Space Shuttle - Wikipedia

Dopo che l'Orbiter ha passato una revisione in uno dei tre edifici dedicati alla sua manutenzione (Orbiter Processing Facility, o OPF), situati al Kennedy Space Center in Florida, riceve una parte del carico utile della missione successiva e vengono caricati i materiali di consumo.^[63] L'Orbiter viene poi pesato al fine di determinare con precisione il suo centro di gravità, dato fondamentale per la corretta gestione dei parametri di volo da parte dei computer di bordo. Quindi la navetta viene trasferita al Vehicle Assembly Building (VAB), l'enorme edificio di assemblaggio costruito per i razzi Saturn V durante il programma Apollo. Qui viene messo in posizione verticale e vengono installati i due booster laterali e il serbatoio esterno. Per eseguire tali procedure, si utilizzano due carroponte di 200 tonnellate in grado di alzare la navetta a circa 100 metri. L'intero complesso viene posizionato sulla Mobile Launcher Platform che verrà utilizzata per spostarlo verso il luogo di lancio e come base per il decollo. Vengono poi testati i collegamenti meccanici ed elettrici tra i tre componenti e gli impianti di terra. Tutte queste verifiche richiedono, teoricamente, almeno sei giorni^[64].

Sotto la piattaforma di lancio mobile, viene inserito un veicolo cingolato (il Crawler-transporter) che permetterà di spostare l'intero complesso dal VAB fino alla rampa di lancio, muovendosi a una velocità inferiore a 2 km/h. Il veicolo, anch'esso un retaggio del programma Apollo, raggiunge la destinazione in circa 6 ore. Ogni rampa di lancio (39A e 39B) è dotata di strutture che permettono il completamento dei preparativi della navetta e cioè una torre metallica fissa (Fixed service structure o FSS) e una parte mobile (Rotaring service structure) che può ruotare per ricoprire l'intera stiva dell'Orbiter. La parte fissa contiene le linee di alimentazione dei propellenti e altre strumentazioni, nonché una passerella che permette all'equipaggio di entrare nella navetta. La parte mobile è costituita da 5 livelli di piattaforme che consentono di lavorare sul vano di carico in un ambiente controllato. Essa fornisce, inoltre, l'accesso alla zona del motore^[64].

Il carico utile trasportato dalla navetta spesso include molti componenti. Alcuni di questi sono destinati a rimanere in orbita, come i componenti della Stazione spaziale internazionale, altri di fare ritorno sulla Terra come contenitori di esperimenti o strutture destinati al trasporto di materiali. Tutti gli elementi del carico vengono controllati, imballati e installati presso il Kennedy Space Center. Una parte è installata quando l'Orbiter è in orizzontale e il resto direttamente sulla rampa di lancio. Altre procedure svolte prima del lancio sono il caricamento del combustibile e la chiusura delle porte della stiva. L'ultima attività svolta prima del lancio è una simulazione dello stesso che viene effettuata con l'equipaggio a bordo. Il conto alla rovescia incomincia 47 ore prima del decollo e comprende una revisione generale dei sistemi e del software di volo installato. A T -11 ore (T = ora di partenza) la struttura mobile (RSS) viene rimossa e il caricamento di idrogeno e ossigeno liquido nel serbatoio esterno ha inizio^[64].

Tutte le missioni Shuttle sono lanciate dal Kennedy Space Center (KSC). Lo Shuttle Launch Weather Officer, il responsabile al monitoraggio delle condizioni meteorologiche, controlla la situazione per determinare se il lancio è possibile. In particolare, le condizioni devono essere accettabili anche in almeno un sito per l'atterraggio di emergenza, che viene chiamato Transatlantic Abort Landing site^[65]. Sono disponibili diversi siti per l'atterraggio dello Shuttle. Le condizioni meteorologiche accettabili escludono la presenza di fulmini poiché, nonostante lo Shuttle sia schermato elettricamente dalla sua superficie conduttrice (come avviene negli aerei di linea), durante il lancio la scia dei propulsori potrebbe fornire un percorso conduttivo del fulmine verso terra^[66]. Inoltre non può essere effettuato il lancio se sono presenti dei cumulonembi a incudine (cumulonimbus incus) entro 10 miglia nautiche (19 km)^[67].

Il giorno del lancio, dopo l'ultima pausa nel conteggio alla rovescia a T - 9 minuti, il pilota dello Shuttle incomincia i preparativi finali. In questo periodo il conteggio viene controllato automaticamente tramite computer del centro di controllo lancio, da un software chiamato Ground Launch Sequencer. Esso arresta automaticamente il lancio se rileva un problema critico a un qualunque sistema di bordo del velivolo.

A 16 secondi dal lancio, viene attivato il sistema di soppressione del suono chiamato Sound Suppression System. Esso consiste nel riempimento della Mobile Launcher Platform con 1 100 m³ di acqua in modo da proteggere l'Orbiter dall'energia acustica riflessa generata dallo scarico dei propulsori^[68].

A 10 secondi dal lancio il pilota attiva i sistemi di accensione dell'idrogeno sotto ognuno dei tre ugelli dei propulsori dello Shuttle, in modo da eliminare eventuali gas stagnanti all'interno degli ugelli prima della partenza vera e propria. L'accumulo di questi gas potrebbe infatti provocare un'esplosione al momento dell'accensione. Viene incominciato, tramite le turbo pompe dei propulsori principali, il caricamento della camera di combustione con idrogeno e ossigeno liquidi.

A 6,6 secondi dal decollo il pilota accende i tre propulsori sull'orbiter e controlla che i essi raggiungano il 90% della spinta nominale prima di incominciare l'orientamento finale degli ugelli nella configurazione di lancio^[69]. Quando i tre propulsori si accendono, l'enorme calore dello scarico trasforma una grande quantità d'acqua del sistema di soppressione in vapore che si sprigiona dalla piattaforma di lancio. I tre propulsori devono raggiungere il 100% della spinta entro 3 secondi dall'accensione; se tutto procede come previsto, al momento del lancio vengono attivati i razzi a combustibile solido. Una volta accesi, essi non possono essere spenti. Dopo l'avvio dei propulsori dell'Orbiter, ma mentre i booster sono ancora connessi alla piattaforma di lancio, la differenza di spinta dei tre propulsori provoca lo spostamento dell'intero gruppo di componenti (booster, serbatoio e orbiter) di 2 metri. Quando anche gli SRB raggiungono una spinta stabile, 8 cariche pirotecniche NASA standard detonator (NSD) vengono fatte esplodere dal comandante per sganciare il velivolo dalla piattaforma di lancio^[70].

Poco dopo aver superato la torre della piattaforma di lancio, il pilota dello Shuttle incomincia una manovra di rotazione per impostare l'inclinazione orbitale. Il velivolo sale nell'atmosfera compiendo un arco, accelerando man mano che il peso dei booster e del serbatoio diminuiscono. Quando si trova in orbita a un'altezza di circa 380 km la velocità è di 7,68 km/s (27650 km/h).

Il punto, chiamato Max q, è quello in cui lo Shuttle subisce la massima pressione aerodinamica e per questo motivo la spinta dei tre propulsori è temporaneamente diminuita per evitare stress alla struttura, particolarmente vulnerabile in alcune zone come le ali. In questo punto avviene un fenomeno noto come singolarità di Prandtl-Glauert: il velivolo effettua la transizione a velocità supersonica e si formano delle nubi di condensazione attorno a esso^[71].

Dopo 126 secondi dal lancio i booster sono esauriti e vengono distaccati dal velivolo attraverso l'attivazione di cariche esplosive e dei piccoli razzi di separazione che li allontanano dal resto del velivolo. Essi rientrano nell'atmosfera e sono rallentati da un sistema di paracadute fino all'ammaraggio nell'oceano. L'astronave continua ad accelerare verso l'orbita con i tre propulsori principali. Al momento del distacco dei booster, il velivolo ha un rapporto spinta-peso inferiore a 1 — ovvero i propulsori hanno spinta insufficiente per contrastare la forza di gravità e la velocità verticale diminuisce temporaneamente. Tuttavia, il peso del propellente diminuisce man mano che viene bruciato dai propulsori, e, dopo poco, il rapporto spinta-peso torna a essere maggiore di 1, aumentando l'accelerazione dello Shuttle (sempre più leggero) verso l'orbita.

La traiettoria a questo punto è molto piatta e quasi orizzontale. A circa 5 minuti e 45 secondi dopo la partenza, il pilota ruota la navicella per orientare le antenne di comunicazione verso i satelliti.

Nelle ultime decine di secondi di spinta dei propulsori, la massa del velivolo è sufficientemente bassa da richiedere la diminuzione della potenza di questi ultimi per limitare l'accelerazione a 3 g, per evitare un eccessivo stress fisico all'equipaggio.

I tre propulsori vengono spenti prima dell'esaurimento completo del carburante, poiché se fossero attivi in assenza di carburante si danneggerebbero gravemente. La quantità di ossigeno si esaurisce prima dell'idrogeno, poiché l'ossigeno liquido tende a reagire violentemente. Il serbatoio esterno viene sganciato attraverso cariche esplosive. Esso precipita nell'atmosfera disintegrandosi prima di toccare la superficie terrestre, generalmente sopra l'Oceano Indiano. La distruzione è agevolata dalla presenza di idrogeno al suo interno, che lo fa letteralmente esplodere, in modo da limitare la grandezza dei frammenti in caduta.

Il pilota allora attiva i propulsori Orbital maneuvering system (OMS) per allontanarsi dal serbatoio. Nelle missioni verso la stazione spaziale i propulsori di manovra vengono attivati quando i propulsori principali sono ancora in funzione. In questo modo l'Orbiter è in un percorso che, nel caso di malfunzionamento dei propulsori, lo riporterebbe in un sentiero di discesa verso la Terra^[72].

• T -43 ore e in funzione - Il Direttore dei Test dello Shuttle effettua la tradizionale chiamata alle postazioni e il display del conto alla rovescia viene attivato.
  • Incomincia il controllo finale del velivolo e delle attrezzature per il lancio
  • Controllo dei sistemi di volo di riserva
  • Controllo del software di volo memorizzato nelle unità di memoria di massa e dei display
  • Caricamento del software di volo di riserva nei computer di uso generale dell'Orbiter
  • Rimozione delle piattaforme del ponte intermedio e del ponte di volo
  • Attivazione e test dei sistemi di navigazione
  • Completamento della preparazione per caricare i reagenti e il sistema di distribuzione
  • Completamento delle ispezioni preliminari al ponte di volo
• T -27 ore e sospeso - Questa è la prima sospensione programmata e di solito dura quattro ore.
  • Allontanamento dalla piattaforma di lancio di tutto il personale non necessario
• T -27 ore e in funzione
  • Inizio delle operazioni per caricare i reagenti criogenici nei serbatoi delle celle a combustibile dell'Orbiter
• T -19 ore e sospeso - Questa sospensione programmata di solito dura quattro ore.
  • Distacco dell'unità ombelicale intermedia dell'Orbiter
• T -19 ore e in funzione
  • Incomincia la preparazione finale dei tre motori principali dell'astronave
  • Riempimento del serbatoio dell'acqua del sistema di soppressione acustica
  • Chiusura dei servizi della coda sulla piattaforma di lancio
• T -11 ore e sospeso - La durata di questa sospensione programmata varia, ma di solito dura dalle 12 alle 13 ore.
  • Preparazione dell'equipaggiamento degli astronauti
  • Spostamento della struttura di servizio rotante nella posizione "park"
  • Attivazione delle unità di misurazione inerziale e dei sistemi di comunicazione
• T -11 ore e in funzione
  • Inizio dei controlli funzionali del tracker stellare
  • Caricamento della pellicola nelle numerose cineprese sulla rampa di lancio
  • Attivazione delle celle a combustibile
  • Allontanamento dall'area a pericolo di esplosioni di tutto il personale non necessario
  • Passaggio dei depuratori dell'aria dell'orbiter all'azoto gassoso
• T -6 ore e sospeso - Questa sospensione programmata di solito dura due ore.
  • La squadra di lancio verifica che non ci siano violazioni dei criteri per il lancio prima di caricare il serbatoio esterno con i propellenti
  • Allontanamento di tutto il personale dalla piattaforma di lancio
  • Raffreddamento delle linee di trasferimento del propellente
  • Inizio del caricamento del serbatoio esterno con circa 1900 m³ di propellenti criogenici
• T -6 ore e in funzione
  • Conclusione del caricamento del serbatoio esterno con il carico di idrogeno liquido e ossigeno liquido
  • Il Final Inspection Team arriva alla rampa di lancio per effettuare una dettagliata ispezione del veicolo
• T -3 ore e sospeso - Questa sospensione programmata di solito dura due ore
  • Esecuzione della calibrazione pre-volo dell'unità di misurazione inerziale
  • Allineamento delle antenne dell'Area di Lancio di Merritt Island
• T -3 ore e in funzione

• • L'equipaggio parte per la rampa di lancio
  • Completamento della preparazione per la chiusura della White Room della rampa di lancio
  • I membri dell'equipaggio incominciano a entrare nel l'astronave
  • Controllo del posizionamento degli interruttori della cabina di pilotaggio
  • Gli astronauti effettuano un controllo radio con il centro di controllo del lancio (Kennedy Space Center) e il controllo di missione (Johnson Space Center)
  • Chiusura del portellone della navicella e ricerca di eventuali perdite
  • Completamento della chiusura della White Room
  • La squadra addetta alla chiusura si reca alla zona di rientro
  • I dati principali del sistema di guida sono trasferiti al sistema di riserva
• T -20 minuti e sospeso - Questa sospensione programmata di solito dura 10 minuti.
  • Il Direttore dei Test dello Shuttle effettua l'ultimo briefing
  • Completamento dell'allineamento dell'unità di misurazione inerziale
• T -20 minuti e in funzione
  • Passaggio del computer di bordo dell'Orbiter alla configurazione di lancio
  • Inizio del condizionamento termico delle celle a combustibile
  • Chiusura delle valvole di sfiato della cabina della navicella
  • Passaggio del sistema di volo di riserva alla configurazione di lancio
• T -9 minuti e sospeso- Questa è l'ultima sospensione programmata e la lunghezza varia a seconda della missione.
  • Il direttore del lancio, la squadra di gestione della missione e il direttore dei test dello Shuttle chiedono ai propri team per un go/no go al lancio
• T -9 minuti e in funzione

• • Ritrazione del braccio di accesso all'Orbiter (T-7 minuti, 30 secondi)
  • Avvio unità di registrazione della missione (T-6 minuti, 15 secondi)
  • Avvio delle unità di alimentazione ausiliarie (T-5 minuti, 0 secondi)
  • Avvio del recupero dell'ossigeno liquido (T-4 minuti, 55 secondi)
  • Pressurizzazione del serbatoio dell'ossigeno liquido (T-2 minuti, 55 secondi);
  • Ritrazione del braccio per lo sfiato dell'ossigeno gassoso, o "beanie cap" (T-2 minuti, 55 secondi)
  • I membri dell'equipaggio chiudono e bloccano le visiere dei caschi (T-2 minuti, 0 secondi)
  • Pressurizzazione del serbatoio dell'idrogeno liquido (T-1 minuto, 57 secondi)
  • Spegnimento riscaldatori bi-pod (T-1 minuto, 52 secondi)
  • Spegnimento dei riscaldatori dei giunti dei SRB (T-60 secondi)
  • L'Orbiter è alimentato solo dall'energia interna (T-50 secondi)
  • Attivazione del sistema di soppressione acustica della rampa di lancio (T-16 secondi)
  • Attivazione del sistema di combustione dell'idrogeno dei motori principali (T-10 secondi)
  • Accensione dei motori principali (T-6,6 secondi)
• T -0

Nel caso di problemi durante il lancio, l'operazione dei razzi SRB non può essere fermata. Dopo l'accensione degli SRB, le modalità di cancellazione della missione possono essere applicate solo dopo che sono esauriti e sono stati sganciati. Sono previste le seguenti modalità di cancellazione^[78]:

• Ritorno al sito di lancio (RTLS, Return To Launch Site); non si è mai verificata
• Cancellazione con atterraggio nella Costa orientale (ECAL, East Coast Abort Landing); non si è mai verificata
• Cancellazione con atterraggio transoceanico (TAL, Transoceanic Abort Landing); non si è mai verificata^[79]
• Cancellazione a lancio completato (AOA, Abort Once Around); non si è mai verificata
• Cancellazione verso un'orbita (ATO, Abort to Orbit); si è verificata durante la missione STS-51-F; ha costretto a ripianificare la missione, ma la missione è stata comunque dichiarata completata con successo^[80].

La modalità di cancellazione dipende da quando, nella fase di ascesa, la cancellazione stessa si rende necessaria. Se l'idrogeno e l'ossigeno non sono necessari, vengono consumati deliberatamente in modo da poter abbandonare il serbatoio esterno in modo sicuro.

Una cancellazione con atterraggio transoceanico deve essere dichiarata in un intervallo di tempo che va approssimativamente da T+2min,30s (decollo più due minuti e trenta secondi) e lo spegnimento dei motori principali, a circa T+8min,30s L'atterraggio potrebbe avvenire nella Base Aerea di Ben Guerir, in Marocco; all'Aeroporto internazionale di Banjul, Gambia; nella Base Aerea di Saragozza o nella Base Aerea di Morón de la Frontera in Spagna^[79].

Se l'Orbiter non riuscisse a raggiungere una pista, sarebbe costretto ad atterrare sul terreno o ad ammarare; è improbabile che l'equipaggio che si trovasse ancora a bordo possa sopravvivere^[81].

Comunque, nel caso in cui lo Shuttle sia in volo planato controllato, il sistema di fuga per l'equipaggio permette l'evacuazione per mezzo di lancio con paracadute. Una particolare pertica permette ai membri dell'equipaggio di accedere a una via di fuga che conduce sotto l'ala sinistra dell'Orbiter.

Nei due incidenti che si sono verificati avvenne tutto così in fretta che si poté fare ben poco; l'unica contromisura ebbe luogo durante il volo STS-51: poiché i razzi SRB erano ancora accesi dopo che si erano separati dal resto del veicolo, furono fatti esplodere da un comando inviato dalla NASA che ha innescato delle cariche esplosive che sono installate a questo scopo^[82].

Quasi tutte le procedure di rientro atmosferico dello Shuttle sono controllate dal pilota automatico, anche se è sempre possibile accedere ai controlli manuali in caso lo si desideri. L'avvicinamento finale e l'atterraggio possono anche essere controllate dal pilota automatico, ma normalmente sono effettuate dai piloti.

Il velivolo incomincia il rientro attivando i propulsori OMS di manovra, mentre vola "sottosopra" e con la coda dell'orbiter in direzione del movimento. I motori vengono accesi per 3 minuti, riducendo la velocità dello Shuttle di circa 90 m/s e abbassando il suo perigeo verso l'atmosfera superiore. Successivamente ruota su sé stesso, ponendo la prua verso l'alto.

La densità dell'aria incomincia a manifestare i suoi effetti quando il velivolo si trova a 400 000 piedi (120 000 m) di altezza a una velocità di 8,2 km/s (Mach 25). Il veicolo in quel momento è controllato dai propulsori del Reaction Control System e dalle superfici di volo, in modo da mantenere un assetto cabrato di 40°. Questa posizione produce un notevole attrito che non solo rallenta l'Orbiter fino a raggiungere una velocità di atterraggio, ma diminuisce anche il riscaldamento esterno. Inoltre, il veicolo effettua un percorso con curve a "S" con angolo di virata di 70°^[83].

Il rapporto massimo di planata (rapporto resistenza-portanza) muta considerevolmente con la velocità, passando da 1:1 a velocità ipersoniche, 2:1 a velocità supersoniche fino a raggiungere 4,5:1 in volo subsonico durante l'avvicinamento e l'atterraggio^[84].

Nell'atmosfera inferiore l'Orbiter si sposta come un "aliante", tranne per la velocità di discesa considerevolmente più elevata (50 m/s).

Quando ha rallentato a circa Mach 3, vengono attivate due sonde sulla parte destra e sinistra della fusoliera inferiore dell'Orbiter, per misurare la pressione atmosferica in relazione al movimento del veicolo.

Quando incomincia la fase di avvicinamento e atterraggio, l'Orbiter si trova a 3 000 m di altezza e a una distanza di 12 km dalla pista. I piloti applicano i freni aerodinamici per rallentare il velivolo da 682 km/h a circa 346 km/h (velocità finale di atterraggio). Il carrello di atterraggio viene fatto scendere quando l'Orbiter si muove a 430 km/h. Quando le ruote toccano la pista, per aiutare i freni, viene dispiegato un paracadute che si sgancia quando ha rallentato l'Orbiter a circa 110 km/h.

Dopo l'atterraggio, il velivolo si arresta sulla pista per diversi minuti in modo da disperdere i velenosi vapori di idrazina, utilizzata come carburante sia nel reaction control system sia nelle tre auxiliary power unit. Inoltre è necessario attendere un certo periodo di tempo per far raffreddare la fusoliera esterna prima di poter far scendere gli astronauti^[83].