30. rocznica historycznej misji STS-1

0

W tym miesiącu mija 30 lat od historycznej misji STS-1 wahadłowca Columbia. Misji, która miała zapoczątkować nowy etap w historii eksploracji kosmosu – rutynowe i tanie loty kosmiczne. W niniejszym artykule przyjrzymy się najważniejszym wydarzeniom poprzedzającym pierwszy lot pojazdu wielokrotnego użytku.

Pojazd wielokrotnego użytku

Kiedy pod koniec lat 60. program Apollo znajdował się o krok od realizacji swojego głównego celu, wydawało się, że ekspansja programu kosmicznego nabiera dopiero rozpędu. Sądzono, że wkrótce doczekają się realizacji takie przedsięwzięcia jak stacja orbitalna, baza na Księżycu czy załogowy lot na Marsa. W tym czasie pojawiały się już także różnego typu koncepcje pojazdu wielokrotnego użytku zdolnego do rutynowych lotów na niską orbitę okołoziemską w tym do stacji orbitalnej. Miał to być jeden z ważniejszych kroków na drodze do eksploracji kosmosu. Wkrótce okazało się, że ambitne wizje planistów na skutek cięć budżetowych pozostały tylko na papierze. Już po pierwszych krokach Armstronga i Aldrina po powierzchni Księżyca ówczesny administrator NASA Thomas Paine otrzymał odpowiedź administracji Nixona dotyczącą planowanego budżetu NASA. Cięcia kosztów oznaczały, że z ambitnych planów załogowych lotów kosmicznych pozostał projekt stacji kosmicznej Skylab oraz program budowy pojazdu wielokrotnego użytku.

Zgodnie z założeniami przyszłe wahadłowce miały realizować nie tylko misje naukowe i logistyczne loty zaopatrujące stacje orbitalną. Ich przeznaczeniem były także misje o charakterze czysto militarnym. Przypomnijmy, że wcześniej wojsko próbowało realizować różne programy kosmiczne takie jak X-20 “Dyna Soar” czy też Manned Orbiting Laboratory (MOL). Nowy pojazd z założenia miał wykonywać misje obu stron, w konsekwencji oznaczało to różnorodne wymagania konstrukcyjne, często dosyć kłopotliwe w realizacji.

Przykład rozważanych różnorodnych koncepcji wahadłowca kosmicznego (NASA)

Mimo, że mniej lub bardziej zaawansowane prace studyjne dotyczące pojazdu wielokrotnego użytku trwały już w latach 60., oficjalne rozpoczęcie prac nad nowym pojazdem ogłoszono w styczniu 1972r. Z pośród różnorodnych koncepcji NASA zdecydowała się realizować projekt, który składał się z dwóch rakiet na paliwo stałe, zbiornika zewnętrznego oraz silników głównych zamontowanych w tylnej części wahadłowca.


Koncepcja wahadłowca z początku 1972r. (NASA)

Podwykonawcami poszczególnych elementów zostali: North American/Rockwell (orbiter), Morton Thiokol (rakiety na paliwo stałe), Martin Marietta (zbiornik zewnętrzny), Rocketdyne (silniki główne). Na miejsca, z których miał startować prom kosmiczny, wybrano KSC (stanowiska startowe 39A i 39B) oraz Vandenberg (stanowisko startowe SLC-6). To drugie miało umożliwiać starty także na orbitę polarną.


Dwa planowane miejsca startu po lewej Vandenberg, po prawej KSC (NASA)

Przygotowania do pierwszego lotu
Podczas prac nad pierwszym pojazdem wielokrotnego użytku sporo prac konstrukcyjnych dotyczyło elementów naziemnych. Mimo, iż konieczne było zbudowanie kilku nowych infrastruktur jak pas startowy wraz z odpowiednim wyposażeniem (Shuttle Landing Facility), to wiele elementów pozostałych po programie Apollo miało być wykorzystane w nowym programie. Przykładowo transport orbitera na stanowisko startowe miał być realizowany przy pomocy transporterów z użyciem platform startowych pozostałych po programie księżycowym. Te ostatnie poddane zostały niezbędnym modyfikacjom. Zmiany dokonano również na stanowiskach startowych 39A i 39B: tutaj postawiono wieże startowe Fixed Service Structure (FSS) oraz obrotowe struktury obsługujące Rotating Service Structure (RSS). Warto przypomnieć, że główne elementy FSS obu wyrzutni pochodziły z wież obsługujących starty rakiet Saturn-V. Historyczne elementy kratownicy wieży startowej programu Apollo (ML-2) stały się częścią FSS na stanowisku startowym 39A, natomiast fragmenty wyposażenia ML-3 zostały zabudowane w infrastrukturze stanowiska 39B.


Wrzesień 1976r. Prace konstrukcyjne na stanowisku startowym 39A. Na zdjęciu widać budowaną z elementów programu Apollo wieżę FSS (NASA)


Jedna z modyfikowanych platform startowych. Wrzesień 1976r. (NASA)


Rok 1977. Na fotografii widoczne są pierwsze prace konstrukcyjne nad strukturą RSS (NASA)

Kolejnym ważnym krokiem w programie STS miały być doświadczalne loty atmosferyczne prototypu wahadłowca. Prace konstrukcyjne nad wahadłowcem OV-101 Constitution rozpoczęły się w czerwcu 1974 r. W roku 1976 spora ilość petycji, głównie miłośników popularnego filmu i serialu “Star Trek”, wymusiła zmianę nazwy na Enterprise. W marcu tego samego roku ukończono najważniejsze prace konstrukcyjne, a sześć miesięcy później odbyło się uroczyste wytoczenie wahadłowca z zakładów konstrukcyjnych w Palmdale.


Wahadłowiec Enterprise podczas ceremonii wytaczania z zakładów w Palmdale we wrześniu 1976r. (NASA)

W następnym roku w okresie między lutym a listopadem przeprowadzono szereg prób sprawdzających charakterystyki lotne zarówno podczas lotów samodzielnych, jak i podczas tych na grzbiecie samolotu transportowego Shuttle Carrier Aircraft (SCA).

{youtube}CkEUBBlIjUA{/youtube}
Film przedstawiający w całości jeden z lotów testowych wahadłowca Enterprise (Shuttlesource).

W tym samym czasie trwał montaż pierwszego wahadłowca zdolnego do lotów orbitalnych, OV-102 Columbia. Prace konstrukcyjne rozpoczęto w marcu 1975 r., a finalny montaż rozpoczęto tuż po lotach testowych wahadłowca Enterprise w listopadzie 1977r. Z kolei Enterprise został przetransportowany do Huntsville do Marshall Center, gdzie przechodził różnorodne testy wibracyjne. Następnie w kwietniu 1979 r. trafił do KSC. Tam przeprowadzono testy sprawdzające integralność poszczególnych systemów STS z wyposażeniem naziemnym.


Prace konstrukcyjne przy wahadłowcu Columbia (NASA)


Transport wahadłowca Enterprise na stanowisko startowe. W oddali widoczna jest platforma startowa ML-1 ostatni raz wykorzystywana m.in. podczas startów misji załogowych do stacji Skylab oraz lotu Apollo-Sojuz (NASA)


Enterprise podczas testów integracyjnych na stanowisku startowym 39A w KSC (NASA)

Miesiąc przed dostarczeniem Enterprise do KSC wahadłowiec Columbia został wytoczony z zakładów w Palmdale. Prom nadal pozbawiony był sporej ilości płytek osłony termicznej. Ubytki planowano zainstalować zaraz po przetransportowaniu do KSC pod koniec marca 1979 r. Zaraz po dostarczeniu na Florydę wahadłowiec trafił do budynku przygotowania pojazdów OPF-1.


Wahadłowiec Columbia po dostarczeniu do KSC wtaczany jest do budynku OPF-1. Zwraca uwagę duża liczba brakujących płytek osłony termicznej (NASA)

W 1979 planowano, że Columbia opuści OPF i trafi do hali montażu pojazdów VAB w grudniu tego samego roku. Start był planowany na czas pomiędzy marcem a czerwcem 1980 r. W tym okresie NASA planowała do połowy czerwca 1984 odbycie 43 misji z wykorzystaniem trzech orbiterów.

Misja STS-1
Misja STS-1 zaplanowana była jako jeden z kilku pierwszych orbitalnych lotów testowych nowego wahadłowca. W przeciwieństwie do pierwszych misji w poprzednich załogowych programach kosmicznych, NASA nie zdecydowała się na wykonanie misji STS-1 bez udziału załogi. Do lotu przygotowywali się dowódca weteran lotów kosmicznych John Young (brał udział w misjach Gemini-3, Gemini-10, Apollo-10 i Apollo-16) oraz pilot Robert Crippen (uczestniczył w programie Manned Orbiting Laboratory (MOL)). Załogę rezerwową, a w konsekwencji także załogę misji STS-2, stanowili Joe Engle i Richard Truly. Podczas tej misji jedynym wyposażeniem ładowni był zestaw instrumentów pomiarowych rejestrujących różnorodne parametry podczas misji. Podstawowym celem lotu STS-1 była demonstracja bezpiecznego startu, osiągnięcie zaplanowanej orbity i udanego lądowania w bazie w Edwards.


Załoga misji STS-1. Po lewej John Young, po prawej Robert Crippen (NASA)

Start do pierwszego lotu wahadłowca konsekwentnie się opóźniał. W budynku OPF-1 prom Columbia spędził aż 610 dni co do dziś stanowi rekord w historii lotów STS. Długi czas przygotowań spowodowany był przede wszystkim wciąż przedłużającym się montażem brakujących elementów osłony termicznej, pojawiły się również problemy podczas testów silników SSME. Mimo przedłużających się przygotowań do pierwszego lotu NASA opublikowała grafik przyszłych lotów, w którym zakłada się realizację 487 misji w latach 1982-1993, z tego 361 lotów z KSC i 126 z bazy Vandenberg. Na skutek różnych opóźnień wahadłowiec Columbia trafił do hali montażu pojazdów VAB dopiero pod koniec listopada 1980. Tam rozpoczęto integrację pojazdu ze zbiornikiem zewnętrznym. Wkrótce prom gotowy był do transportu na stanowisko startowe 39A. Wytaczanie na miejsce startu odbyło się w ostatnich dniach grudnia tego samego roku.


Wewnątrz VAB specjalny dźwig przenosi wahadłowiec Columbia celem połączenie ze zbiornikiem zewnętrznym (NASA)


Wahadłowiec Columbia tuż przed dotarciem na stanowisko startowe 39A (NASA)

Na początku 1981 przygotowania do pierwszego lotu wkroczyły w ostateczną fazę. W styczniu przeprowadzono szereg testów systemów pokładowych oraz tych związanych z wyposażeniem stanowiska startowego. Pod koniec stycznia przeprowadzono próbne napełnianie zbiornika ciekłym tlenem i wodorem. W dalszej kolejności przygotowywano wahadłowiec do przeprowadzenia 20 sekundowego próbnego odpalenia silników głównych. Test Flight Readiness Firing (FRF) przeprowadzono 20 lutego.

{youtube}2Gi5qJcPOMw{/youtube}
Test Flight Readiness Firing (FRF) wahadłowca Columbia przeprowadzony 20 lutego 1981r. (3210andLiftoff).

Aby zwiększyć bezpieczeństwo załogi i zapewnić jej możliwość ewakuacji z uszkodzonego wahadłowca, na górnym pokładzie zainstalowano fotele katapultowane dla dowódcy i pilota. Oprócz tego obaj astronauci byli ubrani w skafandry ciśnieniowe Shuttle Ejection Escape Suit umożliwiające ratunek do prędkości 2,7 Macha i wysokości 24,4 km.


Young i Crippen ubrani w skafandry ciśnieniowe w kabinie wahadłowca. Wyraźnie widoczne są też fotele katapultowane (NASA)

Planowo start misji STS-1 miał odbyć się 10 kwietnia, jednak podczas odliczania problem z jednym z komputerów Columbii spowodował przełożenie startu o 48h. Opóźnienie to sprawiło, że misja STS-1 rozpoczęła się 12 kwietnia, dokładnie w dwudziestą rocznicę historycznego lotu Gagarina na pokładzie statku Wostok-1.

{youtube}5lXDa-HlFPU{/youtube}
Transmisja telewizyjna NASA z przygotowań do startu STS-1. W pierwszych sekundach możemy zobaczyć załogę udającą się do pomieszczenia, gdzie założą skafandry ciśnieniowe. W 05:41 widać już załogę w ubranych skafandrach, a w 13:03 Young i Crippen udają się na stanowisko startowe (3210andLiftoff).

{youtube}kH6tGvcU54c{/youtube}
Kolejna część transmisji telewizyjnej NASA. Od 03:50 widać załogę wchodzącą na pokład Columbii (3210andLiftoff).

{youtube}dZREmlPEDig{/youtube}
Materiały telewizyjne NASA. Na początku w T-9min widzimy odsunięcie ramienia Gaseous Oxygen (GOX) Vent Arm. W późniejszych misjach moment odsunięcia tego elementu zmieniono na T-2min55sek. Dokonano również modyfikacji tego systemu. W 10:08 następuje odsunięcie ramienia z pomostem, dzięki któremu załoga weszła na pokład wahadłowca (3210andLiftoff).

Misja STS-1 była jedyną w programie lotów wahadłowców, podczas której zastosowano nietypowe odliczanie: uruchamianie silników głównych nastąpiło w T-3.8sek; gdy silniki SSME osiągnęły 90% ciągu projektowego, zegar odliczający znajdował się w okolicach T+0sek, w T+2.88sek nastąpił zapłon dwóch rakiet na paliwo stałe, natomiast gdy Columbia zaczęła opuszczać stanowisko startowe, zegar został zresetowany do T+0sek tak, aby mierzyć faktyczny czas misji. Podczas kolejnych misji stosowano już odliczanie znane ze współczesnych lotów wahadłowców. Inną cechą wyróżniającą lot STS-1 był zbiornik zewnętrzny pokryty białą farbą. Podobne rozwiązanie stosowano jeszcze w locie STS-2, jednak już w dalszych misjach zrezygnowano z malowania zbiornika redukując jego masę o około 272kg.

Po starcie wahadłowiec zwiększał swoją wysokość i prędkość. W T+2min12sek nastąpiła separacja rakiet SRB, a tym samym podstawowym źródłem ciągu stały się silniki główne, które pracowały do T+08:32. Kilkanaście sekund po ich wyłączeniu nastąpiło odłączenie zbiornika zewnętrznego. Tym samym Columbia znalazła się na eliptycznej orbicie o parametrach 148x24km.

{youtube}BENEOD_fkS8{/youtube}
Część transmisji telewizyjnej pokazującej start wahadłowca Columbia do misji STS-1 12 kwietnia 1981r. (3210andLiftoff).

Kilka minut później nastąpiło krótkie odpalenie silnikami manewrowymi OMS-1 zmieniające parametry orbity na 241x105km. Drugie odpalenie OMS-2 przeprowadzono kilkadziesiąt minut później. Po tym manewrze orbita Columbii stała się niemal kołowa i przebiegała około 241 km nad powierzchnią Ziemi. Jednym z krytycznych momentów misji było otwarcie drzwi ładowni zapewniające prawidłowe warunki dla pracy radiatorów. Udało się je zrealizować, jednak niemal natychmiast po otworzeniu pokryw ładowni załoga dostrzegła kilka brakujących płytek osłony termicznej w okolicach osłon silników manewrowych. Wzbudziło to obawy co do faktycznego stanu osłony termicznej. Nikt nie wiedział, ile płytek mogło odpaść ze spodniej części orbitera podczas startu. Teoretycznie utrata niektórych płytek mogła mieć nawet tragiczne następstwa.


Zdjęcie ładowni z widocznym zestawem czujników i urządzeń pomiarowych Development Flight Instrumentation (DFI). Na fotografii wyraźnie są też widoczne brakujące elementy osłony termicznej, które odpadły podczas startu (NASA).

Columbia przebywała na orbicie dwa dni. Podczas misji załoga przeprowadziła kilka manewrów orbitalnych, osiągając maksymalną wysokość około 307 km. Powrót na Ziemię miał miejsce 14 kwietnia. Po uruchomieniu silników manewrowych zmniejszono prędkość orbitalną i wahadłowiec rozpoczął proces wejścia w atmosferę. Lądowanie odbyło się w bazie Edwards na pasie startowym, który stanowi element powierzchni wyschniętego jeziora.

{youtube}LuqcQDkWX1c{/youtube}
Transmisja telewizyjna stacji NBC z lądowania wahadłowca Columbia 14 kwietnia 1981r. (3210andLiftoff).

{youtube}0k8w-0zHa2E{/youtube}
Dalsza część transmisji zrealizowanej po zakończeniu misji STS-1. Oprócz wywiadów z załogą możemy zobaczyć też nadal obowiązujące w tym czasie bardzo optymistyczne plany NASA związane z wykorzystaniem wahadłowca (3210andLiftoff).

Mimo iż pierwszy lot wahadłowca był dużym sukcesem, to nie obyło się bez mniej lub bardziej poważnych anomalii. Jednym z najpoważniejszych problemów była utrata części płytek osłony termicznej, które chronią załogę podczas krytycznej fazy hamowania atmosferycznego. Ich utrata była spowodowana m.in. falami akustycznymi powstałymi podczas uruchamiania silników na paliwo stałe. Dodatkowo energia tych fal spowodowała odchylenie poza dopuszczalny zakres elementu aerodynamicznego (body flap) służącego do trymowania wahadłowca podczas lotu atmosferycznego. To potencjalnie mogło doprowadzić do uszkodzenia układu hydraulicznego, co przełożyłoby się na pozbawienie możliwości kontroli podczas lądowania i utratę wahadłowca już podczas pierwszego lotu. Okazało się też, że komputer Columbii był zaprogramowany tak, że podczas wejścia w atmosferę korzystał z uproszczonego modelu teoretycznego, co spowodowało nieoczekiwane wychylenia powierzchni sterowych. Po różnego typu modyfikacjach i zmianach w procedurach w listopadzie tego samego roku Columbia wystartowała do swojego drugiego lotu, misji STS-2.

Konsekwencje programu wahadłowców
Misja STS-1 rozpoczęła trzydziestoletni okres stałych lotów kosmicznych na niską orbitę okołoziemską. W tym czasie wahadłowce używane były do wysyłania i sprowadzania uszkodzonych satelitów, przeprowadzania różnorodnych eksperymentów naukowych, budowy i obsługi stacji kosmicznych, a nawet wysyłania sond międzyplanetarnych. Z pewnością program STS stał się symbolem amerykańskich załogowych lotów kosmicznych. W tym roku program ten po trzech dekadach dobiega końca. Ale czy z perspektywy czasu wahadłowce spełniły pokładane w nich nadzieje na tanie i rutynowe loty kosmiczne?

Dziś wiemy, że wizja realizowanych 20-40 misji rocznie była niemal utopijna. Wahadłowiec, który według początkowych założeń po wylądowaniu miał w 160h być przygotowany do kolejnego lotu, okazał się na to zbyt skomplikowany. Konieczność dokładnych przeglądów wydłużała czas oraz zwiększała koszty. W konsekwencji ze statku, który miał być tańszy od jednorazowych rakiet, stał się pojazdem wielokrotnie od nich droższym.


Przygotowanie wahadłowca do kolejnego lotu. U góry wizja z lat 70. przypominająca niemal obsługę samolotu pasażerskiego, na dole kosztowna rzeczywistość (NASA)

Po pierwszym locie Columbii i kolejnych lotach testowych systematycznie zwiększano ilość misji realizowanych rocznie. Wizja planowanych prawie 20 misji w roku 1987 została brutalnie zakłócona katastrofą promu kosmicznego Challenger. Po tym wydarzeniu postanowiono lepiej zadbać o bezpieczeństwo załogi, zrezygnowano również z misji startujących z bazy Vandenberg. W roku 2003 na skutek podobnych błędów decyzyjno-organizacyjnych utracono wahadłowiec Columbia.

{jathumbnail off}Obecnie wiadomo, jakie decyzje, niekoniecznie najbardziej optymalne, decydowały o ostatecznej konstrukcji wahadłowca. Przykładowo wymóg wielokrotnego użycia komponentów wymusił decyzję o zabudowaniu silników w tylnej części orbitera, to z kolei implikowało konieczność opracowania nowych wytrzymalszych i droższych materiałów. Dodatkowo oznaczało to zwiększenie kosztów na skutek konieczności każdorazowego przeglądu silników po locie. Takich przykładów można zapewne znaleźć więcej. Obecnie można mieć nadzieję, że historia programu STS pomoże w przyszłości zaprojektować dużo lepsze i mniej zawodne pojazdy wielokrotnego użytku. Podsumowując: dla części osób wahadłowiec jest synonimem “ślepej uliczki”, w którą zabrnął amerykański program kosmiczny, a dla innych zbudowane pojazdy są wspaniałym osiągnięciem inżynierii kosmicznej.

Źródło: NASA

Share.

Comments are closed.