Cómo Funcionan Los Lanzaderas Espaciales

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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.

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En sus casi 30 años de historia, el programa de transbordadores espaciales ha visto altibajos estimulantes y mínimos devastadores. La flota ha llevado a los astronautas a docenas de misiones exitosas, lo que ha dado como resultado logros científicos inconmensurables. Pero este éxito ha tenido un costo grave. En 1986, el Challenger explotó durante el lanzamiento. En 2003, el Columbia se disolvió durante la reentrada en Texas. Desde el accidente de Columbia, los transbordadores se han puesto a tierra en espera de rediseños para mejorar su seguridad. El transbordador Discovery de 2005 debía iniciar el regreso al vuelo, pero una gran pieza de espuma aislante se desprendió de su tanque de combustible externo, dejando a los científicos para resolver el misterio y el programa una vez más hasta julio de 2006, cuando tanto el Descubrimiento como la Atlántida Realizó misiones exitosas.

En este artículo, examinamos la tecnología monumental detrás del programa de transbordadores de Estados Unidos, la misión para la que fue diseñada y los esfuerzos extraordinarios que la NASA ha hecho para devolver el transbordador a la fuga.

Primero, veamos las partes del transbordador espacial y una misión típica.

El transbordador espacial consta de los siguientes componentes principales:

  • dos propulsores de cohetes soli-d (SRB) - crítico para el lanzamiento.
  • tanque de combustible externo (ET) - lleva combustible para el lanzamiento
  • orbitador - Lleva astronautas y carga útil.

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La ruta de vuelo del transbordador espacial. Pase el mouse sobre las cajas para ver las etapas.

Una misión típica del transbordador es la siguiente:

  • entrar en órbita lanzamiento - el transbordador levanta la plataforma de lanzamiento ascenso orbital maniobra quemadura
  • orbita - Vida en el espacio
  • reentrada
  • aterrizaje

Una típica misión de transbordador dura entre siete y ocho días., pero puede extenderse hasta 14 días dependiendo de los objetivos de la misión. Veamos las etapas de una misión una por una.

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El Telescopio Espacial Hubble utiliza un sistema de cámaras y espejos para detectar la luz de una estrella distante. Aprender como ve el Hubble en este video del Discovery Channel.

Lanzamiento del transbordador espacial

Uno de los motores principales del transbordador espacial.

Uno de los motores principales del transbordador espacial.

Para elevar la lanzadera de 4.5 millones de libras (2.05 millones de kg) de la almohadilla a la órbita (115 a 400 millas / 185 a 643 km) sobre la Tierra, la lanzadera utiliza los siguientes componentes:

  • dos propulsores de cohetes sólidos (SRB)
  • Tres motores principales del orbitador.
  • el tanque de combustible externo (ET)
  • Sistema de maniobra orbital (OMS) en el orbitador

Echemos un vistazo a estos componentes de cerca.

Booster de cohetes sólidos

los SRBs son cohetes sólidos que proporcionan la mayor parte de la fuerza principal o empuje (71 por ciento) necesarios para levantar la lanzadera espacial de la plataforma de lanzamiento. Además, los SRB soportan todo el peso del orbitador del transbordador espacial y el tanque de combustible en la plataforma de lanzamiento. Cada SRB tiene las siguientes partes:

  • motor de cohete sólido - Caja, propulsor, encendedor, boquilla.
  • propelente sólido combustible - aluminio atomizado (16 por ciento) oxidantes - perclorato de amonio (70 por ciento) catalizador - polvo de óxido de hierro (0.2 por ciento) aglutinante - polibutadieno ácido acrílico acrilonita (12 por ciento) agente de curado - resina epoxi (2 por ciento)
  • estructura articulada
  • Juntas tóricas de goma sintética entre juntas
  • instrumentos de vuelo
  • sistemas de recuperación Paracaídas (drogue, main) dispositivos de señalización de dispositivos de flotación.
  • cargas explosivas para separar del tanque externo
  • sistemas de control de empuje
  • mecanismo de autodestrucción

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Debido a que los SRB son motores de cohete sólidos, una vez que se encienden, no pueden apagarse. Por lo tanto, son el último componente a la luz en el lanzamiento.

Motores principales

El orbitador tiene tres motores principales ubicados en el fuselaje de popa (cuerpo de la nave espacial). Cada motor tiene 14 pies (4.3 m) de largo, 7.5 pies (2. 3 m) de diámetro en su punto más ancho (la boquilla) y pesa alrededor de 6,700 lb (3039 kg).

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: espaciales

Los motores principales proporcionan el resto del empuje (29 por ciento) para levantar la lanzadera de la plataforma y ponerla en órbita.

Los motores queman hidrógeno líquido y oxígeno líquido, que se almacenan en el tanque de combustible externo (ET), en una proporción de 6: 1. ¡Extraen hidrógeno y oxígeno líquidos de la ET a una velocidad asombrosa, equivalente a vaciar una piscina familiar cada 10 segundos! El combustible se quema parcialmente en una precámara para producir alta presión, gases calientes que impulsan las turbo-bombas (bombas de combustible). El combustible se quema completamente en el cámara de combustión principal y los gases de escape (vapor de agua) dejan la boquilla a aproximadamente 6,000 mph (10,000 km / h). Cada motor puede generar entre 375,000 y 470,000 lb (1,668,083 a 2,090,664 N) de empuje; la tasa de empuje se puede controlar desde 65 por ciento a 109 por ciento de empuje máximo. Los motores estan montados en cardanes (rodamientos redondos) que controlan la dirección del escape, que controla la dirección de avance del cohete

Tanque de combustible externo-

Como se mencionó anteriormente, el combustible para los motores principales se almacena en el ET. El ET mide 158 pies (48 m) de largo y tiene un diámetro de 27.6 pies (8.4 m). Cuando está vacío, el ET pesa 78,000 libras (35,455 kg). Tiene aproximadamente 1.6 millones de libras (719,000 kg) de propelente con un volumen total de aproximadamente 526,000 galones (2 millones de litros).

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El ET está hecho de aluminio y materiales compuestos de aluminio. Tiene dos tanques separados dentro, el tanque delantero para el oxigeno y el tanque de popa para el hidrógeno, separados por una región intertank. Cada tanque tiene deflectores para amortiguar el movimiento del fluido en el interior. El fluido fluye desde cada tanque a través de una línea de alimentación de 17 pulgadas (43 cm) de diámetro desde el ET a través de una línea umbilical hasta los motores principales del transbordador. A través de estas líneas, el oxígeno puede fluir a una velocidad máxima de 17,600 galones / min (66,600 l / min) y el hidrógeno puede fluir a una velocidad máxima de 47,400 galones / min (179,000 l / min).

La ET está cubierta con una capa de espray de 1 pulgada (2,5 cm) de espesor, aislamiento de espuma de poliisocianurato. El aislamiento mantiene los combustibles fríos, protege el combustible del calor que se acumula en la capa ET en vuelo y minimiza la formación de hielo. Cuando se lanzó Columbia en 2003, piezas de espuma aislante rompieron la ET y dañaron el ala izquierda del orbitador, lo que en última instancia provocó que Columbia se separara al reingresar.

A continuación, veremos el sistema de maniobra orbital y el despegue.

El problema con las juntas tóricas

Durante el lanzamiento de Challenger en enero de 1986, la temperatura estaba por debajo de cero. El frío encogió las juntas tóricas de goma y no sellaron correctamente las juntas. Durante el ascenso, los gases calientes escaparon a través de una de las juntas de la SRB. Como un soplete, los gases cortan la delgada capa de la ET y encienden el combustible de hidrógeno líquido. Challenger se rompió y la tripulación se perdió. La NASA rediseñó las articulaciones SRB, implementó nuevas reglas con respecto a los lanzamientos en clima frío, y construyó un nuevo sistema para que la tripulación escapara del transbordador durante el ascenso.

Despegue del transbordador espacial

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: cómo

-Los dos Sistemas de maniobra orbital (OMS). están ubicadas en las vainas o-n la sección de popa del orbitador, una a cada lado de la cola. Estos motores colocan la lanzadera en la órbita final, cambian la posición de la lanzadera de una órbita a otra y disminuyen la velocidad de la lanzadera para volver a entrar.

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: lanzaderas

los Los motores OMS queman monometil hidracina combustible (CH3NHNH2) y oxidante tetróxido de nitrógeno (N2O4). Curiosamente, cuando estas dos sustancias entran en contacto, se encienden y arden automáticamente (es decir, no requieren chispas) en ausencia de oxígeno. El combustible y el oxidante se guardan en tanques separados, cada uno presurizado por helio. El helio empuja los fluidos a través de las líneas de combustible (es decir, no se requiere una bomba mecánica). En cada línea de combustible, hay dos válvulas solenoides con resorte que cierran las líneas. El gas nitrógeno presurizado, proveniente de un pequeño tanque ubicado cerca del motor, abre las válvulas y permite que el combustible y el oxidante fluyan hacia la cámara de combustión del motor. Cuando los motores se apagan, el nitrógeno pasa de las válvulas a las líneas de combustible momentáneamente para limpiar las líneas de cualquier combustible restante y oxidante; Esta purga de la línea evita cualquier explosión no deseada. Durante un solo vuelo, hay suficiente nitrógeno para abrir las válvulas y purgar las líneas 10 veces.

Cualquiera de los motores OMS o ambos pueden disparar, dependiendo de la maniobra orbital. Cada motor OMS puede producir 6,000 lb (26,400 N) de empuje. Los motores OMS juntos pueden acelerar la lanzadera en 2 pies / s2 (0.6 m / s2). Esta aceleración puede cambiar la velocidad de la lanzadera en hasta 1.000 pies / s (305 m / s). Colocar en órbita o desorbitar toma alrededor de 100-500 pies / s (31-153 m / s) de cambio de velocidad. Los ajustes orbitales toman aproximadamente 2 pies / s (0,61 m / s) de cambio en la velocidad. Los motores pueden arrancar y parar 1.000 veces y tienen un total de 15 h de tiempo de combustión.

Ahora vamos a juntar estas piezas para despegar!

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Perfil de lanzadera de lanzamiento y ascenso a órbita.

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: espaciales

SRB separati

Mientras la lanzadera se apoya en la plataforma completamente cargada, pesa alrededor de 4.5 millones de libras o 2 millones de kg. El transbordador se basa en los SRB, ya que los preparativos previos al lanzamiento y final se realizan a través de T menos 31 segundos:

  1. T menos 31 s - Las computadoras a bordo se hacen cargo de la secuencia de lanzamiento.
  2. T menos 6.6 s - los motores principales de la lanzadera se encienden uno a la vez (0,12 s de separación). Los motores se acumulan hasta más del 90 por ciento de su empuje máximo.
  3. T menos 3 s - Los motores principales de la lanzadera están en posición de despegue.
  4. T menos 0 s -los SRB se encienden y la lanzadera levanta la almohadilla.
  5. T más 20 s - la lanzadera rueda a la derecha (giro de 180 grados, paso de 78 grados).
  6. T más 60 s - Los motores de la lanzadera están al máximo acelerador.
  7. T más 2 min - Los SRB se separan del orbitador y el tanque de combustible a una altura de 28 millas (45 km). Los motores principales siguen disparando. Los paracaídas se despliegan desde los SRBs. Los SRB aterrizarán en el océano a unas 140 millas (225 km) de la costa de Florida. Los barcos recuperarán los SRB y los remolcarán de regreso a Cabo Cañaveral para su procesamiento y reutilización.
  8. T más 7.7 min - los motores principales se aceleraron para mantener la aceleración por debajo de los 3g para que la lanzadera no se rompa.
  9. T más 8,5 min - Los motores principales se apagan.
  10. T más 9 min - ET se separa del orbitador. El ET se quemará al volver a entrar.
  11. T más 10.5 min - Los motores OMS disparan para ponerte en una órbita baja.
  12. T más 45 min - Los motores OMS vuelven a disparar para colocarlo en una órbita circular más alta (aproximadamente 250 millas / 400 km).

Ahora estás en el espacio exterior y listo para continuar tu misión.

Ahora, veamos dónde y cómo vivirás mientras estés en el espacio.

El transbordador espacial en órbita

Dibujo recortado del compartimiento de la tripulación del orbitador

Dibujo recortado del compartimiento de la tripulación del orbitador

Orbitador

Una vez en el espacio, el transbordador orbitador es su hogar durante siete a 14 días. El orbitador puede orientarse de modo que las puertas de la bodega de carga estén orientadas hacia la Tierra o alejadas de la Tierra según los objetivos de la misión; De hecho, la orientación se puede cambiar a lo largo de la misión. Una de las primeras cosas que hará el comandante es abrir las puertas de la bodega de carga para enfriar el orbitador.

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Pase el ratón sobre el menú para ver los detalles.

El orbitador consta de las siguientes partes:

  • compartimiento de la tripulación - donde vivirás y trabajarás
  • fuselaje delantero (parte superior, inferior) - contiene equipo de apoyo (celdas de combustible, tanques de gas) para el compartimiento de la tripulación
  • Módulo de sistema de control de reacción hacia adelante (RCS) - contiene chorros de cohetes delanteros para girar el orbitador en varias direcciones
  • bolsa de aire móvil - utilizado para caminatas espaciales y se puede colocar dentro del compartimiento de la tripulación o dentro de la bodega
  • medio fuselaje: contiene partes esenciales (tanques de gas, cableado, etc.) para conectar el compartimiento de la tripulación con los motores de popa; forma el piso de la bodega de carga
  • puertas de carga - Techo de la bodega de carga y esencial para refrigerar el orbitador.
  • brazo manipulador remoto - ubicado en la bodega de carga: mueve grandes piezas de equipo dentro y fuera de la bodega de carga; Plataforma para los astronautas que caminan en el espacio.
  • fuselaje de popa - contiene los motores principales
  • Vainas OMS / RCS (2) - contienen los motores de maniobra orbital y el módulo de popa RCS; girar el orbitador y cambiar las órbitas
  • partes del avión del orbitador - volar el transbordador al aterrizar (alas, cola, aleta del cuerpo)

Vivirás en el compartimiento de la tripulación, que se encuentra en el fuselaje delantero. El compartimiento de la tripulación tiene 2,325 pies cúbicos de espacio con la esclusa de aire interior o 2,625 pies cúbicos con la compuerta de aire exterior.

El compartimiento de la tripulación tiene tres cubiertas:

cubierta de vuelo - cubierta superior

  • cubierta delantera: contiene todos los controles y sistemas de advertencia para el transbordador espacial (también conocido como cabina de mando)
  • asientos - comandante, piloto, asientos especializados (dos)
  • cubierta de popa: contiene controles para operaciones orbitales: maniobra el orbitador mientras está en órbita (encuentro, acoplamiento, despliegue de carga útil y trabajo del brazo manipulador remoto)

media cubierta

  • Viviendas (cocina, literas, aseo).
  • compartimentos de almacenamiento (equipo personal, equipo esencial para la misión, experimentos)
  • equipo de ejercicio
  • bolsa de aire - en algunos vuelos
  • escotilla de entrada

cubierta inferior (compartimento para equipos) - contiene equipos de soporte vital, sistemas eléctricos, etc. Ahora que ha visto las partes del orbitador, veamos de cerca cómo el orbitador le permite vivir en el espacio.

Condiciones de vida

El transbordador orbiter proporciona un entorno donde puedes vivir y trabajar en el espacio.

Cómo funcionan los lanzaderas espaciales: espaciales

El transbordador espacial Endeavour (STS113) en órbita desde la Estación Espacial Internacional.

Debe ser capaz de hacer lo siguiente:

  • proporcionar soporte vital - todo lo que la Tierra hace por nosotros (control de la atmósfera, suministro y reciclaje; agua; control de temperatura; luz; suministro de alimentos; eliminación de residuos; protección contra incendios)
  • cambiar posición y cambiar órbitas
  • te permite hablar con los controladores de vuelo en tierra (comunicaciones y seguimiento)
  • encuentra su camino alrededor (navegación)
  • hacer energía eléctrica
  • coordinar y manejar información (ordenadores)
  • le permite hacer un trabajo útil (Lanzar / recuperar satélites; construcción, como la construcción de la Estación Espacial Internacional; realizar experimentos)

Ahora veamos los sistemas del orbitador y cómo logra estas funciones.

La vida a bordo del transbordador espacial

-Th-e- orbiter debe proporcionarle un entorno similar a la Tierra. Debe tener aire, comida, agua y una temperatura agradable. El orbitador también debe eliminar los desechos que produce su cuerpo (dióxido de carbono, orina, heces) y protegerlo del fuego. Veamos estos diversos aspectos del sistema de soporte de vida del orbitador.

A bordo del transbordador espacial, necesitas tener lo siguiente:

  • Atmósfera similar a la Tierra
  • dióxido de carbono eliminado
  • Conta-minating o traza gases eliminados
  • ambiente humedo normal

-La atmósfera de Ou-r es una mezcla de gases (78 por ciento de nitrógeno, 21 por ciento de oxígeno, 1 por ciento de otros gases) a una presión de 14 lb / in2 (1 atm) que respiramos dentro y fuera. El transbordador espacial debe proporcionar un ambiente similar. Para ello, el orbitador lleva oxígeno líquido y nitrógeno líquido en dos sistemas de tanques presurizados, que se encuentran en el medio del fuselaje (cada sistema tiene dos tanques para un total de cuatro tanques). El sistema de presurización de la cabina combina los gases en la mezcla correcta a la presión atmosférica normal. Mientras está en órbita, solo se usa un sistema de oxígeno-nitrógeno para presurizar el orbitador. Durante el lanzamiento y el aterrizaje, se utilizan ambos sistemas de cada gas.

Cinco bucles de hinchas circulan por la atmósfera. El aire circulado recoge dióxido de carbono, calor y humedad:

  • Los recipientes de dióxido de carbono químicos eliminan el dióxido de carbono haciéndolo reaccionar con hidróxido de litio. Estos recipientes están ubicados en la cubierta inferior del compartimiento de la tripulación y se cambian cada 12 horas.
  • Filtros y latas de carbón. elimine los olores del rastro, el polvo y los productos químicos volátiles de fugas, derrames y desgasificación.
  • UNA intercambiador de calor de cabina en la cubierta inferior enfría el aire y condensa la humedad, que se acumula en una sorber. El agua del slurper se mueve con aire a un separador de ventilador, que utiliza la fuerza centrífuga para separar el agua del aire. El aire se recircula y el agua va a un tanque de aguas residuales.

Además del aire, el agua es la cantidad más importante a bordo del orbitador. El agua se fabrica a partir de oxígeno líquido e hidrógeno en las celdas de combustible del transbordador espacial (las celdas de combustible pueden producir 25 lb (11 kg) de agua por hora). El agua pasa a través de un separador de hidrógeno para eliminar cualquier gas de hidrógeno atrapado (el exceso de gas de hidrógeno se vierte por la borda). Luego, el agua se almacena en cuatro tanques de almacenamiento de agua ubicados en la cubierta inferior. Cada tanque puede contener 165 lb (75 kg). Los tanques de agua están presurizados por nitrógeno para que el agua pueda fluir a la cubierta media para ser utilizada por la tripulación. El agua potable se filtra para eliminar los microbios y se puede calentar o enfriar a través de varios intercambiadores de calor según el uso (preparación de alimentos, consumo, higiene personal).El exceso de agua producido por las celdas de combustible se envía a un tanque de aguas residuales y luego se vierte por la borda.

El espacio exterior es un ambiente extremadamente frío y las temperaturas variarán drásticamente en diferentes partes del orbitador. Se podría pensar que calentar el orbitador sería un problema. Sin embargo, el equipo electrónico genera más que suficiente calor para el barco. El problema es deshacerse del exceso de calor. Así que el sistema de control de temperatura tiene que realizar dos funciones principales:

  • Distribuya el calor donde sea necesario en el orbitador (secciones del fuselaje medio y de popa) para que los sistemas vitales no se congelen en el frío del espacio.
  • Deshazte del exceso de calor.

Para hacer esto, la lanzadera tiene dos métodos para manejar el control de temperatura:

  • Pasivo Métodos: generalmente simples, manejan pequeñas cargas de calor y requieren poco mantenimiento. Materiales aislantes (mantas), recubrimientos superficiales, pinturas. - reduzca la pérdida de calor a través de las paredes de los diversos componentes al igual que el aislamiento de su hogar. Calentadores electricos - use cables calentados eléctricamente como una tostadora para calentar varias áreas.
  • Activo Métodos: más complejos, usar fluido para manejar grandes cargas de calor, requieren mantenimiento. Platos frios - Placas metálicas que recogen calor por contacto directo con el equipo o conducción. Intercambiadores de calor - Recoger el calor del equipo utilizando fluido. El equipo irradia calor a un fluido (agua, amoniaco) que a su vez pasa calor a freón. Ambos fluidos son bombeados y recirculados para eliminar el calor. Bombas, conductos, válvulas. - Transportar el calor recolectado de un área a otra. Radiadores - ubicado en las superficies interiores de las puertas de la bodega de carga que irradian el calor acumulado al espacio exterior Evaporador flash / calderas de amoniaco. - estos dispositivos están ubicados en el fuselaje de popa y transfieren el calor de los lazos de refrigerante de freón por la borda cuando las puertas de la bodega de carga están cerradas o cuando los radiadores de la bodega de carga están sobrecargados. Evaporador instantáneo Lazos de refrigerante de freón se envuelven alrededor de un núcleo interno. El evaporador rocía agua sobre el núcleo calentado. El agua se evapora eliminando el calor. El vapor de agua se ventila por la borda. Calentador de amoníaco Los lazos de refrigerante de freón pasan a través de un tanque de amoníaco a presión. El calor liberado por el freón hace hervir el amoníaco. El vapor de amoniaco se vierte por la borda.

-El intercambiador de calor de la cabina también controla la temperatura de la cabina. Hace circular agua fría para eliminar el exceso de calor (el aire de la cabina también se usa para enfriar equipos electrónicos) y transfiere este calor a un intercambiador de freón. El Freon luego transfiere el calor a otros sistemas de órbita (por ejemplo, tanques de gas criogénico, sistemas hidráulicos) e irradia el exceso de calor al espacio exterior.

El orbitador tiene reflectores fluorescentes internos que iluminan el compartimiento de la tripulación. El orbitador tiene proyectores externos para iluminar la bodega de carga. Finalmente, los paneles de control se iluminan internamente para una fácil visualización.

La comida se almacena en la cubierta media del compartimiento de la tripulación. Los alimentos vienen en varias formas (deshidratados, bajos en humedad, estabilizados por calor, irradiados, naturales y frescos). El orbitador tiene un módulo de cocina de estilo galera a lo largo de la pared junto a la escotilla de entrada, que está equipada con lo siguiente:

  • compartimientos de almacenamiento de alimentos
  • calentadores de comida
  • Un área de preparación de alimentos con salidas de agua caliente y fría.
  • bandejas de metal para que los paquetes de alimentos y los utensilios no se alejen flotando

Como en cualquier hogar, el orbitador debe mantenerse limpio, especialmente en el espacio cuando la suciedad y los escombros flotantes pueden presentar un peligro. Los residuos están hechos de limpieza, alimentación, trabajo e higiene personal. Para la limpieza general del hogar, se utilizan varias toallitas (húmedas, secas, de tela, detergentes y desinfectantes), detergentes y aspiradoras húmedas / secas para limpiar superficies, filtros y astronautas. La basura se separa en bolsas de basura húmedas y bolsas de basura seca, y la basura húmeda se coloca en un evaporador que eliminará el agua. Todas las bolsas de basura se guardan en la cubierta inferior para ser devueltas a la Tierra para su eliminación. Los desechos sólidos del inodoro se compactan, se secan y se almacenan en bolsas, donde se devuelven a la Tierra para su eliminación (quema). Los residuos líquidos del inodoro van al tanque de aguas residuales donde se tiran por la borda.

El fuego es uno de los peligros más peligrosos en el espacio. El orbitador tiene un Subsistema de Detección y Supresión de Incendios que consiste en lo siguiente:

  • detectores de humo en cada cubierta
  • Detectores de humo en cada estante de equipos eléctricos.
  • Alarmas y luces de advertencia en cada módulo.
  • Extintores portátiles no tóxicos (basados ​​en dióxido de carbono)
  • Aparato de respiración personal: máscara y botella de oxígeno para cada miembro de la tripulación.

Una vez que se apaga un incendio, el sistema de control de la atmósfera filtrará el aire para eliminar partículas y sustancias tóxicas.

A continuación, veremos las tecnologías que ayudan al transbordador espacial a navegar, cambiar de dirección y comunicarse desde el espacio.

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