Družicový stupeň raketoplánu

Družicový stupeň raketoplánu nazývaný aj vlastný raketoplán alebo orbiter bola najzložitejšia a najdôležitejšia časť celého amerického raketoplánu. Zároveň to bola jediná časť raketoplánu, ktorá sa dostala do vesmíru a potom pristála. Z hľadiska leteckej terminológie išlo o jednoplošník so samonosným krídlom v tvare dvojitej delty. Slúžil na dopravu nákladu a osôb na obežnú dráhu okolo Zeme a späť. Štartoval ako klasická raketa, návrat prebiehal riadeným kĺzavým pristátím podobným pristávaniu lietadla.

Orbiter mal celkovú dĺžku , výšku  a rozpätie krídel . Jeho prázdna hmotnosť bola rôzna pri jednotlivých exemplároch (Columbia bola najťažšia) a pohybovala sa okolo 90 ton. Trup stroja tvorila konštrukcia z hliníkových zliatin. Pre najviac mechanicky namáhané časti sa použila oceľ a titánové zliatiny. Skladal sa z troch hlavných konštrukčných častí:

 predná časť – dvojpodlažná kabína pre posádku;
 stredná časť – trup s nákladovým priestorom;
 zadná časť – motorový priestor s motormi SSME.

Predná časť 

Predná časť raketoplánu má dĺžku 8,74 metrov. Jej väčšiu časť zaberá kabína pre posádku, ďalej sa v nej nachádza blok stabilizačných a manévrovacích motorov RCS (Reaction Control System, predný blok označovaný tiež ako FRCS – Forward Reaction Control System) a predná podvozková šachta. Predná časť je vyrobená zo sústavy nitovaných panelov, priečok a rebier. Skladá sa z dvoch základných častí – hornej a dolnej. Horná obsahuje 6 okienok s hrúbkou 16 milimetrov vyrobených z taveného kremeňa. Odolávajú teplotám až 480 °C z vonkajšej strany a 426 °C z vnútornej. 

V prednej časti je ako samostatný konštrukčný diel vložená kabína pre posádku. Kabína má tvar zrezaného kužeľa orientovaného vrcholom dopredu. Jej vnútorný objem je 71,5 metrov kubických. Kabína má vlastný systém okienok, z ktorých šesť zodpovedá šiestim okienkam v základnej konštrukcii. Aj vnútorné okná majú hrúbku , sú vyrobené z temperovaného hlinito-kremičitého skla a ich vonkajší povrch je pokrytý reflexnou vrstvou odrážajúcou škodlivé infračervené žiarenie. Kabína pre posádku má navyše dvojicu okien smerujúcu nahor, ďalšiu dvojicu namierenú do nákladového priestoru a jedno okienko vo vstupných dverách do kabíny. Ľavé okienko na vrchole kabíny mohlo byť v prípade núdze pyrotechnicky odstrelené a použité ako núdzový východ. Kabína pre posádku je k prednej časti raketoplánu prichytená len v štyroch bodoch, aby sa znížil tepelný prenos z vonkajšieho prostredia. Z dôvodov tepelnej izolácie je kabína pokrytá tiež mylarovou izoláciou a pozlátenou fóliou.

Samotná kabína pre posádku je rozdelená na tri paluby. Horná paluba sa nazýva pilotná alebo letová, a nachádza sa tu sedadlo veliteľa letu (vľavo) a pilota (vpravo). V tejto kabíne sú sústredené všetky prvky riadenia. Nad oknami sú napríklad umiestnené palivometre, vľavo od sedadla veliteľa sú to systémy podpory života (ventilácia, tlak vzduchu, hladina kyslíka a dusíka, teplota vzduchu…), na stenách a strope sú vypínače elektrických obvodov. Každý z pilotov mal k dispozícii ručné riadenie pre rotačné a translačné manévre, pre ovládanie aerodynamickej brzdy a pedálové riadenie kormidiel. Miesto na manipuláciu s užitočným zaťažením je situované v zadnej stene pilotnej paluby. Z tejto paluby sa ovládal celý raketoplán, vypúšťanie družíc z nákladového priestoru a manipulátor RMS. Za sedadlami pilotov sú demontovateľné kreslá pre ďalších členov posádky. Priamo za sedadlom veliteľa je v podlahe priechod na strednú alebo obytnú palubu.

Obytná paluba obsahuje na ľavej strane bočný prielez pre nástup a výstup posádky. Prielez má priemer  a hmotnosť . Dvere prielezu je možné zvonka aj zvnútra otvoriť mechanicky, v prípade núdze pyrotechnicky. Dvere sú vyklápané smerom nadol; za predpokladu, že raketoplán stál vo zvislej polohe na štartovacej rampe, to bolo doľava. Nad prielezom je dôležitá, ale nikdy nepoužitá časť záchranného systému – teleskopická tyč. Vstupný prielez je vybavený tiež nafukovacou kĺzačkou podobne ako majú bežne dopravné lietadlá, aby pri prípadnom núdzovom pristátí posádka mohla opustiť raketoplán. Na pravej strane raketoplánu je menší núdzový prielez. Ďalší prielez vedie do nákladového priestoru raketoplánu. Slúži na prechod do prechodovej komory alebo do laboratória v nákladovom priestore. Prechodová komora bývala väčšinou inštalovaná externe. Zadná stena kabíny pre posádku je kvôli zjednodušeniu údržby ku kabíne iba priskrutkovaná, nie je teda celistvá.

V obytnej palube sa nachádzajú tiež štyri kóje na odpočinok astronautov. Okrem toho je vybavená sanitárnym zariadením, záchodom (systém WCS), umývadlom a kuchynkou. Nachádzajú sa tu aj skrinky na uloženie potravín, osobných vecí astronautov, manuálov, vedeckého vybavenia a pod. V čase štartu a pristávania sú tu umiestnené tiež tri demontovateľné sedadlá pre posádku označené číslami 5, 6 a 7. 

Za priečkou v prednej časti obytnej paluby sa nachádza väčšina riadiacej elektroniky vrátane piatich palubných počítačov. Riadenie systémov raketoplánu zaisťuje päť hlavných počítačov typu IBM AP-101S (pôvodne AP-101) s výkonom viac ako 1 milión operácií za sekundu a s operačnou pamäťou 256K 32-bitových slov. Počas kritických fáz letu, ako je vzlet a pristátie, boli štyri počítače prepojené a navzájom sa kontrolovali. Piaty, vybavený jednoduchším programovým vybavením, slúžil ako záloha.

Pod podlahou obytnej paluby sa nachádza spodná alebo technická paluba. Je tu klimatizačné zariadenie a systémy podpory života. Do tejto paluby nie je bežne prístup, posádka sa tam môže dostať iba po demontovaní podlahových panelov v obytnej palube. Systém podpory života, odborne nazývaný ECLSS (Environmental Control and Life Support System), má dve časti: Systém slúžiaci na podporu a udržiavanie atmosféry a systém tepelnej regulácie.

Navigačný systém využíval najmä tri inerciálne plošiny IMU (Inertial Measurement Units), ktoré zásobovali palubné počítače informáciami o aktuálnej orientácii družicového stupňa v priestore a o negravitačných zrýchleniach (napr. spôsobených prácou motorov). Na ich nastavovanie slúžili automatické aj manuálne zameriavače hviezd. Negravitačné zrýchlenie merala aj ďalšia súprava štyroch lineárnych akcelerometrov. V priebehu stretávacích manévrov sa na stanovenie vzdialenosti družicového stupňa od cieľa a relatívnej rýchlosti používal palubný rádiolokátor. Pre navigáciu v závere pristátia slúžil prijímač systému TACAN. Ku koncu programu sa skúšobne používal navigačný systém GPS. Vlastnú pilotáž letu zaisťoval prostredníctvom hlavných počítačov autopilot, ktorý mohol tiež preberať príkazy pilotov z ručných ovládacích prvkov umiestnených na letovej palube.

Komunikačný systém pracoval v pásmach Ku (15,25 až 17,25 GHz) a S (1,7 až 2,4 GHz). Väčšina spojení s riadiacim strediskom bola sprostredkovaná cez družice systému TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System), umiestnených na geostacionárnej dráhe. V prvých približne 4 minútach letu mohol systém pracujúci v pásme S komunikovať s pozemnou stanicou na kozmodróme priamo. Pre spojenie s Medzinárodnou kozmickou stanicou v jej blízkosti alebo s členmi posádky pracujúcimi v skafandroch vo voľnom priestore sa používal systém pracujúci v pásme UKV (243 až 300 MHz). Tento systém slúžil aj ako záložný pre spojenie s pozemnými stanicami.

Pred kabínou pre posádku sa nachádza blok manévrovacích motorov RCS a podvozková šachta. Táto šachta môže pojať až  balastnej záťaže používanej pri niektorých misiách z dôvodu ľahšieho ovládania stroja.

Nákres prednej časti 

 priehradky na uloženie predmetov,
 okienka,
 priechod medzi pilotnou a obytnou palubou,
 sedadlo č. 1 (pozícia veliteľa),
 sedadlo č. 2 (pozícia pilota),
 sedadlo č. 4,
 sedadlo č. 3,
 sedadlo č. 6,
 sedadlo č. 7,
 priestor pre leteckú elektrotechniku,
 dvierka pre prístup k hydroxidu lítnemu (Lithium Hydroxide Door),
 prechodová komora,
 sedadlo č. 5,
 miesto pripojenia začiatku krídla k trupu,
 vstupný prielez do raketoplánu,
 predné manévrovacie motory (FRCS – Forward Reaction Control System)

Stredná časť 

Trup s rozmermi 18,3 × 5,2 ×  je tvorený celkove dvanástimi prepážkami z horizontálnych a vertikálnych dielov, pričom v miestach pripojenia krídel sú pre zvýšenie bezpečnosti ešte výstuže v tvare T. V trupe je umiestnený nákladový priestor, uzavierateľný dvojkrídlovými dverami, na ktorých vnútornej strane sú radiátory (vyžarovače) klimatizačného systému. Tieto radiátory prostredníctvom glykolovej slučky odvádzali z vnútra družicového stupňa odpadové teplo. Aby mohli správne fungovať, museli byť dvere do nákladového priestoru vo vesmíre otvorené. Predné dva panely sa po otvorení dverí navyše odklopili od dverí o 35,5 stupňa. Dvere sú vyrobené z materiálu na báze uhlíka a epoxidu s jadrom z nomexu. Každá z dvoch častí dverí je k nákladovému priestoru prichytená pomocou 13-tich závesov. Dvere do nákladového priestoru sa niekedy označujú skratkou PLBD (Payload Bay Doors). 

V trupe sa okrem iného nachádzal diaľkový manipulátor RMS (Remote Manipulator System), nazývaný aj manipulačné rameno či Kanadská ruka, tri palivové batérie s výkonom 3 × 7 kW (v maxime 3 × 12 kW) a štyri nádrže s kyslíkom a štyri nádrže s vodíkom potrebným pre ich prevádzku. Bol tu umiestnený tiež všetok väčší užitočný náklad. Mohla to byť jedna alebo viac družíc, sondy, moduly pre vesmírnu stanicu (Mir, ISS), zásobovacie kontajnery, alebo vesmírne laboratórium, ktoré bolo hermeticky spojené s obytnou palubou orbitera. Starší typ vesmírneho laboratória je európsky Spacelab, od letu STS-57 až po let STS-107 sa používal novší Spacehab. V nákladovom priestore bývala tiež inštalovaná prechodová komora slúžiaca na výstup do otvoreného priestoru. Náklad sa prichytával o nákladový priestor za pomoci 124 použiteľných úchytných skrutiek. V podpalubí nákladového priestoru boli hneď za prednou časťou po ľavej a pravej strane umiestnené batérie PRSD (Power Reactant Storage and Distribution) na kvapalný kyslík a vodík, ktoré poskytovali raketoplánu elektrickú energiu. Do elektrorozvodnej siete raketoplánu bol dodávaný prúd s napätím 28 voltov. Nádrže na kvapalný vodík a kyslík boli guľovitého tvaru a ich počet sa menil v závislosti od potrieb konkrétnej misie. Pri procese výroby elektrického prúdu vznikal ako užitočný odpad voda.

Zadná časť 

Zadná časť orbitera sa nazýva motorová sekcia. Má dĺžku 5,48 metra, šírku 6,7 metra a výšku 6,09 metra. V tejto časti sú umiestnené tri turbočerpadlá APU (Auxiliary Power Units) hydraulického systému na ovládanie motorov SSME a aerodynamických riadiacich plôch. Hydraulický systém APU mal výkon 100kW.

V motorovom priestore sa nachádzajú tri kyslíkovodíkové motory SSME (Space Shuttle Main Engines), ktoré sú dominantou celého raketoplánu. Vyrobila ich americká spoločnosť Rocketdyne. Mali nominálny ťah 3 × 2,1 MN vo vákuu. Palivo bolo dodávané z externej palivovej nádrže ET. Pri jednom štarte pracovali motory nepretržite 520 sekúnd, celková záloha životnosti bola najmenej 28 600 s, to je 7 1/2 hodiny prevádzky do generálnej prehliadky. Po každom lete raketoplánu boli odstránené a poslané na kontrolu. Pri nevyhnutnej údržbe mohol byť motor použitý až 55-krát. Výrobná cena jedného exemplára SSME presahovala 40 miliónov dolárov.

Raketové motory raketoplánu pracovali pri extrémnych rozdieloch teploty. Kvapalný vodík bol skladovaný pri teplote −253 °C. Pri spaľovaní s kvapalným kyslíkom v spaľovacej komore teplota dosahovala až 3 300 °C, čo je teplota varu železa. Dodávku pohonných látok do spaľovacích komôr týchto motorov zaisťovali turbočerpadlá, pričom časť kvapalného vodíka bola najskôr vedená stenami trysky, ktoré boli takto regeneratívne chladené. Vďaka tomuto spôsobu chladenia teplota povrchu spaľovacej komory neprekročila hodnotu 567 °C. 

Všetky tri motory boli uložené výkyvne a ich vychyľovaním hydraulickými ovládačmi sa dal riadiť smer letu raketoplánu počas jeho vzletu na obežnú dráhu. Tieto motory sa používali len pri štarte. Po oddelení hlavnej nádrže ET už neboli pripojené na žiadny prívod paliva a na obežnej dráhe nemali nijakú funkciu.

Pod motorovým priestorom je umiestnený trupový elevón. Nad motorovým priestorom po stranách kýlovej plochy s kormidlami a aerodynamickou brzdou sú pripevnené dva moduly manévrovacích motorov OMS (Orbital Maneuvring System), každý s jedným motorom OME s ťahom 26,7 kN. Motory OME sa používali na konečné navedenie raketoplánu na obežnú dráhu alebo na začatie pristávacieho manévru. Sú výklopné a každá jednotka OMS má hmotnosť . 

Okrem motorov OME nesie blok OMS ešte 12 riadiacich motorov RCS (Reaction Control System) s ťahom 3,87 kN. Ako pohonné látky pre OMS a RCS slúžil monometylhydrazín a oxid dusičitý. Palivové nádrže pre OME majú maximálnu kapacitu  oxidu dusičitého a  okysličovadla, motory RCS a FRCS majú k dispozícii najviac  okysličovadla a  paliva. Ďalší modul RCS, blok FRCS, so 14 motormi s ťahom 3,87 kN a dvoma motormi s ťahom 111 N je zabudovaný vpredu, pred priestorom pre posádku. Celkový počet raketových motorov v raketopláne je 49 a delia sa na 4 rôzne typy.

Do strednej a zadnej časti raketoplánu je v priebehu štartu a pristávania vháňaná zmes plynov, vďaka čomu je z týchto priestorov vytlačovaná prebytočná vlhkosť a prípadné nebezpečné plyny (napríklad vodík).

V motorovej sekcii je tiež aerodynamické kormidlo (smerovka). Pohyblivá časť smerovky je dvojitá a mohla sa vyklápať doľava alebo doprava. Pri súčasnom vyklápaní jedným smerom slúžila ako smerové kormidlo. Pokiaľ boli tieto dve časti roztvorené, raketoplán brzdil. Smerovka, podobne ako ostatné aerodynamické prvky, bola používaná len pri lete v atmosfére a to väčšinou pri rýchlostiach v rozsahu Mach 5 až 10.

Ďalšou časťou raketoplánu je dvojica krídel. Každé sa skladá z pozdĺžnych a priečnych rebier a nosníkov. Maximálna hrúbka krídla je 1,52 metra, jeho dĺžka v mieste ohybu krídla dosahuje 18,28 metra. V mieste jeho ohybu sa nachádza podvozková šachta. Ku krídlam sú pripevnené elevóny vyklápateľné o 40° nahor a 25° smerom dole. Každý elevón sa skladá z troch častí, pričom každá časť má tri záchytné body. 

Raketoplán má tiež trojbodový podvozok. Predný podvozok je krytý dvojkrídlovými dvermi, zadný je krytý jednoduchými dvermi. Predný podvozok je ovládateľný, nesie dve pneumatiky s priemerom . Zadný podvozok má každý dve dvojice pneumatík s priemerom . Tlak vo vnútri pneumatík je 1,8 MPa. Po vyklopení podvozku už nie je možné podvozok automaticky zatiahnuť – jeho zatiahnutie sa konalo manuálne až v montážnom hangári. Pre skrátenie dojazdu po pristátí je v spodnej časti kýlovej plochy zabudovaný brzdiaci páskový padák.

Tepelná ochrana 

Povrch raketoplánu je pokrytý systémom tepelnej ochrany TPS (Thermal Protection System) chrániacim trup raketoplánu pred aerodynamickým ohrevom počas zostupu do atmosféry Zeme. Najviac namáhané časti, t. j. predok trupu a nábežná hrana krídla, sú chránené panelmi z uhlíkového laminátu, pokrytého glazúrou zo zmesi oxidu hlinitého, oxidu kremičitého a karbidu kremíka ako ochranou proti oxidácii. Odborne sa tento typ tepelnej ochrany nazýva RCC (Reinforced Carbon-Carbon – vystužený uhlík-uhlík). Spodok trupu a krídla sú pokryté dlaždicami z vysokoporézneho oxidu kremičitého, ktoré sú vyrobené z kremennej vaty, s čiernou glazúrou, zaisťujúcou vysokú emitivitu (spätné vyžarovanie) tepelného žiarenia. Horná časť krídla, boky trupu a boky kýlovej plochy sú pokryté podobnými kremennými dlaždicami, ale s bielou glazúrou, zaisťujúcou vysokú reflektivitu (odrazivosť) tepelného žiarenia. Celkový počet dlaždíc je viac ako 30 tisíc. Ich hrúbka kolíše podľa predpokladaného tepelného zaťaženia jednotlivých miest trupu od 25 do . Dlaždice nie sú lepené priamo na hliníkový trup, ale na pružnú podložku z Nomexovej plsti (vyrobenej z aramidu) a medzi jednotlivými dlaždicami je ponechaná dilatačná medzera, zaplnená pružnou upchávkou z keramickej tkaniny. Najmenej tepelne namáhaný vrch trupu (dvere nákladového priestoru) je pokrytý panelmi FRSI (Felt Reusable Surface Insulation) z Nomexovej plsti. Pred vyvezením raketoplánu na štartovaciu rampu bol celý povrch družicového stupňa impregnovaný vodoodpudivým postrekom.

Orbitery schopné letu 

V Spojených štátoch bolo vyrobených celkove 5 orbiterov schopných lietať do vesmíru. Životnosť každého z nich mala byť 50 letov. Podľa poradia výroby sú to Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis a Endeavour. Pôvodne sa počítalo s výrobou a používaním len prvých štyroch družicových stupňov, ale po havárii raketoplánu Challenger v roku 1986 bolo potrebné postaviť za neho náhradu – Endeavour. Po havárii Columbie sa však výstavba nového orbitera neuskutočnila a program Space Shuttle bol dokončený len so zostávajúcimi troma orbitermi.

Pred dokončením prvého letuschopného raketoplánu Columbia bol v USA vyrobený ešte jeden orbiter: Enterprise. Ten však slúžil len na atmosférické skúšky a chýbali mu niektoré dôležité prvky pre vesmírny let: nemal motory, pretlakovú kabínu, systém tepelnej ochrany a ďalšie.

Nákres orbitera

Opis 
1. stabilizačné motory – reaktívny kontrolný systém 2. podvozková šachta 3. predný podvozok 4. okienka 5. pilotná paluba 6. veliteľ letu 7. druhý pilot 8. hlavný vstupný prielez 9. priechod na obytnú palubu 10. dvere do nákladového priestoru 11. nákladový priestor 12. rameno na diaľkové ovládanie 13. radiátory 14. tri hlavné motory 15. orbitálne manévrovacie motory 16. stabilizačné a manévrovacie motory 17. nádrže s palivom a okysličovadlom 18. nádrže s héliom 19. vertikálny stabilizátor (smerovka), kormidlo 20. vyklápacia časť smerovky 21. krídlo 22. elevóny 23. zadný podvozok 24. prípojka na pozemské zariadenie

Tepelná ochrana – špeciálne tvarované izolačné platničky priliehajúce na zakrivené plochy:

A.	Zosilnená uhlíkovo-uhlíková izolácia RCC (teploty nad 1 260 °C)
B.	Keramické platničky (648 – 1 260 °C)
C.	Platničky z keramických vlákien (370 – 648 °C)
D.	Plsť (do 370 °C)

Pozri aj 
 Program Space Shuttle
 Space Shuttle
 Space Shuttle External Tank
 Space Shuttle Solid Rocket Booster

Zdroje 

 Družicový stupeň raketoplánu v MEK (po česky)
 Tomáš Přibyl: Den, kdy se nevrátila Columbia (JUNIOR, 2003)

Program Space Shuttle
Kozmické raketoplány