מעבורת החלל

מתוך אסטרופדיה
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
מעבורת החלל אטלנטיס בעת המראה. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

מעבורת החלל (באנגלית: Space Shuttle) הינה כלי לשיגור רב פעמי של אסטרונאוטים ומטען לחלל במסלול נמוך סביב כדור הארץ.

היסטוריה

מעבורת החלל המוכרת לנו כיום, אשר המריאה לראשונה ב-1981 החלה את דרכה עוד בשנות השישים המוקדמות. כבר בשנים הראשונות שלאחר תחילת המירוץ לחלל החלה מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב – נאס"א (NASA- National Space and Aeronautics Administration) להתעניין ברעיון של פיתוח וייצור כלי טיס חללי רב-פעמי שניתן יהיה להביא בעזרתו ,בקלות יחסית, מטענים ואנשים למסלול הקפה סביב כדור הארץ ובחזרה לנחיתה.

השאיפה המקורית הייתה ,כמובן, לפתח כלי טיס שיהיה כולו ניתן לשימוש חוזר ללא אלמנטים מתכלים (כלי שיגור חד-שלבי למסלול (SSTO-Single Stage To Orbit - ואולם, מחקרים רבים שנעשו בנושא הובילו את נאס"א להכרה שבטכנולוגיות של אותה תקופה המשימה אינה ברת-ביצוע.

כלי טיס שיגיע כולו למסלול חייב להיות בעל אמצעי הנעה שיאפשר את הכנסתו של משקל גדול (כלי-טיס שלם) למסלול הקפה. הצורך בדלק רב להזנת מנועים רקטיים שיוכלו לעמוד במשימה זו חייב את הגדלת כלי הטיס עצמו כדי לאפשר מקום לאחסנת אותו הדלק. המשקל הנוסף של הכלי (שגדל עכשיו בגלל מיכלי הדלק הנוספים) חייב מנועים חזקים יותר ודלק רב עוד יותר. נוצרה כאן בעיה שפתרונה חייב אמצעי הנעה שפשוט לא היו בנמצא באותן שנים.

הכרה זו הובילה לראשונה לשקול את האפשרות של כלי טיס בעל שני שלבים מאוישים: השלב ה"מאיץ" יחזור לנחיתה על מסלול נחיתה רגיל בעוד השלב השני –ה"מקפת" ימשיך ויכנס למסלול הקפה סביב כדור-הארץ. בהמשך פותח הרעיון של שימוש במיכל דלק נפרד מתכלה. עם המשך הפיתוח נוספו מאיצי הדלק המוצק הניתנים לשימוש חוזר (פיתוח חדשני לאותן שנים).

עוד סיבוך התעורר כאשר הצוותים השונים אשר שקדו על פיתוח המעבורת הגיעו למסקנה כי כדי להאט את מהירות המעבורת הנעה במסלול סביב כדור הארץ למהירות המאפשרת נחיתה יהיה צורך במנועים נוספים אשר יצרכו דלק נוסף. לדלק ולמנועים יש צורך במקום על המעבורת ותוספת המשקל מעלה את המשקל הכולל של כלי הטיס. הגישה שאומצה הייתה לנצל את החיכוך עם האטמוספרה לשם האטת המעבורת.החיכוך העצום הנוצר כתוצאה מכניסה של המעבורת לאטמוספרה במהירות של כ-7 ק"מ לשנייה חייב את פיתוחה של מערכת חדשנית להגנה מפני החום העז הנוצר בכניסה לאטמוספרה במהירות גבוהה (ואשר תוצאותיו ניכרות בכל מטאור הנראה בשמיים). מגן-החום המבוקש לא היה דומה למגני החום שהותקנו בחלליות מאוישות קודמות כדוגמת "אפולו" שכן אלה היו מגנים חד-פעמיים ולא התאימו לשימוש-חוזר. מגן-החום היה חייב להיות בעל עמידות גבוהה יותר ויכולת לשימוש חוזר. זאת כיוון שהתקנה של מגן חום חדש לכל טיסה הייתה כרוכה בעלויות כלכליות בלתי-הגיוניות.

בשנת 1972 זכתה יצרנית המטוסים נורת'-אמריקן (North-American) במכרז לפיתוח וייצור מעבורת-החלל. כשנתיים לאחר מכן , לאחר עבודה מאומצת ושיתוף פעולה עם חברות נוספות אשר התחרו על מכרז הפיתוח של המעבורת, הוחלט על התצורה הסופית והמוכרת כיום של מעבורות החלל. החברות שהשתתפו בפיתוח הופקדו על פיתוח והתאמת מערכות ורכיבים שונים למעבורת כגון מערכות ההנעה השונות, מערכות אוויוניקה וכיוב'.

מרכיבי מעבורת החלל

מעבורת החלל מורכבת ממספר חלקים עיקריים:

המעבורת

מעבורת החלל (באנגלית: Orbiting Vehicle) או בקיצור OV - המעבורת היא בעצם הרכיב היחיד מהמכלול המשוגר המגיע למסלול היקפי סביב כדור-הארץ. בתא המטען של המקפת מאוחסן המטען המועיל לטיסת המעבורת. מטען זה עשוי להיות מעבדת-חלל, לוויינים וכן חלקים לתחנת החלל.

המבנה הכללי של המעבורת מזכיר מבנה של מטוס. צורתה אווירודינמית והיא בעלת כנפיים ומייצב כיוון אנכי. דשים נעים הנמצאים בחלק האחורי של הכנפיים והמייצב האנכי (שפות-הזרימה של חלקים אלה) כמו גם משטח היגוי נוסף בחלקה האחורי התחתון משמשים לניהוג המעבורת בזמן הגישה לנחיתה בסיום המשימה.

תא הצוות

חלקה הקדמי של מעבורת החלל נראה כאן לפני שיגורה. מימין לחלונות החזית של תא הצוות ניתן להבחין בצוהר הכניסה/נטישה של תא הצוות (בעל צורה מעגלית במרכז התמונה), בנחירי הפליטה של מערכת ניהוג ה-RCS, וכן במתקן החיבור המחבר בין חרטום המעבורת למיכל הדלק החיצוני, הנמצא משמאל. הפס הצהבהב בין המעבורת למיכל הדלק הוא הצינור המוליך חמצן נוזלי אל חלקו התחתון של מיכל הדלק, ומשם אל המעבורת עצמה לשימוש בתהליך הבעירה במנועי המעבורת הראשיים בזמן השיגור. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

חלקה הקדמי של המעבורת מכיל את תא הצוות. זהו החלק היחיד במעבורת המכיל אוויר דחוס באופן קבוע כך שאנשי צוות יכולים לשהות בו ללא חליפות וציוד לקיום-חיים.

כדי לסייע בבידוד כנגד שינויי טמפרטורות אליהם חשופה המקפת בשלבי טיסתה השונים, מבודד תא הצוות מיתר חלקי המעבורת ובעצם מחובר אל המעטפת החיצונית של המעבורת בארבע נקודות בלבד. בין התא לגוף החיצוני של המעבורת חלל ריק (לצמצום הסעה של חום בין החלקים השונים).

תא הצוות מחולק לשלושה סיפונים הסיפון העליון מכיל מקומות ישיבה למפקד המשימה, הטייס ושני מומחי משימה וממנו מתבצעות עיקר פעילויות הבקרה במעבורת: שליטה במעבורת בזמן הנחיתה, תפעול ציוד בתא המטען וניהוג המעבורת במסלול. בסיפון האמצעי מקומות לשינה, ארוחות וכן טיפול בנתונים.

במפלס האמצעי נמצא תא-הלחץ. בתא זה מאוכסנות בדרך קבע שתי חליפות לפעילות מחוץ לתא הצוות (EMU- Extravehicular Mobility Unit). בהתאם לאופי המשימה, יכולים אסטרונאוטים להיכנס לתא הלחץ, ללבוש חליפה לפעילות חוץ-רכבית (EVA - Extravehicular Activity) לסגור את הדלת אל תא הצוות ולפתוח את הדלת האחורית המאפשרת יציאה אל תא המטען של המעבורת.

בטיסות בהן מותקנת מעבדה בתא המטען משמש תא-הלחץ למעבר ישירות אל המעבדה ללא צורך בחליפה ייעודית.

המפלס התחתון של תא הצוות מכיל בעיקר מערכות אוויוניקה, מיכלי חמצן ומים ומקומות לאחסנת ציוד ופריטים הדרושים למהלך המשימה.

חרטום המעבורת, באזור שלפני תא-הצוות, מכיל את מערכת ה-RCS הקדמית. פרטים על מערכת זאת בהמשך.

בצילום משמאל נראה חלקה הקדמי של מעבורת החלל לפני שיגורה. מימין לחלונות החזית של תא הצוות ניתן להבחין בצוהר הכניסה/נטישה של תא הצוות (בעל צורה מעגלית במרכז התמונה), בנחירי הפליטה של מערכת ניהוג ה-RCS, וכן במתקן החיבור המחבר בין חרטום המעבורת למיכל הדלק החיצוני, הנמצא משמאל. הפס הצהבהב בין המעבורת למיכל הדלק הוא הצינור המוליך חמצן נוזלי אל חלקו התחתון של מיכל הדלק, ומשם אל המעבורת עצמה לשימוש בתהליך הבעירה במנועי המעבורת הראשיים בזמן השיגור.

תא המטען

תא המטען של המעבורת (באנגלית: Payload Bay) משמש לאחסון המטען המועיל של המשימה. התא נמצא בחלק המרכזי של גוף המעבורת. אורכו של התא כ-20 מטרים ורוחבו כ-5 מטרים. לתא המטען שתי דלתות המרכיבות את "גבה" של המעבורת ונפתחות לצדדים זמן קצר לאחר כניסת המעבורת למסלול היקפי. פתיחת הדלתות משמשת, בנוסף לפריקת או הכנסת ציוד לתא, גם לפליטת חום עודף ממערכות קירור שונות של המעבורת באמצעות רדיאטורים המורכבים על חלקן הפנימי של הדלתות.

מעבורת החלל מסוגלת לשאת מטען של עד 28 טון למסלול הקפה, וכן לנחות עם מטען של 14 וחצי טון (מטען המוחזר לנחיתה).

זרוע מכנית

עבורת החלל אנדבור בזמן שעגנה בתחנת החלל הבינלאומית. ניתן להבחין ברדיאטורים המותקנים בחלקן הפנימי של דלתות תא המטען (נראים כלוחות מבריקים), במתאם המחבר בין היציאה מתא-הלחץ שבתא הצוות אל תחנת החלל, וכן בזרוע המטענים (RMS) שבאמצעות כיוונה לתפיסת חלק ייעודי בתחנת החלל סייעה להבאת המעבורת לנקודת העגינה המדויקת בתחנה. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

בהתאם לאופי המשימה, ניתן להתקין בתא המטען זרוע מכאנית לטיפול במטענים (RMS – Remote Manipulator System) הנשלטת מעמדת פיקוד בסיפון המרכזי בתא הצוות. אורכה הכולל של הזרוע כ-17 מטרים והיא מכילה מצלמות טלוויזיה ומספר מפרקים המאפשרים תנועה בגמישות רבה. הזרוע מאפשרת "לכידת" לוויינים קרובים , ביצוע עבודות מכאניות בלוויינים, הוצאת מטענים שונים מתא המטען וכן אמצעי עזר לעגינה לתחנת החלל. כמו כן ניתן להשתמש במצלמות הטלוויזיה המותקנות על הזרוע כדי לבחון חלקי מעבורת שונים ולהימנע מהצורך ביציאת אסטרונאוטים אל אותם חלקים.


בצילום משמאל - מעבורת החלל אנדבור בזמן שעגנה בתחנת החלל הבינלאומית. ניתן להבחין ברדיאטורים המותקנים בחלקן הפנימי של דלתות תא המטען (נראים כלוחות מבריקים), במתאם המחבר בין היציאה מתא-הלחץ שבתא הצוות אל תחנת החלל, וכן בזרוע המטענים (RMS) שבאמצעות כיוונה לתפיסת חלק ייעודי בתחנת החלל סייעה להבאת המעבורת לנקודת העגינה המדויקת בתחנה.

מכלול ההנעה

תמונה זו צולמה מאחד מחלונות תא הצוות של מעבורת-חלל בזמן הפעלת שני מנועי ה OMS. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.
בתמונה ניתן לראות הפעלה של נחירי ה-RCS המותקנים במארז התמרון הימני של המעבורת. העצם הלבן המוארך בצד ימין של תא-המטען הוא זרוע ה-RMS הנראית במצב "מקופל" לאורכו של תא המטען. האובייקט הבהיר מצד שמאל הוא השתקפות של אורות מכשירים בתא הצוות בחלון ממנו צולמה התמונה. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

חלקה האחורי של המעבורת מכיל את מכלול ההנעה. כאן מותקנים שלושת מנועי המעבורת הראשיים (SSME- Space Shuttle Main Engine) המשמשים , בשילוב עם מאיצי הדלק המוצק, לייצור הדחף הנחוץ להבאת המעבורת לגובה ומהירות לשם כניסה למסלול הקפה. שלושת המנועים מופעלים ע"י מימן נוזלי (כחומר דלק) וחמצן נוזלי (כמחמצן לדלק) המאוחסנים במיכל הדלק החיצוני. מערכת צינורות גדולים מעבירים את חומרי הדלק מהמיכל אל המעבורת ומנועיה. ע"פ הצורך, ניתן לשנות בזוית מסוימת את כיוון נחירי הפליטה של המנועים. שינוי כזה גורם להטיית סילוני הגז הלוהט הנפלט מהמנוע וכתוצאה לשינוי בכיוון התנועה של המעבורת.

בחלקו העליון ובשני צידיו של מכלול ההנעה מורכבים מארזים ובהם שני מנועי התמרון במסלול של המעבורת (OMS - Orbital Maneuvering System) מנועים אלה, בעלי דחף של כ-24 טון כל אחד, משמשים לתוספת-דחף לשם כניסה ותיקון למסלול בזמן השיגור , לשינויי מסלול בזמן המשימה וכן כמנועי בלימה בשלב היציאה ממסלול לקראת סיום המשימה. בתמונה משמאל, ניתן לראות הפעלה של מנועי ה OMS.

חלקה האחורי של מעבורת-חלל בזמן השיגור. ניתן להבחין במשטח ההיגוי האופקי (בין שלושת נחירי הפליטה של המנועים הראשיים ללהבה הבהירה הנפלטת ממאיץ הדלק המוצק). צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

כמו-כן, בכל אחד ממארזי ה-OMS מותקנים גם 12 מנועים קטנים יותר המשמשים לשינויי זווית של המעבורת (RCS- Reaction Control System) בשלבים הסופיים שלפני הכניסה למסלול, במסלול וכן בשלבים הראשונים של הנחיתה, כאשר הלחץ האטמוספרי הנמוך אינו מאפשר את ניהוג המעבורת באמצעות דשי ההיגוי האווירודינמיים. 14 מנועים דומים מורכבים גם בחרטום המעבורת ופועלים במשולב בבקרה של מחשבי המעבורת. בתמונה משמאל למטה ניתן לראות הפעלה של מנועי ה RCS.

שני מנועי התמרון (OMS) כמו גם 38 מנועי ה-RCS (שניים-עשר בכל מארז בירכתי המעבורת, ו-14 נחירים נוספים בחלקה הקדמי של המעבורת, בין תא הצוות לחרטום) מופעלים ע"י דלק מסוג מונומתיל הידרזין (MMH- Monomethyl Hydrazine) ומחמצן חנקן-ארבע-חמצני (N2O4- Nitrogen-Tetroxide). שני חומרים אלה הם היפרגוליים – ניצתים במגע - וכך אין צורך במערכת הצתה לפעולת המנוע. חומרי הדלק נדחסים אל תא הבערה של המנוע ע"י הליום דחוס ,ניצתים ברגע המגע, והגז החם הנוצר נפלט מנחיר הפליטה ויוצר את הדחף הרצוי.

בחלקו התחתון של מכלול ההנעה ישנו משטח בעל זווית משתנה. משטח זה משמש לשתי מטרות: הוא מגן על מנועי המעבורת מהחום הנוצר בשלב הכניסה לאטמוספרה (המשטח מכוסה באריחי בידוד בדומה לשאר גחונה של המעבורת) ומשמש גם כהגה-גובה של המעבורת בזמן הגלישה אל הנחיתה בסיום המשימה.

בחלקו העליון של מכלול ההנעה, מאחורי דלתות תא המטען, נמצא מייצב הכיוון האנכי. למייצב זה דשים נעים המשמשים לביצוע תיקוני כיוון בציר הסבסוב של המעבורת לקראת הנחיתה וכן כמעצורי-אויר המסייעים להאטת המעבורת על מסלול הנחיתה.

משמאל - חלקה האחורי של מעבורת-חלל בזמן השיגור. ניתן להבחין במשטח ההיגוי האופקי (בין שלושת נחירי הפליטה של המנועים הראשיים ללהבה הבהירה הנפלטת ממאיץ הדלק המוצק) וכן במארז התמרון השמאלי של המעבורת הכולל את נחיר ה-OMS וכן 12 נחירי RCS (מתוכם נראים שמונה בתמונה). כמו-כן ניתן לראות את אזור החיבור שבין המעבורת למיכל הדלק החיצוני.באזור זה נמצאות תמוכות החיבור ומערכת צינורות לאספקת חומרי הדלק של מנועי המעבורת הראשיים ,כמו גם צינורות להובלת גז לדיחוס מיכל הדלק הראשי.

המעבורת האחרונה שנבנתה , ה"אנדבור" (OV-105 Endeavour) צויידה במצנח האטה שהותקן בבסיסו של מייצב הכיוון ונפרש עם נחיתת המעבורת על מסלול הנחיתה כדי לסייע בבלימת המעבורת. במעבורות החלל האחרות של נאס"א הוספו מצנחי-בלימה לאחר אסון ה"צ'אלנג'ר" כחלק מסדרת שיפורים שעברו המעבורות (פרטים על כך במאמר בנושא מעבורת החלל - תאונת הצ'אלנג'ר).

גוף המעבורת והגנה מחום

גוף המעבורת מכוסה בחומרים שונים המהווים את ההגנה בפני שינויי טמפרטורה (TPS -Thermal Protection System). בזמן טיסה באטמוספרה במהירות גבוהה (במהלך השיגור) ,דרך טמפרטורות של כ-140 מעלות (צלזיוס) מתחת לאפס בפרקי זמן שונים במהלך השהייה במסלול הקפה, ועד לטמפרטורות של יותר מ-1,600 מעלות במהלך הכניסה לאטמוספרה. מערכת הגנת החום אמורה להגן על מעטה האלומיניום של המעבורת כך שחומו לא יעלה על כ-200 מעלות.

יתרה מזאת, מערכת הגנת החום היא השכבה החיצונית ביותר במבנה המעבורת וככזאת היא מקנה למעבורת את צורתה האווירודינמית החיונית לתמרון באטמוספרה וחייבת להיות עמידה בלחצים האווירודינמיים הקיימים בשלבי המשימה שבאטמוספרה.

במהלך החזרה לאטמוספרה נוצר עיקר החיכוך, ולכן החום, באזור חרטום המעבורת וכן שפות ההתקפה (השוליים הקדמיים) של הכנפיים. האזורים הפחות חמים בשלב זה של הטיסה הם המשטחים העליונים של הכנפיים, המגיעים לטמפרטורות של יותר מ-300 מעלות.

מערכת ההגנה מחום מורכבת מסוגים שונים של חומרים וחלקים המורכבים בחלקי המעבורת השונים וזאת בהתאם לחום שאמורים אותם אזורים לספוג. אלה כוללים פחמן-פחמן מחוזק (RCC- Reinforced Carbon-Carbon) המגן על האזורים הקריטיים כמו החרטום ושפות ההתקפה של הכנפיים. אריחים שחורים או אריחים קרמיים העשויים חומר קרמי קל-משקל המגנים על כל החלק התחתון של גוף המעבורת והכנפיים. צבעם של אריחים אלה שחור כדי לזרז פליטת חום שמצטבר בהם. בנוסף לאלה יש מספר מצומצם יותר של אריחי בידוד והגנה אחרים בנקודות שונות במעבורת.

מיכל הדלק החיצוני

מיכל-דלק חיצוני עם הגעתו למרכז החלל קנדי לקראת הרכבתו למעבורת-חלל. בניין ההרכבה (VAB) בו תורכב המעבורת נראה בצד ימין. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

מיכל הדלק החיצוני (באנגלית: External Tank) או בקיצור ET הינו החלק הגדול ביותר במעבורת בעת שיגורה והיחיד ממכלול מעבורת-החלל שאינו מיועד לשימוש חוזר. מיכל זה – 47 מטרים גובהו וכ-8.7 מטרים קוטרו – מכיל בתוכו שני מיכלים נפרדים בהם נמצאים חומרי הדלק של מנועי המעבורת הראשיים (SSME) . בצילום משמאל: מיכל-דלק חיצוני עם הגעתו למרכז החלל קנדי לקראת הרכבתו למעבורת-חלל.

המיכל התחתון מכיל כ-100 טונות מימן-נוזלי המשמש כחומר הבעירה של המנועים. חלקו התחתון של המיכל כולל מערכת תמוכות המחברת את המיכל החיצוני עם נקודות החיבור האחוריות של המעבורת. מחלקו התחתון של המיכל מועבר המימן הנוזלי דרך צינור שקוטרו 40 ס"מ אל המעבורת . בין צינור הדלק שבמעבורת לזה של המיכל החיצוני מותקנת מערכת-ניתוק המבודדת בין שני הצינורות כדי לאפשר את ניתוקו הבטוח של המיכל החיצוני לאחר השיגור. מערכת הניתוק כוללת גם חלק ממערכת הגנת החום של המעבורת שכן היא נמצאת בגחונה של המעבורת – אזור בו הטמפרטורה במהלך הכניסה לאטמוספירה גבוהה מאד.

מעל מיכל המימן נמצא מיכל הביניים (Inter tank) מיכל זה מכיל את המבנה המחבר בין מיכל המימן הנוזלי למיכל החמצן שמעליו. מבנה זה כולל גם מוטות חיבור המחזיקים את המעבורת בנקודת החיבור העליונה שלה.

חלקו העליון של המיכל החיצוני מכיל את מיכל החמצן הנוזלי. במיכל זה מאוחסנים עד 600 טונות חמצן-נוזלי המשמש כמחמצן למימן הנוזלי לשם בעירה במנועי המעבורת. במיכל זה מכלול מורכב המיועד למנוע תנודות וערבול של החמצן הנוזלי שבתוכו במהלך השיגור. תנודות כאלה עלולות היו לגרום לעומסים גבוהים מדי על המיכל והמעבורת במהלך השיגור (יש לציין כי במיכל המימן-הנוזלי בעיה זו אינה קיימת משום שהמימן קל מאד והשפעותיו ,מבחינת עומסים, על השיגור הן זניחות).

גם מיכל זה מחובר בצינור שקוטרו 40 ס"מ המוליך את הנוזל אל החלק התחתון של המיכל החיצוני ומשם, במקביל לצינור המימן-הנוזלי, אל המעבורת.

המיכל-החיצוני כולו מצופה בחומר בידוד דמוי קלקר. בידוד זה חיוני כדי לשמור על הטמפרטורה הנמוכה שבה מאוחסן המימן במצב נוזלי וכן למנוע התעבות אדי מים על חלקי המתכת השונים של המיכל כתוצאה מהקור העז שבתוכו. במספר מקרים תועדה התפוררות של חלקים מציפוי-קצף זה במהלך השיגור. במקרה אחד הובחן בפיסת קצף שניתכה בעוצמה רבה בחרטומו של אחד המאיצים המוצקים של המעבורת. במקרה אחר, ב-16 לינואר 2003, פגעה פיסת קצף שהתנתקה מאזור החיבור הקדמי שבין מיכל הדלק החיצוני למעבורת "קולומביה" בחלקה הפנימי של שפת-ההתקפה של הכנף השמאלית של המעבורת. הפגיעה אובחנה עוד במהלך השיגור ע"י מצלמות מעקב אך ההערכה הראשונית היתה שלא נגרם נזק חמור למעבורת. בדיעבד הסתבר שהפגיעה יצרה חור במעטה ההגנה נגד חום של המעבורת. הפגיעה גרמה להשמדת המעבורת במהלך החזרה לאטמוספרה ב-1 לפברואר 2003. שבעת אנשי צוותה ,ובהם האסטרונאוט הישראלי הראשון, אילן רמון ז"ל, ניספו בתאונה (ראו מאמר נפרד בנושא: מעבורת החלל - תאונת הקולומביה).

מאיצי הדלק המוצק

ספינה של נאס"א גוררת את אחד ממאיצי הדלק המוצק לאחר שיגורה של מעבורת חלל, בדרכו חזרה לטיפול והכנה לשימוש חוזר. שים לב להיעדרה של הכיפה הקונית בחלקו הקדמי של המאיץ, לאחר שנותקה כדי לאפשר את פרישת המצנחים המשמשים את המאיץ בנחיתה באוקיינוס. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

מאיצי הדלק המוצק (באנגלית: Solid Rocket Boosters) או בקיצור SRB הם שני מיכלי דלק מוצק המצוידים במנועים נפרדים המוצמדים למיכל הדלק החיצוני. מאיצים רקטיים אלו מספקים את עיקר הדחף הנחוץ להבאת מעבורת-החלל ממגדל השיגור למסלול הקפה. מאיצים אלה מהווים את רקטות הדלק-המוצק הגדולות ביותר הקיימות כיום ואת הרקטות הגדולות ביותר המיועדות לשימוש רב-פעמי.

אורכו של מאיץ דלק מוצק כ-45 מטרים וקוטרו 3.7 מטרים. כשהמעבורת מוכנה לשיגור, נושאים שני המאיצים (כל מאיץ משקלו כ-590 טון בזמן השיגור) את משקל כל הרכב (מאיצים, מעבורת ומיכל דלק חיצוני) העולה על 2,000 טונות - על בסיסם. הם מעוגנים לבסיסו של מגדל השיגור באמצעות שמונה ברגים פיירוטכניים גדולים המתפוצצים ומתנתקים ברגע ההצתה של המאיצים ומשחררים את המעבורת ממגדל השיגור.

עם הצתת מנועי המעבורת הראשיים יש צורך במספר שניות עד לייצור הדחף הדרוש. ברגע שמחשבי המעבורת מוודאים כי שלושת מנועי המעבורת הגיעו לדחף של 90% נשלחת פקודת ההצתה אל מאיצי הדלק המוצק. קבלים חשמליים משחררים מתח חשמלי של 40 וולט המצית שרשרת של חומרי-הצתה הנדלקים לאורכו של חלל ריק לאורכו של כל מאיץ מוצק ומציתים את חומר הדלק היצוק במאיצים. באותו הרגע מופעלים הברגים הפיירוטכניים שבבסיס המאיצים ומשחררים את המעבורת המתחילה להתרומם מכן-השיגור.

שני המאיצים מייצרים ביחד דחף של יותר מ-1,400 טון ,המהווים יותר מ-70 אחוזים מהדחף הכולל של המעבורת בזמן השיגור.

נחירי הפליטה של כל מאיץ הם בעלי יכולת תנועה מוגבלת כדי לאפשר את הטיית סילוני הגז הנוצרים בבעירת המאיצים. כיוונים כאלה נחוצים כדי להביא את המעבורת לעבר מסלול ההקפה שנבחר לה למשימה וכן כדי לבצע תיקוני נתיב במהלך נסיקת המעבורת כאשר פרצי רוח בגובה רב עשויים להטותה ממסלולה המקורי.

התקנים פיירוטכניים מופעלים כדי לנתק את המאיצים ממיכל הדלק החיצוני (ET) כאשר התכלה רוב חומר הדלק המוצק שבהם. מנועים רקטיים קטנים בחרטומו ובבסיסו של כל מאיץ-מוצק מופעלים כדי להרחיק את המאיצים החופשיים מהמעבורת וממיכל הדלק החיצוני. כשלוש דקות לאחר הניתוק נפרש מצנח קטן מחלקו הקדמי של כל מאיץ המייצב ומאט מעט את מהירות נפילתו. לאחר כחצי דקה נוספת נפרשים שלושה מצנחים גדולים המאטים עוד יותר את מהירות הנפילה של המאיץ ומביאים אותו לנחיתה במימי האוקינוס האטלנטי, כמאה וחמישים קילומטרים מכן השיגור של המעבורת. משואות רדיו המופעלות בשלב זה מסייעות לספינות יעודיות של נאס"א המחלצות את המאיצים חזרה לפלורידה. שם יטופלו המאיצים, יבדקו, ימולאו מחדש בחומר דלק מוצק ויוכנו לשיגור נוסף.

בתמונה משמאל: ספינה של נאס"א גוררת את אחד ממאיצי הדלק המוצק לאחר שיגורה של מעבורת חלל, בדרכו חזרה לטיפול והכנה לשימוש חוזר. שים לב להיעדרה של הכיפה הקונית בחלקו הקדמי של המאיץ, לאחר שנותקה כדי לאפשר את פרישת המצנחים המשמשים את המאיץ בנחיתה באוקיינוס.

לכל מאיץ מוצק מותקנת מערכת בטיחות שיגור (RSS- Range Safety System). מערכת זו נועדה לאפשר השמדה של המאיצים במקרה של תקלה במהלך השיגור כדי למנוע סכנה של נפילתם באזור מאוכלס וגרימת נזקים. מערכת הבטיחות מורכבת ממטען חומר-נפץ המותקן לאורכו של כל מאיץ. במקרה חירום יכול קצין השיגור במרכז הבקרה להפעיל את המטען, המפרק את המאיץ ומפסיק את המשך טיסתו (כידוע, מנוע דלק מוצק לא ניתן לכבות מרגע שהופעל).

בעבר הייתה מותקנת מערכת RSS גם על מיכל הדלק החיצוני אך לאחר טיסות רבות הוחלט שהמיכל אינו מסכן ריכוזי אוכלוסיה הודות לכיוון השיגור של המעבורת מפלורידה.

מערכת ה-RSS הופעלה עד היום פעם אחת. היה זה לאחר התפוצצות מעבורת החלל צ'לנג'ר ב-28 לינואר 1986. באותה תאונה התפוצץ מיכל הדלק החיצוני ושני המאיצים המוצקים המשיכו בטיסה בלתי נשלטת. שניות ספורות לאחר מכן הופעלו מטעני הנפץ שעליהם והשמידו אותם באוויר (ראו מאמר נפרד בנושא: מעבורת החלל - תאונת הצ'לנג'ר).

מהלך הטיסה של מעבורת החלל

מעבורת החלל דיסקברי עושה דרכה אל מגדל השיגור (מצד ימין) על גבי ה"זחל" המחשה לגודלו של הרכב ניתן לקבל לפי המכוניות הנראות בחזית התמונה ובצד ימין. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

דרכה של מעבורת החלל לטיסה מתחילה בבניין ההרכבה-האנכית (VAB- Vertical Assembly Building) במרכז החלל קנדי שבפלורידה, ארה"ב, כשהמעבורת, מיכל הדלק החיצוני ומאיצי הדלק המוצק מורכבים ליחידה אחת. משם מוסעת המעבורת ברכב זחלי אימתני המכונה Crawler (זחל). שני ה"זחלים" הם כלי הרכב הגדולים ביותר בעולם ומשקל כל אחד מהם יותר מ-3,000 טון. ה"זחל" נושא את המעבורת המורכבת- יותר מ-2,000 טון משקלה - אל אחד משני כני השיגור המותאמים לשיגור מעבורות שבמרכז החלל. למשימות מסוימות מוטען המטען המועיל של המשימה אל תא-המטען של המעבורת כשהיא כבר בכן השיגור.

בצילום משמאל: מעבורת החלל דיסקברי עושה דרכה אל מגדל השיגור (מצד ימין) על גבי ה"זחל" המחשה לגודלו של הרכב ניתן לקבל לפי המכוניות הנראות בחזית התמונה ובצד ימין.

ביום השיגור ממולא מיכל הדלק החיצוני במימן נוזלי וחמצן נוזלי ומתודלקים גם מיכלי הדלק הפנימיים השונים של המעבורת עצמה. בערך שלוש שעות לפני השיגור נכנס צוות הטיסה אל המעבורת ומתחיל בהכנותיו שלו לשיגור.

בזמן הספירה לאחור יש מספר הפסקות יזומות המשמשות לבדיקות והתייעצויות סופיות לגבי השיגור.

ניות ספורות לאחר הפרדת המאיצים המוצקים מהמעבורת בזמן השיגור. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

בשיגור עצמו ניצתים תחילה שלושת המנועים הראשיים של המעבורת (הניזונים ממימן נוזלי וחמצן נוזלי ממיכל הדלק החיצוני). לאחר שמגיעים המנועים לדחף אופטימלי (כשש שניות לאחר הצתתם) ניצתים שני המאיצים המוצקים ובו-זמנית מתפוצצים שמונה ברגים פיירוטכניים האוחזים את בסיסי המאיצים אל כן-השיגור, ומשחררים את המעבורת לטיסתה.

כשבע שניות לאחר הניתוק מכן-השיגור מתחילה המעבורת בגלגול סביב צירה האנכי כדי להביאה אל כיוון המיועד להביאה למסלול ההקפה שנבחר למשימתה. תמרון זה נעשה ע"י הטיית נחירי הפליטה של המאיצים הרקטיים. עם עזיבת המעבורת את כן השיגור מועברת האחריות על המשימה ממרכז הבקרה של נמל החלל קנדי למרכז-החלל ג'ונסון שביוסטון, טקסס.

בערך 120 שניות לאחר השיגור נפרדים שני המאיצים המוצקים ממיכל הדלק החיצוני באמצעות מתקנים פיירוטכניים (ראו תמונה משמאל). שמונה רקטות קטנות המותקנות בכל מאיץ מרחיקות אותו ממיכל הדלק כדי למנוע סכנה של התנגשות. לאחר זמן קצר נפרשים מצנחים המאטים את נפילתם של המאיצים הריקים לאוקיינוס האטלנטי – משם יחולצו לאחר מכן ע"י ספינות המופעלות ע"י נמל החלל קנדי.

בינתיים ממשיכה המעבורת – ומיכל הדלק החיצוני הצמוד אליה – לצבור גובה ומהירות ע"י הדחף הנוצר משלושת מנועי המעבורת הראשיים.

כשמונה דקות וחצי לאחר השיגור נעה המעבורת במהירות הקרובה מאד למהירות הנחוצה לכניסה למסלול היקפי. בשלב זה מכובים המנועים הראשיים ומיכל הדלק החיצוני מנותק, נופל חזרה ארצה ונשרף לחלוטין בזמן חזרתו לאטמוספרה. הפעלה של שני מנועי התמרון-במסלול של המעבורת מאפשרת לה לצבור את תוספת המהירות הנחוצה לכניסה למסלול אליפטי. הפעלה נוספת של שני המנועים מאוחר יותר מביאה את המעבורת למסלול עגול יותר בו תהיה במהלך המשימה.

מאפייני המסלול אליו נכנסת המעבורת סביב כדור הארץ נקבעים על-פי אופי המשימה המתוכננת. ברוב הטיסות מגיעות המעבורות למסלולים שבין 210 ל-560 ק"מ.

עם סיום המשימות שהוקצו לטיסת המעבורת היא מוכוונת, ע"י מערכת רקטות הניהוג שלה, כך שזנבה מופנה אל כיוון הטיסה. הפעלה קצרה של שני מנועי התמרון-במסלול מאיטה את המהירות המסלולית וגורמת למעבורת להתחיל להנמיך (יציאה ממסלול).

מערכת הניהוג מחזירה את המעבורת למצב טיסה בו חרטום המעבורת מופנה קדימה ומורם בזוית של 40 מעלות ביחס לכיוון ההתקדמות של המעבורת. במצב זה מתחילה המעבורת את הכניסה חזרה לאטמוספרה בגובה של כ-140 ק"מ ובמרחק של כ-8,000 ק"מ מאתר הנחיתה המתוכנן. בשלב זה מהירותה של המעבורת כ-27,200 ק"מ/שעה שהם כ 7.6 ק"מ לשנייה.

עם התקדמות המעבורת לתוך האטמוספרה נוצר חיכוך עצום בין המעבורת לאטמוספרה. מחשב ההנחיה של המעבורת שומר את כיוון המעבורת כך שגחונה של המעבורת סופג את מירב החום הנוצר ע"י מערכת ההגנה בפני חום.

עם ההתקדמות אל תוך האטמוספרה מבצעת המעבורת מספר הטיות ימינה ושמאלה על ציר ההתקדמות שלה. תמרונים אלה משמשים להאטה נוספת של מהירות המעבורת וכן לתיקוני נתיב כדי להביא את המעבורת בצורה מדויקת לגישה למסלול הנחיתה.

מעבורת החלל בעת הנחיתה. ניתן להבחין בפתיחת דשי ההיגוי של מייצב הכיוון האנכי, המסייעים, יחד עם המצנח הפרוש, לבלימת המעבורת על מסלול הנחיתה. צילום: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

כאשר מהירות המעבורת יורדת אל מתחת ל-5 מאך (5 פעמים מהירות הקול, או קרוב ל-6,000 ק"מ לשעה) היא כבר נשלטת במלואה ע"י דשי ההיגוי שבכנפיים ולא ע"י מערכת התמרון-במסלול.

השלב הסופי של הנחיתה דומה מאד לזה של מטוס חסר מנוע: בהתאם למהירות המעבורת ,גובהה ומרחקה נבחר נתיב גלישה שיביא את המעבורת למהירות של בין 360 ל-380 ק"מ/שעה ברגע הנגיעה במסלול הנחיתה. המהירות המדויקת נבחרת בהתאם למשקלה של המעבורת בעת הנחיתה תוך התחשבות במטען הנמצא בתא המטען שלה בשלב זה. בתמונה משמאל נראית מעבורת החלל בעת הנחיתה.

מיד לאחר עצירת המעבורת על מסלול הנחיתה מגיע צוות חילוץ שאנשיו לבושים בחליפות אטומות ומסיכות הגנה. זאת למקרה שיש נזילה של חומרי דלק רעילים הנמצאים על המעבורת. במקרה שמזוהה דליפת חומרים מסוכנים מופעל מאוורר גדול המוצב על משאית ויוצר מערבולות רוח כדי לפזר ריכוזי גזים דליקים או נפיצים ולמנוע סכנת התפוצצות באזור המעבורת. במקביל, מחוברים צינורות אויר לנקודות שונות במעבורת. אויר חם נשאב מתוך המעבורת ומוחלף באוויר קר כדי לסייע לפיזור החום הרב שנבנה בגוף המעבורת בכניסה לאטמוספרה ובגלישה בה במהירות על-קולית.

בהתאם לאופי המשימה, עשויה המעבורת לנחות באחד משני אתרים יעודיים. האחד הוא בבסיס חיל האוויר האמריקני אדווארדס. והשני הוא באחד המסלולים של נמל החלל קנדי, בפלורידה. בנוסף, קיימים אתרי נחיתה חלופיים ביבשת אפריקה וכן בספרד . אך אלו מיועדים לשימוש במקרה של תקלות מסוימות בזמן השיגור בלבד .

במידה ונחתה באדווארדס, עוברת המעבורת סדרת בדיקות ומועמסת על גבו של מטוס בואינג 747 מוסב של נאס"א לטיסה אל מרכז החלל קנדי בפלורידה, ומתחילה בהכנות לטיסתה הבאה.

צפייה במעבורת החלל

כאשר אחת ממעבורות החלל נמצאת במסלול סביב כדור הארץ ניתן להבחין בה בקלות בעין בלתי מצוידת כאשר היא עוברת מעל הצופה בשעות שלאחר השקיעה או לפני הזריחה. אתר המספק תחזית למעברי מעבורת החלל מופיע בקישורים החיצוניים.

ראו גם

הרצאות וידאו

קישורים חיצוניים

קישורים חיצוניים

ספרות מקצועית

מחברים


אסף ברוולד