Cifka Miklós
Az űrrepülőgép sarokpontja, a visszatérés
Az űrrepülőgépet bemutató sorozat utolsó részéhez értünk, amelyben az űrrepülőgép farokrészét, hajtóműveit illetve a hővédő pajzsot vesszük górcső alá.
- I. rész - | - II. rész - | - III. rész - | - IV. rész - | - V. rész - | - VI. rész - | - VII. rész - | - VIII. rész
Farokrész
Az utolsó nagyobb szerkezeti eleme a gépnek a farokrész, ami öt komponensre bontható le. A törzs farokrésze tartja a három főhajtóművet, itt kaptak helyet azok üzemanyagrendszerei, a hidraulika, illetve részben a hőháztartásért felelős rendszerek. Ehhez csatlakozik a farokrész többi alkotórésze, nevezetesen a függőleges vezérsík, a két OMS (Orbitális Manőverező Rendszer) gondolája és a törzslap, ami egy hatalmas vezérsík, amely a magassági kormány feladatát is részben ellátja, illetve hőpajzsként védi a hajtóművet visszatéréskor.
Az űrsikló farokrésze a három főhajtóművel, az OMS gondoláival, a törzslappal és a függőleges vezérsíkkal - klikk a nagyobb képért
Maga a farokrész aluminium tartókból és aluminium illetve titán merevítőkből épül fel, hozzá csatlakozik a törzs-középrész illetve a két félszárny hátsó rögzítési pontja. Itt csatlakoznak a külső üzemanyag-tartályhoz a folyékony hidrogént és oxigént szállító vezetékek, amelyeknek a csatlakozója a tartály leoldása után visszahúzódik a gép hasába, és egy-egy hővédő ajtó fedi le őket a repülés hátralévő idejére. A farokrész két oldalán hasonló ajtók mögött helyezkedik el az üzemanyag feltöltésére és kiszivattyúzására szolgáló csatlakozópanel, illetve a különféle egyéb folyadékok, illetve elektromos csatlakozók.
A három SSME hajtómű mintegy 520 másodpercig működik a felszálláskor, ezalatt az adott küldetéstől függően 603-623 tonna folyékony oxigént és 99-106 tonna folyékony hidrogént éget el. Az űrrepülőgépen magán nincs üzemanyag a főhajtóművek számára, így azok csak addig működhetnek, amíg a külső üzemanyagtartályban van üzemanyag. A hajtóművek tolóereje az eredeti elvárások szerint vákumban 2090 kN és 1670 kN tengerszinten, ám a tesztelés fázisában megállapították, hogy e felett is működhetnek, de viszonyítási alapnak ezeket az értékeket tekintették 100%-os teljesítménynek.
Az SSME hajtómű földi teszten, teljes tolóerő közben - klikk a nagyobb képért
A tolóerő e felett két fázisban növelhető, a "biztonságos" szint a 104,5%, ami 2170 illetve 1750 kN tolóerőt jelent vákumban illetve tengerszinten, továbbá 109%, ami pedig 2280 kN és 1860 kN tolóerőt. A 104,5%-os tolóerő a felszállás folyamán normálisan használt maximális teljesítmény, míg a 109% a vészhelyzetekben, a felszállás megszakításakor elérhető maximális tolóerőt takarja. A SSME azon képessége, hogy a tolóereje dinamikusan változtatható a maga idejében rendkívülinek számított, az pedig, hogy nagy tartományban változtatható (forrásfüggően 50, 65 vagy 67%-tól 109%-ig) még inkább figyelemre méltó.
A repülés alatt is kihasználják ezt a képességét: a felszállás negyvenedik másodpercében a tolóerőt 72%-ra veszik vissza mindhárom hajtóműnél, ekkor az űrsikló a hangsebesség 0,9-szeresével halad. Ha teljes tolóerővel gyorsítana tovább, akkor a hangsebesség átlépése sokkal nagyobb légnyomással terhelné a gép szerkezetét, ezért van erre szükség. A felszállás utáni 53-dik másodpercben - miután a hangfalat maguk mögött hagyták - a tolóerőt 104,5 százalékra növelik ismét, és folytatják az emelkedést.
Az egyik SSME karbantartás után beépítésre várakozva - klikk a nagyobb képért
Az SSME hajtóművek másik nagy újdonsága az újrafelhasználás volt, igaz, csak azért, mert az űrsikló végig magával cipelte őket és visszahozta azokat a földre, míg a korábbi hordozórakéták esetében a rakétahajtóművek megsemmisültek ahogy a fokozatokat levállasztották. Az Apollo-Saturn érában a J-2 hajtóművet is többször indították újra a teszteken, tehát az újrahasználhatóság a "hagyományos" rakétahajtóművek esetében is fennáll. Az eredeti elvárás az volt, hogy 10 repülésenként kelljen a hajtóműveket ellenőrzésre kiszerelni az űrsiklóból, ám ez nem valósult meg; gyakorlatilag minden repülés után mindhárom hajtóművet kiszerelik, darabokra szedik, ellenőrzik, összeszerelik, és ez után helyezték vissza (valamelyik) űrsiklóba.
A bonyolult és logisztikailag is megterhelő eljárás végeredményeként az SSME noha egyedülálló hajtómű, a legfontosabb célját, a költségek csökkentését nem sikerült elérnie. Igazság szerint feltételezhető, hogy minden repüléshez három - három egyszer használatos hajtóművet használni olcsóbb lett volna. Az SSME-k karbantartása és felújítása hajtóművenként mai áron nagyságrendileg 12-16 millió dollárba fájt a NASA-nak!
A három hajtómű gömbcsuklószerűen van felfüggesztve, két hidraulikus (egy a függőleges, egy pedig a vízszintes tengelyen való kitérítésért felel) munkahengerrel 10,5°-ig bármelyik irányba ki lehet téríteni, és ezzel a felszálláskor kormányozni az űrsiklót. A hajtóművek "életjeleit", a különféle érzékelők adatait két HDC-601 számítógép elemzi, ezeket később egy-egy, egyenként két Motorola 68 000 szériás chip-ekre épülő számítógépek váltották fel.
Az egyik SSME beépítése - klikk a nagyobb képért
Az űrsikló hőháztartásának fő elemei a már korábban említett radiátorok, ám azok csak a világűrben használhatóak, amikor a raktérajtók nyitva vannak. Hogy a fel- és leszállás időtartama alatt a hulladékhőtől megszabaduljanak, két külön rendszert helyeztek el a farokrészben. Az első 42 kilométeres magasságtól (addig a rendszer kellően előhűtött állapotban van) a radiátorok kinyitásáig működik, illetve a visszatéréskor a radiátorok becsukásától 30,5 kilométeres magasságig. Ez a vízpárologtatás elvén működő rendszer (FES - Flash Evaporator Subsystem), amely a freon-hűtőrendszerből egy - pontosabban a biztosítás miatt két - hőcserélővel vonja ki a hőt, amellyel vizet forral fel, amit a farokrészen kiengednek a légkörbe illetve a világűrbe.
A második rendszer visszatéréskor 30,5 kilométeres magasság alatt lép működésbe. Ez ammóniát forral fel a hőcserélővel, és így von el meleget a hűtőrendszertől. Miután az űrsikló földet ért, egy mobil gáz hőcserélő-rendszert kötnek a freon rendszerre, és onnantól az vonja el a hőt a fedélzeti rendszerektől.
A leszállás végső szakasza, jól látható a törzslap
A függőleges vezérsík elsődleges feladata a gép stabilitásának biztosítása a visszatéréskor, de egyben kombinált oldalkormányként (csak a leszállás legvégső szakaszában) illetve kétfelé nyílva aerodinamikai féklapként is működik, amellyel a visszatéréskor a sebességet befolyásolhatják vitorlázás közben. A törzslap kettős feladatot lát el, egyfelől a visszatéréskor a hajtóművek hátranyúló fúvókáját óvja a légáramtól és ezzel együtt a fellépő hőhatástól, másfelől magassági kormányfelületként használható kitérítéskor. A borítása minkét oldalán hővédő csempékből áll éppen amiatt, mert a felső részen a működő főhajtóművek hőhatásának kell ellenállnia, visszatéréskor pedig az alsó felének kell a légköri súrlódás által termelt hőt kibirnia.
Az OMS gondola illetve az OMS rendszer főbb elemei. A két nagyobb tartály az OMS-hez, az előtte lévő kettő kisebb az RCS-hez tartozik
A hátsó törzsrésznek mindössze két része maradt, ez pedig annak a felső részén, kétoldalt elhelyezett gondolák, amelyek aluminium keretekből, tartókból illetve szénszál erősítésű kompozit műanyagból készültek. A gondolák két részre oszlanak, a hátsó részük az OMS (Orbital orbital Maneuvering Subsystem ~ Orbitális Manőverező Alrendszer) egy-egy hajtóművét és az azt kiszolgáló rendszereket rejti.
Az OMS gondola beépítés előtt, láthatóak az üzemanyagtartályok - klikk a nagyobb képért
Az OMS hajtóművek egyenként 27 kN tolóerőt adnak le, amit dinitrogén-tetroxid (N2O4) oxidálószert illetve monometil-hidrazin (MMH) üzemanyag elégetésével hoznak létre. Az N2O4 illetve a hidrazin népszerű páros az űrhajókban, mivel ez a két anyag összekeveredve spontán önggyuladásra képes, így nincs szükség egy külön begyújtást elősegítő berendezésre. Hátránya viszont, hogy erősen mérgezőek és agresszív, maró anyagok. Emiatt szükséges az, hogy az űrrepülőgép földet érése után először védőruhás szakemberek rohannak oda, akik megfelelő eszközökkel kiszivattyúzzák a maradék üzemanyagot az űrhajóból. A legénység csak ez után hagyja el a kabint.
Az OMS gondola a világűrben - klikk a nagyobb képért
Az OMS feladata az űrsikló végső pályára állítása, miután leoldották a külső üzemanyag-tartályt illetve leállt a főhajtómű, továbbá a pályaváltoztató manőverek végrehajtása, például űrrandevúk esetén, illetve visszatéréskor az orbitális sebesség csökkentése. A két gömbcsuklószerűen beépített OMS-t elektromechanikus motorokkal lehet kitéríteni, így azok működése közben a manőverezést is lehetővé teszik. Érdekesség, hogy az OMS megvalósította azt, amire az SSME nem volt képes: gyakorlatilag minimális karbantartást igényel, és az élettartama azonos (mintegy 100 repülés) magának az űrrepülőgépnek a tervezett élettartamával.
A két gondola elülső részében, illetve az űrrepülőgép orrában foglalnak helyet az RCS (Reaction Control System ~ Reakciós Kormányhajtómű Rendszer) apró rakétahajtóművei. Ezek felelnek az űrrepülőgép finom irányításáért, a megfelelő helyzetben tartásáért illetve a kormányzásért a világűrben. Az RCS kétféle hajtóműből áll. A hagyományos hajtóművekből az orrban 14 darab foglal helyet, a két hátsó gondolában pedig 12-12 darab. Ezeken kívül az orrban kettő, hátul a gondolákban pedig további 2-2 folyamatos működésre képes un. 'vernier' hajtómű is van. A hagyományos hajtóművek 387 N, a folyamatos működésűek 107 N tolóerőt adnak le. A RCS ugyanazt az N2O4 illetve MMH üzemanyagot használja, mint az OMS, sőt, a hátsó RCS egységet az OMS tartályaiból is lehet táplálni.
Lapozz! Hővédő pajzs
Az űrrepülőgép külső burkolatát - mint egyfajta ruha - hővédő pajzs takarja be. A feladata kettős, egyfelől megóvni az űrrepülőgép szerkezetét a visszatérékor fellépő hőhatásoktól, másfelől pedig hőszigetelő burkolatként is fukcionál.
Az űrsikló hővédő pajzsának elosztása - klikk a nagyobb képért
A korai hővédő elemek (még nincs FRCI) - klikk a nagyobb képért
Mivel a visszatéréskor különböző fokozatú hőterhelést kap a gép, ezért régiókra van az egész külső felület felosztva, és mindenhol a kitett hőhatásnak megfelelő megoldást alkalmaznak.
RCC - Reinforced Carbon-Carbon ~ Megerősített Szén-Szén: A leginkább felhevűlő részek, úgymint az űrrepülőgép orrészének hegye, illetve a belépőélek, valamint a külső üzemanyagtartály rögzítési pontja körül alkalmazzák, ahol a hőmérséklet meghaladhatja az 1530 C°-ot. Az RCC gyártási folyamata dióhéjban annyi, hogy műselymet elszenesítenek, majd fenolos folyadékkal itatják át, amit egy autoklávban formára laminálnak és közben a fenolos folyadék is elszenesedik. Ezután alkoholos fűrdőbe helyezik, ami után újra kisütik, ahol az alkohol is elszenesedik.
Egy RCC záróelem metszete, érdemes megfigyelni a rostos szerkezetét - klikk a nagyobb képért
Az eljárást háromszor ismétlik, amíg a szükséges tulajdonságokat el nem éri. A külső felületét szilikáttal kezelik, hogy az oxidációtól védjék a már kész munkadarabot. Az RCC viszonylag kevés helyen való használatának oka az, hogy bár nagyon jól viseli a hőterhelést és a hőtágulása is minimális, viszonylag jó hővezető is egyben, ezért a szárnyaknál hőtűrő acél távtartókra szerelik, az orrhegynél pedig kerámia- és szilikát-szálas hővédő paplan helyezkedik el, és óvja az orr fém szerkezeti elemeit.
HRSI - High Temperature Reusable Surface Insulation Tiles ~ Magas Hőmérsékletű Újrahasználható Külső Szigetelő Téglák: Nagy tisztaságú szilikát-szálakból (ami egyszerű homokból származik) készül, kerámia-kötéssel megszilárdítva. A külső felületének védelme érdekében tetra-szilikát és boron-szilikát keverékével vonják be, amit aztán elektromos kemencében felhevítenek, ettől gyakorlatilag egy vékony, fekete üveg-felületet kap. A HRSI annyira alacsony sűrűségű, hogy mindössze a térfogatának a tíz százaléka anyag, a maradék rész gyakorlatilag űr, semmi. Elviseli azt, ha felhevítik 1500 C°-ra, majd rögtön hideg vízbe mártják, és olyan rossz hővezető, hogy egy hasonlóan felhevített téglát a széleinél meg lehet fogni puszta kézzel.
Egy HRSI tégla behelyezés előtt - klikk a nagyobb képért
A téglák vastagsága a hőterheléstől függően (előről-hátrafelé) egyre csökken. A gép orránnál még 12,7 centiméter vastagok, a farok-résznél már csak mintegy 2,54 centiméteresek. A szélességük és a hosszuk jellemzően 15,24 x 15,24 centiméter. A HRSI-nek két sűrűségi változatát használják, az orrnál sűrűbb (22 font per köbláb, vagyis mintegy 352 kg per köbméter), a többi részen "normál" sűrűségű (ez 9 font per köbláb, vagyis mintegy 96 kg per köbméter). A HRSI téglákat szilikát bázisú ragasztóval rögzítik a nomex-el bevont géptestre, kézi munkával.
FRCI - Fibrous Refractory Composite Insulation Tiles ~ Rostos Hőálló Kompozit Szigetelő Téglák: Utólagosan kifejlesztett hővédő téglák, amely 20%-ban aluminium-boron-szilikát szálakat tartalmaz, amely keményebb (mintegy háromszor nagyobb a szakítószilárdsága, mint a HRSI-nek), strapabíróbb, nagyobb a hőtűrése mintegy 100 Celsius fokkal és ugyanakkor könnyebb, (12 font per köbláb, tehát hozzávetőleg 192 kg per köbméter) mint a HRSI-22 téglák, így azokat (de csak azokat) FRCI-re cserélték le.
Az Endevour szemből. A kabin közepénél HRSI téglák, mellettük és hátul az OMS gondolákon LRSI téglák, a kabin előtt pedig AFRSI takarók - klikk a nagyobb képért
LRSI - Low-Temperature Reusable Surface Insulation Tiles ~ Alacsony Hőmérsékletű Újrahasználható Külső Szigetelő Téglák: Gyakorlatilag megegyezik a HRSI-9-el (vagyis a "normál" sűrűségű HRSI téglákkal), mindössze nagyobb felületet fednek le. Mntegy 20 x 20 centiméteresek, viszont vékonyabbak (0,5-től 3,5 centiméteres vastagságúak). A külső felületükre ekete helyett fehér színű aluminium-oxid-alapú felületkezelés került, amely a nap sugarait jó aránnyal visszaveri, így kevésbé hevül fel a világűrben.
AFRSI - Advanced Flexible Reusable Surface Insulation Blankets ~ Rugalmas Újrahasználható Külső Szigetelő Takarók Amikor elkészült a Columbia, a NASA-nak és a Rockwell-nek sok fejfájást okozott az, hogy az űrrepülőgép túl nehéz, a hővédő téglák pedig túlságosan is karbantartásigényesek. A problémákra az egyik megoldás az lett, hogy az LRSI, vagyis a fehér hővédő téglák döntő többségét kiváltották egy szilikát és üvegszálakból gyártott paplannal, amit kerámia és szilikát bázisú bevonattal láttak el, majd szilikát bázisú ragasztóval rögzítették őket. Ezek a paplanok nem csak könnyebbek, mint a hővédő téglák, de a karbantartásigényük is minimális, ezért később a Columbiát is átalkították az LRSI-ről ALRSI-re.
FRSI - Felt Reusable Surface Insulation Blankets ~ Filc Újrahasználható Külső Szigetelő Takarók: A hőterhelésnek legkevésbé kitett helyeken, a raktérajtók külső borításaként, illetve az űrsikló felső részein használják ezeket a Nomex takarókat, amelyeket fehér szilikon bázisú festékkel kezelnek, és szilikát bázisú ragasztóval rögzítik őket.
A hővédő téglák mindegyikén egy sárga színű, hővédő festékkel felfestett azonosító kód található, amely alapján megállapítható, hogy pontosan hol is helyezkedik el az űrsiklón. A festékben nem okoz kárt a több, mint 1500 fokos hőség sem, így nem kell amiatt aggódni, hogy az azonosítás később problémákba ütközhet.
Egy HRSI tégla, rajta az azonosító kódok
Az űrsikló hővédő pajzsa igazság szerint egy roppant innovatív ötlet kevéssé sikeres megvalósulásának példája. A szilikát bázisú hővédő pajzs nagyszerűen bizonyított, összeségében könnyű és hatékony hővédelmet biztosítva az űrsiklónak. Viszont az elvárások között nem csak ez szerepelt, hanem a tartósság, a karbantartás szempontjából az igénytelenség és általában az, hogy olcsó megoldást nyújtson. Ezeket a hővédő pajzs finoman szólva nem tudta megvalósítani.
Először is a téglák meglehetősen törékenynek bizonyultak, a Columbia szomorú tragédiája pedig bebizonyította, hogy az RCC panelek is sérülékenyek. Az FRSI téglák bevezetése ezen javított valamelyest, de csak egy részen lehetett használni őket, mivel a HRSI-9 tégláknál nagyobb tömegük miatt azok helyett csak úgy lehetne használni őket, ha felvállalják a plusz terhet. Ez pedig az amúgy is túlsúlyos űrsikló esetében nem igazán merülhetett fel.
Egy jókora rész javítása folyamatban, érdemes megfigyelni, hogy minden kézzel történik... - klikk a nagyobb képért
A másik komoly probléma a ragasztókhoz, illetve a ragasztás hatékonyságához fűződik. Egyszerűen a NASA, illetve a megbízott alvállakozók minden igyekezete ellenére sem tudták megoldani a valóban biztos és tartós rögzítést. Minden űrrepülés alkalmával el-elhagyott az űrsikló néhány - olykor több tucat, párszor pedig száznál is több - téglát. Ezek jó része a légnyomástól vagy a rázkódástól eshetett le, nem pedig olyan külső behatástól, mint például a külső üzemanyagtartályról lehulló hőszigetelőhab-darabkák becsapódásai.
A felhelyezés kész tortúrának minősült, mivel a szilikát bázisú ragasztó nagyon gyorsan megkötött, így egy előre kikevert ragasztó alig pár perc után annyira összetapadt, hogy már nem lehetett felhasználni. Az élelmes karbantartók improvizáltak: beleköptek a ragasztóba, amely így valamivel lassabban kötött meg, így egy kikevert adag a szokásos egy-két tégla helyett három-négy tégla felhelyezéséhez is felhasználható volt. Apró probléma, hogy ettől természetesen a ragasztó hatékonysága, vagyis a felhelyezett tégla rögzítése csorbát szenvedett. Mikor egy belső vizsgálatnál erre az "eljárásra" fény derült, a NASA azonnali hatállyal megtiltotta a ragasztóba köpködést - ám minderre csak majdnem egy évtizednyi gyakorlati alkalmazás után került sor!
Az STS-27 visszatérése. Érdemes megnézni az orr és a szárny részén a fekete HRSI téglákat, jól láthatóak a fehér foltok, ahol megsérültek - klikk a nagyobb képért
A hővédő szilikát téglák másik rossz szokása, hogy az anyag térfogatának gyakorlatilag mintegy 90%-a "üres", csak a maradék 10% maga szilikát, ezért a nedvességet magába szívja. Ez pedig a világűr dermesztő hidegében hajlamos megfagyni, ezáltal pedig megrongálni a téglát, ahogy az az első űrrepüléssek során kiderült. Megoldásként azt találták ki, hogy a téglákat vízzáró anyaggal töltik fel. Ezt a műveletet minden egyes repülés után, kézzel hajtják végre, minden egyes tégla esetében,, ami meglehetősen munkaigényes megoldás. Az AFRSI takarók szintén hasonló módon vannak vízállóvá téve, mivel szintén hajlamos a vizet magába szívni.
Az STS-27 leszállása után vizsgálják a sérült hővédő téglákat
A végső konklúzió meglehetősen keserves képet fest. Az űrsiklónak eredetileg a leszállás után mindössze 160 órával már újra az indítóálláson, indulásra készen kellett volna állnia, azonban csak a hővédő pajzs önmagában iszonyatos mennyiségű munkát adott minden egyes repülés után. Egy átlagos űrrepülésnél olyan 17 000 munkaórába telt az átellenőrzése, a hiányzó vagy sérült téglák pótlása és a vízállóság biztosítása - mindez végig kézi munkával. Az STS-27 útján - amely a második volt a Challenger katasztrófája után - a jobb oldali szilárd hajtóanyagú gyorsítórakéta leváló burkolata felszálláskor megrongálta a hővédő pajzsot. A leszállás után derült ki, hogy összesen mintegy 700 tégla sérült meg, illetve egy teljesen elveszett, és nem sokon múlt a katasztrófa akkor sem.
Az egyetlen másik űrhajó, amely szilikáttéglákkal oldotta meg a hővédelmet a szovjet Buran űrrepülőgép volt, amely hasonló problémáktól szenvedett. Amikor a NASA az 1990-es években az űrsikló utódját kereste, és a Venture Star programon dologozott a Lockheed-Martin céggel, az egyik első döntés az volt, hogy az űrsikló programnál anno felmerült két opció közül a másikat, a "heat sink" típusú, fémes alapú, hőelvezetésen alapuló hővédelmet választják. Amikor pedig a Venture Star sűllyesztőbe került, helyette pedig az Apollo-utánérzésű Orion került elő, akkor a Mercury - Gemini - Apollo féle (ám annál modernebb anyagokkal dolgozó) elégő hőpajzs mellett döntöttek.
Farokrész
Az utolsó nagyobb szerkezeti eleme a gépnek a farokrész, ami öt komponensre bontható le. A törzs farokrésze tartja a három főhajtóművet, itt kaptak helyet azok üzemanyagrendszerei, a hidraulika, illetve részben a hőháztartásért felelős rendszerek. Ehhez csatlakozik a farokrész többi alkotórésze, nevezetesen a függőleges vezérsík, a két OMS (Orbitális Manőverező Rendszer) gondolája és a törzslap, ami egy hatalmas vezérsík, amely a magassági kormány feladatát is részben ellátja, illetve hőpajzsként védi a hajtóművet visszatéréskor.
Az űrsikló farokrésze a három főhajtóművel, az OMS gondoláival, a törzslappal és a függőleges vezérsíkkal - klikk a nagyobb képért
Maga a farokrész aluminium tartókból és aluminium illetve titán merevítőkből épül fel, hozzá csatlakozik a törzs-középrész illetve a két félszárny hátsó rögzítési pontja. Itt csatlakoznak a külső üzemanyag-tartályhoz a folyékony hidrogént és oxigént szállító vezetékek, amelyeknek a csatlakozója a tartály leoldása után visszahúzódik a gép hasába, és egy-egy hővédő ajtó fedi le őket a repülés hátralévő idejére. A farokrész két oldalán hasonló ajtók mögött helyezkedik el az üzemanyag feltöltésére és kiszivattyúzására szolgáló csatlakozópanel, illetve a különféle egyéb folyadékok, illetve elektromos csatlakozók.
A három SSME hajtómű mintegy 520 másodpercig működik a felszálláskor, ezalatt az adott küldetéstől függően 603-623 tonna folyékony oxigént és 99-106 tonna folyékony hidrogént éget el. Az űrrepülőgépen magán nincs üzemanyag a főhajtóművek számára, így azok csak addig működhetnek, amíg a külső üzemanyagtartályban van üzemanyag. A hajtóművek tolóereje az eredeti elvárások szerint vákumban 2090 kN és 1670 kN tengerszinten, ám a tesztelés fázisában megállapították, hogy e felett is működhetnek, de viszonyítási alapnak ezeket az értékeket tekintették 100%-os teljesítménynek.
Az SSME hajtómű földi teszten, teljes tolóerő közben - klikk a nagyobb képért
A tolóerő e felett két fázisban növelhető, a "biztonságos" szint a 104,5%, ami 2170 illetve 1750 kN tolóerőt jelent vákumban illetve tengerszinten, továbbá 109%, ami pedig 2280 kN és 1860 kN tolóerőt. A 104,5%-os tolóerő a felszállás folyamán normálisan használt maximális teljesítmény, míg a 109% a vészhelyzetekben, a felszállás megszakításakor elérhető maximális tolóerőt takarja. A SSME azon képessége, hogy a tolóereje dinamikusan változtatható a maga idejében rendkívülinek számított, az pedig, hogy nagy tartományban változtatható (forrásfüggően 50, 65 vagy 67%-tól 109%-ig) még inkább figyelemre méltó.
A repülés alatt is kihasználják ezt a képességét: a felszállás negyvenedik másodpercében a tolóerőt 72%-ra veszik vissza mindhárom hajtóműnél, ekkor az űrsikló a hangsebesség 0,9-szeresével halad. Ha teljes tolóerővel gyorsítana tovább, akkor a hangsebesség átlépése sokkal nagyobb légnyomással terhelné a gép szerkezetét, ezért van erre szükség. A felszállás utáni 53-dik másodpercben - miután a hangfalat maguk mögött hagyták - a tolóerőt 104,5 százalékra növelik ismét, és folytatják az emelkedést.
Az egyik SSME karbantartás után beépítésre várakozva - klikk a nagyobb képért
Az SSME hajtóművek másik nagy újdonsága az újrafelhasználás volt, igaz, csak azért, mert az űrsikló végig magával cipelte őket és visszahozta azokat a földre, míg a korábbi hordozórakéták esetében a rakétahajtóművek megsemmisültek ahogy a fokozatokat levállasztották. Az Apollo-Saturn érában a J-2 hajtóművet is többször indították újra a teszteken, tehát az újrahasználhatóság a "hagyományos" rakétahajtóművek esetében is fennáll. Az eredeti elvárás az volt, hogy 10 repülésenként kelljen a hajtóműveket ellenőrzésre kiszerelni az űrsiklóból, ám ez nem valósult meg; gyakorlatilag minden repülés után mindhárom hajtóművet kiszerelik, darabokra szedik, ellenőrzik, összeszerelik, és ez után helyezték vissza (valamelyik) űrsiklóba.
A bonyolult és logisztikailag is megterhelő eljárás végeredményeként az SSME noha egyedülálló hajtómű, a legfontosabb célját, a költségek csökkentését nem sikerült elérnie. Igazság szerint feltételezhető, hogy minden repüléshez három - három egyszer használatos hajtóművet használni olcsóbb lett volna. Az SSME-k karbantartása és felújítása hajtóművenként mai áron nagyságrendileg 12-16 millió dollárba fájt a NASA-nak!
A három hajtómű gömbcsuklószerűen van felfüggesztve, két hidraulikus (egy a függőleges, egy pedig a vízszintes tengelyen való kitérítésért felel) munkahengerrel 10,5°-ig bármelyik irányba ki lehet téríteni, és ezzel a felszálláskor kormányozni az űrsiklót. A hajtóművek "életjeleit", a különféle érzékelők adatait két HDC-601 számítógép elemzi, ezeket később egy-egy, egyenként két Motorola 68 000 szériás chip-ekre épülő számítógépek váltották fel.
Az egyik SSME beépítése - klikk a nagyobb képért
Az űrsikló hőháztartásának fő elemei a már korábban említett radiátorok, ám azok csak a világűrben használhatóak, amikor a raktérajtók nyitva vannak. Hogy a fel- és leszállás időtartama alatt a hulladékhőtől megszabaduljanak, két külön rendszert helyeztek el a farokrészben. Az első 42 kilométeres magasságtól (addig a rendszer kellően előhűtött állapotban van) a radiátorok kinyitásáig működik, illetve a visszatéréskor a radiátorok becsukásától 30,5 kilométeres magasságig. Ez a vízpárologtatás elvén működő rendszer (FES - Flash Evaporator Subsystem), amely a freon-hűtőrendszerből egy - pontosabban a biztosítás miatt két - hőcserélővel vonja ki a hőt, amellyel vizet forral fel, amit a farokrészen kiengednek a légkörbe illetve a világűrbe.
A második rendszer visszatéréskor 30,5 kilométeres magasság alatt lép működésbe. Ez ammóniát forral fel a hőcserélővel, és így von el meleget a hűtőrendszertől. Miután az űrsikló földet ért, egy mobil gáz hőcserélő-rendszert kötnek a freon rendszerre, és onnantól az vonja el a hőt a fedélzeti rendszerektől.
A leszállás végső szakasza, jól látható a törzslap
A függőleges vezérsík elsődleges feladata a gép stabilitásának biztosítása a visszatéréskor, de egyben kombinált oldalkormányként (csak a leszállás legvégső szakaszában) illetve kétfelé nyílva aerodinamikai féklapként is működik, amellyel a visszatéréskor a sebességet befolyásolhatják vitorlázás közben. A törzslap kettős feladatot lát el, egyfelől a visszatéréskor a hajtóművek hátranyúló fúvókáját óvja a légáramtól és ezzel együtt a fellépő hőhatástól, másfelől magassági kormányfelületként használható kitérítéskor. A borítása minkét oldalán hővédő csempékből áll éppen amiatt, mert a felső részen a működő főhajtóművek hőhatásának kell ellenállnia, visszatéréskor pedig az alsó felének kell a légköri súrlódás által termelt hőt kibirnia.
Az OMS gondola illetve az OMS rendszer főbb elemei. A két nagyobb tartály az OMS-hez, az előtte lévő kettő kisebb az RCS-hez tartozik
A hátsó törzsrésznek mindössze két része maradt, ez pedig annak a felső részén, kétoldalt elhelyezett gondolák, amelyek aluminium keretekből, tartókból illetve szénszál erősítésű kompozit műanyagból készültek. A gondolák két részre oszlanak, a hátsó részük az OMS (Orbital orbital Maneuvering Subsystem ~ Orbitális Manőverező Alrendszer) egy-egy hajtóművét és az azt kiszolgáló rendszereket rejti.
Az OMS gondola beépítés előtt, láthatóak az üzemanyagtartályok - klikk a nagyobb képért
Az OMS hajtóművek egyenként 27 kN tolóerőt adnak le, amit dinitrogén-tetroxid (N2O4) oxidálószert illetve monometil-hidrazin (MMH) üzemanyag elégetésével hoznak létre. Az N2O4 illetve a hidrazin népszerű páros az űrhajókban, mivel ez a két anyag összekeveredve spontán önggyuladásra képes, így nincs szükség egy külön begyújtást elősegítő berendezésre. Hátránya viszont, hogy erősen mérgezőek és agresszív, maró anyagok. Emiatt szükséges az, hogy az űrrepülőgép földet érése után először védőruhás szakemberek rohannak oda, akik megfelelő eszközökkel kiszivattyúzzák a maradék üzemanyagot az űrhajóból. A legénység csak ez után hagyja el a kabint.
Az OMS gondola a világűrben - klikk a nagyobb képért
Az OMS feladata az űrsikló végső pályára állítása, miután leoldották a külső üzemanyag-tartályt illetve leállt a főhajtómű, továbbá a pályaváltoztató manőverek végrehajtása, például űrrandevúk esetén, illetve visszatéréskor az orbitális sebesség csökkentése. A két gömbcsuklószerűen beépített OMS-t elektromechanikus motorokkal lehet kitéríteni, így azok működése közben a manőverezést is lehetővé teszik. Érdekesség, hogy az OMS megvalósította azt, amire az SSME nem volt képes: gyakorlatilag minimális karbantartást igényel, és az élettartama azonos (mintegy 100 repülés) magának az űrrepülőgépnek a tervezett élettartamával.
A két gondola elülső részében, illetve az űrrepülőgép orrában foglalnak helyet az RCS (Reaction Control System ~ Reakciós Kormányhajtómű Rendszer) apró rakétahajtóművei. Ezek felelnek az űrrepülőgép finom irányításáért, a megfelelő helyzetben tartásáért illetve a kormányzásért a világűrben. Az RCS kétféle hajtóműből áll. A hagyományos hajtóművekből az orrban 14 darab foglal helyet, a két hátsó gondolában pedig 12-12 darab. Ezeken kívül az orrban kettő, hátul a gondolákban pedig további 2-2 folyamatos működésre képes un. 'vernier' hajtómű is van. A hagyományos hajtóművek 387 N, a folyamatos működésűek 107 N tolóerőt adnak le. A RCS ugyanazt az N2O4 illetve MMH üzemanyagot használja, mint az OMS, sőt, a hátsó RCS egységet az OMS tartályaiból is lehet táplálni.
Lapozz! Hővédő pajzs
Az űrrepülőgép külső burkolatát - mint egyfajta ruha - hővédő pajzs takarja be. A feladata kettős, egyfelől megóvni az űrrepülőgép szerkezetét a visszatérékor fellépő hőhatásoktól, másfelől pedig hőszigetelő burkolatként is fukcionál.
Az űrsikló hővédő pajzsának elosztása - klikk a nagyobb képért
A korai hővédő elemek (még nincs FRCI) - klikk a nagyobb képért
Mivel a visszatéréskor különböző fokozatú hőterhelést kap a gép, ezért régiókra van az egész külső felület felosztva, és mindenhol a kitett hőhatásnak megfelelő megoldást alkalmaznak.
RCC - Reinforced Carbon-Carbon ~ Megerősített Szén-Szén: A leginkább felhevűlő részek, úgymint az űrrepülőgép orrészének hegye, illetve a belépőélek, valamint a külső üzemanyagtartály rögzítési pontja körül alkalmazzák, ahol a hőmérséklet meghaladhatja az 1530 C°-ot. Az RCC gyártási folyamata dióhéjban annyi, hogy műselymet elszenesítenek, majd fenolos folyadékkal itatják át, amit egy autoklávban formára laminálnak és közben a fenolos folyadék is elszenesedik. Ezután alkoholos fűrdőbe helyezik, ami után újra kisütik, ahol az alkohol is elszenesedik.
Egy RCC záróelem metszete, érdemes megfigyelni a rostos szerkezetét - klikk a nagyobb képért
Az eljárást háromszor ismétlik, amíg a szükséges tulajdonságokat el nem éri. A külső felületét szilikáttal kezelik, hogy az oxidációtól védjék a már kész munkadarabot. Az RCC viszonylag kevés helyen való használatának oka az, hogy bár nagyon jól viseli a hőterhelést és a hőtágulása is minimális, viszonylag jó hővezető is egyben, ezért a szárnyaknál hőtűrő acél távtartókra szerelik, az orrhegynél pedig kerámia- és szilikát-szálas hővédő paplan helyezkedik el, és óvja az orr fém szerkezeti elemeit.
HRSI - High Temperature Reusable Surface Insulation Tiles ~ Magas Hőmérsékletű Újrahasználható Külső Szigetelő Téglák: Nagy tisztaságú szilikát-szálakból (ami egyszerű homokból származik) készül, kerámia-kötéssel megszilárdítva. A külső felületének védelme érdekében tetra-szilikát és boron-szilikát keverékével vonják be, amit aztán elektromos kemencében felhevítenek, ettől gyakorlatilag egy vékony, fekete üveg-felületet kap. A HRSI annyira alacsony sűrűségű, hogy mindössze a térfogatának a tíz százaléka anyag, a maradék rész gyakorlatilag űr, semmi. Elviseli azt, ha felhevítik 1500 C°-ra, majd rögtön hideg vízbe mártják, és olyan rossz hővezető, hogy egy hasonlóan felhevített téglát a széleinél meg lehet fogni puszta kézzel.
Egy HRSI tégla behelyezés előtt - klikk a nagyobb képért
A téglák vastagsága a hőterheléstől függően (előről-hátrafelé) egyre csökken. A gép orránnál még 12,7 centiméter vastagok, a farok-résznél már csak mintegy 2,54 centiméteresek. A szélességük és a hosszuk jellemzően 15,24 x 15,24 centiméter. A HRSI-nek két sűrűségi változatát használják, az orrnál sűrűbb (22 font per köbláb, vagyis mintegy 352 kg per köbméter), a többi részen "normál" sűrűségű (ez 9 font per köbláb, vagyis mintegy 96 kg per köbméter). A HRSI téglákat szilikát bázisú ragasztóval rögzítik a nomex-el bevont géptestre, kézi munkával.
FRCI - Fibrous Refractory Composite Insulation Tiles ~ Rostos Hőálló Kompozit Szigetelő Téglák: Utólagosan kifejlesztett hővédő téglák, amely 20%-ban aluminium-boron-szilikát szálakat tartalmaz, amely keményebb (mintegy háromszor nagyobb a szakítószilárdsága, mint a HRSI-nek), strapabíróbb, nagyobb a hőtűrése mintegy 100 Celsius fokkal és ugyanakkor könnyebb, (12 font per köbláb, tehát hozzávetőleg 192 kg per köbméter) mint a HRSI-22 téglák, így azokat (de csak azokat) FRCI-re cserélték le.
Az Endevour szemből. A kabin közepénél HRSI téglák, mellettük és hátul az OMS gondolákon LRSI téglák, a kabin előtt pedig AFRSI takarók - klikk a nagyobb képért
LRSI - Low-Temperature Reusable Surface Insulation Tiles ~ Alacsony Hőmérsékletű Újrahasználható Külső Szigetelő Téglák: Gyakorlatilag megegyezik a HRSI-9-el (vagyis a "normál" sűrűségű HRSI téglákkal), mindössze nagyobb felületet fednek le. Mntegy 20 x 20 centiméteresek, viszont vékonyabbak (0,5-től 3,5 centiméteres vastagságúak). A külső felületükre ekete helyett fehér színű aluminium-oxid-alapú felületkezelés került, amely a nap sugarait jó aránnyal visszaveri, így kevésbé hevül fel a világűrben.
AFRSI - Advanced Flexible Reusable Surface Insulation Blankets ~ Rugalmas Újrahasználható Külső Szigetelő Takarók Amikor elkészült a Columbia, a NASA-nak és a Rockwell-nek sok fejfájást okozott az, hogy az űrrepülőgép túl nehéz, a hővédő téglák pedig túlságosan is karbantartásigényesek. A problémákra az egyik megoldás az lett, hogy az LRSI, vagyis a fehér hővédő téglák döntő többségét kiváltották egy szilikát és üvegszálakból gyártott paplannal, amit kerámia és szilikát bázisú bevonattal láttak el, majd szilikát bázisú ragasztóval rögzítették őket. Ezek a paplanok nem csak könnyebbek, mint a hővédő téglák, de a karbantartásigényük is minimális, ezért később a Columbiát is átalkították az LRSI-ről ALRSI-re.
FRSI - Felt Reusable Surface Insulation Blankets ~ Filc Újrahasználható Külső Szigetelő Takarók: A hőterhelésnek legkevésbé kitett helyeken, a raktérajtók külső borításaként, illetve az űrsikló felső részein használják ezeket a Nomex takarókat, amelyeket fehér szilikon bázisú festékkel kezelnek, és szilikát bázisú ragasztóval rögzítik őket.
A hővédő téglák mindegyikén egy sárga színű, hővédő festékkel felfestett azonosító kód található, amely alapján megállapítható, hogy pontosan hol is helyezkedik el az űrsiklón. A festékben nem okoz kárt a több, mint 1500 fokos hőség sem, így nem kell amiatt aggódni, hogy az azonosítás később problémákba ütközhet.
Egy HRSI tégla, rajta az azonosító kódok
Az űrsikló hővédő pajzsa igazság szerint egy roppant innovatív ötlet kevéssé sikeres megvalósulásának példája. A szilikát bázisú hővédő pajzs nagyszerűen bizonyított, összeségében könnyű és hatékony hővédelmet biztosítva az űrsiklónak. Viszont az elvárások között nem csak ez szerepelt, hanem a tartósság, a karbantartás szempontjából az igénytelenség és általában az, hogy olcsó megoldást nyújtson. Ezeket a hővédő pajzs finoman szólva nem tudta megvalósítani.
Először is a téglák meglehetősen törékenynek bizonyultak, a Columbia szomorú tragédiája pedig bebizonyította, hogy az RCC panelek is sérülékenyek. Az FRSI téglák bevezetése ezen javított valamelyest, de csak egy részen lehetett használni őket, mivel a HRSI-9 tégláknál nagyobb tömegük miatt azok helyett csak úgy lehetne használni őket, ha felvállalják a plusz terhet. Ez pedig az amúgy is túlsúlyos űrsikló esetében nem igazán merülhetett fel.
Egy jókora rész javítása folyamatban, érdemes megfigyelni, hogy minden kézzel történik... - klikk a nagyobb képért
A másik komoly probléma a ragasztókhoz, illetve a ragasztás hatékonyságához fűződik. Egyszerűen a NASA, illetve a megbízott alvállakozók minden igyekezete ellenére sem tudták megoldani a valóban biztos és tartós rögzítést. Minden űrrepülés alkalmával el-elhagyott az űrsikló néhány - olykor több tucat, párszor pedig száznál is több - téglát. Ezek jó része a légnyomástól vagy a rázkódástól eshetett le, nem pedig olyan külső behatástól, mint például a külső üzemanyagtartályról lehulló hőszigetelőhab-darabkák becsapódásai.
A felhelyezés kész tortúrának minősült, mivel a szilikát bázisú ragasztó nagyon gyorsan megkötött, így egy előre kikevert ragasztó alig pár perc után annyira összetapadt, hogy már nem lehetett felhasználni. Az élelmes karbantartók improvizáltak: beleköptek a ragasztóba, amely így valamivel lassabban kötött meg, így egy kikevert adag a szokásos egy-két tégla helyett három-négy tégla felhelyezéséhez is felhasználható volt. Apró probléma, hogy ettől természetesen a ragasztó hatékonysága, vagyis a felhelyezett tégla rögzítése csorbát szenvedett. Mikor egy belső vizsgálatnál erre az "eljárásra" fény derült, a NASA azonnali hatállyal megtiltotta a ragasztóba köpködést - ám minderre csak majdnem egy évtizednyi gyakorlati alkalmazás után került sor!
Az STS-27 visszatérése. Érdemes megnézni az orr és a szárny részén a fekete HRSI téglákat, jól láthatóak a fehér foltok, ahol megsérültek - klikk a nagyobb képért
A hővédő szilikát téglák másik rossz szokása, hogy az anyag térfogatának gyakorlatilag mintegy 90%-a "üres", csak a maradék 10% maga szilikát, ezért a nedvességet magába szívja. Ez pedig a világűr dermesztő hidegében hajlamos megfagyni, ezáltal pedig megrongálni a téglát, ahogy az az első űrrepüléssek során kiderült. Megoldásként azt találták ki, hogy a téglákat vízzáró anyaggal töltik fel. Ezt a műveletet minden egyes repülés után, kézzel hajtják végre, minden egyes tégla esetében,, ami meglehetősen munkaigényes megoldás. Az AFRSI takarók szintén hasonló módon vannak vízállóvá téve, mivel szintén hajlamos a vizet magába szívni.
Az STS-27 leszállása után vizsgálják a sérült hővédő téglákat
A végső konklúzió meglehetősen keserves képet fest. Az űrsiklónak eredetileg a leszállás után mindössze 160 órával már újra az indítóálláson, indulásra készen kellett volna állnia, azonban csak a hővédő pajzs önmagában iszonyatos mennyiségű munkát adott minden egyes repülés után. Egy átlagos űrrepülésnél olyan 17 000 munkaórába telt az átellenőrzése, a hiányzó vagy sérült téglák pótlása és a vízállóság biztosítása - mindez végig kézi munkával. Az STS-27 útján - amely a második volt a Challenger katasztrófája után - a jobb oldali szilárd hajtóanyagú gyorsítórakéta leváló burkolata felszálláskor megrongálta a hővédő pajzsot. A leszállás után derült ki, hogy összesen mintegy 700 tégla sérült meg, illetve egy teljesen elveszett, és nem sokon múlt a katasztrófa akkor sem.
Az egyetlen másik űrhajó, amely szilikáttéglákkal oldotta meg a hővédelmet a szovjet Buran űrrepülőgép volt, amely hasonló problémáktól szenvedett. Amikor a NASA az 1990-es években az űrsikló utódját kereste, és a Venture Star programon dologozott a Lockheed-Martin céggel, az egyik első döntés az volt, hogy az űrsikló programnál anno felmerült két opció közül a másikat, a "heat sink" típusú, fémes alapú, hőelvezetésen alapuló hővédelmet választják. Amikor pedig a Venture Star sűllyesztőbe került, helyette pedig az Apollo-utánérzésű Orion került elő, akkor a Mercury - Gemini - Apollo féle (ám annál modernebb anyagokkal dolgozó) elégő hőpajzs mellett döntöttek.