Szczątki promu Columbia

Columbia, Houston, UHF comm check…

czyli historia promu Columbia od pierwszego startu do katastrofy

Pierwszym promem, który trafił na orbitę, była Columbia (OV-102). Nazwa oczywiście nie była przypadkowa: pochodziła od pierwszego statku morskiego Columbia Rediviva, którym udało się opłynąć amerykańskie wybrzeże Pacyfiku (replika statku znajduje się w… Disneylandzie w Anaheim w Kalifornii), ale Columbia ma też drugie ważne znaczenie: to imię Ameryki! Nie wiem, czy wiecie: swego czasu przymiotnik Columbian oznaczał to samo, co American.

John Gast, American Progress. Źródło: United States Library of Congress’s Prints and Photographs, digital ID ppmsca.09855. Domena publiczna.

Orbiter nie miał dobrego startu, jeśli chodzi o prace konstrukcyjne: pierwszy lot opóźnił się o grubo ponad rok z powodu problemów z głównym silnikiem MSE (RS-25) oraz… osłoną termiczną (thermal protection system, TPS) – a właśnie uszkodzenie TPS, składającej się z ponad 30 000 płytek, spowodowało katastrofę 1 lutego 2003 roku.

Ponadto podczas prac przygotowawczych do tzw. dry rehearsal, czyli próby przeprowadzenia końcowego odliczania, zdarzył się wypadek: pięciu pracowników zostało poszkodowanych i uległo anoksji spowodowanej zastąpieniem tlenu w krwi azotem. Ten obojętny gaz nie reaguje z hemoglobiną, co powoduje przerwanie cyklu dostarczania tlenu do komórek. Kto czytał Marsjanina, ten ma pewne pojęcie o tym, jak działa taka inertyzacja. Jedna osoba zginęła w tym wypadku na miejscu, drugi pracownik zmarł kilkanaście dni później, a ostatni poszkodowany – po 14 latach cierpień związanych z powikłaniami.

Źródło: NASA. Domena publiczna.

Pierwsza załoga Columbii dotarła na orbitę pod dowództwem Johna Younga, doświadczonego astronauty, który postawił stopę na Księżycu jako dziewiąty; drugim i ostatnim jej członkiem był Robert L. Crippen. Misja nosiła kryptonim STS-1, rozpoczęła się 12 kwietnia 1981 roku i trwała dwa dni, do 14 kwietnia. W tym czasie Columbia okrążyła Ziemię 36 razy. Co ciekawe, zupełnie przypadkowo, ponieważ start zaplanowano pierwotnie na 10 kwietnia, ale trzeba go było przesunąć, lot odbył się w dwudziestą rocznicę słynnego lotu Gagarina na pokładzie Wostoku 1.

Łącznie ten najcięższy z promów kosmicznych odbył 28 misji od 1981 roku do roku 2003, kiedy podczas STS-107 zdarzyła się tragedia. Wiele misji OV-102 było prawdziwie przełomowych: pierwsza misja załogowa, pierwszy ponowny lot promu, pierwszy lot z niepomalowanym zbiornikiem, pierwszy lot z satelitą, pierwsze loty z teleskopami, pierwsze eksperymenty Spacelab, misja naprawcza Hubble’a oraz jeden z najważniejszych lotów, STS-93: dowodzony przez Eileen Collins, który wyniósł na orbitę teleskop Chandra. Teleskop ten działa w zakresie promieniowania rentgenowskiego i jest szczególnie przydatny do obserwowania czarnych dziur, białych karłów i gwiazd neutronowych.

Columbia pobiła też rekord najdłuższego lotu: 17 dni i 15 godzin, co jest imponującym wynikiem. Napisałam wcześniej, że był to najcięższy orbiter – ważył ponad 80 000 kilogramów (trzynaście słoni afrykańskich), ponieważ na początku programu rozwoju wahadłowców NASA nadal eksperymentowała z lżejszymi materiałami. Najlżejszym promem był Atlantis, ważący nieco ponad 68 000 kilogramów.

Ostatnia misja Columbii rozpoczęła się 16 stycznia 2003 roku startem z centrum lotów kosmicznych Kennedy Space Center. Podczas startu oderwał się fragment izolacji, który uszkodził TPS na lewym skrzydle orbitera. Co ciekawe, podobne zdarzenie miało miejsce podczas lotu promu Atlantis w 1988 roku, jednak wtedy uszkodzony został fragment poszycia w pobliżu podwozia, co nie spowodowało poważnych problemów. Musimy tutaj wspomnieć o tym, w jaki sposób odbywa się deorbitacja, czyli wejście w atmosferę w przypadku promów kosmicznych, które muszą zejść z około 282 kilometrów i prędkości ponad 26 000 km/h do 0 metrów i 0 km/h. Cała operacja pod koniec przy deorbitacji trwa około godziny, a rozpoczyna się od 2,5 minut pracy silników OMS, które powodują zejście z orbity i zmniejszenie prędkości tak, by można było bezpiecznie ustawić prom dziobem „w dół” (czyli w kierunku planowanego ruchu). Po około 30 minutach rozpoczyna się wejście w gęste warstwy atmosfery, a krótko potem przez około sześć minut następuje brak łączności radiowej, kiedy trwa najcięższa próba wytrzymałości TPS: przejście przez barierę ognia, podczas której statek znajduje się w obłoku plazmy. Skąd bierze się ta plazma i tak wysoka temperatura (nawet 1650 stopni Celsjusza)?

Orbiter, wchodząc w atmosferę, spręża gaz „przed sobą”, co powoduje wzrost temperatury zgodnie z prawem Boyle’a-Mariotte’a. Wytworzona fala uderzeniowa o ogromnej temperaturze powoduje powstanie warstwy plazmy (zjonizowanego gazu) pomiędzy falą a promem – i właśnie ta plazma przenosi „ciepło” na kadłub. Bez systemu TPS astronauci wewnątrz nie mieliby szans: nie tylko ze względu na temperaturę, ale również obciążenia termiczne, którym poddawana jest konstrukcja kadłuba. I to ostatnie spowodowało katastrofę Columbii: wbrew potocznemu mniemaniu, orbiter nie „wybuchł”, ale uległ dezintegracji (poczynając od lewego skrzydła) pod wpływem sił wywieranych na niego w atmosferze.

Zginęli wszyscy z siedmioosobowej załogi Columbii: Husband, McCool, Brown, Chawla, Anderson, Clark, Ramon.

Załoga STS-107. Źródło: NASA. Domena publiczna.

Po katastrofie misje wahadłowców wstrzymano na ponad rok, ale o tym w kolejnym odcinku. Pożegnajmy się słowami Boba Cabany, dyrektora lotów:

We didn’t hear anything and we kept waiting and nothing. Then we knew it wasn’t going to be good. It was approaching landing time and we got to landing time and there is no orbiter in sight. We waited a couple more minutes and said ‘You know, this is it. They are not coming to Florida today.’

—Bob Cabana, astronaut and director of flight crew operations at Johnson.

Nic nie było słychać, czekaliśmy, i nic. Wiedzieliśmy, że jest kiepsko. Zbliżał się moment lądowania, nadszedł moment lądowania, a promu nie było nigdzie widać. Poczekaliśmy jeszcze kilka minut i w końcu musieliśmy powiedzieć, że to koniec, że dziś na Florydzie nie wyląduje żadna załoga.

Źródło: AP Photo/Scott Lieberman. Fair use.

Źródła:

Michael Cabbage, William Harwood, Comm Check: the Final Flight of Shuttle Columbia, 2004

Źródło: NASA

Enterprise…

ale nie ten z filmu i serialu, tylko pierwszy orbiter (1977).

W pierwszej części poznaliśmy już najważniejsze liczby dotyczące programu wahadłowców, przejdźmy więc do kolejnych misji STS. Warto wspomnieć, że idea zbudowania statku kosmicznego, który mógłby szybko przemieszczać się na LEO (Low Earth Orbit, niską orbitę okołoziemską), nie była nowa na tamte czasy, czyli koniec lat 70. ubiegłego wieku. Pod koniec lat 50. (1957) powstał projekt Dyna-Soar Boeinga, oznaczony jako X-20, a od roku 1959 NASA z kolei eksperymentowała z X-15.

X-15 podczas jednego ze 199 lotów. Źródło: NASA. Domena publiczna.

Rozwój tych projektów wstrzymał, paradoksalnie, kosmiczny wyścig na Księżyc. Ważniejsze stało się wysłanie człowieka na orbitę Ziemi, a następnie na srebrny glob – pierwszą część tego wyścigu wygrał Związek Radziecki, wysyłając 12 kwietnia 1961 roku na orbitę Jurija Gagarina, a następnie Titowa, który spędził w kosmosie cały dzień. Zarzucono więc w USA plany tworzenia „kosmicznych samolotów” i skupiono się na tym, by chociaż na Księżycu to Amerykanie znaleźli się jako pierwsi. Warto przypomnieć sobie pełne pasji przemówienie JFK z pamiętnymi słowami: „Zdecydowaliśmy się w ciągu nadchodzących dziesięciu lat polecieć na Księżyc i dokonać innych rzeczy nie dlatego, że są łatwe, ale właśnie dlatego, że są trudne”.

Robert Knudsen, White House, John F. Kennedy/Presidential Library and Museum. Domena publiczna.

Kiedy jednak udało się z sukcesem dotrzeć na Księżyc nie tylko jeden, ale sześć razy (z załogą), nadszedł czas na dalsze podboje. Amerykanie chcieli jako pierwsi zbudować stację kosmiczną, która stanowiłaby laboratorium naukowe – jednak pojazdy używane w poprzednich misjach były albo za małe, zbyt kosztowne, lub po prostu miały za dużą moc na tak stosunkowo niedalekie loty.

Z tego powodu konieczne było powrócenie do wcześniejszych planów – tym razem konstruktorzy byli jednak mądrzejsi o wiedzę pozyskaną dzięki misjom Gemini, Apollo i budowie rakiety Saturn.

Na początku roku 1969 NASA rozpoczęła współpracę z czterema podwykonawcami (McDonnell Douglas, North American Rockwell, Lockheed i General Dynamics), której celem miał być prototyp zintegrowanego pojazdu kosmicznego pod nazwą Integrated Launch and Re-entry Vehicle (ILRV), zdolnego do wynoszenia na orbitę statku, który mógł wracać i lądować bezpiecznie wiele razy.

Jak to zwykle bywa z kontraktami rządowymi, nie obyło się bez legislacyjno-finansowej czkawki (chętnym polecam do przejrzenia propozycję firmy Grunmann), ale w końcu w 1972 rozpoczęły się prace nad STS w znanym nam obecnie kształcie: orbiter (zwany też promem kosmicznym) z własnym napędem OMS/SSME, dwie rakiety wspomagające na paliwo stałe (solid rocket boosters [SRB]) oraz zewnętrzny zbiornik na paliwo (external tank, ET). Silniki OMS (Orbital Maneuvering System) były wykorzystywane do manewrowania na orbicie okołoziemskiej, a trzy główne silniki SSME (Space Shuttle Main Engine, RS-25) służyły do wynoszenia orbitera poza Ziemię. Jeśli nazwa RS-25 coś mówi czytelnikom, to bardzo dobrze, ponieważ silniki te są podstawą systemu SLS (Space Launch System), który ostatnio zrobił ziuuuuuu! w stronę Księżyca w misji Artemis I. O tym za jakiś czas też sobie porozmawiamy.

Mała dygresja: w tym i kolejnych tekstach po podboju kosmosu znajdzie się BARDZO dużo skrótów, ale na razie musicie je zapamiętywać, bo dopiero rozwijam pomysł stworzenia słowniczka.

Projekt STS. Źródło: NASA. Domena publiczna.

Wróćmy jednak do Enterprise i pierwszego testowego lotu.

12 sierpnia 1977 roku na dobre rozpoczęła się trwająca trzy dekady era wahadłowców, choć Enterprise trudno nazwać funkcjonalnym promem kosmicznym. Orbiter nie miał silników ani osłony termicznej, a zadaniem pierwszego lotu było określenie parametrów podczas schodzenia do lądowania z wysokości nieprzekraczającej naszej atmosfery. NASA co prawda planowała z czasem przekształcić OV-101 w pełnoprawny orbiter, który miał wyruszyć w 1981 roku w kosmos, ale w międzyczasie tak zmieniono projekt promu, że w końcu po zaledwie dwóch lotach udał się on na emeryturę, a pierwszy lot wykonała Columbia.

Zaraz, zapytacie, jak to dwóch lotach, przecież podobno Enterprise poleciał tylko raz? To trochę prawda: kilka pierwszych technicznych lotów zwykle podaje się jako jeden, a „drugi” lot orbitera odbył się… stacjonarnie, w ramach testu zwanego Mated Vertical Ground Vibration Test (MGVT). Placówka testowa (na zdjęciu NASA poniżej) w centrum lotów kosmicznych Marshall Space Flight Center (MSFC) składa się bowiem z ogromnej wieży, która służy do badania odporności pojazdów i rakiet na drgania, których będą doświadczać podczas prawdziwego lotu.

Enterprise nie miał spokojnego życia: po podjęciu decyzji o braku dalszego rozwoju tego pojazdu został on najpierw umieszczony tymczasowo w muzeum, a z czasem przetransportowany do Nowego Jorku, gdzie 6 czerwca 2012 roku umieszczono go na Manhattanie, w muzeum Intrepid Museum. Na potrzeby przechowywania promu przygotowano nadmuchiwany hangar, który jednak uległ zniszczeniu podczas huraganu Katrina w październiku tego samego roku. Ciężki materiał spowodował zniszczenie części Enterprise, więc ostatecznie udostępniono go po naprawach dopiero w lipcu 2013 roku.

Źródła:

Silvoella, Davide, The Space Shuttle Program: Technologies and Accomplishments. https://doi.org/10.1007/978-3-319-54946-0

Roger, go for throttle up…

czyli opowieść o tym, jak katastrofy wahadłowców Challenger i Columbia zmieniły loty w kosmos (część 1).

Końcówka stycznia i początek lutego to czas, kiedy wspominamy załogi lotów STS-51-L (Challenger, 28 stycznia 1986) i STS-107 (Columbia, 1 lutego 2003), zakończonych katastrofą odpowiednio 73 sekundy po starcie i dwa tygodnie po starcie, po wejściu w ziemską atmosferę. Katastrofa Columbii w 2003 roku na ponad dwa lata uziemiła wahadłowce i sprawiła, że w zasadzie do końca ich ery w 2011 roku przestano rozwijać ten trwający 30 lat program (ostatnie loty były niemal wybłagane przez naukowców na potrzeby ISS i teleskopu Hubble).

Załoga lotu STS-51-L, od lewej z tyłu: Ellison Onizuka, Christa McAullife, Gregory Jarvis, Judith Resnik; od lewej z przodu: Michael J. Smith, Dick Scobee, Ronald McNair. Źródło: NASA, domena publiczna.
Załoga lotu STS-107, od lewej: David M. Brown, Rick Husband, Laurel Clark, Kalpana Chawla, Michael P. Anderson, William C. McCool, Ilan Ramon. Źrodło: NASA, domena publiczna.

Dlaczego w ogóle powstały wahadłowce i jaki był cel tego programu? Choć ten rodzaj statku kosmicznego kojarzy nam się z latami 80., ISS i teleskopem Hubble’a, to początki Space Transportation System (STS) datuje się na koniec lat 60. ubiegłego wieku, kiedy to wymyślono projekt amerykańskiej stacji kosmicznej, na którą miały latać „kosmiczne ciężarówki” wielokrotnego użytku. Kiedy w końcu ruszyła budowa stacji kosmicznej (i zmieniono koncepcję z amerykańskiej na międzynarodową), wahadłowce stały się doskonałym środkiem transportu na orbitę: mogły funkcjonować jako element stacji, co w początkowych fazach było niezwykle ważne, zabierały na pokład sporo niezbędnych materiałów oraz dużą załogę, a do tego dość szybko po powrocie można było je przygotować do kolejnego lotu. Niestety możliwość ponownego użycia okazała się jednym z najsłabszych punktów orbiterów (z problemami dotyczącymi okładziny izolującej boryka się także SpaceX w kolejnych prototypach statku Starship, ale to temat na inny wpis).

Choć najczęściej wspominamy katastrofy, to warto odnotować, że w ramach programu STS odbyło się 135 lotów łącznie (wliczając wypadki), wyniesiono na orbitę wiele ton sprzętu (w tym najcięższy, ważący 25 ton teleskop Chandra), a bez wahadłowców nie cieszylibyśmy oczu obrazami przesyłanymi przez teleskop Hubble’a, któremu trzeba było założyć specjalne „okulary”, by naprawić pofabryczną wadę.

Zwykle, kiedy mówimy o STS, z przyzwyczajenia opisujemy „wahadłowce”, ale tak naprawdę wahadłowiec to część wynosząca na orbitę statek, czyli orbiter STS.

Wahadłowiec i orbiter STS, źródło: NASA, domena publiczna.

Pierwszym orbiterem był Enterprise, choć nie trafił on w przestrzeń kosmiczną: był to swego rodzaju szybowiec, wyniesiony przez Boeinga 747 nad wyschniętą nieckę jeziora w Kalifornii w ramach testu lądowania w 1977 roku.

Podróżujące w przestrzeń kosmiczną orbitery to Columbia (28 lotów, 4808 orbit), Challenger (10 lotów, 995 orbit), Discovery (39 lotów, 5830 orbit), Endeavour (25 lotów, 4671 orbit) i Atlantis (32 loty, 4648 orbit).

Łączna załoga wahadłowców wyniosła 848 osób z 16 krajów, w tym 49 kobiet. Pierwszą z nich była Sally Ride na pokładzie Challengera (STS-7) w 1983 roku. Najstarszym astronautą był John Glenn, który podczas lotu wahadłowcem Discovery z misją STS-95 w 1998 roku miał 77 lat! Tylko jedna osoba miała okazję lecieć każdym z wahadłowców: Story Musgrave.

Wahadłowce w sumie przeleciały 537 114 016 mil, czyli 864 401 219 kilometrów w ciągu 134 lotów (nie wliczamy ostatniej misji Challengera).

Najdłuższym lotem był lot STS-80, trwający 17 dni, 15 godzin, 53 minuty i 18 sekund. Wszystkie wahadłowce spędziły w kosmosie ponad 1320 dni.

Tyle statystyk, a za kilka dni zapoznamy się dokładniej z samym programem STS, jego założeniami, kosztami oraz największymi problemami, które doprowadziły do katastrof, a w końcu zawieszenia programu i konieczności polegania na współpracy z Rosjanami aż do czasu SpaceX i Dragona.