Spaceshuttleprogramma

Het Spaceshuttleprogramma is een Amerikaans ruimtevaartprogramma om mensen en vracht naar de ruimte te brengen door middel van ruimteveren (spaceshuttles). De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA begon midden jaren 70 met de ontwikkeling van de spaceshuttle (officieel genoemd Space Transportation System - STS), met hulp van de Amerikaanse luchtmacht. De gedachte achter de ontwikkeling van het STS was het bouwen van een herbruikbaar ruimteschip om goedkoop en op regelmatige basis ruimtemissies te kunnen vliegen. De structuur van de spaceshuttle is op het moment van lancering: een roestkleurige externe tank, twee slanke Solid Rocket Boosters en het ruimteveer, een gevleugeld ruimtevaartuig, de spaceshuttle in enge zin.

De NASA heeft in totaal zeven spaceshuttles laten bouwen: Atlantis, Challenger, Columbia, Discovery, Endeavour, Enterprise, Pathfinder. De Enterprise en Pathfinder werden gebouwd als testobjecten en werden niet ingezet voor ruimtevluchten. Op 12 april 1981 was Spaceshuttle Columbia het allereerste ruimteveer dat in een baan rond de aarde werd gebracht. Tot mei 2010 zijn er 131 spaceshuttlemissies gevlogen waarvan twee fataal zijn afgelopen. In 1986 desintegreerde de Spaceshuttle Challenger 73 seconden na de lancering, waardoor er geen commerciële satellieten met spaceshuttle meer vervoerd mochten worden. Het ongeluk van de Columbia in 2003 had tot gevolg dat er beslist werd dat in 2010 de spaceshuttles uit de vaart worden genomen.

Vandaag bestaan er nog drie spaceshuttles: Discovery, Atlantis en Endeavour die enkel nog gebruikt worden voor de afbouw en bevoorrading van het internationaal ruimtestation. In mei 2009 werd de laatste missie gevlogen die niet naar het ISS ging: STS-125, een onderhoudsmissie naar de ruimtetelescoop Hubble.

De STS-133, met als eerste verwachte lanceerdatum 16 september 2010, zou de laatste geplande missie van het Spaceshuttleprogramma zijn. Op 19 juni 2008 is echter besloten een extra missie, STS-134, uit te voeren, die heden gepland staat voor 26 februari 2011. Later werd besloten nog een extra missie uit te voeren: STS-135.

Inleiding

Het idee van een herbruikbaar ruimtevaartuig dateert van de jaren zestig en zeventig van de twintigste eeuw. De spaceshuttle is belangrijk voor het Internationale ruimtestation ISS. Vergeleken met andere raketten kan de spaceshuttle met meer bemanning en een hogere frequentie het ruimtestation bezoeken en bemanning afzetten en ophalen, en ook een grote lading meenemen. Voor het ontwerp van de spaceshuttle is de NASA verantwoordelijk, en de shuttle werd gebouwd door Lockheed Martin. Tegenwoordig wordt het beheer en het onderhoud van de spaceshuttle door NASA uitbesteed aan het consortium USA (United Space Alliance) bestaande uit Lockheed en Boeing.

De eerste spaceshuttle die gebouwd werd was op 17 september 1976 klaar en heette Enterprise. De Enterprise is alleen gebruikt voor testvluchten in de atmosfeer van de aarde; deze spaceshuttle is dus nooit de ruimte in gelanceerd.

De eerste spaceshuttle die wel de ruimte in gelanceerd is, is Columbia. Haar eerste ruimtereis STS-1 begon op 12 april 1981 vanaf Cape Canaveral in de Amerikaanse staat Florida. Deze shuttle verongelukte bij de landing van missie STS-107 op 1 februari 2003.

De spaceshuttle wordt gelanceerd met een zeer grote afkoppelbare externe brandstoftank voor de hoofdmotoren van de shuttle en twee grote stuwraketten die op vaste brandstof werken en die bij het eerste stadium van de lancering de meeste stuwkracht leveren. Bij het terugkeren in de atmosfeer remt de shuttle af door de wrijving met de lucht, waarbij veel warmte vrijkomt. Het ruimteveer landt als een zweefvliegtuig zonder eigen motoren. Bij het laatste deel van de landing wordt een remparachute gebruikt om sneller vaart te minderen op de landingsbaan.

Externe tank en boosters

Bij het eerste deel van de lancering van de spaceshuttle wordt de meeste stuwkracht geleverd door de twee vaste-brandstofraketten, zogeheten 'boosters'. Deze zijn na twee minuten leeg en worden dan afgestoten. Ze landen aan parachutes in de Atlantische Oceaan waarna ze worden geborgen en hergebruikt. Vanaf 7 seconden voor de lancering werken tevens de drie hoofdmotoren van de shuttle zelf (de Orbiter), gevoed met brandstof uit de externe brandstoftank. Dit is een lichte tank waarin vloeibare zuurstof van -180 °C en vloeibare waterstof van -250 °C worden gepompt. Tijdens de lancering worden deze vloeistoffen naar de hoofdmotoren gepompt, waar ze verdampen en de waterstof met de zuurstof reageert (verbrandt). Daarbij ontstaat veel waterdamp. Door de goede geleidbaarheid van metaal wordt de buitenkant van de tank al snel bijna net zo koud als de inhoud. Daarom is de externe tank voorzien van een dikke laag isolatieschuim. Zonder dat zou zich veel ijs vormen door aanvriezing van waterdamp uit de buitenlucht. Een groot deel van dit ijs zou lostrillen bij de lancering en een gevaar vormen voor het hitteschild van de shuttle. Ongeveer acht minuten na de lancering is de externe tank leeg en wordt deze afgeworpen. In tegenstelling tot de andere delen van de spaceshuttle, wordt de externe tank niet hergebruikt. Na het afstoten van de externe brandstoftank duurt de lancering nog zo'n twee minuten; de hoofdmotoren van de spaceshuttle worden dan niet meer gebruikt, kleinere motoren zorgen voor de nog benodigde stuwkracht.

Het isolerende schuim op de externe brandstoftank wordt erop gespoten, waarna het uithardt. Het schuim dient naast hitteschild ook als beperking voor de ijsafzetting op de externe tank. Tijdens de lancering breken soms delen van het isolatieschuim af, al dan niet voorzien van ijs, dat op het schuim ontstaat door de grote kou. Beschadiging van het hitteschild van de shuttle door een afbrekend stuk schuim was de belangrijkste oorzaak van de ramp bij de terugkeer van de Columbia op 1 februari 2003, het ruimteveer Columbia viel toen uit elkaar bij terugkeer in de atmosfeer op 60 kilometer hoogte. Daarom heeft NASA besloten in 2011 (in eerste instantie 2010) van de spaceshuttle af te stappen en een ruimtevaartuig ontwikkelen dat op de top van de raket geplaatst is, zodat dit grote probleem verdwijnt.

Hoofdaandrijving

De hoofdaandrijving bestaat uit drie herbruikbare raketmotoren (Space Shuttle Main Engines, SSME's) die werken op vloeibare zuurstof en vloeibare waterstof en worden gebouwd door Pratt & Whitney Rocketdyne Division. De stuwstoffen worden meegevoerd in de grote externe tank en wordt onder druk aan de motoren toegevoerd. Elke hoofdmotor kan via een hydraulisch stuursysteem tot 10,5 graden in beide richtingen zwenken om de richting van de stuwkracht te regelen en zo de stabiliteit van de vlucht te garanderen. De hoofdmotoren kunnen over een bereik van 65% tot 109% van hun nominale vermogen geregeld worden. Hierbij geldt 100% voor een stuwkracht van 1700 kN (170 ton). Op zeeniveau wordt de motorstuwkracht op 104% gebracht. Na 45 seconden wordt de motorstuwkracht verminderd tot 72% om te voorkomen dat de krachten op de shuttle te groot worden wanneer het door de geluidsbarrière gaat. Na 75 seconden wordt de motorstuwkracht weer opgevoerd tot 104%. De hoofdmotoren zijn ontworpen voor een levensduur van 7,5 uur (55 lanceringen). De hoofdmotoren zijn 4,3 m lang, met een diameter van 2,3 m bij de straalpijp uitlaat.

De brandstof wordt in twee stappen op druk gebracht. De eerste stap (de Low Pressure Fuel Turbopump, LPFTP) brengt de druk op 19 bar. De tweede stap is een hogedrukcentrifugaalpomp (High-Pressure Fuel Turbopump, HPFTP) en brengt de druk op 450 bar.

De vloeibare zuurstof wordt eveneens in twee stappen op druk gebracht. De eerste stap (de Low Pressure Oxidizer Turbopump, LPOTP) brengt de druk op 29 bar. De tweede stap is een hogedrukcentrifugaalpomp (High-Pressure Oxidizer Turbopump, HPOTP)en brengt de druk op 300 bar.

Energie voor aandrijving van de hogedrukstuwstofpompen komt van voorverbranding van de stuwstoffen, waarmee meertrapsturbines worden aangedreven. Als maximale vermogens voor de stuwstofpompen wordt 53 MW voor de brandstofpompen en 17 MW voor de zuurstofpompen opgegeven.

Hitteschild

Tijdens het begin van de landing wordt de kinetische energie van de shuttle via wrijving met de atmosfeer omgezet in warmte (thermische energie). Zonder speciale maatregelen in de vorm van een hitteschild zou de constructie van de shuttle smelten of zelfs verdampen. Het aluminium van de shuttle mag niet warmer worden dan 180 °C. De onderzijde van het hitteschild bereikt een temperatuur van 1700 °C.

Het hitteschild bestaat uit diverse materialen zoals thermische tegels, thermische isolatiedekens en versterkte koolstofpanelen.

Thermische tegels

De hele onderzijde van de spaceshuttle is bedekt met zwarte thermische tegels die bestand zijn tot temperaturen van 1800 °C. Deze tegels zijn ongeveer 15x15 cm groot en bestaan uit een extreem licht keramisch materiaal, versponnen en gesinterd siliciumoxide. De vorm van elke tegel is uniek, en als de NASA nieuwe tegels nodig heeft moeten deze op bestelling worden gemaakt. De dichtheid van de tegels is 0,150 kilogram per dm³. De buitenkant van de tegels is zwart om de warmteuitstraling te vergroten. De tegels zijn erg bros en kunnen daardoor geen vervorming opnemen. Daarom zijn ze op de huid van de shuttle bevestigd met een elastische lijmlaag, waarin bovendien een vezelige (Nomex) mat is opgenomen. De tegels worden aangebracht met een onderlinge spleet, om uitzetting door verhitting op te vangen. Een witte variant van dezelfde tegels is bestand tegen temperaturen tot 950 °C en wordt op de zijkant van de romp, de bovenkant van de OMS-pods en op de bovenkant van de neus van de spaceshuttle gebruikt.

Als de shuttle te veel vervormt of beweegt, springen de tegels los. Dit is met name gedurende de eerste vlucht van de Columbia gebeurd, tijdens het transport op de rug van een Boeing 747. Toen verloor de shuttle bijna de helft van de al aangebrachte tegels. Hierop werd door NASA een gewijzigde lijmsoort ontwikkeld die de tegels beter vasthoudt. Ook bij de eerste lancering van de Columbia viel een aantal tegels van de shuttle, maar gelukkig niet op kritieke plekken in het hitteschild.

Thermische isolatiedekens

De bovenkant van de vleugels, de laaddeuren en delen van de romp van de spaceshuttle zijn bedekt met thermisch isolerende dekens. Deze dekens zijn in tegenstelling tot de thermische tegels flexibel en zijn makkelijker te onderhouden. Ze worden toegepast op plaatsen waar de temperatuur minder ver oploopt tijdens de terugkeer in de atmosfeer, tot maximaal 650 °C.

Versterkte koolstofpanelen

De neus en de voorranden van de vleugels zijn de delen van de spaceshuttle die het heetst worden tijdens de terugkeer in de atmosfeer. De temperatuur kan daar oplopen tot boven 1900 °C waardoor de zwarte thermische tegels hier niet voldoende bescherming bieden. In plaats daarvan zijn op deze plaatsen met koolstofvezel en glasvezel versterkte panelen van zuivere koolstof aangebracht (Engels: RCC - Reinforced Carbon Carbon). Deze panelen zijn extreem hittebestendig en veel steviger dan de thermische tegels, maar niet slagbestendig. Tijdens de lancering van de Columbia voor missie STS-107 werd een koolstofpaneel in de rand van de linkervleugel geraakt door een stuk losgeraakt schuim van de externe tank. Hierdoor ontstond een gat in het paneel. Toen 16 dagen later de terugkeer werd ingezet drong het superhete plasma door het gat de vleugel binnen en werd de Columbia verwoest.

Bemanning en missies

De spaceshuttle kan kunstmanen meedragen voor hun ruimtemissie, of de bemanning gelegenheid geven reeds om de aarde draaiende kunstmanen te vervangen of te repareren. De ruimtevlucht van Wubbo Ockels in 1985 was de eerste waarbij de maximale bemanningscapaciteit van acht astronauten werd benut. Ook kan de spaceshuttle dienen als vervoermiddel naar en van permanente ruimtestations. Van de bemanning maken altijd twee piloten deel uit. De andere astronauten houden zich bezig met de taak van de vlucht.

Proefvluchten

Met de Enterprise zijn uitgebreide proefvluchten genomen. De Enterprise werd hiervoor op een speciaal hiervoor aangepaste Boeing 747, een Shuttle Carrier Aircraft geplaatst. Ook werd daarmee de spaceshuttle getransporteerd. Op die manier is ook een promotievlucht gemaakt langs Frankrijk en Engeland. Daarbij werd ook laag over de Nederlandse kustprovincies gevlogen.

Enkele bijzonderheden

• hoogte inclusief externe brandstoftank en hulpraketten: 56,14 m.
• hoogte Orbiter: 37,23 meter lang.
• spanwijdte: 23,79 meter.
• Startgewicht: 2.041.166 kilogram (varieert per vlucht)
• Landingsgewicht: 104.326 kilogram (varieert per vlucht)
• Maximum laadgewicht: 28.803 kilogram (varieert per orbiter)
• Baanhoogte: 185 tot 643 kilometer.
• Snelheid: 27.875 km/h (varieert per baanhoogte)

De gebouwde Spaceshuttles

NASA heeft in totaal 8 shuttles laten bouwen:

Test-Spaceshuttles

• Pathfinder (Stalen frame voor testen, is nu tentoongesteld)
• Enterprise (OV 101) (Shuttle gebouwd voor testen binnen de atmosfeer, is nu tentoongesteld)

Operationele shuttles

• Columbia (OV 102, verongelukt in 2003)
• Challenger (STA 99 / OV 99, verongelukt in 1986)
• Discovery (OV 103) (sinds 9 maart 2011 'retired')
• Atlantis (OV 104)
• Endeavour (OV 105)

Replica's

• Explorer

Lijst met lanceringen

Zie Lijst van spaceshuttlemissies voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Dit is een lijst met alle lanceringen vanaf 1981 tot 2001:

Jaar	Naam	Lancering	Landing	Crew	Miljoenen kilometers gevlogen in miljoenen
1981	STS-1	12 april	14 april	2	1,72
1981	STS-2	12 november	14 november	2	1,72
1982	STS-3	22 maart	30 maart	2	5,34
1982	STS-4	27 juni	4 juli	2	4,64
1982	STS-5	11 november	16 november	4	3,36
1983	STS-6	4 april	9 april	4	3,36
1983	STS-7	18 juni	24 juni	4	4
1983	STS-8	30 augustus	5 september	5	4
1983	STS-9	28 november	8 december	6	6,88
1984	STS-41-B	3 februari	11 februari	5	5,28
1984	STS-41-C	6 april	13 april	5	4,64
1984	STS-41-D	30 augustus	5 september	6	4
1984	STS-41-G	5 oktober	13 oktober	7	5,28
1984	STS-51-A	8 november	16 november	5	5,28
1985	STS-51-C	24 januari	27 januari	5	2,08
1985	STS-51-D	12 april	19 april	7	4,64
1985	STS-51-B	29 april	6 mei	7	4,64
1985	STS-51-G	17 juni	24 juni	7	4,64
1985	STS-51-F	29 juli	6 augustus	7	5,28
1985	STS-51-I	27 augustus	6 september	5	4,64
1985	STS-51-J	3 oktober	7 oktober	5	2,72
1985	STS-61-A	30 oktober	6 november	8	-
1985	STS-61-B	26 november	3 december	7	4,48
1986	STS-61-C	12 januari	18 januari	7	4
1986	STS-51-L	28 januari	Explodeerde 73 sec na lancering	7	28,8 km
1988	STS-26	29 september	3 oktober	5	2,72
1988	STS-27	2 december	6 december	5	2,88
1989	STS-29	13 maart	18 maart	5	3,2
1989	STS-30	4 mei	8 mei	5	2,72
1989	STS-28	8 augustus	13 augustus	5	3,36
1989	STS-34	18 oktober	23 oktober	5	3,2
1989	STS-33	22 november	27 november	5	3,36
1990	STS-32	9 januari	20 januari	5	7,2
1990	STS-36	28 februari	4 maart	5	3,04
1990	STS-31	24 april	29 april	5	3,36
1990	STS-41	6 oktober	10 oktober	5	2,72
1990	STS-38	15 november	20 november	5	3,2
1990	STS-35	2 december	10 december	7	5,92
1991	STS-37	5 april	11 april	5	4
1991	STS-39	28 april	6 mei	7	5,6
1991	STS-40	5 juni	14 juni	7	6,08
1991	STS-43	2 augustus	11 augustus	5	5,92
1991	STS-48	12 september	18 september	5	3,52
1991	STS-44	24 november	1 december	6	4,64
1992	STS-42	22 januari	30 januari	7	4,64
1992	STS-45	24 maart	2 april	7	5,12
1992	STS-49	7 mei	16 mei	7	5,92
1992	STS-50	25 juni	9 juli	7	9,28
1992	STS-46	31 juli	8 augustus	7	5,28
1992	STS-47	12 september	20 september	7	5,28
1992	STS-52	22 oktober	1 november	6	6,56
1992	STS-53	2 december	9 december	5	-
1993	STS-54	13 januari	19 januari	5	-
1993	STS-56	8 april	17 april	5	6,24
1993	STS-55	26 april	6 mei	7	6,72
1993	STS-57	26 juni	1 juli	6	6,56
1993	STS-51	12 september	22 september	5	6,56
1993	STS-58	18 oktober	1 november	7	9,28
1993	STS-61	2 december	13 december	7	7,04
1994	STS-60	3 februari	11 februari	6	5,44
1994	STS-62	4 maart	18 maart	5	9,28
1994	STS-59	9 april	20 april	6	7,52
1994	STS-65	8 juli	23 juli	7	9,76
1994	STS-64	9 september	20 september	6	7,2
1994	STS-68	30 september	11 oktober	6	7,52
1994	STS-66	3 november	14 november	6	7,2
1995	STS-63	3 februari	11 februari	6	4,8
1995	STS-67	2 maart	18 maart	7	11,04
1995	STS-71	27 juni	7 juli	5	6,56
1995	STS-70	13 juli	22 juli	5	5,92
1995	STS-69	7 september	18 september	5	7,2
1995	STS-73	20 oktober	5 november	7	10,56
1995	STS-74	12 november	20 november	5	5,44
1996	STS-72	11 januari	20 januari	6	5,92
1996	STS-75	22 februari	9 maart	7	10,4
1996	STS-76	22 maart	31 maart	6	6,08
1996	STS-77	19 mei	29 mei	6	6,56
1996	STS-78	20 juni	7 juli	7	11,2
1996	STS-79	16 september	26 september	7	6,24
1996	STS-80	19 november	7 december	5	11,2
1997	STS-81	12 januari	22 januari	7	6,56
1997	STS-82	11 februari	21 februari	7	6,65
1997	STS-83	4 april	8 april	7	2,4
1997	STS-84	15 mei	24 mei	8	5,76
1997	STS-94	1 juli	17 juli	7	9,92
1997	STS-85	7 augustus	19 augustus	6	7,52
1997	STS-86	25 september	6 oktober	7	-
1997	STS-87	19 november	5 december	7	10,4
1998	STS-89	22 januari	31 januari	8	-
1998	STS-90	17 april	3 mei	7	10,4
1998	STS-91	2 juni	12 juni	7	6,08
1998	STS-95	29 oktober	7 november	7	5,76
1998	STS-88	4 december	15 december	6	7,52
1999	STS-96	27 mei	6 juni	7	6,08
1999	STS-93	23 juli	27 juli	5	2,88
1999	STS-103	19 december	27 december	7	5,12
2000	STS-99	11 februari	22 februari	6	6,56
2000	STS-101	19 mei	29 mei	7	6,56
2000	STS-106	8 september	20 september	7	7,84
2000	STS-92	11 oktober	24 oktober	7	7,84
2000	STS-97	30 november	11 december	5	7,2
2001	STS-98	7 februari	20 februari	5	-
2001	STS-102	8 maart	21 maart	7	-
2001	STS-100	19 april	1 mei	7	-
2001	STS-104	12 juli	24 juli	5	-
2001	STS-105	10 augustus	22 augustus	7	-
2001	STS-108	5 december	17 december	7	-

Externe links

• Chronologie van de spaceshuttle
• Artikel op www.intospace.nl
• nasa.gov

  Zie ook de categorie met mediabestanden in verband met Space Shuttleprogramma op Wikimedia Commons.

Alle spaceshuttlemissies (Chronologisch)