Pendeltuig - Wikipedia
Gedeeltelike herbruikbare lanseringsisteem en ruimtetuig
Die pendelstelsel behels 'n ekonomies voordelige metode om 'n groot vragskip, die pendeltuig, in 'n wentelbaan om die aarde te plaas en dan terug te bring sodat dit weer gebruik kan word. Die pendeltuig word gelanseer met behulp van sy hoofmotore, wat 'n vloeibare brandstof as stumiddel uit 'n eksterne hooftenk ontvang, en twee aanjaerpyle.
Die pendeltuig Columbia, word gelanseer
Die aanjaerpyle val met valskerms terug en word herwin, maar die hooftenk brand uit in die atmosfeer. Nadat die pendeltuig se bemanning al hul take en die wetenskaplike eksperimente afgehandel het, keer die pendeltuig terug soos 'n sweeftuig, maar sonder sy motore. Die lansering van die eerste pendeltuig, die Columbia, het op 12 April 1981 plaasgevind en Nasa (National Aeronautics and Space Administration, VSA) het daarna sowat 45 vlugte vir die toekoms beoog.
Gedurende die eerste paar jaar van ruimtevlugte het die klem op ontdekking geval. Die pendelstelsel het 'n nuwe tydperk ingelui, naamlik die praktiese toepassing van die nuwe ruimtekennis om sommige van die aarde se probleme, byvoorbeeld energiebehoeftes, te probeer oplos.
In die dekade nadat die Russiese Spoetnik in Oktober 1957 gelanseer is, is talle satelliete in 'n baan om die aarde geplaas. Die klimaks van ruimtevlugte is in 1969 bereik toe Amerikaanse ruimtemanne 'n suksesvolle maanlanding uitgevoer het. Satelliete speel 'n belangrike rol in die moderne samelewing. Weersatelliete verskaf inligting oor weerstoestande, byvoorbeeld die beweging van koue fronte en die ontstaan van siklone en orkane. Kommunikasiesatelliete maak televisie-uitsendings en telefoonoproepe wêreldwyd moontlik.
Militêre satelliete word onder andere gebruik vir waarneming en vroeë waarskuwing teen moontlike aanvalle. Sommige satelliete monitor oormatige besoedeling, ander spoor nuwe mineraalbronne op of bepaal waar geologiese verskuiwings kan plaasvind. Die koste om hierdie satelliete een-een in 'n baan om die aarde te plaas, het buitensporig hoog geraak. Teen 1968 het verskeie privaatmaatskappye reeds die resultate gepubliseer van navorsing oor ruimtevervoerstelsels wat telkens herbruik kon word.
Die pendeltuig Enterprise nadat dit vervaardig is saam met die Star Trek televisie akteurs. Van links na regs: Dr. James C. Fletcher (NASA Administrator), DeForest Kelley (Dr. "Bones" McCoy), George Takei (Mr. Sulu), James Doohan (Hoof Ingenieur Montgomery "Scotty" Scott), Nichelle Nichols (Lt. Uhura), Leonard Nimoy (Mr. Spock), Gene Roddenberry (skepper van die Star Trek konsessie), Demokratiese lid van die Kongres Don Fuqua, en Walter Koenig (Ensign Pavel Chekov).
Tot in daardie stadium moes 'n nuwe vuurpyl vir elke lansering van 'n satelliet gebou word. Een dramatiese ontwerp se voorstel was dat 'n 5 km lange spoor teen 'n hoë, steil berg gebou word. 'n Groot ruimteskip, die Hyperion, sou dan teen 1 000 km/h deur 'n vuurpylaangedrewe "slee" van die spoor af gelanseer word.
Die slee sou teruggly op die spoor en Hyperion, toegerus met groot truvuurpyle, sou later terugkeer aarde toe. In 1969 het Nasa (National Aeronautical and Space Administration) 'n aantal groot vliegtuigmaatskappye, soos Rockwell International, Boeing, Lockheed, ensovoorts, genader om navorsing te doen oor 'n herwinbare pendeltuig, en gedurende die volgende paar jaar is 'n hele reeks ontwerpe vir oorweging aan Nasa voorgelê.
Sommige ontwerpe was gebaseer op 'n bemande deltavlerklanseerder wat 'n deltavlerkpendeltuig tot bo in die atmosfeer geskiet en dan teruggekeer het aarde toe. Die grootte van die pendeltuig in 'n ander ontwerp was amper twee keer so groot soos 'n Boeing 747. Teen 1972 was die meeste probleme uitgestryk en kontrakte vir die bou van die pendelstelsel is met Rocketdyne, Rockwell International, Martin Mariette en Thiokol gesluit. Elke vervaardiger was verantwoordelik vir 'n bepaalde aspek van die pendelstelsel. Rockwell International moes die pendeltuig self bou en die hele program integreer.
Die uiterlike vorm van die pendeltuig word bepaal deur die feit dat dit sonder die hulp van motore deur die atmosfeer moet terugsweef en land. Om dié rede het Nasa besluit op 'n deltavlerkpendeltuig waarvan die romp met die vlerk aaneenskakel is, vir die maksimum drakrag. Die grootste deel van die romp bestaan uit die vragruim. Dit is ongeveer 18 m lank en 5 m in deursnee en kan 'n vrag van 28,5 ton in die ruimte dra. Die beheerkajuit en die bemanning se leefruimte is aan die voorkant van die pendeltuig.
Agter die vragruim, in die stertstuk, is die drie hoofmotore en die toevoerpyp waardeur die brandstof uit die eksterne hooftenk gepomp word. Die beheerkajuit het ses vensters aan die voorkant, twee vensters agter met 'n uitsig oor die vragruim en twee aan die bokant. (In die ruimte maak dit nie saak of die pendeltuig "onderstebo" wentel nie.) Die vensters is van drie lae spesiale glas gemaak wat met chemikalieë bestryk is om weerkaatsing te verhinder. Die binneste ruit kaats infrarooi strale terug.
Aan weerskante van die stert is 'n kleiner hulpvuurpyl, elk met 'n brandstoftenk, wat gebruik word om die pendeltuig te maneuvreer en die hoogte te beheer. Aan die buitekant word die pendeltuig deur meer as 30 000 hitte-dissiperende teëls beskerm teen die hoë temperature wat ontstaan wanneer dit weer die atmosfeer binnedring. Gedeeltes soos die neus en die skerp kante van die vlerke bereik temperature van ongeveer 1 500°C. Die swaar hitte-dissiperende materiaal (RCC: Reinforced Carbon Carbon) wat op hierdie gedeeltes gebruik word (ongeveer 0,03 % van die totale area), weeg 35 kg/m2.
Vir die gedeeltes waar die temperatuur tussen 648°C en 1 260 °C is, en tussen 398°C en 648 ˚C, word twee tipes boorglasteëls gebruik, waarvan die dikte wissel tussen 1,4 en 10 cm. Twee derdes van die pendeltuig is hiermee bedek. Die vierde soort teel word oor die res van die pendeltuig gebruik waar die temperatuur selde bo 398°C styg. Die insulasie alleen weeg ongeveer 8 ton, omtrent 10 % van die pendeltuig se massa. Wanneer die pendeltuig deur die atmosfeer terugkeer, gloei die onderkant en die neus rooiwarm as gevolg van die wrywing.
Die hitteteëls (wat tussen 700 en 1 000 dollars elk kos) behoort minstens 100 vlugte te deurstaan. Tydens 'n wentelvlug absorbeer die pendeltuig ook warmte vanweë sonstraling. Hierdie warmte, asook die wat van die bemanningskajuit en die elektriese stelsel afkomstig is, word deur 'n koelvloeistof in pype weggelei na verkoelerpanele in die vragruim se deure. Sodra die pendeltuig sy wentelbaan bereik, word die deur oopgemaak en die oortollige warmte word deur die verkoelerpanele in die ruimte in weggestraal.
Die energie wat nodig is om al die elektriese en elektroniese stelsels binne-in die pendeltuig in werking te hou, word verskaf deur oksidasie-selle. Suurstof en waterstof uit vier tenks (totale kapasiteit 792 kg) verbind met behulp van 'n katalisator in die oksidasie-selle. Elektrisiteit word ontwikkel en water word as 'n byproduk gevorm. (Die proses is die omgekeerde van elektrolise, waar water deur 'n elektriese stroom in suurstof en waterstof geskei word.) Die pendeltuig het drie oksidasie-selle wat deurlopend 7 kW elektrisiteit verskaf.
'n Maksimum van 12 kW is beskikbaar vir kort tydperke. 'n Hidrouliese stelsel beheer die landingsmeganisme, die remstelsels, die hoogte- en rigtingroer, en andere, en maak die vragruim se deure oop. Die krag vir die hidrouliese stelsel word verskaf deur drie onafhanklike hulpkrageenhede (hidrouliese pompe) wat deur hidrasien aangedryf word. Vyf digitale rekenaars is verantwoordelik vir die pendeltuig se vaartbeheer, wat uit 'n komplekse reeks instrumente bestaan.
Die verwerking van al die inligting waarsonder die bemanning en grondbemanning nie kan klaarkom nie, en waarsonder die elektriese en hidrouliese stelsel nutteloos sou wees, word deur die vaartbeheerstelsel gedoen. Daarbenewens beheer dit die pendeltuig se navigasie en kommunikasie en gegewens oor elke aspek van die vlug word voortdurend teruggesein aarde toe. Enigeen van die 5 rekenaars kan die pendeltuig outomaties beheer, maar Nasa wou geen kanse waag nie.
Die rekenaars kontroleer mekaar voortdurend en as een rekenaar van die ander verskil, word dit onmiddellik uitgeskakel. Die pendeltuig, wat omtrent so groot soos 'n DC-9-passasiersvliegtuig is, behoort 100 vlugte te kan onderneem. Wanneer dit volgelaai is, het dit 'n massa van 114 ton.
Die pendeltuig word deur sy eie drie hoofmotore en deur twee groot aanjaerpyle gelanseer. Die keuse van 'n stumiddel vir die aanjaerpyle het op 'n vaste brandstof geval.
Vuurpyle met 'n vloeibare stu middel is minder lomp en meer akkuraat, maar die proses om hulle gereed te kry en te hou, is baie meer omslagtig. (Waterstof moet by - 253 °C vloeibaar gehou word.) Vastestofstumiddelmotore is altyd gereed vir gebruik, Nasa het dus besluit om die twee aanjaerpyle van vaste brandstof te voorsien. Hulle is 45,5 m lank en 3,7 m in deursnee en dra elk 503,6 ton stumiddel. Tydens lansering verskaf hulle gesamentlik ongeveer 2600 ton stukrag.
Binne twee minute na die lansering is die aanjaers se brandstof uitgebrand en na ontkoppeling val albei met valskerms terug aarde toe. Hulle word herwin en vir die volgende vlug volgemaak. Die aanjaerpyle kan 20 keer gebruik word. Die ander belangrike aandrywingseenheid, die pendeltuig se drie hoofmotore, maak gebruik van 'n vloeibare stumiddel. Die stukrag van elk van die motore is 170 ton by seespieël en 213 ton in die ruimte. Die hoofmotore se brandstof word deur 'n eksterne hooftenk gedra, 'n reuse-silinder met 'n lengte van 46,8 m en 'n deursnee van 8,4 m.
Dit bestaan basies uit twee aluminiumtenks wat 603 ton suurstof (by -183 °C) en 101 ton waterstof (by -253 "C) bevat. Die vol tenk se massa voor lansering is 740 ton, meer as 'n derde van die massa van die hele pendelstelsel. Die koste daarvan bedra 25 % van die hele onderneming en is die enigste deel wat nie herwinbaar is nie. Omtrent agt minute na die lansering, op 'n hoogte van sowat 120 km, ontkoppel die leë hooftenk en dit brand uit in die atmosfeer terwyl dit terugval aarde toe.
Nasa beoog 45 pendelvlugte per jaar met 'n vloot van vyf pendeltuie. Vier-en-vyftig ruimtemanne (gekies uit 11 000 kandidate) is opgelei om die pendeltuie te loods, maar passasiers, so as die kenners wat saamgaan om eksperimentele werk te doen, het geen spesiale ruimteopleiding nodig nie. Elke pendelvlug word deur drie ruimtemanne beheer: 'n bevelvoerder, 'n vlieënier en 'n sendingspesialis. Daarbenewens kan nog vier vragspesialiste saamgaan. Hierdie mense is opgelei om wetenskaplike eksperimente en toetse uit te voer.
Op 17 September 1976 was die eerste pendeltuig, OV-101 (orbital vehicle 101), vernoem na die ruimteskip Enterprise in die gewilde Star Trek-televisiereeks, gereed vir die eerste toetse. By Nasa se Dryden-vlugnavorsingsentrum in Kalifornië is die Enterprise met behulp van 'n massiewe oorhoofse kraan bo-op 'n spesiaal aangepaste Boeing 747-vliegtuig geplaas, Drie stutte, twee agter en 'n verstelbare een voor, het die pendeltuig stewig in posisie gehou.
Om die turbulensie te verminder wat die agterromp van die pendeltuig sou veroorsaak, is sy vuurpylmotore van 'n stroombelynde, keëlvormige omhulsel voorsien. In Februarie 1977 het die toetse begin. Gedurende die eerste vyf toetse is die swaarbelaaide Boeing se stuur- en remstelsels op die aanloopbaan getoets. Daarna het vyf onbemande vlugte gevolg. Op die laaste vlug is 'n snelheid van 763 km/h behaal en 'n hoogte van 9140 m bereik.
Gedurende die volgende twee vlugte was daar twee ruimtemanne in die Enterprise. Al die toetse tot in die stadium het suksesvol verloop en almal was gereed vir die laaste ses vuurproeftoetse vir wanneer die Enterprise vrygelaat sou word en self sou land. Die laaste drie is gedoen sonder die vaartbelynde stertkeël. Die Boeing is erg deur die turbulensie geskud, maar die Enterprise het elke keer perfek geland. Daarna is nog een reeks toetse gedoen, naamlik vibrasietoetse wat die kwaai skudding tydens lansering gesimuleer het.
Enterprise het egter nooit 'n ruimtereis onderneem nie. Na al die toetse is dit in 'n museum geplaas en sy opvolgers, STA-099 en OV-102 (Columbia), is vir hut eerste ruimtevlugte in gereedheid gebring. 'n Pendeltuig word vir sy eerste ruimtevlug voorberei in die OPF-gebou (Orbiter Processing Facility) en van daar gaan dit na die gebou (Vehicle Assembly Building: VAB) waar dit aan die aanjaerpyle en die hooftenk gekoppel word. Die pendeltuig word op 'n groot, mobiele lanseringsplatform geplaas en die hele stelsel word deur 'n massiewe ruspervoertuig teen 1,6 km/h na die lanseerbaan vervoer.
Drie sekondes voor lansering ontbrand die hoofmotore en onmiddellik daarna ook die twee aanjaerpyle. Die pendeltuig styg stadig op en begin versnel. Veertig sekondes na lansering (op 'n hoogte van 4,8 km) is die pendeltuig se snelheid 935 km/h. Na 122 sekondes ontkoppel die leë aanjaerpyle en val 300 km van die lanseerbaan af in die see. Spesiaal toegeruste skepe pik hulle op en sleep hulle terug vir latere gebruik Na sowat agt minute, op 'n hoogte van 115 km, word die pendeltuig se hoofmotore afgeskakel.
Die hooftenk word ontkoppel en val weg, waarna dit in die atmosfeer uitbrand. Die pendeltuig se snelheid is dan ongeveer 26 670 km/h. Na 'n paar sekondes ontbrand die kleiner motore aan weerskante van die stert (Orbital Manoeuvring System: OMS) en die pendeltuig word na sy beplande baan en presiese hoogte gestuur. Die motore word afgeskakel en die pendeltuig wentel teen ongeveer 28 500 km/h om die aarde. Een omwenteling duur net 90 minute.
Hoewel pendeltuie toegerus is vir langer tydperke, wentel hulle gewoonlik nie langer as sewe dae in die ruimte nie. Nadat al die toetse en take uitgevoer is, word die pendeltuig omgedraai en die twee hulpmotore ontbrand in die wentelrigting. Hierdie tru-aksie verminder die pendeltuig se wentelsnelheid met ongeveer 440 km/ h, met die gevolg dat dit stadig uit sy baan begin val. Na sowat 'n halfuur begin die pendeltuig die atmosfeer binnedring en daarvandaan neem die snelheid en hoogte vinnig af.
Sonder die hulp van enige motore en gelei deur 'n mikrogolfstraal sweef die pendeltuig terug aarde toe na die aanloopbaan by die Kennedy-ruimtesentrum. Nasa het nege lande om die wêreld betrek om deurlopend op die pendeltuig se spoor te bly en, in die geval van Japan en Spanje, noodlandingsgeriewe te verskaf. Botswana is een van die lande wat 'n kommunikasiesentrum het wat gedurig met Nasa en die wentelende pendeltuig in verbinding bly. Die eerste lansering van Columbia het op 12 April 1981 plaasgevind met John Young (bevelvoerder) en Robert Crippen (vlieënier) aan boord.
Op 14 April het hulle veilig teruggekeer. Slegs 'n paar hitte-dissiperende teëls het afgeval of was beskadig. Op 12 November 1981 is die tweede pendelvlug onderneem met Richard Truly en Joe Engle in beheer, Gordon Fullerton en Jack Lousma was die loodse van die derde vlug, wat op 22 Maart 1982 gelanseer is. Die hoeveelheid apparaat wat die pendeltuig kan dra, hang af van die hoogte van sy wentelbaan. 'n Maksimum van 29,5 ton kan in 'n sirkelvormige baan (in teenstelling met 'n elliptiese baan) op 'n hoogte van 400 km geplaas word.
Hierdie baan beskryf 'n hoek van omtrent 280 met die ewenaar. Hoe hoër die baan, hoe minder vrag kan vervoer word, omdat meer brandstof nodig is om 'n groter hoogte te bereik. As 'n baan om die pole gaan, moet die vrag heelwat verminder word omdat die pendeltuig nie tydens lansering die bykomende momentum verkry van die aarde se wentelsnelheid van 1 600 km/h nie. Meer brandstof is in die geval nodig en dit beteken minder vrag. Om 'n hoogte van 1 200 km te bereik, kan die pendeltuig net 3,6 ton vrag dra.
Baie satelliete moet egter in 'n veel hoër baan geplaas word, soos die geostatiese baan, wat 37 785 km bokant die aarde is. Satelliete in hierdie baan neem 23 uur 56 minute om een omwenteling te voltooi, presies dieselfde tyd wat die aarde neem om een keer om sy eie as te draai. As 'n satelliet op hierdie hoogte in 'n vlak om die ewenaar wentel, lyk dit dus asof hy heeltemal stilstaan. Dit is die ideale baan vir weer- en kommunikasiesatelliete wat 'n groot gebied 24 uur per dag moet monitor. Sulke satelliete word in 'n pendeltuig opgeneem en dan in die ruimte met behulp van hul eie vuurpyle in 'n hoër baan geplaas.
Die basiese doel van die eerste paar vlugte was om sover moontlik enige probleme met die lansering en hantering van die pendeltuig self uit te stryk. Daarna was die pendeltuig gereed vir al die werk waarvoor dit oorspronklik ontwerp is, naamlik wetenskaplike en tegnologiese eksperimente en take. Aan boord van die tweede pendeltuig was nuwe apparaat wat getoets moes word. Die een was 'n 15 m lange manipuleerarm wat deur die Kanadese ontwerp is en gebruik word om vrag, soos satelliete, uit die vragruim te lig of met satelliete in die ruimte te koppel sodat herstelwerk daaraan gedoen kan word.
As satelliete herstel in plaas van vervang kan word, sal dit 'n besparing van miljoene rande beteken. Baie van die werk kan met behulp van die manipuleerarm en 'n afstandbeheerde televisiekamera gedoen word, maar sommige take sal die ruimtemanne self moet doen. Daarvoor is 'n spesiale ruimtepak ontwerp waarin 'n ruimteman met behulp van 'n klein maneuvreermeganisme op sy rug buite die pendeltuig kan rondbeweeg. In November 1982 het Nasa daarin geslaag om 2 satelliete suksesvol in bane om die aarde te plaas uit die pendeltuig en daarmee bewys dat dit as ruimtevragvoertuig gebruik kan word.
Die ander apparaat aan boord was 'n hoogs gesofistikeerde ruimtelaboratorium wat deur die gesamentlike poging van 11 Europese Iande (European Space Agency: ESA) gebou is. Die laboratorium bestaan uit modules wat op verskiffende maniere gekombineer kan word, en dit vorm die kern van die eksperimente wat aan boord gedoen moet word. Sommige laboratoriummodules is lugdig sodat wetenskaplikes sonder ruimtepakke daarin kan werk terwyl ander oop is sodat instrumente soos teleskope daarin opgestel kan word.
'n Groot verskeidenheid van eksperimentele apparaat is beskikbaar en werkbanke, rakke en bergplek vergemaklik die werk. 'n Reuse-ruimteteleskoop (met 'n reflektor so groot soos die by die Mt. Wilsonsterrewag in die VSA), wat van die pendeltuig af gelanseer word, kan in die ruimte 'n volume wat 350 keer groter is as die op die aarde waarneem. Waarnemings is ook baie duideliker omdat daar geen atmosfeer is wat die beelde verwring nie. Uiters waardevolle inligting oor die ruimte en die ontstaan van die heelal word op die manier ingewin.
'n Hele reeks interessante eksperimente word deur die wetenskaplikes in die ruimtelaboratorium gedoen. Die waarneming van chlorofilkonsentrasies in die oseane help om plankton en die vis wat daarvan leef, op te spoor. Foto's van weerlig in stormwolke word geneem sodat bepaal kan word of vroegtydige stormwaarskuwings moontlik is. Die rol wat elektrisiteit speel tydens hewige storms, soos tornado's, word nagevors. Diere, plante, sade en insekte word saamgeneem en bestudeer oor hoe hulle in gewiglose toestande leef en ontwikkel.
Met 'n radarstelsel word die aardoppervlak in fyn besonderhede verken. Die ruimtelaboratorium in die pendeltuig se vragruim bied unieke geleenthede vir eksperimentele werk, maar uiteindelik is dit te klein en beperk, daarom het Nasa 'n permanente ruimtestasie bokant die aarde opgerig. Konstruksiemateriaal is stuk vir stuk deur die pendeltuie opgeneem en deur verskeie opeenvolgende ruimtespanne in plek geplaas.