Wzlot wahadłowca na orbitę
Faktyczna faza startu rozpoczyna się około sześć i pół sekundy przed opuszczeniem wyrzutni przez prom kosmiczny, a kończy się w momencie zakończenia manewrów silnikami OMS i osiągnięcia planowanej orbity okołoziemskiej, około godzinę od rozpoczęcia wznoszenia.
Najpierw, w chwili T-6,26 s jest włączany silnik nr 3, a następnie w kolejności co 120 ms: nr 2 w T-6,14 s i nr 1 w T-6,02 s. Na trzy sekundy przed startem wszystkie silniki główne powinny osiągnąć ciąg równy 90% wartości znamionowej. W chwili T-0 s, a więc o wyznaczonej godzinie startu przesyłany jest sygnał zapłonu rakiet wspomagających. Ten sam sygnał powoduje eksplozję ładunków wybuchowych, które kruszą nakrętki śrub przytrzymujących pojazd do platformy startowej. Automatycznie odłączają się wszelkie połączenia startowe z urządzeniami naziemnymi i rozpoczyna się wznoszenie. Przez siedem sekund wahadłowiec pnie się w górę mijając kolejne poziomy wieży obsługowej. Gdy już wzniesie się ponad jej szczyt w T+7 s, autopilot wykonuje pierwszy manewr pojazdem: obrót wokół osi podłużnej połączony z przekręcaniem się ładownią w kierunku ziemi. Umożliwia on wejście wahadłowca na orbitę o zaplanowanych parametrach po optymalnym torze wznoszenia. I tak w celu osiągnięcia orbity o inklinacji 40°, wahadłowiec musi się obrócić o kąt 120° w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Powolny obrót na plecy pojazdu powoduje stopniowe przejście z lotu pionowego do poziomego. Astronauci siedzą wtedy głowami w dół, co nie ma większego znaczenia, gdyż przeciążenie dociska ich do foteli. Trzydzieści sekund po starcie manewr obrotu powinien być już zakończony. Nieco wcześniej, w T+20 s ciąg silników głównych jest zmniejszany do 94% wartości znamionowej, a szesnaście sekund później do 65% wartości znamionowej. Manewr ten służy możliwie największemu zmniejszeniu przyspieszenia, by narastające ciśnienie dynamiczne nie uszkodziło płytek osłony termicznej pojazdu. Maksymalne ciśnienie dynamiczne pojawia się przy prędkości Ma=1,4, minutę po starcie i gdy krytyczny moment minie, przywraca się normalny ciąg silników głównych. W początkowej fazie wznoszenia wahadłowiec jest narażony na silne porywy wiatru, które mogą zmienić tor wznoszenia. Radzi z tym sobie adaptacyjny system sterowania, działający na zasadzie ujemnych sprzężeń zwrotnych. Komputery wychwytują wszelkie zmiany na podstawie wskazań platform inercyjnych i przyspieszeniomierzy, a następnie tak ustawiają dysze silników i powierzchnie aerodynamiczne — stery pojazdu, aby zmiany te jak najszybciej zniwelować.
Około dwie minuty po starcie przestają pracować silniki na paliwo stałe rakiet wspomagających. Za zakończenie pracy uznaje się moment, w którym ciśnienie w komorze spalania silnika spada poniżej 345 kPa, co jest sygnalizowane na monitorach komputerów napisem „Pc<50” (ang. chamber pressure < 50 psi). Chwilę później rakiety są odłączane. Gdyby zawiodła automatyka (sygnał SEP INHIBIT), piloci sami musieliby przełączyć kilka przełączników. Prom kosmiczny znajduje się wtedy na wysokości 47 km i w odległości 38 km od miejsca startu. Rakiety wznoszą się jeszcze siłą rozpędu, a następnie opadają do oceanu na spadochronach. Tam czekają już na nie statki odbiorcze.
Tymczasem wahadłowiec wznosi się samodzielnie napędzany już tylko trzema silnikami głównymi. Dwadzieścia pięć sekund po odłączeniu rakiet wspomagających system sterowania pojazdem przełącza się na pracę interakcyjną. Na bieżąco oblicza parametry orbity dostępnej dla samolotu kosmicznego i tak koryguje tor wznoszenia, aby orbita ostateczna była maksymalnie zbliżona do zaplanowanej. Optymalizacja taka powoduje, że w T + 6 min 30 s wahadłowiec przechodzi w płytki lot nurkowy nabierając coraz większej prędkości. Wraz z zużywaniem materiałów pędnych wzrasta przeciążenie działające na pojazd i astronautów. Komputery tak sterują dławieniem silników, aby przeciążenia te nie przekroczyły 3 g. Na trzydzieści sekund przed wyłączeniem silniki są zdławione maksymalnie do 65% znamionowej wartości ciągu. W chwili T + 8 min 32 s przy prędkości 7819,3 m/s odcina się do nich dopływ materiałów pędnych. Nie jest to prędkość, która umożliwiłaby stały obieg Ziemi. Najniższy punkt osiągniętej orbity (perygeum) jest na wysokości 24 km, a więc głęboko w atmosferze (najwyższy — apogeum —- na wysokości ok. 150 km). W chwili T+8 min 50 s po starcie następuje zapłon ładunków pirotechnicznych uwalniających Orbiter od zbiornika zewnętrznego z resztkami materiałów pędnych. Przedtem jednak do wnętrza sekcji silnikowej wahadłowca muszą być wciągnięte przewody startowe łączące go dotąd ze zbiornikiem. Przytrzymujące je haki odciągane są siłownikami elektromagnetycznymi a uwolnione połączenia są wtedy wciągane do sekcji silnikowej. Odłączony zbiornik zewnętrzny wchodzi w gęste warstwy atmosfery nad rejonem Oceanu Indyjskiego położonym z dala od uczęszczanych szlaków komunikacji lotniczej i morskiej i prawie w całości ulega spaleniu od tarcia powietrza. Jego samodzielny lot trwa ok. 50 min.
Najważniejszym zadaniem pilotów po odłączeniu zbiornika jest odsunięcie orbitera od tego obecnie niekontrolowanego obiektu. Najpierw stabilizują oni pojazd, a następnie włączają cztery przednie i sześć tylnych silniczków RCS sterujących pochyleniem. Ich jednoczesna praca powoduje wzrost prędkości wahadłowca w kierunku Ziemi o 1,2 m/s i odsunięcie od zbiornika. Chwilę później na 24 s są włączane silniczki RCS sterujące odchyleniem kierunkowym, aby wahadłowiec zszedł z toru opadania ET.
Silniki główne nie rozpędzają wahadłowca do prędkości orbitalnej. Co prawda byłoby to łatwe do osiągnięcia, ale wtedy wszedłby on na orbitę razem ze zbiornikiem zewnętrznym. Po odrzuceniu stanowiłby on duży, niebezpieczny wrak, który z upływem czasu wszedłby w atmosferę w trudnym do przewidzenia miejscu (mogłoby to być nad gęsto zaludnionymi obszarami). Wahadłowiec osiąga prędkość orbitalną poprzez włączenie silników manewrowych w chwili T + 10 min 39 s. Czas ich pracy zależy od parametrów żądanej orbity (np. podczas misji STS-1 wynosił on 86,3 s) i jest kontrolowany przez komputery pokładowe. Manewr ten, zwany OMS-1 zwiększa prędkość pojazdu o 50 m/s i zmienia parametry orbity na około 105/245 km (precyzyjnie wartości te dobiera się w zależności od misji). W trakcie pracy silników manewrowych silniki główne są oczyszczane z resztek materiałów pędnych. W przewody instalacji paliwowej jest wprowadzany hel, który rozprężając się wytłacza resztki materiałów pędnych na zewnątrz: ciekły tlen poprzez dysze silników, a ciekły wodór poprzez zawory z boku pojazdu. Po zakończeniu manewru OMS-1, gdy astronauci mają trochę więcej czasu zamyka się pokrywy w miejscach połączeń zbiornika zewnętrznego z orbiterem. Dysze silników głównych ustawiane są do wlotu w atmosferę, a następnie wyłącza się pomocnicze jednostki napędowe APU.
Czterdzieści pięć minut po starcie, w najwyższym punkcie orbity silniki manewrowe są włączane po raz drugi (manewr OMS-2), tym razem w celu podniesienia perygeum orbity do wysokości około 245 km. Nowa orbita jest wtedy nieomal kołowa. Podczas misji STS-1 manewr OMS-2 trwał 74,8 s, a w jego wyniku prędkość pojazdu wzrosła o 41,8 m/s.
Jest jeszcze inna metoda osiągania orbity przez wahadłowiec — technika bezpośredniego wejścia. Jej istota polega na zastąpieniu pierwszego manewru OMS wydłużoną pracą silników głównych. Wyłączane są one wtedy przy prędkości pojazdu wynoszącej 7926,3 m/s, a więc o 107 m/s większej niż podczas pracy standardowej. Osiągnięta wtedy orbita ma parametry 450/59 km. W konsekwencji zbiornik zewnętrzny wchodzi w atmosferę nad Pacyfikiem w rejonie Hawajów. Pierwszy manewr silnikami OMS przeprowadza się dopiero 43 min po starcie, ale tradycyjnie jest on nazywany OMS-2. Technikę bezpośredniego wejścia stosuje się w celu osiągnięcia wysokich orbit bez konieczności zużywania szczupłych zapasów materiałów pędnych dla silników manewrowych.
Bibliografia
- Jacek Nowicki i Krzysztof Zięcina: Samoloty Kosmiczne. s. 166-169.
Media użyte na tej stronie
.jpg)
Space shuttle Atlantis is seen as it launches from pad 39A on Friday, July 8, 2011, at NASA's Kennedy Space Center in Cape Canaveral, Florida.
SVG version of PNG Space Shuttle Logo/Patch.
Wykres przeciążeń, jakie panują w wahadłowcu podczas startu.
Rzut toru wznoszenia na powierzchnię Ziemi podczas startu misji STS-9
During the STS-57 launch sequence and orbital insertion, the external tank falls toward the Earth after being jettisoned from Endeavour. Visible on the tank are the forward and aft attachment hardware and supports and the propellant feed line. The light blue atmosphere of the Earth and the blackness of space create the backdrop.