Як влаштований космічний човник
Космічний корабель “Шатл” складається з трьох основних елементів: повітряно-космічного літака “Орбітер”, багаторазових ракетних прискорювачів і скидного паливного блоку. “Орбітер” Цей повітряно-космічний літак має три основних двигуна для виведення на орбіту, службові системи та систему управління і наведення, а також теплозахист, необхідну для повернення на Землю. У “Орбитере” знаходяться екіпаж і корисний вантаж. Цей літальний апарат разом з крилами і шасі для посадки має довжину 34,2 м, висоту 17,3 м і розмах крил 23,8 м. Основний конструкційний матеріал v алюміній; використовуються також титан, композиційні та інші спеціальні легкі і міцні матеріали. Суха маса корабля варіюється в діапазоні від 80 977 до 82 166 кг.
“Орбітер” складається з трьох основних частин: 1) носовій частині, яка включає відсік екіпажу, основне електронне обладнання та передні двигуни системи орієнтації; 2) центральній частині фюзеляжу з двома крилами, що містить вантажний відсік і систему електроживлення; 3) кормовій частині, в якій знаходяться основні двигуни і допоміжна система електроживлення, а також вертикальне оперення (кіль) і задні двигуни системи орієнтації.
Відсік екіпажу має три рівня. Самий верхній рівень – льотна палуба, з якої відбувається управління польотом. Під час зльоту і приземлення на ній знаходяться командир, пілот і два фахівця за операціями. Льотна палуба має десять ілюмінаторів: шість передніх (по три на командира і пілота), два верхніх (для спостережень) і двоє задніх (для огляду вантажного відсіку). На середній палубі знаходяться шафи, кухня, система переробки відходів, спальне приміщення (спальні місця або спальні мішки) і підстава шлюзової камери, через яку космонавти виходять з корабля при проведенні робіт у відкритому космосі. Під час зльоту і спуску на середній палубі можуть перебувати до п’яти осіб. Бічний люк середньої палуби служить для входу і виходу екіпажу, коли корабель перебуває на Землі. Під середньою палубою розміщуються частина агрегатів системи життєзабезпечення та комора.
Відмінною особливістю “Орбитера” є відсік корисного вантажу, в якому можуть розташовуватися космічний апарат або лабораторні модулі до 5 м в діаметрі і довжиною 18 м. Вага корисного навантаження залежить від висоти і нахилу обраної орбіти польоту корабля. Кораблі можуть виводити на навколоземну орбіту до 25 000 кг; до 15 000 кг може бути повернуто на Землю.
Для переміщення громіздких предметів космонавти можуть використовувати дистанційний маніпулятор – 15-метрову механічну руку (розроблену Канадським космічним агентством), яка в складеному стані розташовується уздовж стійки дверного отвору вантажного відсіку. Спроектований як якась подоба людської руки, маніпулятор має плече, плечове зчленування, ліктьовий суглоб, передпліччя, кистьовий суглоб і кінцеві захоплення. На землі “рука” не може підняти навіть власну вагу, проте в космосі вона довела свою високу ефективність при операціях розвантаження і вантаження супутників і доставки космонавтів для технічного обслуговування супутників.
Двигуни
Три основних двигуна, розташованих в хвостовій частині фюзеляжу, забезпечують виведення корабля на орбіту. Разом з зовнішнім паливним блоком і магістралями подачі компонентів палива вони являють собою основну рухову установку. Тяга кожного з них становить 1760 кН при 104% від номінальної потужності на зльоті. Кожен двигун має два низьконапірних і два високонапірних турбонасосных агрегату (ТНА), камеру згоряння з профільованим соплом і електронну систему управління.
Пальне (водень) і окислювач (кисень) з паливного блоку надходять в низьконапірний ТНА, який піднімає тиск компонентів палива перед надходженням в основний ТНА, після якого вони надходять у камеру згоряння. Основні ТНА приводяться в дію за рахунок неповного згорання основного витрати водню з частиною кисню; при цьому утворюється збагачена воднем парова суміш. Цей пар обертає турбіни, а потім надходить у камеру згоряння, куди подається і залишок кисню.
Попередньо рідкий водень проходить через охолоджуючий тракт двигуна, де випаровується і після цього разом з киснем використовується для приведення в дію низьконапірних насосів. У такому поетапному циклі газифікації і згоряння майже вся хімічна енергія палива перетворюється в тягу, і коефіцієнт корисної дії двигуна досягає 98%. Дубльована електронна система управління контролює роботу клапанів і регулює рівень тяги, що задається бортовими комп’ютерами. Блоки управління контролюють температуру і число обертів турбіни і можуть відключити двигун при загрозі аварії.Три блоку допоміжних ракетних двигунів, що працюють на гидразине і азотному тетроксиде, забезпечують управління кораблем і його орієнтацію. Система орієнтації має 38 основних двигунів (14 в носовому блоці і по 12 у кожному з двох хвостових блоків) тягою до 3,82 кН. Крім того, 6 верньерных двигунів орієнтації тягою до 0,1 кН використовуються для точного регулювання положення корабля. Двигуни системи орієнтації дозволяють керувати положенням корабля шляхом повороту його відносно трьох осей (тангажа, крену і рисканья) та лінійного переміщення вздовж цих осей. Включення двигунів здійснюється по командах бортових комп’ютерів, які реагують на дії екіпажу по управлінню кораблем. Двигуни системи орієнтації дозволяють розгортати корабель щодо Сонця, Землі або відкритого космосу з метою регулювання температури або наведення на ціль, а також здійснювати маневри при наближенні до іншого космічного апарату. Ці двигуни використовуються також при спуску, дросселируются і, нарешті, вимикаються при зниженні швидкості спуску до швидкості звуку; проте вони недостатньо потужні, щоб регулювати швидкість при посадці.
Два двигуна системи орбітального маневрування (ОМС) тягою 34,3 кН, які розташовані в гондолах у хвостовій частині корабля, що забезпечують остаточне виведення на орбіту, маневри зміни орбіти і сходу з неї при завершенні польоту.
Система життєзабезпечення
Корабель обладнаний системою кондиціонування та забезпечення життєдіяльності відкритого типу, оскільки тривалість польотів “Шаттла” занадто мала, щоб виправдати застосування більш складних і важких систем замкнутого циклу з регенерацією відходів. У кабіні екіпажу підтримується атмосферний тиск на рівні моря і склад атмосфери 20% кисню і 80% азоту при 22 градусах С.
Кисень надходить з баків системи паливних елементів. Вуглекислий газ, що видихається екіпажем, витягається з атмосфери в ємностях з гідроксидом літію; при цьому утворюються карбонат літію і водяний пар, який видаляється спеціальними поглиначами вологи. В тривалих польотах можуть також використовуватися молекулярні фільтри для уловлювання та подальшого викидання діоксиду вуглецю; цей метод виявляється більш вигідним за масою, ніж застосування великої кількості ємностей з гідроксидом літію.
Відходи життєдіяльності збираються в пристрої для переробки відходів, в якому вони зневоднюються для видалення після польоту, а пари води викидаються в космос.
Температура у відсіку екіпажу підтримується системою терморегулювання, яка поглинає метаболічне тепло, що виділяється екіпажем (за рахунок обдування відсіку повітрям), і тепло, що виділяється електронним обладнанням (знімається водою, що циркулює в термоплатах, на яких воно встановлюється), і переносить його на панелі радіатора, розташовані на внутрішній стороні стулок вантажного відсіку. Відбивна здатність панелей така, що вони залишаються холодними, навіть коли на них світить Сонце.
Бортові комп’ютери
Для нормального польоту “Шаттла” необхідний один комп’ютер. Щоб убезпечити себе від можливих несправностей, враховуючи можливість помилок програмування, п’ять однакових комп’ютерів виконують дві різні програми. Дві пари комп’ютерів, що працюють з програмним забезпеченням основного електронного обладнання, перевіряють розрахунки один одного 440 разів в секунду і відкидають ті результати, які найбільш сильно відрізняються від інших трьох.
П’ятий комп’ютер, який виконує резервну програму польоту, може взяти керування на себе при певних умовах; це може бути зроблено екіпажем. На найбільш відповідальних етапах польоту – виведення на орбіту і узвозі – працюють всі п’ять комп’ютерів. Для рутинних операцій на орбіті досить одного або двох комп’ютерів, а інші перебувають у гарячому резерві або вимкнені.
Система теплозахисту
Орбітальний корабель має теплозахисне покриття, що складається з 24 192 плиток і 3254 гнучких матів ізоляції, яке захищає його від аеродинамічного нагріву при виведенні на орбіту і узвозі. Плитки поглинають тепло і потім поступово випромінюють його. Теплозахисне покриття складається з декількох різних матеріалів, кожен з яких розрахований на свою теплове навантаження (максимально до 1650), яку повинні витримувати різні частини корабля під час виведення і спуску.
Найбільш теплостійкий матеріал плиток – сірий композиційний вуглець-графітовий матеріал – застосований на носовій частині і передній крайці крила. Чорні плитки з скловолокна використані на тих ділянках поверхні (днище, передня частина тулуба і передня кромка вертикального стабілізатора), де температури становлять від 650 до 1260 градусів С. Білі плитки з скловолокна захищають ділянки (хвостова частина, задня частина носового відсіку і бічні поверхні кіля), де температура не перевищує 650 градусів С. Мати з кварцового волокна і повстяні мати встановлюються на тих поверхнях, які зазнають значного аеродинамічного нагріву при виведенні на орбіту.
