מעבורת חלל

עקרון הפעולה

מעבורת החלל משוגרת כמו טיל, מקיפה את כדור הארץ כמו חללית, ונוחתת כמו מטוס (או ליתר דיוק, כמו דאון כבד במיוחד). היא מורכבת מארבעה חלקים עיקריים: המקפת (orbiter, הדומה בצורתה למטוס ובה נמצאים אנשי הצוות והמטען), שני מאיצי דלק מוצק, ומכל דלק חיצוני. מכל הדלק הוא החלק המתכלה היחיד במעבורת. צוות המעבורת מונה בין 2 ל-8 אסטרונאוטים: מפקד, טייס ומומחים מסוגים שונים. מרבית המשימות של המעבורת כללו שבעה אנשי צוות.

מבנה המעבורת

המעבורת עצמה דמתה למטוס. היא הייתה בעלת זוג כנפי דלתא משוכות 81° בקצה הפנימי ו-45° בקצה החיצוני. המאזנת האחורית הייתה משוכה אחורה בזווית של 45°. המאזנות ומעצורי האוויר שמוקמו בקצוות האחוריים של הכנפיים שימשו לשליטה במעבורת בשלבי הדאייה והנחיתה.
תא הצוות של המעבורת היה בעל שלושה סיפונים: סיפון הטיסה, הסיפון האמצעי וסיפון השירות. בסיפון הטיסה היו 4 מושבים (מפקד המשימה, טייס ושני מומחי משימה) ושם מוקמו מערכות בקרת הטיסה של המעבורת. בסיפון האמצעי היו 3 מושבים נוספים (לשאר צוות המשימה), מטבח, שירותים, אזורי שינה, תאי אחסון ופתח הכניסה והיציאה מהמעבורת כשהיא בכדור הארץ. בסיפון האמצעי היה גם מנעל אוויר שהיה בעל שתי דלתות: אחת לסיפון האמצעי ואחת אל תא המטען. אסטרונאוטים שיצאו להליכת חלל עברו דרך המנעל, שאיפשר לשאר האסטרונאוטים להישאר בבגדיהם הרגילים ללא צורך ללבוש חליפות חלל.
ממדי תא המטען של המעבורת הם 4.6 על 18 מטרים שהם רוב נפח המעבורת. מידע שהותר לפרסום ב-2011 הראה כי גודל תא המטען הותאם במדויק לממדי לוויין הריגול KH-9 Hexagon שהופעל על ידי משרד הסיור הלאומי. לתא המטען היו שתי דלתות סימטריות שהוצבו לאורך תא המטען ונפתחו כלפי חוץ. רוב המטען הוכנס לתוך תא המטען בצורה אופקית כאשר המעבורת מוצבת אנכית והוצא מהמעבורת בצורה אנכית כאשר היא במסלול על ידי הזרוע הרובוטית של המעבורת (שהופעלה על ידי אסטרונאוט), אסטרונאוטים בפעילות חוץ רכבית, או באמצעות מנועים שהורכבו על המטען עצמו.
למעבורת החלל היו שלושה מנועים ראשיים מסוג RS-25 שמוקמו בחלקה האחורי. מנועים אלו הונעו על ידי הדלק הנוזלי שהיה במכל הדלק הנתיק. בנוסף למנועים אלו, שני מנועים שמוקמו גם הם באחורי המעבורת שימשו לתיקוני מסלול והאטת המעבורת לפני החדירה לאטמוספירה. כמו כן, מנועי תימרון קטנים מוקמו במקומות שונים על פני המעבורת ושימשו גם הם לתיקוני מסלול.
על מנת שהמעבורת תהיה חללית רב-פעמית היא צוידה במגיני חום מיוחדים. חלליות חד-פעמיות, כגון חלליות אפולו וחלליות סויוז, צוידו במגן חום שהתכלה במהלך החדירה לאטמוספירה. לפיכך פותח עבור המעבורת מגן קבוע העשוי אריחים של סיבי צורן דו-חמצני טהור (LI-900). אריחים אלו הם אריחי חומרים קרמיים שיכולים לספק הגנה מן החום העז בחדירה לאטמוספירה עד לטמפרטורה של 1,260 מעלות כך שניתן להחזיק אותם ביד חשופה בלי להיכוות. 30,757 אריחים כאלה הותקנו בגחון המעבורת ובצידיה. הם עוצבו, נחתכו והודבקו בעבודה ידנית מפרכת. לעיתים קרה שחלק מהאריחים לא החזיקו מעמד בהמראה ונשרו, לרוב ללא נזק למעבורת. ועדת החקירה שבדקה את אסון מעבורת החלל קולומביה מצאה כי התאונה נגרמה משום שפיסת קצף שניתקה במהלך ההמראה פגעה במגן החום של שפת הכנף העשוי פחמן מחוזק בסיבי פחמן (RCC), ויצרה בו חור שאיפשר חדירת אוויר לוהט אל הכנף בזמן הנחיתה.

רקטות ההאצה

רקטות ההאצה של מעבורת החלל היו זוג רקטות שהונעו על ידי דלק מוצק ושימשו את המעבורת במשך שתי הדקות הראשונות בשיגור. בתום שתי הדקות השתחררו הרקטות וצנחו אל האוקיינוס, שם הן נאספו על ידי ספינות גרר והוכנו לשימוש חוזר. הרקטות סיפקו את הדחף העיקרי בעת השיגור כשסיפקו 12.5 מגה-ניוטון של דחף (בגובה פני הים) כל אחת לעומת 5.25 מגה-ניוטון שסיפקו שלושת מנועיה הראשיים של המעבורת יחד.
אסון מעבורת החלל צ'לנג'ר אירע בעקבות כשל באחת מרקטות ההאצה של המעבורת. אטם ברקטת ההאצה הימנית של המעבורת, נפגם כתוצאה מהטמפרטורות הנמוכות ששררו באתר השיגור באותו יום. כתוצאה מכך, גזים לוהטים נפלטו מהרקטה, פרצו פתח במכל הדלק החיצוני וגרמו לפיצוצו.

שיגור

כל משימות מעבורות החלל שוגרו ממרכז החלל קנדי (KSC). תנאי מזג האוויר באתר השיגור יכלו להשפיע על השיגור ואפילו לגרום לדחייתו. גשמים, טמפרטורות נמוכות, עננים, סופות ברקים, רוחות ולחות הם חלק מאותם גורמים. אחראי מזג האוויר לשיגור המעבורות היה מנטר את מזג האוויר עד שההחלטה הסופית לשיגור אושרה. מזג האוויר היה צריך להיות מתאים עבור המעבורת גם בלפחות אחד מאתרי נחיתת החרום של המעבורת שמעבר לאוקיינוס האטלנטי, וכך גם מזג האוויר באזור נחיתת רקטות ההאצה.
המעבורות מעולם לא שוגרו למשימה שהחלה בדצמבר והסתיימה בינואר מפני שמחשבי המעבורת, שנבנו בשנות ה-70, לא יכלו לעמוד במצב של שינוי השנה והיו צריכים לעבור אתחול במהלך הטיסה. אף על פי שב-2007 מצאו טכנאי נאס"א דרך לעקוף את הבעיה אף מעבורת לא שוגרה למשימה כזו.
ביום השיגור, אחרי העצירה הסופית בספירה לאחור ב-T מינוס 9 דקות (9 דקות לפני השיגור), עברה המעבורת את ההכנות הסופיות לשיגור והספירה לאחור נמשכה תחת הפיקוח האוטומטי של ה-GLS (קיצור ל-Ground Launch Sequencer), תוכנה שעצרה את הספירה לאחור אם היא נתקלה בבעיה כלשהי במערכות המעבורת. הספירה לאחור עברה לאחריות המחשבים שעל המעבורת עצמה ב-T מינוס 31 שניות.
ב-T מינוס 16 שניות החלה מערכת ה-SPS (קיצור ל-sound suppression system) להציף את ה-MLP (הזחל הענק שהביא את המעבורת אל כן השיגור) ואת התעלות שמתחת לרקטות ההאצה ב-1,300 מטרים מעוקבים של מים כדי להגן על המעבורת מפני האנרגיה האקוסטית והגזים הלוהטים שפרצו מרקטות ההאצה.
ב-T מינוס 10 שניות מופעלת מערכת מצתים מתחת לכל מנוע על מנת לשרוף את הגזים הנמצאים בתוך נחירי הפליטה של המנועים. אי שריפת הגזים עלולה להכשיל את חיישני המעבורת ולגרום ללחץ יתר ולפיצוץ המעבורת בעת הצתת המנועים. באותו זמן שואבות משאבות הענק של מנועי המעבורת חמצן ומימן נוזלי אל תאי השריפה של המנועים.
שלושת המנועים הראשיים של המעבורת הוצתו ב-T מינוס 6.6 שניות. המנועים הופעלו זה אחר זה בהפרשים של 120 מילישניות. מחשבי המעבורת חיכו שהמנועים יגיעו ל-90% הספק על מנת להשלים את כיול המנועים למצב שיגור. כשניצתו המנועים, מי הקירור הפכו לענן קיטור שנפלט בתעלות דרומה. מנועי המעבורת היו צריכים להגיע ל-100% הספק בתוך שלוש שניות בלבד. אם הם לא הגיעו להספק זה תוך 3 שניות ביטל מחשב המעבורת את השיגור. אם המנועים הגיעו להספק של 100%, ב-T מינוס 0 (רגע השיגור) פוצצו 8 אטבים פירוטכניים שחיברו את המעבורת אל כן השיגור, והוצתו מנועי רקטות ההאצה. ברגע שהוצתו רקטות ההאצה לא היה ניתן לבטל את השיגור מפני שלא ניתן לכבות רקטה הפועלת על דלק מוצק. שובלי העשן מרקטות ההאצה נפלטו על ידי תעלות בכיוון צפון במהירות הקרובה למהירות הקול.
ברגע הפעלת המנועים הראשיים, כאשר רקטות ההאצה עדיין מרותקות אל כן השיגור, הדחף שיצרו המנועים גרמו לכל המערכת (המעבורת, מכל הדלק והרקטות) לנטות מטה בכ-2 מטרים (מפני שדחף המנועים אינו ישר כלפי מטה). כשחזרו רקטות ההאצה למצב הנכון, חזרה המערכת ועלתה מעלה. כל התהליך לקח פחות מ-6 שניות. כשעמדה המעבורת אנכית לחלוטין הוצתו רקטות ההאצה והשיגור החל. מרכז הבקרה במרכז החלל ג'ונסון קיבל את האחריות לטיסה ברגע שהמעבורת ניתקה מכן השיגור.
זמן קצר אחרי עזיבת "מגדל" כן השיגור, החלה המעבורת בתמרון שכלל גלגול, נטייה וסבסוב כך שהמעבורת הייתה הפוכה וכנפיה מיושרות עם כן השיגור. המעבורת הייתה הפוכה במשך כל שלב הנסיקה. במצב זה הגיעה המעבורת לזווית התקפה רצויה לעומסים האווירודנימיים ונתנה לצוות המעבורת נקודת יחוס - כדור הארץ. המעבורת טיפסה בקשת הולכת ומתמתנת, בעודה מאיצה עם ניתוק רקטות ההאצה והתרוקנות מכל הדלק החיצוני. הכניסה למסלול סביב כדור הארץ דורשת יותר כוח אופקי מאשר כוח אנכי. רוב תהליך ההאצה האנכית לא היה יכול להראות לצופים מהקרקע. המהירות הנדרשת להגעה למסלול כמעט מעגלי של 380 ק"מ (המסלול בו נמצאת תחנת החלל הבינלאומית) היא 7.68 ק"מ לשנייה (27,650 קמ"ש - מאך 23 בגובה פני הים). מפני שנטיית המסלול של תחנת החלל הבינלאומית היא 51.6°, היה על המעבורת להגיע לאותה נטייה אם היה ברצונה לחבור אל התחנה.
בהגיע המעבורת לנקודה בשם Max Q, בה כוחות המשיכה הפועלים על המעבורת הם החזקים ביותר, הונמכה עוצמת המנועים אוטומטית ל-72% דחף על מנת לא להגיע למהירות גבוהה מידי שתגרום ללחץ רב מידי על המעבורת. בנקודה זו ארעה סינגולריות פראנטל-גלאוארט, וענני התעבות נוצרו סביב המעבורת בעודה עוברת את מהירות הקול. ב-T פלוס 70 שניות הגבירו המנועים את הדחף לרמה המקסימלית של 104% דחף.
ב-T פלוס 126 שניות התפוצצו האטבים שחיברו את רקטות ההאצה למכל הדלק ומנועים קטנים הרחיקו אותם מהמעבורת ואחד מהשני בעודם צונחים אל האוקיינוס. מכאן המשיכה המעבורת עם מנועיה הראשיים בלבד. באותה נקודה יחס הדחף-משקל של המעבורת היה קטן מאחד - כלומר כוח המשיכה גבר על הכוח שהפעילו מנועי המעבורת, והמהירות האנכית שקיבלה המעבורת מרקטות ההאצה ירדה באופן זמני. עם זאת, כשפעולת המנועים נמשכה, ירד משקל הדלק ויחס הדחף-משקל הגיע שוב ל-1 והמעבורת המשיכה להאיץ אל עבר הכניסה למסלול.
המעבורת המשיכה לטפס והביאה את חרטומה אל מעל לאופק (בעודה הפוכה). מנועי המעבורת שמרו על גובהה בעודה מאיצה אופקית. אחרי כ-5 דקות ושלושת רבעי מהשיגור החלו אותות השידור מהמעבורת ואליה לדעוך, אז התהפכה המעבורת ויצרה התקשרויות חדשות עם כדור הארץ דרך מערכת לווייני ה-TDRS.
בעשר השניות האחרונות לפעולת מנועי המעבורת, משקל המעבורת היה נמוך מספיק כך שהיה צורך להנמיך את עוצמת המנועים על מנת להגביל את העומס על המעבורת ל-3 ג'י, בעיקר לנוחיות האסטרונאוטים. כ-8 דקות לאחר השיגור כובו מנועי המעבורת הראשיים.
מנועי המעבורת כובו לפני תום הדלק כי המנועים היו נהרסים אם היו "מתייבשים". מכל הדלק החיצוני היה מופרד אז מהמעבורת על ידי אטבים מתפוצצים ונשרף כמעט כולו באטמוספירה כאשר חלקים מזעריים ממנו מתרסקים באוקיינוס רחוק מכל נתיב שיט. על מנת למנוע מהמעבורת לרדת אל תוך האטמוספירה התחתונה בעקבות מכל הדלק, הופעלו המנועים המסלוליים שהעלו את אפוגיאת המעבורת אל עבר האטמוספירה העליונה. הסיבה שבגללה שוגרה המעבורת למסלול ממנו היא יכולה לחזור בקלות אל כדור הארץ ולא ישירות למסלול המתוכנן הייתה שאם המנועים המסלוליים לא עבדו או שדלתות תא המטען לא יכלו להיפתח, הייתה המעבורת יכולה לחזור ישירות אל כדור הארץ לנחיתת חרום ללא צורך במנועים (שאולי לא עבדו). במשימות מסוימות (ביניהן משימות אל תחנת החלל הבינלאומית) הופעלו המנועים המסלוליים לפני כיבוי המנועים הראשיים.

במסלול

עם כניסתה למסלול הייתה המעבורת בדרך כלל בגובה 321 ק"מ ולפעמים בגובה 643 ק"מ. בשנות ה-80 וה-90 רבות ממשימות המעבורת היו לביצוע ניסויים במסגרת התוכנית המשותפת של נאס"א וסוכנות החלל האירופאית ספייסלאב, או שיגור לוויינים וגשושיות. מסוף שנות ה-90 ובשנות ה-2000 משימות המעבורות התמקדו בבניית ותחזוק תחנת החלל הבינלאומית ופחות בשיגור לוויינים. רוב משימות המעבורת נמשכו בין מספר ימים בודדים ועד לשבועיים שלמים, אף על פי שמשימות ארוכות יותר היו אפשריות על ידי שימוש ב-Extended Duration Orbiter או על ידי שהייה בתחנת החלל.

חדירה לאטמוספירה

כמעט כל הפעולות שביצעה המעבורת במהלך החדירה לאטמוספירה והנחיתה, למעט הורדת כני הנסע ופרישת חיישני מידע הטיסה, בוצעו בדרך כלל בצורה אוטומטית. עם זאת, שלב החדירה היה יכול להעשות בצורה ידנית לחלוטין אם ארעה תקלה או במקרה חירום. הגישה לנחיתה והנחיתה בעצמה יכלו להעשות על ידי הטייס האוטומטי אך נעשו בדרך כלל בצורה ידנית.
המעבורת החלה את שלב החדירה על ידי הפעלת המנועים המסלוליים בעודה הפוכה לכיוון תנועתה כך שהמנועים האטו אותה. המנועים הופעלו לכ-3 דקות שבסופם הואטה המעבורת בכ-322 קמ"ש. כתוצאה מההאטה ירדה אפוגיאת המעבורת אל תוך האטמוספירה העליונה. אחר כך התהפכה המעבורת על ידי הטיית חרטומה כלפי מטה (או מעלה ביחס לכדור הארץ). תהליך זה התבצע במרחק של כחצי גלובוס מאתר הנחיתה.
המעבורת החלה "להיתקל" באוויר צפוף יותר באזור האטמוספירה התחתונה (120 ק"מ - 400,000 רגל) ובמהירות של מאך 25 (30,000 קמ"ש). המעבורת ביצעה תמרונים קטנים על ידי נחירי פליטה ומשטחי שליטה, והביאה את חרטומה לזווית של 40° כלפי מעלה ובכך יצרה גרר גדול במיוחד שהאט אותה וגם הפחית את עוצמת החום מהחדירה. המעבורת החלה להיתקל באוויר צפוף יותר ויותר ולאט הפכה מחללית למטוס. אם הייתה המעבורת נעה בקו ישר אל עבר מסלול הנחיתה, הייתה זווית הגישה שלה (40°) גורמת לזווית הירידה להתיישר או אפילו לעלות (כלומר המעבורת הייתה מטפסת ולא מנמיכה). לכן ביצעה המעבורת סדרה של 4 תמרונים חדים - פניות של 70° בצורת האות S - כאשר כל פנייה נמשכת מספר דקות ובעוד המעבורת שומרת על זווית הגישה של 40°. בצורה זו איבדה המעבורת מהירות בעודה פונה לצדדים ולא בעודה מטפסת כלפי מעלה. התמרונים בוצעו בשלב "החם" ביותר מהלך החדירה, כאשר מגיני החום זהרו באדום וכוחות הג'י היו הגבוהים ביותר. בסוף הפנייה האחרונה כמעט והושלם תהליך המעבר מחללית למטוס (או יותר נכון לדאון). אחר כך איזנה המעבורת את כנפיה, הנמיכה את חרטומה לכדי צלילה מתונה והחלה בשלב הגישה לנחיתה.
יחס הגלישה המקסימלי של המעבורת היה תלוי במהירותה ונע בין 1:1 במהירויות מגה-על-קוליות, 2:1 במהירויות על-קוליות ו-4.5:1 במהירויות תת-קוליות במהלך הגישה והנחיתה.
באטמוספירה התחתונה המעבורת מתפקדת כדאון, מלבד זאת שהיא מאבדת גובה בקצב מהיר הרבה יותר - מעל 50 מטרים כל שנייה (180 קמ"ש). במהירות של כמאך 3 נפרשים שני חיישני מידע בשני צידי המעבורת החשים את לחץ האוויר ביחס לתנועת המעבורת באטמוספירה.

גישה סופית ונחיתה

כששלב הגישה והנחיתה מתחיל המעבורת נמצאת בגובה של כ-3,000 מטרים (9,800 רגל) ובמרחק 12 ק"מ מקצה מסלול הנחיתה. בשלב זה פורש טייס המעבורת את מעצורי האוויר של המעבורת על מנת להאט אותה. במהלך הגישה האחרונה הייתה מהירות המעבורת יורדת מ-682 קמ"ש לכ-346 קמ"ש ברגע הנחיתה (לעומת 260 קמ"ש של מטוס סילון סטנדרטי). כני הנסע של המעבורת היו מורדים במהירות של כ-430 קמ"ש. כדי להאט את המעבורת מהר יותר נפרש מצנח בלימה ברגע נגיעת כן הנסע הראשי או כן הנסע הקדמי (תלוי במוד פרישת המצנח) ובמהירות של כ-343 קמ"ש. המצנח הושלך ברגע שהמעבורת הואטה אל פחות מ-110 קמ"ש.

אתרי נחיתה

נאס"א העדיפה כי משימות המעבורות ינחתו במרכז החלל קנדי. אם תנאי מזג האוויר בקנדי לא התאימו לנחיתת המעבורת, יכלה המעבורת להמתין במסלול עד שתנאי מזג האוויר יתאימו, לנחות בבסיס חיל האוויר אדוארדס שבקליפורניה או לנחות באחד משדות נחיתת החרום ברחבי הגלובוס. אם מעבורת הייתה נוחתת במקום אחר ממרכז קנדי היה צורך להעבירה למרכז קנדי על גבי מטוס הבואינג 747 המיוחד שהותאם לכך. מעבורת החלל קולומביה נחתה ממשימת STS-3 בנמל החלל ווייט סאנדס שבניו מקסיקו, שם לא נחתו עוד משימות כי מדעני נאס"א האמינו כי החול פוגע במעבורת.
במהלך תוכנית מעבורות החלל נחתו 78 משימות במרכז החלל קנדי, 56 בבסיס אדוארדס ומשימה אחת בווייט סאנדס.

לאחר הנחיתה

עם עצירתה המוחלטת של המעבורת היא הושארה על המסלול במשך מספר דקות על מנת שתצטנן. צוותים בקדמת ובאחורי המעבורת חיפשו אחר הימצאות שאריות של מימן, הידרזין, מונומטיל-הידרזין, דיניטרוגן-טטרוקסיד ואמוניה (שאריות דלק ממנועי המעבורת). אם נמצאו שאריות מימן היה מוכרז מצב חירום, מערכות החשמל של המעבורת היו כבויות וצוותי הסיוע היו מתפנים. אחר כך הייתה מגיעה שיירה של 25 כלי רכב שתוכננו במיוחד למטרה זו יחד עם 150 טכנאים ומהנדסים שהוכשרו לכך. טיהור המעבורת על ידי צוות השיירה החל כ-45–60 דקות לאחר הנחיתה. רופא היה עולה אל המעבורת ובודק את הצוות לפני ירידתם. עם ירידת האסטרונאוטים מהמעבורת עברה האחריות על המעבורת ממרכז החלל ג'ונסון למרכז החלל קנדי.
אם המעבורת נחתה בבסיס חיל האוויר אדוארדס בקליפורניה, נמל החלל ווייט סאנדס בניו מקסיקו או אחד משדות החרום לנחיתת המעבורת, הייתה המעבורת מועמסת על גב מטוס הבואינג 747 המיוחד שהעביר אותה אל מרכז החלל קנדי אז הייתה מובלת אל מתקן מיוחד בו היא הוכנה לקראת המשימה הבאה.