Chương trình tàu con thoi

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Tàu con thoi của NASA, chính thức được gọi là Space Transportation System (STS), nghĩa là Hệ thống Chuyên chở vào Không gian, là phương tiện phóng tàu vũ trụ có người điều khiển hiện nay của chính phủ Hoa Kỳ. Trạm quỹ đạo (tàu con thoi) có cánh được phóng lên thẳng đứng, thường mang theo năm đến bảy phi hành gia (mặc dù tám người đã được mang thử) và đến 22.700 kg (50.000 lb) hàng hóa vào quỹ đạo thấp của Trái Đất. Khi chuyến bay đã hoàn thành, nó khai hỏa các động cơ đẩy đổi hướng để rơi ra khỏi quỹ đạo và tái nhập vào khí quyển của Trái Đất. Trong suốt quá trình giảm độ cao và hạ cánh, tàu con thoi như là một phương tiện trượt và hạ cánh hoàn toàn không dùng một động cơ đẩy nào.

[sửa] Phát triển

Tàu con thoi Columbia vài giây trước khi động cơ khai hỏa, 12 tháng 4, 1981 (NASA).

Ngay trước khi Apollo đổ bộ lên Mặt Trăng vào năm 1969, vào tháng 10 năm 1968 NASA bắt đầu những nghiên cứu sơ khởi về thiết kế của tàu con thoi. Những nghiên cứu sơ khởi này được kí hiệu là "Giai đoạn A", và vào tháng 6 năm 1970, "Giai đoạn B", chi tiết và cụ thể hơn.

Vào năm 1969 Tổng thống Richard Nixon thành lập Nhóm đặc nhiệm về Không gian, chủ tịch là phó tổng thống Spiro T. Agnew. Họ kiểm nghiệm các nghiên cứu về tàu con thoi cho đến giai đoạn đó, và đưa ra một chiến lược quốc gia về chương trình không gian trong đó bao gồm cả việc đóng tàu con thoi.^[1]

Trong suốt quá trình phát triển ban đầu có nhiều thảo luận về thiết kế của tàu con thoi để cân bằng tốt nhất khả năng, chi phí phát triển và chi phí điều hành. Cuối cùng thì thiết kế hiện nay đã được chọn, sử dụng một trạm quỹ đạo có cánh có thể tái sử dụng, hai tên lửa đẩy dùng nhiên liệu rắn, và bình nhiên liệu ngoài sử dụng một lần.^[1]

Chương trình tàu con thoi được bắt đầu chính thức vào 5 tháng 1, 1972, khi Tổng thống Nixon tuyên bố rằng NASA sẽ tiến hành việc phát triển một hệ thống tàu con thoi có khả năng tái sử dụng.^[1] Thiết kế cuối cùng tốn kém ít hơn trong việc đóng và về mặt kỹ thuật là ít tham vọng hơn những thiết kế ban đầu sử dụng lại toàn bộ hệ thống.

Công ty hợp đồng chính cho chương trình là North American Aviation (sau này là Rockwell International), cùng một công ty đã có trách nhiệm cho Đơn vị Điều khiển/Dịch vụ Apollo Command/Service Module. Công ty hợp đồng cho tên lửa đẩy nhiên liệu rắn cho tàu con thoi là Morton Thiokol (bây giờ là một phần của Alliant Techsystems), và cho bình nhiên liệu bên ngoài là Martin Marietta (bây giờ là Lockheed Martin), và cho động cơ chính của tàu con thoi là Rocketdyne.^[1]

Trạm quỹ đạo hoàn thành đầu tiên ban đầu được đặt tên là Tàu con thoi Constitution, nhưng một chiến dịch đại chúng từ các khán giả của chương trình TV Star Trek đã thuyết phục Nhà Trắng thay đổi cái tên đó thành Enterprise. Trong sự cổ vũ lớn đó, tàu Enterprise được lăn ra vào ngày 17 tháng 9 năm 1976, và sau đó đã tiến hành một loạt các thí nghiệm thành công của việc trượt trong khí quyển và những lần đáp thử là những kiểm chứng đầu tiên của thiết kế.

Trạm quỹ đạo với các chức năng hoàn chỉnh là Columbia, được đóng ở Palmdale, California. Nó được đưa về Trung tâm Vũ trụ Kennedy vào ngày 25 tháng 3 năm 1979, và được phóng lên lần đầu tiên vào ngày 12 tháng 4 năm 1981—nhân dịp kỉ niệm lần thứ 20 chuyến bay vũ trụ của Yuri Gagarin— với một phi hành đoàn 2 người. Challenger được chuyển về KSC vào tháng 7 năm 1982, Discovery vào tháng 11 năm 1983, và Atlantis vào tháng 4 năm 1985. Challenger bị phá hủy khi vỡ tan trong quá trình phóng lên do 0-Ring bên phải SRB không hoạt động vào ngày 28 tháng 1 năm 1986, với sự tử nạn của bảy phi hành gia trên tàu. Endeavour được đóng để thay thế Challenger (sử dụng các bộ phận dự phòng ban đầu dự tính là cho các trạm quỹ đạo khác) và được xuất xưởng vào tháng 5 năm 1991; nó được phóng lên một năm sau đó. Mười bảy năm sau Challenger, Columbia bị cháy tan, với tất cả phi hành đoàn 7 người, trong quá trình tái nhập vào ngày 1 tháng 2 năm 2003, và chưa được thay thế. Trong cả năm tàu con thoi hoạt động đủ chức năng chỉ còn 3 tàu để sử dụng.

[sửa] Miêu tả

Trạm quỹ đạo giống như là một máy bay với hai cánh delta, quét một góc 81° ở rìa cánh trong và 45° ở rìa ngoài cùng của cánh. Cánh ổn định thẳng đứng có cạnh ngoài cùng quét một góc 45° về phía sau. Có bốn cánh tà, gắn vào rìa ngoài cùng của hai cánh, một thắng cản, gắn vào rìa của cánh ổn định, với các cánh thân, điều khiển trạm quỹ đạo trong quá trình hạ cánh và đáp xuống.

Khoang chứa phi hành đoàn của trạm quỹ đạo bao gồm 3 tầng: tầng bay, tầng giữa và tầng sử dụng tiện ích. Tầng trên cùng là tầng điều khiển bay với những chỗ ngồi cho chỉ huy trưởng, phi công, hai chuyên gia của chuyến bay ngồi đằng sau. Tầng giữa, ở phía dưới tầng bay, có thêm 3 chỗ ngồi cho các thành viên còn lại của phi hành đoàn. Bếp, phòng vệ sinh, chỗ ngủ, tủ chứa quần áo và cửa sập bên hông cho việc vào ra tàu cũng ở tầng này, cũng như là cửa với khóa không khí (airlock). Khóa không khí cũng có thêm một cửa vào khoang chứa hàng hóa. Nó cho phép hai phi hành gia, mang bộ áo phi hành với đơn vị di động ngoài không gian (Extravehicular Mobility Unit - EMU), giảm áp suất trước khi bước ra không gian.

Trạm quỹ đạo có một khoang chứa hàng hóa, kích thước 60 ft × 15 ft (18 m × 4,6 m) chiếm hầu hết phần thân. Các cửa vào khoang hàng hóa có bộ tỏa nhiệt ở các bề mặt bên trong, và được mở cho việc điều khiển nhiệt độ khi tàu con thoi đang ở trên quỹ đạo. Điều khiển nhiệt độ bằng cách định hướng tàu tương đối so với Trái Đất và Mặt Trời. Bên trong khoang chứa hàng là hệ thống cần cẩu điều khiển từ xa, cũng được biết đến như là Canadarm, một cánh tay máy được sử dụng để vận chuyển và đưa các thiết bị ra không gian.

Trạm quỹ đạo

Ba động cơ chính của tàu con thoi (Space Shuttle Main Engines - SSME) được gắn vào đuôi của trạm quỹ đạo dưới dạng tam giác. Ba động cơ này có thể nghiêng lên 10,5 độ và nghiêng xuống 8,5 độ từ bên này sang bên kia trong quá trình phóng để thay đổi hướng đẩy của chúng và lái tàu con thoi trong lúc đẩy.

Hệ thống điều khiển quỹ đạo (Orbital Maneuvering System - OMS) cung cấp các điều khiển trên quỹ đạo, bao gồm vào quỹ đạo, kết nối, bay vòng quanh, chuyển đổi, gặp gỡ, rời bỏ quỹ đạo.

Hệ thống điều khiển các phản ứng (Reaction Control System - RCS) cung cấp các điều khiển về độ cao và chuyển dịch theo 3 trục theo độ dốc, cuốn, trệch trong các giai đoạn bay vào quỹ đạo, vòng quanh quỹ đạo, và tái nhập khí quyển.

Hệ thống bảo vệ nhiệt độ (Thermal Protection System - TPS) bao phủ bên ngoài trạm quỹ đạo, bảo vệ nó từ độ lạnh cóng -121°C (-250°F) trong không gian đến 1649°C (3000°F), nhiệt độ lúc vào lại khí quyển.

Cấu trúc của trạm quỹ đạo chủ yếu được làm từ hợp kim nhôm mặc dù cấu trúc động cơ đẩy được làm từ hợp kim titani.

Bình nhiên liệu chứa ngoài (External Tank - ET) cung cấp 2,025 triệu lít (535.000 gallon) hiđrô lỏng và ôxy lỏng để làm nhiên liệu cho động cơ chính của tàu con thoi (SSME). Nó được bỏ đi 8,5 phút sau khi phóng lên ở độ cao khoảng 60 nautical miles (111 km), rồi bị đốt cháy khi vào lại khí quyển. Bình chứa dày 1/8 inch chủ yếu làm bằng hợp kim nhôm-lithi.

Hai tên lửa đẩy nhiên liệu rắn (Solid Rocket Boosters - SRB) cung cấp khoảng 83% sức đẩy của tàu vào lúc phóng và giai đoạn 1 của quá trình phóng. Chúng được vứt bỏ 2 phút sau khi phóng tại độ cao vào khoảng 150.000 feet (45,7 km), rồi bung dù và hạ xuống trên đại dương để được thu nhặt lại. Vỏ của tên lửa SRB làm bằng thép dày khoảng 1/2 inch (1,27 cm).

Tàu con thoi là một trong những phi thuyền đầu tiên sử dụng hệ thống điều khiển bay tự động bằng máy tính fly-by-wire. Điều này có nghĩa là không có một kết nối cơ học hay thủy lực nào giữa cần điều khiển của phi công đến bề mặt điều khiển hay hệ thống điều khiển phản ứng của các động cơ đẩy.

Atlantis hạ càng trước khi hạ xuống một đường băng đặc biệt như là một máy bay thông thường

Vào năm 1990 những máy tính nguyên thủy được thay thế với một kiểu nâng cao AP-101S, với dung lượng khoảng 1 megabyte và tốc độ 1,2 MHz. Bộ nhớ được thay từ các vòng từ tính sang bán dẫn với pin dự phòng.

[sửa] Các thông số kỹ thuật

Các thông số của trạm quỹ đạo (cho Endeavour, OV-105)

Dài: 122,17 ft (37,24 m)
Sải cánh: 78,06 ft (23,79 m)
Cao: 58,58 ft (17,25 m)
Trọng lượng trống: 151.205 lb (68.586,6 kg)
Tổng trọng lượng lúc cất cánh: 240.000 lb (109.000 kg)
Trọng lượng tối đa lúc hạ cánh: 230.000 lb (104.000 kg)
Các động cơ chính: 3 Rocketdyne Block 2 A SSME, mỗi cái với sức đẩy tại mặt biển là 393.800 lbf (178.624 kgf/1,75 MN)
Khối lượng chuyên chở tối đa: 55.250 lb (25.061,4 kg)
Kích thước sàn chuyên chở: 15 ft × 60 ft (4,6 m × 18,3 m)
Độ cao vận hành: 100 - 520 nmi (185 - 1.000 km)
Tốc độ: 25.404 ft/s (7.743 m/s, 27.875 km/h, 17.321 mi/h)
Sải ngang Crossrange: 1.085 nautical mile (2.009,4 km)
Phi hành đoàn: 7 (chỉ huy, phi công, 2 chuyên gia cho chuyến bay và 3 chuyên gia về hàng hóa mang theo), 2 là tối thiểu.

Tàu con thoi Atlantis được chuyên chở bởi máy bay Boeing 747, 1998 (NASA)

Các thông số cho bình nhiên liệu ngoài (cho SLWT)

Dài: 153,8 ft (46,9 m)
Đường kính: 27,6 ft (8,4 m)
Thể tích nhiên liệu: 535.000 gallon (2.030.000 L)
Trọng lượng trống: 58.500 lb (26.559 kg)
Trọng lượng tổng lúc cất cánh: 1,667 triệu lb (757.000 kg)

Các thông số của tên lửa đẩy nhiên liệu rắn

Dài: 149,6 ft (45,6 m)
Cao: 12,17 ft (3,71 m)
Trọng lượng trống: 139.490 lb (63.272,7 kg)
Tổng trọng lượng lúc cất cánh: 1,3 triệu lb (590.000 kg)
Sức đẩy (tại mặt biển, cất cánh): 2,8 triệu lbf (1.270.058 kgf/12,46 MN)

Thông số hệ thống khay chồng (Stack System)

Cao: 184,2 ft (56,14 m)
Tổng trọng lượng cất cánh: 4,5 triệu lb (2,04 triệu kg)
Tổng sức đẩy lúc cất cánh: 6,781 triệu lbf (3,076 triệu kgf/30,18 MN)

[sửa] Phóng

[sửa] Hạ cánh

[sửa] Điều hành, áp dụng, tai nạn

Từ trái qua phải: Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis và Endeavour. Không mô tả: Enterprise, Explorer và Pathfinder. Những tàu không mô tả chưa bao giờ vào không gian.

[sửa] Xem thêm

Atmospheric reentry
Buran, the Soviet Union's (cancelled) shuttle program
The prototype EADS Phoenix
The cancelled Hermes
GRiD Compass the early laptop carried aboard the shuttle
HOPE-X the Japanese (cancelled) shuttle program
Kliper Reusable Russian lifting body spacecraft that is likely to replace the Soyuz system in 2011
Lifting body
List of human spaceflights
List of human spaceflights chronologically
List of space disasters
List of space shuttle missions
Manned space mission
Military space shuttle
Orbiter a freeware simulator that allows users to fly various spacecraft including the Shuttle.
Project Constellation The Space Shuttle's replacement in 2010.
Reusable launch system
Shuttle SERV
Single stage to orbit
Space Exploration
Space Shuttles in fiction