První opakovaně použitelný kosmický dopravní systém STS, který 30 let vynášel družice, opravoval Hubbleův teleskop a vybudoval stanici ISS.

Obsah hesla

[Rejstřík]

1.Technologické divy a parametry
2.Historické úspěchy programu
3.Dvě velké tragédie
4.Konec éry raketoplánů
5.Zdroje a reference

Space Shuttle: Éra amerických raketoplánů (1981–2011)

Program Space Shuttle (oficiálně Space Transportation System – STS) americké kosmické agentury NASA byl prvním operačním pokusem lidstva o vytvoření částečně znovupoužitelného kosmického dopravního prostředku.

Systém se skládal z okřídleného kosmického orbitéru (raketoplánu), dvou mohutných urychlovacích bloků na tuhá paliva (SRB) a obří odhoditelné vnější palivové nádrže (ET). Raketoplán startoval vertikálně jako běžná nosná raketa, na oběžné dráze fungoval jako pilotovaná orbitální laboratoř i montážní plošina a na Zemi se vracel klouzavým letem bez motorů jako těžký kluzák, který přistával na běžné letištní dráze.

Během 30 let služby (1981 až 2011) absolvovala flotila pěti raketoplánů (Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis a Endeavour) celkem 135 misí, vynesla do vesmíru 355 astronautů z 16 zemí a navždy změnila podobu pilotované kosmonautiky.

1. Technologické divy a parametry #

Raketoplán byl nejkomplexnějším strojem, jaký kdy člověk vyrobil:

Nákladový prostor: Obří nákladová plocha o rozměrech 18 × 4,6 metru s kanadskou robotickou rukou Canadarm dokázala na nízkou oběžnou dráhu dopravit až 27,5 tuny nákladu nebo naopak vrátit porouchané družice zpět na Zemi.
Hlavní motory SSME (RS-25): Trojice motorů na zádi raketoplánu spalujících kapalný vodík a kyslík představovala absolutní vrchol raketového inženýrství. Byly to první vícenásobně použitelné raketové motory na světě, navržené na desítky startů.
Pomocné motory SRB: Dva bílé motory na tuhá paliva po stranách nádrže dodávaly 71 % startovního tahu. Po dvou minutách hoření se oddělily, snesly na padácích do Atlantského oceánu, kde byly vyloveny loděmi NASA, naplněny novým palivem a znovu použity.
Tepelný štít: Spodek raketoplánu byl pokryt více než 24 000 unikátními křemičitými dlaždicemi, které chránily konstrukci před pekelným žárem přes 1 600 °C při návratu do atmosféry rychlostí 28 000 km/h.

2. Historické úspěchy programu #

Raketoplány sehrály nezastupitelnou roli v moderní vědě:

Vypuštění a servis Hubbleova dalekohledu (HST): V roce 1990 vynesla Discovery na oběžnou dráhu Hubbleův teleskop. Když se ukázalo, že má vadné primární zrcadlo, astronauti raketoplánu v roce 1993 uskutečnili legendární první servisní misi STS-61 a dalekohled opravili. Následovaly další 4 servisní mise, které udržely HST při životě přes 30 let.
Výstavba Mezinárodní vesmírné stanice (ISS): Bez obří kapacity nákladového prostoru a robotické ruky raketoplánů by vybudování stanice ISS nebylo technicky možné. Raketoplány vynesly na orbitu všechny americké, evropské i japonské laboratorní moduly.
Vědecké mise Spacelab: Desítky biologických, fyzikálních a materiálových experimentů ve stavu beztíže.

3. Dvě velké tragédie #

Program Space Shuttle byl poznamenán dvěma katastrofami, které stály život 14 špičkových astronautů:

Zkáza Challengeru (STS-51-L, 28. ledna 1986): V důsledku mrazivého počasí selhal pryžový těsnicí O-kroužek na pravém motoru SRB. Horké plyny propálily stěnu nádrže a 73 sekund po startu vedly k aerodynamické destrukci stroje.
Zkáza Columbie (STS-107, 1. února 2003): Při startu odpadl z vnější nádrže kus izolační pěny a prorazil náběžnou hranu levého křídla tvořenou uhlíkovým kompozitem RCC. Během návratu do atmosféry vniklo do nitra křídla žhavé plazma a raketoplán se rozpadl nad Texasem 16 minut před plánovaným přistáním.

4. Konec éry raketoplánů #

Poslední let raketoplánu Atlantis (STS-135) proběhl v červenci 2011. Ačkoli raketoplány nesplnily původní ekonomický cíl radikálního zlevnění letů do vesmíru (každý start stál v průměru 1,5 miliardy dolarů), jejich přínos pro vědu, mezinárodní spolupráci a montáž velkých struktur na oběžné dráze zůstává nepřekonaný.

5. Zdroje a reference #

Jenkins, D. R. (2001). Space Shuttle: The History of the National Space Transportation System. Voyageur Press.
Harwood, W. (2011). The Space Shuttle: A Flying History. CBS News Space Place.
NASA History Division / Space Shuttle Mission Chronology (STS-1 to STS-135).

Odborný astrofyzikální text včetně stavových rovnic, efemerid a spektrální klasifikace.

Profi režim

Space Transportation System (STS) – Letová aerotermodynamika, pohon SSME a TPS

1. Systémová architektura STS #

Sestava STS sestávala ze tří základních subsystémů:

Orbiter (OV-101 až OV-105): Hmotnost prázdného stroje $M_{\text{dry}} \approx 68,500 - 78,000,\text{kg}$ , délka 37.2 m, rozpětí křídel 23.8 m.
Externí nádrž ET (External Tank): Délka 46.9 m, průměr 8.4 m. Suchá hmotnost SLWT (Super Lightweight Tank z slitiny Al-Li 2195) pouhých $26,500,\text{kg}$ , plná $760,000,\text{kg}$ ( $LOX$ 629 t, $LH_2$ 106 t).
Pomocné bloky SRB (Solid Rocket Boosters): 2× motor na tuhá paliva (APCP – amonný chloristan, hliníkový prášek, PBAN pojivo). Tah každého motoru na hladině moře $12.5,\text{MN}$ ( $I_{\text{sp}} = 269,\text{s}$ na hladině moře, doba chodu 123 s).

Celková vzletová hmotnost sestavy:

M_0 \approx 2\,040\,000\,\text{kg}

Startovní tah na hladině moře činil $30.16,\text{MN}$ (SRB 83 %, SSME 17 %).

2. Hlavní motory SSME (Aerojet Rocketdyne RS-25) #

Trojice motorů RS-25 integrovaných v zádi orbiteru využívala uzavřený fázový spalovací cyklus s bohatou směsí paliva (fuel-rich staged combustion cycle):

Pohonné látky: $LH_2 + LOX$ , směšovací poměr 6.0 : 1.
Vakuový tah jednoho motoru: $2.28,\text{MN}$ (při 109 % jmenovitého výkonu).
Specifický impuls ve vakuu: $I_{\text{sp}} = 452.3,\text{s}$ (hladina moře $366,\text{s}$ ), což představuje praktický fyzikální limit chemických vodíkových motorů.
Tlak ve spalovací komoře: $p_c = 20.6,\text{MPa}$ ( $206,\text{bar}$ ).
Kyslíkové turbočerpadlo HPOTP: Výkon 55 000 kW (75 000 hp) při 28 000 ot/min a tlaku kapalného kyslíku na výstupu přes 50 MPa.

3. Tepelná ochrana TPS (Thermal Protection System) #

Při hypersonickém návratu do atmosféry ( $M \approx 25$ , úhel náběhu $\alpha \approx 40^\circ$ ) chránil orbiter komplexní systém pasivních materiálů:

RCC (Reinforced Carbon-Carbon): Náběžné hrany křídel a příďový kužel. Teplotní odolnost až do $1,650^\circ\text{C}$ (při oxidaci chráněno nátěrem SiC).
HRSI (High-Temperature Reusable Surface Insulation): Černé křemičité dlaždice (LI-900 s borosilikátovým povlakem) na spodku trupu. Teplotní odolnost do $1,260^\circ\text{C}$ , hustota pouhých $144,\text{kg/m}^3$ (90 % objemu tvoří vzduch).
LRSI (Low-Temperature Reusable Surface Insulation): Bílé dlaždice na bocích trupu (do $650^\circ\text{C}$ ).
AFRSI (Advanced Flexible Reusable Surface Insulation): Pružné křemenné přikrývky na horních plochách trupu.

4. Letová balistika a hypersonický aerodynamický sestup #

Vstupní manévr probíhal brzdicím zážehem orbitálních motorů OMS ( $\Delta v \approx 60 - 90,\text{m/s}$ ) nad Indickým oceánem:

Vstupní rozhraní (Entry Interface, EI): Výška 122 km ( $400,000,\text{ft}$ ), rychlost $v \approx 7.8,\text{km/s}$ .
S-zatáčky pro dissipaci kinetické energie: Řízení pomocí čtyř postupných bank-manévrů (náklon až $80^\circ$ ) k regulaci vertikálního vztlaku a disipaci kinetické energie:

E_{\text{kin}} = \frac{1}{2} M v^2 \approx 3 \times 10^{12}\,\text{J} = 3\,\text{TJ}

Přistávací rychlost: $v_{\text{touchdown}} \approx 340 - 360,\text{km/h}$ s brzdicím padákem $\varnothing 12,\text{m}$ .

5. Akademické reference #

Jenkins, D. R. (2001). Space Shuttle. Voyageur Press, MN.
NASA (1988). NSTS Shuttle Reference Manual. Lyndon B. Johnson Space Center.
Columbia Accident Investigation Board (2003). CAIB Report Vol. 1. Washington D.C.

Název programu	Space Transportation System (Space Shuttle)
Vesmírná agentura	NASA
Období letů	1981–2011 (30 let)
Počet letů celkem	135 misí
Flotila raketoplánů	Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis, Endeavour
Kapacita posádky	5 až 8 astronautů
Znovupoužitelnost	Částečná (orbiter a motory SRB)
Klíčové úspěchy	Vypuštění a servis HST, montáž stanice ISS

Vzletová hmotnost sestavy	2 040 000 kg
Užitečné zatížení na L E O	27 500 kg (návrat na Zemi až 14 400 kg)
Motory orbiteru	3× RS-25 (SSME, tah ve vakuu 3× 2,28 MN, Isp 452 s)
Pevnolátkové motory S R B	2× Thiokol SRB (startovní tah 2× 12,5 MN)
Rozměry nákladového prostoru	18,3 m délka, 4,6 m průměr
Tepelný štít T P S	24 000 křemičitých dlaždic HRSI + náběžné hrany RCC
Tragické nehody	Challenger (1986, STS-51-L), Columbia (2003, STS-107)

Americký raketoplán Space Shuttle

Americký raketoplán Space Shuttle

Obsah hesla

Space Shuttle: Éra amerických raketoplánů (1981–2011)

1. Technologické divy a parametry #

2. Historické úspěchy programu #

3. Dvě velké tragédie #

4. Konec éry raketoplánů #

5. Zdroje a reference #

Space Transportation System (STS) – Letová aerotermodynamika, pohon SSME a TPS

1. Systémová architektura STS #

2. Hlavní motory SSME (Aerojet Rocketdyne RS-25) #

3. Tepelná ochrana TPS (Thermal Protection System) #

4. Letová balistika a hypersonický aerodynamický sestup #

5. Akademické reference #

Literatura a vědecké reference

AstroHub Podpora

Váš nákupní košík

Americký raketoplán Space Shuttle

Obsah hesla

Space Shuttle: Éra amerických raketoplánů (1981–2011)

1. Technologické divy a parametry #

2. Historické úspěchy programu #

3. Dvě velké tragédie #

4. Konec éry raketoplánů #

5. Zdroje a reference #

Space Transportation System (STS) – Letová aerotermodynamika, pohon SSME a TPS

1. Systémová architektura STS #

2. Hlavní motory SSME (Aerojet Rocketdyne RS-25) #

3. Tepelná ochrana TPS (Thermal Protection System) #

4. Letová balistika a hypersonický aerodynamický sestup #

5. Akademické reference #

Literatura a vědecké reference

Související hesla v AstroWiki

AstroHub Podpora

Váš nákupní košík