tonni

Stardikiirendid

• Pikkus: 45,6 m
• Läbimõõt: 3,71 m
• Tühimass: 2 × 63,27 tonni
• Täismass: 2 × 590 tonni
• Tõukejõud (tõmme): (merepinna tasemel) 2 × 12 500 kN (1275 tonni)

Orbitaallennud

 Pikemalt artiklites Space Shuttle'i programm ja Space Shuttle'i missioonide loend

Space Shuttle'i programmi raames toimus aastatel 1981–2011 135 missiooni. Missioonidel osales 355 inimest 16 riigist. Programmi ajal hävis katastroofides kaks süstikut ja hukkus 14 astronauti.

Seoses süstikute vanuse ja kogu programmi kalliduse tõttu oli NASA-l plaan Space Shuttle'i stardid juba 2010. aastaks lõpetada. 9. märtsil 2011 maandus oma viimaselt lennult tagasi pöördunud Discovery. 1. juunil 2011 maandus viimaselt lennult saabunud Endeavour. Süstik Atlantis tegi oma viimase lennu juulis 2011. 21. juulil 2011 maandus Atlantis Kennedy kosmosekeskuses, märkides Space Shuttle'i programmi lõppu.

Tulevikuvisioonid

Algselt plaaniti kosmosesüstikud asendada süstikute II põlvkonnaga. Samuti plaaniti kosmosesüstikute missioonidel kasutada erarahastust, ent neist plaanidest ei tulnud midagi välja. Samuti ei õnnestunud ka Constellationi programm, mis tühistati 2010.

2011. aastal teatas NASA, et kosmosesüstikute mantlipärijaks saab Space Launch System ning mehitatud lennud hakkavad toimuma Orioniga.

Vaata ka

• Korduvkasutatav kanderaketisüsteem

Välislingid

• NASA History of the Space Shuttle