Przed startem*

Prom Discovery doczekał się dużych zmian technicznych

Po ponad dwóch latach wyczerpującego śledztwa dotyczącego zniszczenia promu  Columbia nad Teksasem NASA wystrzeliła kolejny prom kosmiczny.

^{PRZEKRÓJ WAHADŁOWCA kosmicznego Discovery pokazuje wykorzystanie ramienia manipulatora oraz nowego czujnika wysięgnika przeznaczonego do kontroli osłony termicznej orbitera}

29 kwietnia br. NASA ogłosiła dogodny termin na wystrzelenie do celu pomiędzy 12 a 31 lipca, by pracownikom pracującym przy wahadłowcu dać więcej czasu na naprawę czujników paliwa zamontowanych w zbiornikach oraz sprawdzenie, czy układy są odporne na gromadzenie się lodu. Będzie to pierwszy start wahadłowca od czasu śmierci siedmiu astronautów 1 lutego 2003 r., kiedy statek orbitalny Columbia rozpadł się 15 minut przed wyznaczonym terminem lądowania.

Planiści odpowiedzialni za misję ustalili, że start odbędzie się w świetle dnia. Ma to zapewnić dostateczną ilość światła do optymalnego zarejestrowania na fotografiach statku orbitalnego (orbitera) oraz olbrzymiego zewnętrznego zbiornika paliwa. W czasie startu promu Columbia kontrola naziemna nie zauważyła odrywającego się od zbiornika paliwa kawałka pianki wielkości walizki, który spowodował powstanie otworu w warstwie osłony termicznej lewego skrzydła statku orbitalnego. Otwór ten stał się przyczyną katastrofy, gdy wskutek tarcia aerodynamicznego podczas wejścia w atmosferę powłoka termoochronna statku kosmicznego nagrzała się do bardzo wysokiej temperatury.

Wzmożona obserwacja po serii zmian konstrukcyjnych ma za zadanie zmniejszyć ryzyko związane ze spadającymi podczas startu odłamkami. Dodatkowo w promie Discovery zostaną po raz pierwszy zastosowane nowe metody wykrywania i naprawiania uszkodzeń osłony termicznej, która musi wytrzymać temperatury ok. 1650°C w chwili wejścia w atmosferę.

Cel 1: Zewnętrzny zbiornik paliwa

Po raporcie Komisji Dochodzeniowej do Sprawy Wypadku Promu Columbia (CAIB) w sierpniu 2003 r. uwaga została całkowicie skupiona na zewnętrznym zbiorniku paliwa (ET). Jest to największy element systemu wahadłowca, obejmujący również statek orbitalny, trzy główne silniki oraz dwa dodatkowe silniki rakietowe na paliwo stałe. ET ma 8,4 m szerokości i 46,94 m wysokości. Przenoszący 2 025 205 litrów paliwa w dwóch zbiornikach, w aluminiowym poszyciu o grubości zaledwie 0,3175 cm, ET musi wytrzymać ciąg o sile ok. 2 947 750 kg. Zewnętrzna powłoka z pianki podobnej do poliuretanowej, o średniej grubości wynoszącej ok. 2,54 cm, zapobiega powstawaniu lodu na zewnątrz zbiornika i chroni powłokę aluminiową przed ciepłem aerodynamicznym. Po starcie ET dostarcza płynnego wodoru i płynnego tlenu do głównych silników wahadłowca, zanim zostanie odrzucony ok. 8,5 min po starcie.

Dochodzenie CAIB ustaliło, że osłona termiczna była uszkodzona przez duży kawałek pianki izolującej, pochodzącej z okolic dwójnogu – miejsca, gdzie ET jest połączony z orbiterem. – Mówiąc krótko, winna jest pianka – powiedział członek komisji Scott Hubbard, kiedy CAIB opublikowała raport w sierpniu 2003 r. Hubbard zauważył, że próby ze wzmocnionym materiałem węglowym (stanowiącym część osłony termicznej) prowadzone po wypadku dowiodły, że “nie był on wystarczająco wytrzymały, by przetrwać uderzenie tego kawałka pianki przy prędkości ok. 805 km/h”.

Wśród technik służących do oszacowania skutków uderzenia kawałka pianki znajdują się testy wykonywane w Dryden Flight Research Center w Kalifornii, gdzie badany jest wznoszący tor lotu pianki izolującej. Naukowcy korzystają tu z samolotu F-15B, by testować kawałki pianki przy prędkościach wynoszących do 2 Macha. Stanowisko do prób obejmuje układ wykorzystywany w czasie lotu do wyrzucania kawałków pianki z samolotu oraz układ wideo o dużej prędkości nagrywania, służący do śledzenia i zapisu torów lotu wyrzuconych kawałków.

W odpowiedzi na tego typu testy oraz zalecenia CAIB inżynierowie Marshall Space Flight Center przeprowadzili kompleksową ocenę ET w celu ustalenia wszystkich potencjalnych obszarów, z których pianka może się oderwać. Efekt: kilka zmian konstrukcyjnych. Inżynierowie wyeliminowali na przykład klinowate rampy dwójnogu, wcześniej używane z mocowaniami dwójnogu, które łączyły zbiornik z orbiterem poprzez dwie przednie rozpory mocujące. Zaprojektowane tak, by zapobiegały tworzeniu się lodu – innego źródła odłamków – rampy były głównym obszarem, gdzie możliwa była utrata pianki w czasie startu.

Aby zapobiec powstawaniu lodu w chwili, gdy napełniony paliwem kriogenicznym wahadłowiec znajduje się na wyrzutni, w zmianach konstrukcji uwzględniono dodatkowe cztery grzejniki prętowe poniżej każdego z mocowań. Podobne do nabojów grzejniki o średnicy 0,635 cm i długości 12,7 cm mogą wytworzyć moc o wartości do 300 W. Ponadto znajdujące się na Ziemi PLC będą sterowały grzejnikami, opierając się na wartościach podawanych przez czujniki temperatury.

Mimo że nowa konstrukcja ogranicza użycie pianki w obszarze dwójnogu, technicy z nowoorleańskiej fabryki Lockheed Martin wciąż muszą stosować izolację na innych obszarach zbiornika. Biuro Projektowe ET z Marshall opracowało bardziej surowe procedury kontrolne, wykorzystywane w procesie natryskiwania pianki. Obejmują one zapis wideo postępu prac, ulepszone metody natryskiwania oraz pozyskiwanie wszelkich danych dotyczących parametrów procesu. Wykorzystywane są również nowe, nieniszczące techniki oceniania, takie jak radiografia z rozpraszaniem zwrotnym, używane do wykrywania punktowych wad izolacji. Celem jest zapewnienie, by kawałki pianki pokrywającej zbiornik, które ewentualnie odpadną, nie ważyły więcej niż 34 g.

Inżynierowie zmienili również konstrukcję trzech mieszków znajdujących się na przewodach dostarczających ciekły tlen z ET do głównych silników – to modyfikacja mająca na celu zapobieganie powstawaniu lodu. Konstrukcja elementu ważnej zapadki również została zmieniona z dwuczęściowej spawanej na jednoczęściową mechanicznie obrabianą, by zapewnić większą wytrzymałość konstrukcyjną. Przypominająca kanister zapadka chwyta tę część sworznia, która pozostaje przy zewnętrznym zbiorniku paliwa, kiedy silniki rakietowe na paliwo stałe oddzielają się od ET ok. 2 min po starcie. Żeby zyskać pewność, że zbiornik zewnętrzny jest dokładnie monitorowany w czasie startu, NASA zamontuje kamerę wideo na przewodach dostarczających ciekły tlen.

– Będzie to najbezpieczniejszy, najbardziej niezawodny zbiornik, jaki NASA kiedykolwiek wyprodukowała – powiedziała “Design News” Sandy Coleman, kierownik projektu zbiornika zewnętrznego w Marshall. – Dokonane przez nas zmiany są znaczące, a wybraliśmy te obszary, które były najbardziej narażone.

Statek orbitalny w centrum uwagi

Poza ET dokładnej analizie został poddany również orbiter. Poczyniono w nim ponad 100 zmian konstrukcyjnych, łącznie z dodaniem wielofunkcyjnego elektronicznego systemu nadzoru. Wzmocnione panele węglowe promu Discovery oraz jego osłony dziobowe inżynierowie poddali niespotykanej liczbie testów, włączając skanowanie ultradźwiękowe, skanowanie CAT oraz nową procedurę nazwaną termografią rozbłyskową. Technika ta polega na skierowaniu wiązki intensywnego światła na panel, a następnie wykorzystaniu wykrywającej ciepło, działającej na podczerwień kamery skanującej do poszukiwania wad.

Prom Discovery będzie również latał z nowym układem wykrywania zderzeń, składającym się z 22 czujników temperatury i 66 mierników przyspieszenia rozmieszczonych pod każdym skrzydłem. Dane pochodzące z czujników będą przepływać od skrzydła do przedziału załogi, skąd będą przekazywane do kontroli naziemnej. Nowa kamera cyfrowa, zamontowana na spodniej stronie orbitera, będzie robiła zdjęcia i przekazywała je do kontroli naziemnej. Tam eksperci przeanalizują wszelkie uszkodzenia od początku lotu.

Wewnątrz obszaru użytecznego Discovery będzie przenosił nowy wysięgnik, długi na 15,24 m, który zostanie przymocowany do ramienia robota wahadłowca. Wyposażony w kamerę i układ lasera wysięgnik umożliwi astronautom przeprowadzenie kontroli płytek chroniących przed wysokimi temperaturami w czasie lotu. – Trudność w pracy z wysięgnikiem polega na tym, że w zasadzie jest on przedłużeniem ramienia – wyjaśnia Michael Wr i g h t , odpowiedzialny za wykorzystanie masy użytecznej wahadłowca w czasie trwania tej misji. – Aby umieścić czujnik we właściwym miejscu w celu uzyskania odpowiednich danych, niezbędne są bardzo precyzyjne manewry.

Jeżeli wysięgnik zauważy brakujące lub uszkodzone płytki, astronauci będą mogli rozwiązać ten problem w czasie spaceru w przestrzeni, korzystając z zaawansowanego pistoletu z materiałem uszczelniającym oraz używając materiału odpornego na ciepło, znanego jako STA-54. W przypadku dużego uszkodzenia, jakie miało miejsce w promie Columbia, opracowany przez planistów misji plan przewiduje tymczasowe umieszczenie załogi promu Discovery na stacji kosmicznej, z której zostaliby później zabrani przez inny wahadłowiec.

Potrzebny czysty kawałek papieru

Wprowadzając zmiany konstrukcyjne, NASA wyznaczyła niezależną Grupę Zadaniową Przywracania do Lotu, która monitorowała postępy agencji kosmicznej związane ze spełnianiem technicznych i roboczych zaleceń CAIB. Grupa ta ma opublikować swój ostateczny raport na miesiąc przed startem.

Pomimo tych wysiłków krytycy lotów wahadłowców pozostają sceptyczni. – Nie ma wątpliwości, że NASA uczyni wszystko, co w ich mocy, by wahadłowiec był bezpieczny – zauważa naukowiec z Brookings Institution, Gregg Easterbrook – ale tak czy inaczej jest to technika, która ma już 30 lat. To, czego tak naprawdę potrzeba, to całkowicie nowy projekt statku kosmicznego oraz rakiety nośnej.

Podczas gdy plany końcowe są dalekie od ukończenia, NASA przyspiesza badania nad  następcą wahadłowca, który ma ostatecznie zakończyć loty w 2010 r. Istnieje pomysł stworzenia załogowego pojazdu eksploracyjnego, w skład którego wchodzić będą moduł i kapsuła, połączone z wymiennym układem nośnym. Prototypy mogłyby być gotowe już w 2008 r., a lot załogowy mógłby odbyć się w 2014 r.

Lawrence D. Maloney

* Artykuł pod oryginalnym tytułem “Space Shuttle Moves Closer To Liftoff” ukazał się w amerykańskiej edycji DN w maju br., na dwa miesiące przed startem promu Discovery – patrz ramka na stronie 12