Cómo Funcionan Los Lanzaderas Espaciales - #2

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En sus casi 30 años de historia, el programa de transbordadores espaciales ha visto altibajos estimulantes y mínimos devastadores. Aprende todo sobre el programa de transbordadores espaciales.

El orbitador tiene cinco computadoras a bordo que manejan el procesamiento de datos y controlan sistemas de vuelo críticos. Las computadoras monitorean el equipo y se hablan entre sí y votan para resolver los argumentos. Las computadoras controlan los ajustes críticos, especialmente durante el lanzamiento y el aterrizaje:

  • Operaciones del orbitador (funciones de mantenimiento, operaciones de carga útil, cita / acoplamiento)
  • interfaz con la tripulación
  • sistemas de precaución y alerta
  • Adquisición y procesamiento de datos a partir de experimentos.
  • maniobras de vuelo

-Pilotos esencialmente vuelan las computadoras, que vuelan la lanzadera. Para hacer esto más fácil, los transbordadores tienen un Subsistema de Pantalla Electrónica Multifuncional (MEDS), que es un nuevo sistema de pantalla plana de 11 paneles a todo color. El MEDS, también conocido como la "cabina de vidrio", ofrece representaciones gráficas de indicadores de luz clave (actitud, altitud, velocidad). Los paneles MEDS son fáciles de leer y facilitan la interacción de los pilotos del transbordador con el orbitador.

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: orbitador

La cabina de cristal

Ahora veamos el tipo de trabajo que harás durante tu misión de transbordador.

Trabajar a bordo del transbordador

El astronauta Michael E. Lopez-Alegria usa un dispositivo de alcance láser cuando Endeavor (STS113) se acerca a la Estación Espacial Internacional.

El astronauta Michael E. Lopez-Alegria usa un dispositivo de alcance láser cuando Endeavor (STS113) se acerca a la Estación Espacial Internacional.

El transbordador fue diseñado para desplegar y recuperar satélites, así como para entregar cargas útiles a la órbita de la Tierra. Para hacer esto, la lanzadera utiliza el Sistema de Manipulador Remoto (RMS). El RMS fue construido por Canadá y es un brazo largo con una articulación de codo y muñeca. Puede controlar el RMS desde la cubierta de vuelo de popa. El RMS puede tomar cargas útiles (satélites) de la bodega de carga y desplegarlas, o agarrarse a las cargas útiles y colocarlas en la bahía.

En el pasado, la lanzadera se utilizaba para entregar satélites y realizar experimentos en el espacio. Dentro de la cubierta media, hay estantes de experimentos que se realizarán durante cada misión. Cuando se necesitaba más espacio, la misión utilizó el módulo Spacelab, que fue construido por el Agencia Espacial Europea (ESA). Encajó en la bodega de carga y se accedió por un túnel desde la cubierta media del compartimiento de la tripulación. Proporcionaba un entorno de "manga de camisa" en el que podías trabajar. El Spacelab se perdió junto con Columbia en 2003. Ahora, la mayoría de los experimentos se llevarán a cabo a bordo de la Estación Espacial Internacional (la ESA está construyendo un nuevo módulo científico llamado Columbus para la EEI).

El principal papel del transbordador es construir y reabastecer a la Estación Espacial Internacional. La lanzadera entrega componentes construidos en la Tierra. Los astronautas utilizan el RMS para eliminar componentes de la bodega de carga y para ayudar a conectarlos a los módulos existentes en la estación espacial.

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: cómo

Los astronautas instalan un truss, que fue enviado a la estación espacial por Endeavor (STS113).

Pasará la mayor parte de su tiempo en la lanzadera trabajando para cumplir los objetivos de la misión. Además del trabajo, debe hacer ejercicio con frecuencia en la cinta de correr para contrarrestar la pérdida de masa ósea y muscular asociada con la ingravidez. También comerá en la cocina y dormirá en su dormitorio de estilo litera. Tendrá un aseo e instalaciones de higiene personal para su uso. Puede que tenga que realizar caminatas espaciales para lograr los objetivos de la misión. Esto implicará meterse en un traje espacial y pasar por procedimientos de despresurización en la compuerta de aire.

Cuando se hayan cumplido los objetivos de su misión, será hora de regresar a la Tierra. Veamos este proceso en la siguiente sección.

El retorno de la lanzadera a la tierra

Peso del transbordador espacial, vacío vs. lleno.

Peso del transbordador espacial, vacío vs. lleno.

Para un regreso exitoso a la Tierra y al aterrizaje, docenas de cosas tienen que ir bien.

Primero, el orbitador debe ser maniobrado en la posición correcta.Esto es crucial para un aterrizaje seguro.

Cuando finaliza una misión y el transbordador se encuentra a mitad de camino alrededor del mundo desde el lugar de aterrizaje (Centro Espacial Kennedy, Base de la Fuerza Aérea Edwards), el control de la misión le da la orden de regresar a casa, lo que solicita a la tripulación que:

  1. Cierre las puertas de la bodega de carga. En la mayoría de los casos, han volado boca abajo y boca abajo, por lo que luego disparan los impulsores RCS para girar primero la cola del orbitador.
  2. Una vez que el orbitador está primero en la cola, la tripulación dispara los motores OMS para reducir la velocidad del orbitador y regresar a la Tierra; Pasarán unos 25 minutos antes de que la lanzadera alcance la atmósfera superior.
  3. Durante ese tiempo, la tripulación dispara los impulsores RCS para lanzar el orbitador de manera que la parte inferior del orbitador quede frente a la atmósfera (unos 40 grados) y se estén moviendo la nariz nuevamente.
  4. Finalmente, queman el combustible sobrante del RCS delantero como una precaución de seguridad porque esta área encuentra el calor más alto de reingreso.

Debido a que se está moviendo a aproximadamente 17,000 mph (28,000 km / h), el orbitador golpea las moléculas de aire y acumula calor a partir de la fricción (aproximadamente 3000 grados F, o 1650 grados C). El orbitador está cubierto con materiales aislantes de cerámica diseñados para protegerlo de este calor. Los materiales incluyen:

  • Carbono-carbono reforzado (RCC) en las superficies de las alas y en la parte inferior
  • Baldosas aislantes de superficie negra de alta temperatura en el fuselaje delantero superior y alrededor de las ventanas
  • Mantas blancas de Nomex en las puertas de la bahía de carga superior, partes del ala superior y fuselaje medio / trasero
  • Azulejos de superficie blanca de baja temperatura en las áreas restantes.

Este contenido no es compatible en este dispositivo.

Maniobra del orbitador para reingreso.

Estos materiales están diseñados para absorber grandes cantidades de calor sin aumentar mucho su temperatura. En otras palabras, tienen una alta capacidad calorífica. Durante el reingreso, los jets de dirección de popa ayudan a mantener al orbitador en su actitud de 40 grados. Los gases ionizados calientes de la atmósfera que rodean al orbitador evitan la comunicación por radio con el suelo durante aproximadamente 12 minutos (es decir, un apagón de ionización).

Cuando el reingreso tiene éxito, el orbitador se encuentra con el aire principal de la atmósfera y puede volar como un avión. El orbitador está diseñado a partir de un diseño de cuerpo de elevación con alas "delta" arrastradas hacia atrás. Con este diseño, el orbitador puede generar sustentación con un área de ala pequeña. En este punto, las computadoras de vuelo vuelan el orbitador. El orbitador realiza una serie de giros en forma de S para reducir su velocidad de descenso a medida que comienza su aproximación final a la pista. El comandante toma una radiobaliza de la pista (Sistema de navegación aérea táctica) cuando el orbitador está a aproximadamente 140 millas (225 km) del lugar de aterrizaje y 150,000 pies (45,700 m) de altura. A 25 millas (40 km), las computadoras de aterrizaje del transbordador ceden el control al comandante. El comandante vuela la lanzadera alrededor de un cilindro imaginario (18,000 pies o 5,500 m de diámetro) para alinear el orbitador con la pista y bajar la altitud. Durante la aproximación final, el comandante aumenta el ángulo de descenso a menos 20 grados (casi siete veces más pronunciado que el descenso de un avión comercial).

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Ruta de vuelo de traslado para el aterrizaje

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Cuando el orbitador está a 2,000 pies (610 m) sobre el suelo, el comandante levanta la nariz para disminuir la velocidad de descenso. El piloto despliega el tren de aterrizaje y el orbitador aterriza. El comandante frena el orbitador y el freno de velocidad en la cola vertical se abre. Un paracaídas se despliega desde la parte posterior para ayudar a detener el orbitador. El paracaídas y el freno de velocidad en la cola aumentan la resistencia del orbitador. El orbitador se detiene aproximadamente a la mitad de las tres cuartas partes del camino por la pista.

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: lanzaderas

Transbordador espacial orbitador aterrizando

Después de aterrizar, la tripulación pasa por los procedimientos de apagado para apagar la nave. Este proceso lleva unos 20 minutos. Durante este tiempo, el orbitador está enfriando y los gases nocivos, que se hicieron durante el calor de reentrada, se evaporan. Una vez que se apaga el orbitador, la tripulación sale del vehículo. Los equipos de tierra están disponibles para comenzar el servicio del orbitador.

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: funcionan

Paracaídas desplegados para ayudar a detener el orbitador en el aterrizaje

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: espaciales

Orbiter siendo atendido justo después de aterrizar

La tecnología del transbordador se actualiza constantemente. A continuación, veremos las mejoras futuras de la lanzadera.

El accidente de columbia

En la mañana del 1 de febrero de 2003, el transbordador espacial Columbia se rompió durante el reingreso, a más de 200,000 pies sobre Texas. La investigación posterior reveló la causa del accidente. Durante el despegue, piezas de aislamiento de espuma cayeron del ET y golpearon el ala izquierda. El aislamiento dañó las baldosas de protección contra el calor en el ala. Cuando Columbia volvió a entrar en la atmósfera, los gases calientes entraron al ala a través del área dañada y fundieron el fuselaje. El transbordador perdió el control y se rompió.

Mejoras en el transbordador espacial

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: espaciales

-Como se mencionó anteriormente, la caída de escombros (aislamiento de espuma) del ET dañó el transbordador orbitador, lo que llevó a la ruptura de Columbia al reingresar. Para que las lanzaderas vuelvan al estado de vuelo, la NASA se ha centrado en tres áreas principales:

  • Rediseñe el ET para evitar que el aislamiento dañe el orbitador de la lanzadera
  • Mejorar la inspección de la lanzadera para detectar daños.
  • Encuentre formas de reparar posibles daños al orbitador mientras está en órbita
  • Formular planes de contingencia para la tripulación de un transbordador dañado para permanecer en la ISS hasta el rescate

Echemos un vistazo más de cerca a cada uno de estos.

ET Rediseño

El ET contiene gases licuados fríos como combustible (oxígeno, hidrógeno). Debido a que las temperaturas son muy frías, el agua de la atmósfera se condensa y se congela en las superficies de la ET y las líneas de combustible que conducen al orbitador. El hielo puede caerse del ET en sí mismo o hacer que el aislamiento de espuma ET se agriete y se caiga.Además del hielo, si alguno de los gases líquidos se filtrara y penetrase debajo de la espuma, se expandiría y causaría que el aislamiento de la espuma se agriete. Gran parte del rediseño de ET se ha centrado en eliminar los lugares donde se puede producir condensación.

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: orbitador

Rediseño ET

Primero, el ajuste del bípode es el punto hacia adelante donde el ET se adhiere a la parte inferior del orbitador. Los ingenieros y técnicos descubrieron que este punto es especialmente susceptible a la formación de hielo. En el pasado, las rampas de aislamiento de espuma sobre esta parte evitaban la acumulación de hielo; sin embargo, este aislamiento se cayó con frecuencia, lo que representa un peligro para el orbitador.

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: espaciales

Las rampas de espuma que protegían los accesorios de bípode ET de la acumulación de hielo (arriba) se reemplazaron con una nueva junta que se calienta eléctricamente (abajo).

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: orbitador

En el rediseño, se eliminó el aislamiento y la conexión ahora se monta en la parte superior de una placa de cobre, que contiene calentadores eléctricos. El calentador puede calentar la conexión y evitar la acumulación de hielo.

Segundo, el nitrógeno líquido se usa para purgar la conexión entre tanques de cualquier gas de hidrógeno potencialmente explosivo. Sin embargo, el nitrógeno líquido puede congelarse alrededor de los pernos en esa área y hacer que el aislamiento de espuma se rompa. Los pernos en esa área han sido rediseñados para evitar fugas de nitrógeno líquido.

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: funcionan

Las rampas de espuma que protegían la línea de alimentación de oxígeno líquido estaban inclinadas y podían permitir la acumulación de hielo (arriba). Han sido reemplazados por un diseño llamado labio de goteo que evita la acumulación de hielo (abajo).

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: cómo

Tercero, cinco fuelles de la línea de alimentación de oxígeno líquido se encuentran a lo largo del ombligo que conecta el tanque de oxígeno líquido con los motores principales y están conectados al tanque de hidrógeno líquido. Los fuelles compensan las expansiones y contracciones que ocurren cuando el tanque de hidrógeno líquido se llena y se vacía. Los fuelles evitan las tensiones en la línea de alimentación. Anteriormente, el aislamiento de espuma sobre el fuelle estaba inclinado. Este ángulo permitió que el vapor de agua se condensara, corriera entre el aislamiento de la espuma y se congela, rompiendo así la espuma. Para corregir este problema, la falda de espuma de esta junta se extendió sobre el aislamiento debajo y se cuadró para que el agua no pueda correr entre la espuma.

Prevención de futuros desastres del transbordador espacial

Un colector de pernos (arriba) fue diseñado para evitar que los pernos explosivos en los SRB (abajo) dañen el ET o el orbitador.

Un colector de pernos (arriba) fue diseñado para evitar que los pernos explosivos en los SRB (abajo) dañen el ET o el orbitador.

-Los pernos de Expl-osive separan los SRB del tanque externo cuando los SRB se queman en vuelo. Los ingenieros evaluaron que los fragmentos de los pernos también podrían dañar la lanzadera. Diseñaron un receptor de pernos para evitar que los pernos dañen el ET o golpeen el orbitador.

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: cómo

Para detectar la caída de escombros y posibles daños al transbordador, la NASA ha hecho lo siguiente:

  • Se colocaron ciento siete cámaras (infrarrojos, video digital de alta velocidad, HDTV, 35 mm, 16 mm) sobre y alrededor de la plataforma de lanzamiento para filmar la lanzadera durante el despegue.
  • Diez sitios dentro de las 40 millas de la plataforma de lanzamiento han sido equipados con cámaras para filmar el transbordador durante el ascenso.
  • En los días de mayor nubosidad cuando las cámaras en el suelo quedarán ocultas, dos aviones WB-57 filmarán el transbordador desde una gran altura a medida que asciende.
  • Tres instalaciones de rastreo de radar (una con banda C y dos con radar Doppler) monitorearán la lanzadera para detectar desechos.
  • Se han instalado nuevas cámaras de video digitales en el ET para monitorear la parte inferior del orbitador y transmitir los datos al suelo a través de las antenas instaladas en el ET.
  • Se han instalado cámaras en las narices de SRB para monitorear el ET.
  • El equipo del transbordador tiene nuevas cámaras digitales de mano para fotografiar el ET después de la separación. Las imágenes se descargarán a las computadoras portátiles en el orbitador y luego se transmitirán al suelo.
  • Se utilizará una cámara de paseo espacial digital para que los astronautas inspeccionen el orbitador mientras están en órbita.
  • Canadá hizo una extensión de 50 pies de largo, llamada Sistema de Manipulador Remoto / Sistema de Sensor de Refuerzo de Orbita (RMS / OBSS), que se puede conectar al brazo robótico. Esta extensión permitirá que el RMS alcance la parte inferior del orbitador. Las cámaras montadas en esta extensión fotografiarán la parte inferior en busca de daños.

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: lanzaderas

El RMS / OBSS permitirá a los astronautas inspeccionar la parte inferior y el borde delantero de las alas en busca de daños.

Finalmente, los ingenieros y técnicos han instalado 66 diminutos acelerómetros y 22 sensores de temperatura en el borde delantero de ambas alas en el orbitador. Los dispositivos detectarán el impacto de cualquier escombro que golpee las alas del orbitador.

El propósito completo de los sensores de imagen y ala es detectar posibles daños causados ​​por la caída de escombros. Los ingenieros y administradores pueden analizar estas imágenes y hacer recomendaciones a la tripulación durante la misión.

La NASA también formuló ideas sobre cómo reparar los transbordadores dañados durante el vuelo, incluyendo:

  • Aplicación de polímeros pre-cerámicos a pequeñas grietas.
  • Uso de pequeños tapones mecánicos hechos de carburos de carbono y silicona para reparar daños de hasta 6 pulgadas de diámetro

Estas ideas fueron probadas a bordo del transbordador Discovery en junio de 2005.

Historia del transbordador espacial

La Enterprise se separa de un Boeing 747 para comenzar una de sus pruebas de vuelo y aterrizaje

La Enterprise se separa de un Boeing 747 para comenzar una de sus pruebas de vuelo y aterrizaje

-Cerca del final del programa espacial Apollo, los funcionarios de la NASA estaban mirando el futuro del programa espacial estadounidense. Estaban usando cohetes desechables de un solo disparo. Lo que necesitaban era un cohete confiable y menos costoso, tal vez uno que fuera reutilizable. La idea de un "transbordador espacial" reutilizable que pudiera lanzarse como un cohete pero aterrizar como un avión era atractiva y sería un gran logro técnico.

La NASA comenzó el diseño, los costos y los estudios de ingeniería en un transbordador espacial y muchas compañías aeroespaciales también exploraron los conceptos. En 1972, el presidente Nixon anunció que la NASA desarrollaría un transbordador espacial reutilizable o un sistema de transporte espacial (STS).La NASA decidió que el transbordador consistiría en un orbitador conectado a cohetes sólidos y un tanque de combustible externo y otorgó el contrato principal a Rockwell International.

En ese momento, las naves espaciales utilizaban escudos de calor ablativos que se consumirían cuando la nave entrara nuevamente en la atmósfera de la Tierra. Sin embargo, para ser reutilizable, una estrategia diferente tendría que ser utilizada. Los diseñadores del transbordador espacial tuvieron la idea de cubrir el transbordador espacial con muchas baldosas cerámicas aislantes que podrían absorber el calor de la reentrada sin dañar a los astronautas.

Recuerde que la lanzadera debía volar como un avión, más como un planeador, cuando aterrizó. Se construyó un orbitador de trabajo para probar el diseño aerodinámico, pero no para ir al espacio exterior. El orbitador se llamaba Enterprise después de la nave estelar "Star Trek". El Enterprise realizó numerosas pruebas de vuelo y aterrizaje, desde donde se lanzó desde un Boeing 747 y se deslizó hasta un aterrizaje en la Base de la Fuerza Aérea Edwards en California.

Finalmente, después de muchos años de construcción y pruebas (es decir, orbitador, motores principales, tanque de combustible externo, propulsores de cohetes sólidos), el transbordador estaba listo para volar. Se realizaron cuatro lanzaderas (Columbia, Discovery, Atlantis, Challenger). El primer vuelo fue en 1981 con el transbordador espacial Columbia, pilotado por los astronautas John Young y Robert Crippen. Columbia tuvo un buen desempeño y los otros lanzaderas pronto hicieron varios vuelos exitosos.

En 1986, el transbordador Challenger explotó en vuelo y toda la tripulación se perdió. La NASA suspendió el programa de transbordadores por varios años, mientras que las razones del desastre fueron investigadas y corregidas. Después de varios años, el transbordador espacial volvió a volar y se construyó un nuevo transbordador, Endeavor, para reemplazar al Challenger en la flota de transbordadores.

En 2003, al reingresar a la atmósfera de la Tierra, el transbordador Columbia se rompió en los Estados Unidos. La NASA puso en tierra el programa del transbordador espacial después del accidente y trabajó febrilmente para hacer cambios y devolver los transbordadores al vuelo. En 2006, el transbordador Discovery perdió espuma de su tanque de combustible externo. Una vez más, el programa se basó y los científicos lucharon por resolver el problema. El Discovery se lanzó dos veces en 2006, una en julio y otra en diciembre. Según la NASA, el lanzamiento en julio de 2006 fue la misión de transbordador más fotografiada de la historia. El Atlantis se lanzó en septiembre de 2006, luego de demoras debido al clima, un problema con la celda de combustible y una lectura defectuosa del sensor.

Si bien los transbordadores espaciales son un gran avance tecnológico, están limitados en cuanto a la cantidad de carga útil que pueden tomar en órbita. Las lanzaderas no son los vehículos de carga pesada como el Saturn V o los cohetes Delta. El transbordador no puede ir a órbitas de gran altitud ni escapar del campo gravitatorio de la Tierra para viajar a la Luna o Marte. La NASA actualmente está explorando nuevos conceptos para los vehículos de lanzamiento que son capaces de ir a la Luna y Marte.

Para obtener más información sobre los transbordadores espaciales y temas relacionados, echa un vistazo a los enlaces en la página siguiente.

Empresa

ahora está en exhibición en el Centro Steven F. Udvar-Hazy del Museo Nacional del Aire y el Espacio, cerca del Aeropuerto Internacional Dulles en Washington, DC.


Suplemento De Vídeo: Superestructuras: Los Cohetes del Transbordador Espacial.




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