מעבורת חלל

מעבורת חלל

מעבורת החלל דיסקברי משוגרת למשימה STS-120, אוקטובר 2007
מידע כללי
ייעוד	נשיאת אסטרונאוטים למסלול LEO
יצרן	United Space Alliance: ת'יאוקול/אליאנט (רקטות האצה) לוקהיד מרטין/מרטין מריאטה (מכל דלק) בואינג/רוקוול (מעבורת)
ארץ ייצור
צוות	עד 8
היסטוריית פעילות
סטטוס	פרש
מפעיל	נאס"א
יחידות שיוצרו	7 (מתוכם 5 מבצעיים)
טיסה ראשונה	12 באפריל 1981 (STS-1)
טיסה אחרונה	21 ביולי 2011 (STS-135)
משימות	135
אבדות	2 (STS-51-L, STS-107)
ביצועים
טווח פעולה	מסלול LEO
מהירות מרבית	27,870 קמ"ש
עמידות	17 ימים ו-15 שעות (STS-80)
כושר נשיאה	עד 24,400 ק"ג
מידע טכני מסה המעבורת: 78,000 ק"ג (ריק) מכל הדלק: 756,000 ק"ג (מלא בדלק) רקטות ההאצה: 571 טון (בהמראה, כל אחד) מסה כוללת 2,000,000 ק"ג נפח מגורים 65.8 מטרים מעוקבים גובה המעבורת: 17.25 מטר כל המערכת על כן השיגור: 56 מטר אורך המעבורת: 37.237 מטר מכל הדלק: 46.9 מטר רקטות ההאצה: 45.46 מטר קוטר מכל הדלק: 8.4 מטרים רקטות ההאצה: 3.71 מטרים מוטת כנפיים 23.79 מטר מנועים מנועים ראשיים: 3 × RS-25 (דחף: 5.255 MN יחד) רקטות ההאצה: 12.5 MN כל רקטה

מעבורת חלל היא חללית וכלי טיס רב-פעמי המסוגל להמריא מכדור הארץ לחלל, לשהות בחלל ולנחות חזרה בכדור הארץ לשם הכנתו לשימוש חוזר. מעבורת החלל האמריקאית, הנדונה בערך זה, היא כלי הטיס הראשון בעל יכולת זו. מעבורת החלל הראשונה, "קולומביה", שוגרה לראשונה ב-12 באפריל 1981. עידן מעבורות החלל תם ב-21 ביולי 2011, כאשר מעבורת החלל אטלנטיס נחתה בפעם האחרונה ובכך סימנה את סיומו. נאס"א בנתה חמש מעבורות חלל פעילות, שיחד ביצעו 135 טיסות לחלל. צוות המעבורת אינו עולה בדרך כלל על שבעה אסטרונאוטים אך הייתה לפחות משימה אחת שבה השתתפו שמונה אסטרונאוטים.

עקרון הפעולה

מעבורת החלל משוגרת כמו טיל, מקיפה את כדור הארץ כמו חללית, ונוחתת כמו מטוס (או ליתר דיוק, כמו דאון כבד במיוחד). היא מורכבת מארבעה חלקים עיקריים: המקפת (orbiter, הדומה בצורתה למטוס ובה נמצאים אנשי הצוות והמטען), שני מאיצי דלק מוצק, ומכל דלק חיצוני. מכל הדלק הוא החלק המתכלה היחיד במעבורת. צוות המעבורת מונה בין 2 ל-8 אסטרונאוטים: מפקד, טייס ומומחים מסוגים שונים. מרבית המשימות של המעבורת כללו שבעה אנשי צוות.

היסטוריה

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו למכלול והשלימו אותו. הסיבה היא: הפרק מתחיל משנות ה-70 כאשר ראשית ההיסטוריה מוקדמת יותר.

ערכים מורחבים – תוכנית מעבורות החלל, משימות מעבורות החלל

עיצובים מוקדמים של מעבורת החלל

במידה רבה, ניתן לומר שלידתה של מעבורת החלל בחטא. בתום תוכנית אפולו, חיפשה סוכנות החלל האמריקאית פרויקט חדש, שימשיך את המחקר שנעשה בתוכנית אפולו, במסגרתה הונחתו אסטרונאוטים על הירח. התוכנית שנהגתה כללה בניית תחנות חלל גדולות יותר ויותר, החל מצוות של 12 אנשים, לאחר מכן 50 אנשים, ואפילו של 100 אנשי צוות, שישוגרו על גבי טיל סטורן 5 העצום ששימש את תוכנית אפולו. בנוסף, תכננה נאס"א תחנות חלל סביב ועל הירח, ובסופו של דבר שיגור אסטרונאוטים אל המאדים. כל זה דרש בניית רכב חלל שיעביר ציוד ואסטרונאוטים אל התחנות ומהן, שיהיה רב-פעמי כדי לחסוך בעלות.

עם זאת, תוכניות גרנדיוזיות אלה לא עלו בקנה אחד עם המציאות הפוליטית של שנות ה-70 של המאה ה-20. הנשיא ג'ונסון היה עסוק בתוכניות חברתיות, ומחליפו, ניקסון, גם הוא לא נלהב להוציא מיליארדי דולרים לתוכנית חלל שאפתנית. הוא הורה לקצץ את תקציב נאס"א למינימום האפשרי. כל מה שנותר מהתוכנית הגדולה היה מעבורת חלל, ללא תחנת חלל לשרת. עקב זאת, פיתחה נאס"א תוכנית לשימוש במעבורת חלל כאמצעי בפני עצמו.

כאמור, ניקסון הטיל ספק בתועלת שבטיסות חלל מאוישות. לאור זאת, טענה נאס"א שאם המעבורת תבצע את כל השיגורים הממשלתיים והפרטיים, העלות הכוללת של תחזוקת מערך הלוויינים תרד משמעותית. ביצוע כל השיגורים האלו דרש לפחות 50 שיגורי מעבורת בשנה, מספיק כדי להצדיק אותה מבחינה כלכלית.

כדי לעמוד במשימות שלקחה על עצמה, נדרשה המעבורת להיות שונה לחלוטין מרכבי החלל הקודמים. עם זאת, הבית הלבן הגביל את תקציב הפיתוח ל־5 מיליארד דולר לאורך חמש שנים. כדי לשכנע בהיתכנות התקציבית של הפרויקט, ראשי נאס"א טענו בתחילת 1972 שתמורת 5.15 מיליארד דולר יוכלו לפתח רכב שיתאים לכל הביצועים הנדרשים, יהיה בעל אורך חיים של 100 טיסות, ויעלה 7.7 מיליון דולר לטיסה. באותו זמן, ידעו אנשי משרד הניהול והתקציב בבית הלבן שהערכותיהם של ראשי נאס"א מוגזמות.

בסופו של דבר אישר ניקסון את התוכנית, לא בגלל טענות נאס"א, אלא משום שידע שתוכנית בסדר גודל כזה תשפר את התעסוקה במדינות בהן היא התנהלה, בשנת בחירות כמו 1972, וכן כדי לעמוד בתחרות מול ברית המועצות דאז.

מגבלת התקציב כפתה על נאס"א לבצע מספר ויתורים בתכנון, שהוזילו את עלות הפיתוח, אך העלו משמעותית את עלויות התפעול והגדילו את רמת הסיכון שבהפעלת הרכב. כדוגמה, מנועי ההאצה החיצוניים המוצמדים לחללית מונעים בדלק מוצק, משום שמנועים כאלה זולים יותר לפיתוח מאשר מנועי דלק נוזלי, אף על פי שעלות התחזוקה הצפויה שלהם הייתה גבוהה יותר. בכך הייתה המעבורת לכלי הטיס המאויש הראשון המונע בדלק מוצק. כמו כן, משום שהאמינה שהרכב החדש יהיה בטוח יותר מקודמיו, ויתרה על מערכת מילוט לאנשי הצוות.

בסופו של דבר, לא עמדה המעבורת בכמות השיגורים, עלותם ובטיחותם, כפי שהבטיחה נאס"א כאשר ביקשה לאשר את התוכנית.

מעבורת החלל הראשונה הייתה "אנטרפרייז", שנבנתה כדי לנסות את מערכת הנחיתה. היא נישאה על גבי בואינג 747, ממנו שוחררה ונחתה בכוחות עצמה.

המעבורת הראשונה שטסה לחלל הייתה קולומביה. בנייתה החלה במארס 1975 ובדיקתה הסופית הסתיימה בפברואר 1981. חודשיים אחר כך, ב-12 באפריל, הייתה "קולומביה" למעבורת החלל הראשונה שטסה לחלל. כאשר יצאה ממפעל הייצור היא שקלה 74,949 קילוגרם ולאחר שהתקינו עליה את המנועים הראשיים, היא שקלה 80,909 קילוגרם.

מאז מסעה הראשון של "קולומביה" לחלל, נבנו ארבע מעבורות חלל נוספות: "צ'לנג'ר", שבנייתה הושלמה ב־1982, ואשר התפוצצה בעת שיגורה ארבע שנים אחר כך; "דיסקברי", שנבנתה ב־1983; "אטלנטיס", שהושקה שנתיים אחר כך; ולבסוף "אנדוור", שהחליפה את ה"צ'לנג'ר" ב־1991. עם תחילת הקמת תחנת החלל הבינלאומית, עסקו "דיסקברי", "אטלנטיס" ו"אנדוור" בעיקר בבנייתה, ו"קולומביה" הייתה היחידה שהמשיכה לעסוק במחקר מדעי. הסיבה לכך היא שבגלל היותה מעבורת החלל הראשונה, הועמסה הקולומביה במכשור מדידה רב כדי לבדוק את תגובותיה. בנוסף, שלדתה הייתה מסיבית יותר וכבדה יותר מזו של המעבורות שבאו אחריה. כתוצאה מכך, היה משקלה גדול יותר, מה שמנע ממנה מלהגיע לגובה מספיק כדי להגיע לתחנת החלל. ב־1 בפברואר 2003 התפרקה המעבורת "קולומביה" בזמן חזרתה לכדור הארץ, וגרמה למותם של שבעת אנשי הצוות שעל סיפונה, בהם האסטרונאוט הישראלי אל"ם אילן רמון. בהתאם להמלצות וועדת החקירה של תאונת הקולומביה, נאס"א קרקעה את כל מעבורות החלל כשהנחיתה האחרונה התרחשה ב-21 ביולי 2011.

מבנה מעבורת החלל

מעבורת החלל קולומביה מוסעת אל כן השיגור לקראת שיגורה למשימת STS-1.

מעבורת החלל הייתה החללית המסלולית הראשונה שתוכננה לשימוש חוזר. המעבורת נשאה מגוון רחב של מטענים למסלול לווייני נמוך, שימשה להחלפת צוותים בתחנת החלל הבינלאומית וביצעה משימות שירות. המעבורת יכלה גם כן לאסוף לוויינים ומטענים שונים ממסלולם ולהחזירם אל כדור הארץ. כל מעבורת נבנתה כך שתעמוד ב-100 טיסות או 10 שנות שרות, אך בסופו של דבר אף מעבורת לא שוגרה 100 פעמים ושרותם הוארך להרבה יותר מ-10 שנים. מי שהיה אחראי על תכנון המעבורת היה מקסים פאגט שהיה אחראי גם על תכנון חלליות מרקורי, ג'מיני ואפולו. הגורם המרכזי למבנה המעבורת היה צורך בהתאמתה לשיגור הלוויינים הצבאיים והאזרחיים שתוכננו ועמידה בדרישות החסויות של חיל האוויר האמריקאי למשימות למסלול קוטבי. גורמים אלו גרמו לבחירת השימוש ברקטות האצה ובמכל דלק נתיק, שהתאימו לדרישות הפנטגון לכלי בעל יכולת נשיאה גבוהה ולדרישות ממשל ניקסון שביקש להוזיל את הטיסות לחלל על ידי שימוש ברכבי חלל הניתנים לשימוש חוזר.

כל מעבורת היא מערכת הניתנת לשימוש חוזר המורכבת משלושה חלקים מרכזיים: המעבורת (OV), מכל הדלק הנתיק (ET) ורקטות ההאצה (SRB). רק המעבורת נכנסה למסלול סביב כדור הארץ, כאשר רקטות ההאצה ומכל הדלק מתנתקים לפני הכניסה למסלול. המעבורת שוגרה אנכית כמשגר רגיל, ונחתה על גלגליה כמטוס רגיל, מוכנה לשימוש חוזר. רקטות ההאצה צנחו לאוקיינוס, שם הם נאספו על ידי אוניות גרר והוכנו לשימוש חוזר. רק מכל הדלק הנתיק היה אובד בשיגור והיה נשרף באטמוספירה.

חמש מעבורות לטיסות חלל נבנו: קולומביה (OV-102), צ'לנג'ר (OV-99), דיסקברי (OV-103), אטלנטיס (OV-104) ואנדוור (OV-105). בנוסף להן נבנו שתי מעבורות נוספות: אנטרפרייז (OV-101) ששימשה למבחני דאייה ופאת'פיינדר (OV-98) ששימשה לבדיקות בקרקע. המעבורת אנטרפרייז יועדה לעבור הסבה ולהפוך למעבורת מבצעית בתום מבחני הדאייה אך התברר כי משתלם יותר להסב את המעבורת צ'אלנג'ר, שנבנתה במקור לבדיקות, למעבורת מבצעית. אנדוור נבנתה מחלקי חילוף של שאר המעבורות לאחר אסון מעבורת החלל צ'לנג'ר ב-1986. עבור המעבורת קולומביה, שהתפרקה ב-2003 לא נבנתה מחליפה. כל מעבורת עלתה כ-2 מיליארד דולר וכל שיגור עלה כ-450 מיליון דולר.

האחריות לחלקים שונים ושלבים שונים במהלך תוכנית המעבורות פוזרה בין מרכזים רבים של נאס"א. מרכז החלל קנדי היה אחראי לשיגור ונחיתת המעבורות במשימות למסלול לווייני נמוך (במסלול היחיד ששימש בסופו של דבר בתוכנית), בסיס חיל האוויר ונדנברג היה אחראי לשיגור ונחיתת משימות שישוגרו למסלול קוטבי (אך מעולם לא נעשה בו שימוש), מרכז החלל ג'ונסון שימש כמרכז הבקרה של משימות המעבורות, מרכז טיסות החלל מרשל היה אחראי לבניית רקטות ההאצה, מכל הדלק הנתיק ומנועי המעבורת הראשיים, מרכז החלל ג'ון סטניס בחן את מנועי המעבורת הראשיים ומרכז טיסות החלל גודרד טיפל ברשת העיקוב הגלובלית.

המעבורת, מכל הדלק ורקטות ההאצה הורכבו יחד ב-Vehicle Assembly Building שבמרכז החלל קנדי, שנבנה במקור להרכבת החללית אפולו על גבי משגר הסטורן 5.

מידע טכני (כל חלקי מעבורת החלל)

• גובה: 56 מטר
• משקל המראה כולל: 2,000,000 ק"ג
• דחף כולל בהמראה: 30.16 מגה ניוטון

מבנה המעבורת

קוקפיט הזכוכית שהותקן במעבורות החלל. (התא המצולם נמצא בהליכי בנייה - ההגאים והמושבים חסרים. הרקע הניבט מהחלונות הוסף על ידי תוכנה לעריכת תמונות).

מעבורת החלל דיסקברי במהלך משימת STS-121. ניתן לראות כי תא המטען של המעבורת פתוח.

המעבורת עצמה דמתה למטוס. היא הייתה בעלת זוג כנפי דלתא משוכות 81° בקצה הפנימי ו-45° בקצה החיצוני. המאזנת האחורית הייתה משוכה אחורה בזווית של 45°. המאזנות ומעצורי האוויר שמוקמו בקצוות האחוריים של הכנפיים שימשו את לשליטה במעבורת בשלבי הדאייה והנחיתה.

תא הצוות של המעבורת היה בעל שלושה סיפונים: סיפון הטיסה, הסיפון האמצעי וסיפון השירות. בסיפון הטיסה היו 4 מושבים (מפקד המשימה, טייס ושני מומחי משימה) ושם מוקמו מערכות בקרת הטיסה של המעבורת. בסיפון האמצעי היו 3 מושבים נוספים (לשאר צוות המשימה), מטבח, שירותים, אזורי שינה, תאי איחסון ופתח הכניסה והיציאה מהמעבורת כשהיא בכדור הארץ. בסיפון האמצעי היה גם מנעל אוויר שהיה בעל שתי דלתות: אחת לסיפון האמצעי ואחת אל תא המטען. אסטרונאוטים שיצאו להליכת חלל עברו דרך המנעל, שאיפשר לשאר האסטרונאוטים להישאר בבגדיהם הרגילים ללא צורך ללבוש חליפות חלל.

ממדי תא המטען של המעבורת הם 4.6 על 18 מטרים שהם רוב נפח המעבורת. מידע שהותר לפרסום ב-2011 הראה כי גודל תא המטען הותאם במדויק לממדי לוויין הריגול KH-9 Hexagon שהופעל על ידי משרד הסיור הלאומי. לתא המטען היו שתי דלתות סימטריות שהוצבו לאורך תא המטען ונפתחו כלפי חוץ. רוב המטען הוכנס לתוך תא המטען בצורה אופקית כאשר המעבורת מוצבת אנכית והוצא מהמעבורת בצורה אנכית כאשר היא במסלול על ידי הזרוע הרובוטית של המעבורת (שהופעלה על ידי אסטרונאוט), אסטורנאוטים בפעילות חוץ רכבית, או באמצעות מנועים שהורכבו על המטען עצמו.

למעבורת החלל היו שלושה מנועים ראשיים מסוג RS-25 שמוקמו בחלקה האחורי. מנועים אלו הונעו על ידי הדלק הנוזלי שהיה במכל הדלק הנתיק. בנוסף למנועים אלו, שני מנועים שמוקמו גם הם באחורי המעבורת שימשו לתיקוני מסלול והאטת המעבורת לפני החדירה לאטמוספירה. כמו כן, מנועי תימרון קטנים מוקמו במקומות שונים על פני המעבורת ושימשו גם הם לתיקוני מסלול.

על מנת שהמעבורת תהיה חללית רב-פעמית היא צוידה במגיני חום מיוחדים. חלליות חד-פעמיות, כגון חלליות אפולו וחלליות סויוז, צוידו במגן חום שהתכלה במהלך החדירה לאטמוספירה. לפיכך פותח עבור המעבורת מגן קבוע העשוי אריחים של סיבי צורן דו-חמצני טהור (LI-900). אריחים אלו הם אריחי חומרים קרמיים שיכולים לספק הגנה מן החום העז בחדירה לאטמוספירה עד לטמפרטורה של 1,260 מעלות כך שניתן להחזיק אותם ביד חשופה בלי להיכוות. 30,757 אריחים כאלה הותקנו בגחון המעבורת ובצידיה. הם עוצבו, נחתכו והודבקו בעבודה ידנית מפרכת. לעיתים קרה שחלק מהאריחים לא החזיקו מעמד בהמראה ונשרו, לרוב ללא נזק למעבורת. ועדת החקירה שבדקה את אסון מעבורת החלל קולומביה מצאה כי התאונה נגרמה משום שפיסת קצף שניתקה במהלך ההמראה פגעה במגן החום של שפת הכנף העשוי פחמן מחוזק בסיבי פחמן (RCC), ויצרה בו חור שאיפשר חדירת אוויר לוהט אל הכנף בזמן הנחיתה.

מידע טכני

מעבורת חלל

תרשים של המעבורת
ייעוד	משגר לוויינים
ארץ ייצור
היסטוריית שיגורים
סטטוס	הוצא משימוש
אתרי שיגור	LC-39, מרכז החלל קנדי
יכולת
מטען ל־LEO	24,310 ק"ג
מטען ל־GTO	3,806 ק"ג
מטען למסלול קוטבי	12,700 ק"ג
מידע נוסף שלבים 2 מאיץ ראשון SRB גובה 45.46 מטר קוטר 3.71 מטרים מספר מאיצים 2 סוג מנוע SRB דחף 12.5 מגה ניוטון מתקף סגולי בריק - 269 שניות בגובה פני הים - 237 שניות זמן בעירה 124 שניות דלק מוצק שלב ראשון רוקטדיין בלוק II מספר מנועים 3 סוג מנוע RS-25 דחף 5.255 מגה ניוטון (בגובה פני הים) מתקף סגולי בריק - 445 שניות בגובה פני הים - 363 שניות זמן בעירה 480 שניות דלק חמצן נוזלי/מימן נוזלי שלב שני OMS (להשלמת ההמראה ולתיקון המסלול בחלל) מספר מנועים 2 סוג מנוע AJ-10-190 דחף 53.4 קילו ניוטון מתקף סגולי 316 שניות זמן בעירה 1,250 שניות דלק MMH/N204

• אורך: 37.237 מטר
• מוטת כנפיים: 23.79 מטר
• גובה: 17.86 מטר
• משקל ריק: 78,000 ק"ג
• משקל המראה מרבי כולל: 110,000 ק"ג
• משקל נחיתה מרבי: 100,000 ק"ג
• משקל המטען המקסימלי: 25,060 ק"ג
• ממדי תא המטען: 4.6 על 18 מטרים
• גובה טיסה: 190-960 ק"מ
• מהירות: 27,870 קמ"ש
• צוות: 2-8 נוסעים/אנשי צוות. (במשימות חילוץ ניתן להכניס עד 11 אנשים)

מכל הדלק החיצוני

מכל הדלק הנתיק מובל אל בניין הרכבה של המעבורות

תפקידו העיקרי של מכל הדלק החיצוני והנתיק של המעבורת היה לספק דלק (מימן וחמצן נוזלי) לשלושת מנועיה הראשיים של המעבורת. מכל הדלק הושלך מהמעבורת כ-10 שניות מתום פעולת המנועים הראשיים ונשרף באטמוספירה. רקטות ההאצה של המעבורת חוברו אל המכל החיצוני. בשתי הטיסות הראשונות בתוכנית מעבורות החלל נצבע המכל החיצוני בלבן על מנת להגן עליו מקרינה על סגולה לה הוא חשוף במשך הזמן הרב בו מוצבת המעבורת על כן השיגור. ממשימת STS-3 הפסיקה לוקהיד מרטין, יצרנית המכלים, לצבוע את המכלים בלבן מפני שהתברר כי הקרינה אינה מהווה בעיה. אי הצביעה של המכל הפחיתה את משקל מכל הדלק בכ-272 ק"ג.

מידע טכני

• אורך: 46.9 מטר
• קוטר: 8.4 מטרים
• נפח: 2,025 מטרים מעוקבים
• משקל ריק: 26,535 ק"ג
• משקל המראה כולל: 756,000 ק"ג

רקטות ההאצה

רקטות ההאצה של מעבורת החלל קולומביה רגעים ספורים לאחר התנתקותם מהמעבורת במהלך שיגורה למשימת STS-1

רקטות ההאצה של מעבורת החלל היו זוג טילים שהונעו על ידי דלק מוצק ושימשו את המעבורת במשך שתי הדקות הראשונות בשיגור. בתום שתי הדקות השתחררו הרקטות וצנחו אל האוקיינוס, שם הם נאספו על ידי ספינות גרר והוכנו לשימוש חוזר. הרקטות סיפקו את הדחף העיקרי בעת השיגור כשסיפקו 12.5 מגה-ניוטון של דחף (בגובה פני הים) כל אחת לעומת 5.25 מגה-ניוטון שסיפקו שלושת מנועיה הראשיים של המעבורת יחד.

אסון מעבורת החלל צ'לנג'ר אירע בעקבות כשל באחת מרקטות ההאצה של המעבורת. אטם ברקטת ההאצה הימנית של המעבורת, נפגם כתוצאה מהטמפרטורות הנמוכות ששררו באתר השיגור באותו יום. כתוצאה מכך, גזים לוהטים נפלטו מהרקטה, פרצו פתח במכל הדלק החיצוני וגרמו לפיצוצו.

מידע טכני

• אורך: 45.46 מטר
• קוטר: 3.71 מטרים
• משקל ריק (לרקטה): 68,000 ק"ג
• משקל המראה כולל (לרקטה): 571,000 ק"ג
• דחף (לרקטה, בהמראה, בגובה פני הים): 12.5 מגה ניוטון
• זמן בעירה: 124 שניות

פרופיל משימה

תרשים המתאר את כל שלבי הטיסה של המעבורת.

רגע ההצתה של המנועים הראשיים.

המעבורת בדרכה למסלול רגעים ספורים אחרי ניתוק רקטות ההאצה.

מעבורת החלל אטלנטיס חוזרת אל כדור הארץ ממשימתה האחרונה - STS-135. התמונה צולמה מתחנת החלל הבינלאומית.

דימות של חלקיה החיצוניים של מעבורת החלל כשהיא מתחממת ליותר מ-1,500 מעלות צלזיוס בעת החדירה לאטמוספירה.

נחיתת מעבורת החלל אנדוור ממשימת STS-127.

פרישת מצנח הבלימה של המעבורת דיסקברי עם נחיתתה ממשימת STS-92.

מעבורת החלל דיסקברי לאחר נחיתתה ולקראת הוצאת האסטרונאוטים.

מעבורת החלל אטלנטיס מובלת על גבי מטוס הבואינג 747 המיוחד שהותאם לכך.

שיגור

כל משימות מעבורות החלל שוגרו ממרכז החלל קנדי (KSC). תנאי מזג האוויר באתר השיגור יכלו להשפיע על השיגור ואפילו לגרום לדחייתו. גשמים, טמפרטורות נמוכות, עננים, סופות ברקים, רוחות ולחות הם חלק מאותם גורמים. אחראי מזג האוויר לשיגור המעבורות היה מנטר את מזג האוויר עד שההחלטה הסופית לשיגור אושרה. מזג האוויר היה צריך להיות מתאים עבור המעבורת גם בלפחות אחד מאתרי נחיתת החרום של המעבורת שמעבר לאוקיינוס האטלנטי, וכך גם מזג האוויר באזור נחיתת רקטות ההאצה.

המעבורות מעולם לא שוגרו למשימה שהחלה בדצמבר והסתיימה בינואר מפני שמחשבי המעבורת, שנבנו בשנות ה-70, לא יכלו לעמוד במצב של שינוי השנה והיו צריכים לעבור איתחול במהלך הטיסה. אף על פי שב-2007 מצאו טכנאי נאס"א דרך לעקוף את הבעיה אף משימה לא שוגרה למשימה כזו.

ביום השיגור, אחרי העצירה הסופית בספירה לאחור ב-T מינוס 9 דקות (9 דקות לפני השיגור), עברה המעבורת את ההכנות הסופיות לשיגור והספירה לאחור נמשכה תחת הפיקוח האוטומטי של ה-GLS (קיצור ל-Ground Launch Sequencer), תוכנה שעצרה את הספירה לאחור אם היא נתקלה בבעיה כלשהי במערכות המעבורת. הספירה לאחור עברה לאחריות המחשבים שעל המעבורת עצמה ב-T מינוס 31 שניות.

ב-T מינוס 16 שניות החלה מערכת ה-SPS (קיצור ל-sound suppression system) להציף את ה-MLP (הזחל הענק שהביא את המעבורת אל כן השיגור) ואת התעלות שמתחת לרקטות ההאצה ב-1,300 מטרים מעוקבים של מים כדי להגן על המעבורת מפני האנרגיה האקוסטית והגזים הלוהטים שפרצו מרקטות ההאצה.

ב-T מינוס 10 שניות מופעלת מערכת מצתים מתחת לכל מנוע על מנת לשרוף את הגזים הנמצאים בתוך נחירי הפליטה של המנועים. אי שריפת הגזים עלולה להכשיל את חיישני המעבורת ולגרום ללחץ יתר ולפיצוץ המעבורת בעת הצתת המנועים. באותו זמן שואבות משאבות הענק של מנועי המעבורת חמצן ומימן נוזלי אל תאי השריפה של המנועים.

שלושת המנועים הראשיים של המעבורת הוצתו ב-T מינוס 6.6 שניות. המנועים הופעלו זה אחר זה בהפרשים של 120 מילישניות. מחשבי המעבורת חיכו שהמנועים יגיעו ל-90% הספק על מנת להשלים את כיול המנועים למצב שיגור. כשניצתו המנועים, מי הקירור הפכו לענן קיטור שנפלט בתעלות דרומה. מנועי המעבורת היו צריכים להגיע ל-100% הספק בתוך שלוש שניות בלבד. אם הם לא הגיעו להספק זה תוך 3 שניות ביטל מחשב המעבורת את השיגור. אם המנועים הגיעו להספק של 100%, ב-T מינוס 0 (רגע השיגור) פוצצו 8 אטבים פירוטכניים שחיברו את המעבורת אל כן השיגור, והוצתו מנועי רקטות ההאצה. ברגע שהוצתו רקטות ההאצה לא היה ניתן לבטל את השיגור מפני שלא ניתן לכבות רקטה הפועלת על דלק מוצק. שובלי העשן מרקטות ההאצה נפלטו על ידי תעלות בכיוון צפון במהירות הקרובה למהירות הקול.

ברגע הפעלת המנועים הראשיים, כאשר רקטות ההאצה עדיין מרותקות אל כן השיגור, הדחף שיצרו המנועים גרמו לכל המערכת (המעבורת, מכל הדלק והרקטות) לנטות מטה בכ-2 מטרים (מפני שדחף המנועים אינו ישר כלפי מטה). כשחזרו רקטות ההאצה למצב הנכון, חזרה המערכת ועלתה מעלה. כל התהליך לקח פחות מ-6 שניות. כשעמדה המעבורת אנכית לחלוטין הוצתו רקטות ההאצה והשיגור החל. מרכז הבקרה במרכז החלל ג'ונסון קיבל את האחריות לטיסה ברגע שהמעבורת ניתקה מכן השיגור.

זמן קצר אחרי עזיבת "מגדל" כן השיגור, החלה המעבורת בתמרון שכלל גלגול, נטייה וסבסוב כך שהמעבורת הייתה הפוכה וכנפיה מיושרות עם כן השיגור. המעבורת הייתה הפוכה במשך כל שלב הנסיקה. במצב זה הגיעה המעבורת לזווית התקפה רצויה לעומסים האווירודנימיים ונתנה לצוות המעבורת נקודת יחוס - כדור הארץ. המעבורת טיפסה בקשת הולכת ומתמתנת, בעודה מאיצה עם ניתוק רקטות ההאצה והתרוקנות מכל הדלק החיצוני. הכניסה למסלול סביב כדור הארץ דורשת יותר כוח אופקי מאשר כוח אנכי. רוב תהליך ההאצה האנכית לא היה יכול להראות לצופים מהקרקע. המהירות הנדרשת להגעה למסלול כמעט מעגלי של 380 ק"מ (המסלול בו נמצאת תחנת החלל הבינלאומית) היא 7.68 ק"מ לשנייה (27,650 קמ"ש - מאך 23 בגובה פני הים). מפני שנטיית המסלול של תחנת החלל הבינלאומית היא 51.6°, היה על המעבורת להגיע לאותה נטייה אם היה ברצונה לחבור אל התחנה.

בהגיע המעבורת לנקודה בשם Max Q, בה כוחות המשיכה הפועלים על המעבורת הם החזקים ביותר, הונמכה עוצמת המנועים אוטומטית ל-72% דחף על מנת לא להגיע למהירות גבוהה מידי שתגרום ללחץ רב מידי על המעבורת. בנקודה זו ארעה סינגולריות פראנטל-גלאוארט, וענני התעבות נוצרו סביב המעבורת בעודה עוברת את מהירות הקול. ב-T פלוס 70 שניות הגבירו המנועים את הדחף לרמה המקסימלית של 104% דחף.

ב-T פלוס 126 שניות התפוצצו האטבים שחיברו את רקטות ההאצה למכל הדלק ומנועים קטנים הרחיקו אותם מהמעבורת ואחד מהשני בעודם צונחים אל האוקיינוס. מכאן המשיכה המעבורת עם מנועיה הראשיים בלבד. באותה נקודה יחס הדחף-משקל של המעבורת היה קטן מאחד - כלומר כוח המשיכה גבר על הכוח שהפעילו מנועי המעבורת, והמהירות האנכית שקיבלה המעבורת מרקטות ההאצה ירדה באופן זמני. עם זאת, כשפעולת המנועים נמשכה, ירד משקל הדלק ויחס הדחף-משקל הגיע שוב ל-1 והמעבורת המשיכה להאיץ אל עבר הכניסה המסלול.

המעבורת המשיכה לטפס והביאה את חרטומה אל מעל לאופק (בעודה הפוכה). מנועי המעבורת שמרו על גובהה בעודה מאיצה אופקית. אחרי כ-5 דקות ושלושת רבעי מהשיגור החלו אותות השידור מהמעבורת ואליה לדעוך, אז התהפכה המעבורת ויצרה התקשרויות חדשות עם כדור הארץ דרך מערכת לווייני ה-TDRS.

בעשר השניות האחרונות לפעולת מנועי המעבורת, משקל המעבורת היה נמוך מספיק כך שהיה צורך להנמיך את עוצמת המנועים על מנת להגביל את העומס על המעבורת ל-3 ג'י, בעיקר לנוחיות האסטרונאוטים. כ-8 דקות לאחר השיגור כובו מנועי המעבורת הראשיים.

מנועי המעבורת כובו לפני תום הדלק כי המנועים היו נהרסים אם היו "מתייבשים". מכל הדלק החיצוני היה מופרד אז מהמעבורת על ידי אטבים מתפוצצים ונשרף כמעט כולו באטמוספירה כאשר חלקים מזעריים ממנו מתרסקים באוקיינוס רחוק מכל נתיב שיט. על מנת למנוע מהמעבורת לרדת אל תוך האטמוספירה התחתונה בעקבות מכל הדלק, הופעלו המנועים המסלוליים שהעלו את אפוגיאת המעבורת אל עבר האטמוספירה העליונה. הסיבה שבגללה שוגרה המעבורת למסלול ממנה היא יכולה לחזור בקלות אל כדור הארץ ולא ישירות למסלול המתוכנן הייתה שאם המנועים המסלוליים לא עבדו או שדלתות תא המטען לא יכלו להיפתח, הייתה המעבורת יכולה לחזור ישירות אל כדור הארץ לנחיתת חרום ללא צורך במנועים (שאולי לא עבדו). במשימות מסוימות (ביניהם משימות אל תחנת החלל הבינלאומית) הופעלו המנועים המסלוליים לפני כיבוי המנועים הראשיים.

במסלול

עם כניסתה למסלול הייתה המעבורת בדרך כלל בגובה 321 ק"מ ולפעמים בגובה 643 ק"מ. בשנות ה-80 וה-90 רבות ממשימות המעבורת היו לביצוע ניסויים במסגרת התוכנית המשותפת של נאס"א וסוכנות החלל האירופאית ספייסלאב, או שיגור לוויינים וגשושיות. מסוף שנות ה-90 ובשנות ה-2000 משימות המעבורות התמקדו בבניית ותחזוק תחנת החלל הבינלאומית ופחות בשיגור לוויינים. רוב משימות המעבורת נמשכו בין מספר ימים בודדים ועד לשבועיים שלמים, אף על פי שמשימות ארוכות יותר היו אפשריות על ידי שימוש ב-Extended Duration Orbiter או על ידי שהייה בתחנת החלל.

חדירה לאטמוספירה

כמעט כל הפעולות שביצעה המעבורת במהלך החדירה לאטמוספירה והנחיתה, למעט הורדת כני הנסע ופרישת חיישני מידע הטיסה, בוצעו בדרך כלל בצורה אוטומטית. עם זאת, שלב החדירה היה יכול להעשות בצורה ידנית לחלוטין אם ארעה תקלה או במקרה חירום. הגישה לנחיתה והנחיתה בעצמה יכלו להעשות על ידי הטייס האוטומטי אך נעשו בדרך כלל בצורה ידנית.

המעבורת החלה את שלב החדירה על ידי הפעלת המנועים המסלוליים בעודה הפוכה לכיוון תנועתה כך שהמנועים האטו אותה. המנועים הופעלו לכ-3 דקות שבסופם הואטה המעבורת בכ-322 קמ"ש. כתוצאה מההאטה ירדה אפוגיאת המעבורת אל תוך האטמוספירה העליונה. אחר כך התהפכה המעבורת על ידי הטיית חרטומה כלפי מטה (או מעלה ביחס לכדור הארץ). תהליך זה התבצע במרחק של כחצי גלובוס מאתר הנחיתה.

המעבורת החלה "להיתקל" באוויר צפוף יותר באזור האטמוספירה התחתונה (120 ק"מ - 400,000 רגל) ובמהירות של מאך 25 (30,000 קמ"ש). המעבורת ביצעה תמרונים קטנים על ידי נחירי פליטה ומשטחי שליטה, והביאה את חרטומה לזווית של 40° כלפי מעלה ובכך יצרה גרר גדול במיוחד שהאט אותה וגם הפחית את עוצמת החום מהחדירה. המעבורת החלה להיתקל באוויר צפוף יותר ויותר ולאט הפכה מחללית למטוס. אם הייתה המעבורת נעה בקו ישר אל עבר מסלול הנחיתה, הייתה זווית הגישה שלה (40°) גורמת לזווית הירידה להתיישר או אפילו לעלות (כלומר המעבורת הייתה מטפסת ולא מנמיכה). לכן ביצעה המעבורת סדרה של 4 תמרונים חדים - פניות של 70° בצורת האות S - כאשר כל פנייה נמשכת מספר דקות ובעוד המעבורת שומרת על זווית הגישה של 40°. בצורה זו איבדה המעבורת מהירות בעודה פונה לצדדים ולא בעודה מטפסת כלפי מעלה. התמרונים בוצעו בשלב "החם" ביותר מהלך החדירה, כאשר מגיני החום זהרו באדום וכוחות הג'י היו הגבוהים ביותר. בסוף הפנייה האחרונה כמעט והושלם תהליך המעבר מחללית למטוס (או יותר נכון לדאון). אחר כך איזנה המעבורת את כנפיה, הנמיכה את חרטומה לכדי צלילה מתונה והחלה בשלב הגישה לנחיתה.

יחס הגלישה המקסימלי של המעבורת היה תלוי במהירותה ונע בין 1:1 במהירויות מגה-על-קוליות, 2:1 במהירויות על-קוליות ו-4.5:1 במהירויות תת-קוליות במהלך הגישה והנחיתה.

באטמוספירה התחתונה המעבורת מתפקדת כדאון, מלבד זאת שהיא מאבדת גובה בקצב מהיר הרבה יותר - מעל 50 מטרים כל שנייה (180 קמ"ש). במהירות של כמאך 3 נפרשים שני חיישני מידע בשני צידי המעבורת החשות את לחץ האוויר ביחס לתנועת המעבורת באטמוספירה.

גישה סופית ונחיתה

כששלב הגישה והנחיתה מתחיל המעבורת נמצאת בגובה של כ-3,000 מטרים (9,800 רגל) ובמרחק 12 ק"מ מקצה מסלול הנחיתה. בשלב זה פורש טייס המעבורת את מעצורי האוויר של המעבורת על מנת להאט אותה. במהלך הגישה האחרונה הייתה מהירות המעבורת יורדת מ-682 קמ"ש לכ-346 קמ"ש ברגע הנחיתה (לעומת 260 קמ"ש של מטוס סילון סטנדרטי). כני הנסע של המעבורת היו מורדים במהירות של כ-430 קמ"ש. כדי להאט את המעבורת מהר יותר נפרש מצנח בלימה ברגע נגיעת כן הנסע הראשי או כן הנסע הקדמי (תלוי במוד פרישת המצנח) ובמהירות של כ-343 קמ"ש. המצנח הושלך ברגע שהמעבורת הואטה אל פחות מ-110 קמ"ש.

אתרי נחיתה

נאס"א העדיפה כי משימות המעבורות ינחתו במרכז החלל קנדי. אם תנאי מזג האוויר בקנדי לא התאימו לנחיתת המעבורת, יכלה המעבורת להמתין במסלול עד שתנאי מזג האוויר יתאימו, לנחות בבסיס חיל האוויר אדוארדס שבקליפורניה או לנחות באחד משדות נחיתת החרום ברחבי הגלובוס. אם מעבורת הייתה נוחתת במקום אחר ממרכז קנדי היה צורך להעבירה למרכז קנדי על גבי מטוס הבואינג 747 המיוחד שהותאם לכך. מעבורת החלל קולומביה נחתה ממשימת STS-3 בנמל החלל ווייט סאנדס שבניו מקסיקו, שם לא נחתו עוד משימות כי מדעני נאס"א האמינו כי החול פוגע במעבורת.

במהלך תוכנית מעבורות החלל נחתו 78 משימות במרכז החלל קנדי, 56 בבסיס אדוארדס ומשימה אחת בווייט סאנדס.

לאחר הנחיתה

עם עצירתה המוחלטת של המעבורת היא הושארה על המסלול במשך מספר דקות על מנת שתצטנן. צוותים בקדמת ובאחורי המעבורת חיפשו אחר הימצאות שאריות של מימן, הידרזין, מונומטיל-הידרזין, דיניטרוגן-טטרוקסיד ואמוניה (שאריות דלק ממנועי המעבורת). אם נמצאו שאריות מימן היה מוכרז מצב חירום, מערכות החשמל של המעבורת היו כבויות וצוותי הסיוע היו מתפנים. אחר כך הייתה מגיעה שיירה של 25 כלי רכב שתוכננו במיוחד בשביל כך יחד עם 150 טכנאים ומהנדסים שהוכשרו לכך. טיהור המעבורת על ידי צוות השיירה החל כ-45–60 דקות לאחר הנחיתה. רופא היה עולה אל המעבורת ובודק את הצוות לפני ירידתם. עם ירידת האסטרונאוטים מהמעבורת עברה האחריות על המעבורת ממרכז החלל ג'ונסון למרכז החלל קנדי.

אם המעבורת נחתה בבסיס חיל האוויר אדוארדס בקליפורניה, נמל החלל ווייט סאנדס בניו מקסיקו או אחד משדות החרום לנחיתת המעבורת, הייתה המעבורת מועמסת על גב מטוס הבואינג 747 המיוחד שהעביר אותה אל מרכז החלל קנדי אז הייתה מובלת אל מתקן מיוחד בו היא הוכנה לקראת המשימה הבאה.

המעבורת הרוסית

מעבורת החלל בוראן

ערך מורחב – מעבורת החלל בוראן

ברית המועצות, שהובילה את תחילת מרוץ החלל, נשארה מאחור כאשר שוגרו המעבורות הראשונות. כפי שבעבר בנתה את מטוס הנוסעים העל קולי טופולב Tu-144, שכונה "קונקורדסקי", כדי להציג יכולת מתחרה למטוס הקונקורד המערבי, וזאת חודשיים לפני טיסתו הראשונה של הקונקורד, כך בנתה מעבורת חלל משלה, שנקראה "בוראן" (סופת שלג), שהייתה בעלת דמיון מפתיע למעבורת האמריקאית. עם זאת, מערכות האוויוניקה שלה היו פרי פיתוח עצמאי.

כמו המעבורת האמריקאית, גם המעבורת הרוסית הציגה עלויות שיגור גבוהות מאשר עלותו של שיגור על גבי טיל חד פעמי. מסיבה זו וסיבות אחרות, בוטל הפרויקט לאחר שיגור לא מאויש אחד, בשנת 1988, במהלכו הפגינה הבוראן יכולת נחיתה אוטונומית, שאינה קיימת במעבורת האמריקאית.

ראו גם

• משימות מעבורות החלל
• תוכנית מיר ומעבורות החלל
• מדמה מעבורת החלל
• שנלונג

קישורים חיצוניים

• אתר סוכנות החלל האמריקאית (נאס"א) - דף הבית של תוכנית מעבורות החלל המכיל נתונים כלליים ועדכונים שוטפים
• אשכול כתבות על מעבורות החלל, באתר "הידען"
• הערך מעבורת החלל באתר אסטרופדיה
• הערך תאונת מעבורת החלל צ'לנג'ר באתר אסטרופדיה
• הערך תאונת מעבורת החלל קולומביה באתר אסטרופדיה
• תוכנית מעבורות החלל האמריקאית, באתר סוכנות החלל הישראלית
• ארז גרטי, כיצד מצליחה מעבורת להמריא לחלל?, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 7 ביולי 2011
• מאיר ברק, מה מהירות החזרה של מעבורת החלל לאטמוספרת כדור הארץ?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 30 אוגוסט 2009