Spaceshuttleprogramma

Space Shuttle Insignia

Lancering van de eerste Space Shuttle Columbia op 12 april 1981 bron: NASA

Het Space Shuttleprogramma is een Amerikaans ruimtevaartprogramma om mensen en vracht naar de ruimte te brengen. De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA begon midden jaren 70 de ontwikkeling van de Space Shuttle (officieel genoemd Space Transportation System - STS), met behulp van de Amerikaanse luchtmacht. De gedachte achter de ontwikkeling van het STS was het bouwen van een herbruikbaar ruimteschip om goedkoop en op regelmatige basis ruimtemissies te kunnen vliegen. De structuur van de Space Shuttle is op het moment van lancering: een roestkleurige externe tank, twee slanke Solid Rocket Boosters en het ruimteveer, een gevleugeld ruimtevaartuig, de Space Shuttle in enge zin.

De NASA heeft in totaal zeven Space Shuttles laten bouwen: Atlantis, Challenger, Columbia, Discovery, Endeavour, Enterprise, Pathfinder. De Enterprise en Pathfinder werden gebouwd als testobjecten en werden niet ingezet voor ruimtevluchten. Op 12 april 1981 was Space Shuttle Columbia het allereerste ruimteveer dat in een baan rond de aarde werd gebracht. Tot maart 2008 zijn er 119 Space Shuttlemissies gevlogen waarvan twee fataal zijn afgelopen. In 1986 disintegreerde de Space Shuttle Challenger 73 seconden na de lancering, waardoor er geen commerciële satellieten met Space Shuttle meer vervoerd mochten worden. Het ongeluk van de Columbia in 2003 had tot gevolg dat er beslist werd dat in 2010 de Space Shuttles uit de vaart worden genomen.

Vandaag bestaan er nog 3 Space Shuttles: Discovery, Atlantis en Endeavour die enkel nog gebruikt worden voor de afbouw en bevoorrading van het het internationaal ruimtestation. Daarnaast is nog één onderhouds missie naar de ruimtetelescoop Hubble gepland.

Inleiding

De Space Shuttle Columbia door de geluidsbarrière

Het idee van een herbruikbaar ruimtevaartuig dateert van de jaren zestig en zeventig van de twintigste eeuw. De Space Shuttle is belangrijk voor het Internationale ruimtestation ISS. Vergeleken met andere raketten kan de Space Shuttle met meer bemanning en een hogere frequentie het ruimtestation bezoeken en bemanning afzetten en ophalen, en ook een grote lading meenemen. Voor het ontwerp van de Space Shuttle is de NASA verantwoordelijk, en de shuttle werd gebouwd door Lockheed Martin. Tegenwoordig wordt het beheer en het onderhoud van de space shuttle door NASA uitbesteed aan het consortium USA (United Space Alliance) bestaande uit Lockheed en Boeing.

De eerste Space Shuttle die gebouwd werd was op 17 september 1976 klaar en heette Enterprise. De Enterprise is alleen gebruikt voor testvluchten in de atmosfeer van de aarde; deze Space Shuttle is dus nooit de ruimte in gelanceerd.

De eerste Space Shuttle die wel de ruimte in gelanceerd is, is Columbia. Zijn eerste ruimtereis STS-1 begon op 12 april 1981 vanaf Cape Canaveral in de Amerikaanse staat Florida. Deze shuttle verongelukte bij de landing van missie STS-107 op 1 februari 2003.

De Space Shuttle wordt gelanceerd met een zeer grote afkoppelbare externe brandstoftank voor de hoofdmotoren van de shuttle en twee grote stuwraketten die op vaste brandstof werken en die bij het eerste stadium van de lancering de meeste stuwkracht leveren. Bij het terugkeren in de atmosfeer remt de shuttle af door de wrijving met de lucht, waarbij veel warmte vrijkomt. Het ruimteveer landt als een zweefvliegtuig zonder eigen motoren. Bij het laatste deel van de landing wordt een remparachute gebruikt om sneller vaart te minderen op de landingsbaan.

Externe tank en boosters

Bestand:Shuttlemoter.jpg

Bovenste deel van een hoofdmotor van de Space Shuttle, zoals dat te zien is bij het Kennedy Space Center Visitor Center

Het eerste deel van de lancering van de Space Shuttle wordt de meeste stuwkracht geleverd door de twee vaste-brandstofraketten, zogeheten 'boosters'. Deze zijn na twee minuten leeg en worden dan afgestoten. Ze landen aan parachutes in de Atlantische Oceaan waarna ze worden geborgen en hergebruikt. Vanaf 7 seconden voor de lancering werken tevens de drie hoofdmotoren van de shuttle zelf (de Orbiter), gevoed met brandstof uit de externe brandstoftank. Dit is een lichte tank waarin vloeibare zuurstof van -180 °C en vloeibare waterstof van -250 °C worden gepompt. Tijdens de lancering worden deze vloeistoffen naar de hoofdmotoren gepompt, waar ze verdampen en de waterstof met de zuurstof reageert (verbrandt). Daarbij ontstaat veel waterdamp. Door de goede geleidbaarheid van metaal wordt de buitenkant van de tank al snel bijna net zo koud als de inhoud. Daarom is de externe tank voorzien van een dikke laag isolatieschuim. Zonder dat zou zich veel ijs vormen door aanvriezing van waterdamp uit de buitenlucht. Een groot deel van dit ijs zou lostrillen bij de lancering en een gevaar vormen voor het hitteschild van de shuttle. Ongeveer acht minuten na de lancering is de externe tank leeg en wordt deze afgeworpen. In tegenstelling tot de andere delen van de Space Shuttle, wordt de externe tank niet hergebruikt. Na het afstoten van de externe brandstoftank duurt de lancering nog zo'n twee minuten; de hoofdmotoren van de Space Shuttle worden dan niet meer gebruikt, kleinere motoren zorgen voor de nog benodigde stuwkracht.

Het isolerende schuim op de externe brandstoftank wordt er op gespoten, waarna het uithardt. Het schuim beperkt ook de ijsafzetting op de externe tank. Tijdens de lancering breken soms delen van het isolatieschuim af, al dan niet voorzien van ijs, dat op het schuim ontstaat door de grote kou. Beschadiging van het hitteschild van de shuttle door een afbrekend stuk schuim is de belangrijkste oorzaak van de ramp bij de landing van de Columbia op 1 februari 2003, het ruimteveer Columbia viel toen uit elkaar bij terugkeer in de atmosfeer op 60 kilometer hoogte.
Dat afbrokkelen van het isolatieschuim is eigenlijk het grootste probleem van de Space Shuttle. Als de shuttle gewoon bovenop de externe tank had gezeten in plaats van aan de zijkant ervan, was er niets aan de hand geweest. Maar de shuttle is aan de zijkant bevestigd, en de kans is dus groot dat loslatend isolatieschuim het hitteschild raakt, en misschien beschadigt. Daarom wil de NASA nu van de Space Shuttle af, en een ruimtevaartuig ontwikkelen dat op de top van de raket geplaatst is, zodat dit levensgrote probleem verdwijnt.

Hoofdaandrijving

De hoofdaandrijving bestaat uit drie herbruikbare raketmotoren (Space Shuttle Main Engines, SSME's)die werken op vloeibare zuurstof en vloeibare waterstof en worden gebouwd door Pratt & Whitney's Rocketdyne Division. De stuwstoffen worden meegevoerd in de grote externe tank en wordt onder druk aan de motoren toegevoerd. Elke hoofdmotor kan via een hydraulisch stuursysteem tot 10,5 graden in beide richtingen zwenken om de richting van de stuwkracht te regelen en zo de stabiliteit van de vlucht te garanderen. De hoofdmotoren kunnen over een bereik van 65% tot 109% van hun nominale vermogen geregeld worden. Hierbij geldt 100% voor een stuwkracht van 1700 kN (170 ton). Op zeeniveau wordt de motorstuwkracht op 104% gebracht. Na 45 seconden wordt de motorstuwkracht vermindert tot 65% om te voorkomen dat de atmosferische druk op de shuttle te groot wordt. Na 75 seconden wordt de motorstuwkracht weer opgevoerd tot 104%. De hoofdmotoren zijn ontworpen voor een levensduur van 7,5 uur (55 lanceringen). De hoofdmotoren zijn 4,3 m lang, met een diameter van 2,3 m bij de straalpijp uitlaat.

De brandstof wordt in twee stappen op druk gebracht. De eerste stap (de Low Pressure Fuel Turbopump, LPFTP) brengt de druk op 19 bar. De tweede stap is een hoge druk centrifugaalpomp (High-Pressure Fuel Turbopump, HPFTP) en brengt de druk op 450 bar.

De vloeibare zuurstof wordt eveneens in twee stappen op druk gebracht. De eerste stap (de Low Pressure Oxidizer Turbopump, LPOTP) brengt de druk op 29 bar. De tweede stap is een hoge druk centrifugaalpomp (High-Pressure Oxidizer Turbopump, HPOTP)en brengt de druk op 300 bar.

Energie voor aandrijving van de hoge druk stuwstofpompen komt van voor-verbranding van de stuwstoffen, waarmee meertraps turbines worden aangedreven. Als maximale vermogens voor de stuwstofpompen wordt 53 MW voor de brandstofpompen en 17 MW voor de zuurstofpompen opgegeven.

Hitteschild

Landing van de Space Shuttle, foto: NASA

Tijdens het begin van de landing wordt de kinetische energie van de shuttle via wrijving met de atmosfeer omgezet in warmte (thermische energie). Zonder speciale maatregelen in de vorm van een hitteschild zou de constructie van de shuttle smelten of zelfs verdampen. Het aluminium van de shuttle mag niet warmer worden dan 180 °C. De onderzijde van het hitteschild bereikt een temperatuur van 1700 °C.

Het hitteschild bestaat uit diverse materialen zoals thermische tegels, thermische isolatiedekens en versterkte koolstofpanelen.

Thermische tegels

De hele onderzijde van de space shuttle is bedekt met zwarte thermische tegels die bestand zijn tot temperaturen van 1800 °C. Deze tegels zijn ongeveer 15x15 cm groot en bestaan uit een extreem licht keramisch materiaal, versponnen en gesinterd siliciumoxide. De vorm van elke tegel is uniek, en als de NASA nieuwe tegels nodig heeft moeten deze op bestelling worden gemaakt. De dichtheid van de tegels is 0,150 kilogram per dm³. De buitenkant van de tegels is zwart om de warmteuitstraling te vergroten. De tegels zijn erg bros en kunnen daardoor geen vervorming opnemen. Daarom zijn ze op de huid van de shuttle bevestigd met een elastische lijmlaag, waarin bovendien een vezelige (Nomex) mat is opgenomen. De tegels worden aangebracht met een onderlinge spleet, om uitzetting door verhitting op te vangen. Een witte variant van dezelfde tegels is bestand tegen temperaturen tot 950 °C en wordt op de zijkant van de romp, de bovenkant van de OMS-pods en op de bovenkant van de neus van de space shuttle gebruikt.

Als de shuttle te veel vervormt of beweegt, springen de tegels los. Dit is met name gedurende de eerste vlucht van de Columbia gebeurd, tijdens het transport op de rug van een Boeing 747. Toen verloor de shuttle bijna de helft van de al aangebrachte tegels. Hierop werd door NASA een gewijzigde lijmsoort ontwikkeld die de tegels beter vasthoudt. Ook bij de eerste lancering van de Columbia viel een aantal tegels van de shuttle, maar gelukkig niet op kritieke plekken in het hitteschild.

Thermische isolatiedekens

De bovenkant van de vleugels, de laaddeuren en delen van de romp van de space shuttle zijn bedekt met thermisch isolerende dekens. Deze dekens zijn in tegenstelling tot de thermische tegels flexibel en zijn makkelijker te onderhouden. Ze worden toegepast op plaatsen waar de temperatuur minder ver oploopt tijdens de terugkeer in de atmosfeer, tot maximaal 650 °C.

Versterkte koolstofpanelen

De neus en de voorranden van de vleugels zijn de delen van de space shuttle die het heetst worden tijdens de terugkeer in de atmosfeer. De temperatuur kan daar oplopen tot boven 1900 °C waardoor de zwarte thermische tegels hier niet voldoende bescherming bieden. In plaats daarvan zijn op deze plaatsen met koolstofvezel en glasvezel versterkte panelen van zuivere koolstof aangebracht (Engels: RCC - Reinforced Carbon Carbon). Deze panelen zijn extreem hittebestendig en veel steviger dan de thermische tegels, maar niet slagbestendig. Tijdens de lancering van de Columbia voor missie STS-107 werd een koolstofpaneel in de rand van de linkervleugel geraakt door een stuk losgeraakt schuim van de externe tank. Hierdoor ontstond een gat in het paneel. Toen 16 dagen later de terugkeer werd ingezet drong het superhete plasma door het gat de vleugel binnen en werd de Columbia verwoest.

Bemanning en missies

De space shuttle kan kunstmanen meedragen voor hun ruimtemissie, of de bemanning gelegenheid geven reeds om de aarde draaiende kunstmanen te vervangen of te repareren. De ruimtevlucht van Wubbo Ockels in 1985 was de eerste waarbij de maximale bemanningscapaciteit van acht astronauten werd benut. Ook kan de Space Shuttle dienen als vervoermiddel naar en van permanente ruimtestations. Van de bemanning maken altijd twee piloten deel uit. De andere astronauten houden zich bezig met de taak van de vlucht.

Proefvluchten

De eerste keer dat een shuttle vrij vliegt. Dit na loskoppeling van de 747

Space Shuttle Atlantis getransporteerd door de Shuttle Carrier Aircraft (1998)

Met de Enterprise zijn uitgebreide proefvluchten genomen. De Enterprise werd hiervoor op een speciaal hiervoor aangepast Boeing 747, een Shuttle Carrier Aircraft geplaatst. Ook werd daarmee de Space Shuttle getransporteerd. Op die manier is ook een promotievlucht gemaakt langs Frankrijk en Engeland. Daarbij werd ook laag over de Nederlandse kustprovincies gevlogen.

Enkele bijzonderheden

• hoogte inclusief externe brandstoftank en hulpraketten: 56,14 m.
• hoogte Orbiter: 37,23 meter lang.
• spanwijdte: 23,79 meter.
• Startgewicht: 2.041.166 kilogram (varieert per vlucht)
• Landingsgewicht: 104.326 kilogram (varieert per vlucht)
• Maximum laadgewicht: 28,803 kilogram (varieert per orbiter)
• Baanhoogte: 185 tot 643 kilometer.
• Snelheid: 27.875 km/h (varieert per baanhoogte)

De gebouwde Space Shuttles

NASA heeft in totaal 7 Shuttles laten bouwen:

Test-Space Shuttles

• Pathfinder (Stalen frame voor testen, is nu tentoongesteld)
• Enterprise (OV 101) (Shuttle gebouwd voor testen binnen de atmosfeer, is nu tentoongesteld)

Operationele shuttles

• Columbia (OV 102, verongelukt in 2003)
• Challenger (STA 99 / OV 99, verongelukt in 1986)
• Discovery (OV 103)
• Atlantis (OV 104)
• Endeavour (OV 105)

Externe links

• Chronologie van de Space Shuttle
• Artikel op www.intospace.nl
• nasa.gov

Afbeeldingen

• 
  Tekening van Space Shuttle Challenger
• Atlantis gekoppeld aan Mir
  Atlantis gekoppeld aan Mir
• 
  Endeavour levert een onderdeel van het ISS af
• 
  Discovery is geland na een sucesvolle missie

Mediabestanden

Zie de categorie Space Shuttleprogramma van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.