SHUTTLE – Algunos detalles

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La lanzadera espacial Endeavour ya está en su lugar de lanzamiento, plataforma 39-A, donde se está llevando a cabo la puesta a punto final para su lanzamiento el próximo día 13 de Junio con destino a la Estación Espacial Internacional en misión STS-127. Es el vuelo número 32 a dicha estación, y el último de una serie de tres dedicados al ensamblaje del laboratorio japonés Kibo en dicha estación.
Vamos a conocer algunos detalles de este peculiar vehículo espacial, y de las operaciones de lanzamiento y re-entrada, las más complicadas y en las que se han producido los dos únicos percances graves de su historia.
La lanzadera espacial, conocida como “Shuttle”, fue diseñada para transportar personas, satélites u otro tipo de carga desde la tierra al espacio. Es un vehículo espacial reutilizable, como no ha existido ninguno hasta la fecha, más económico y eficiente en comparación con los vehículos que le precedieron (cohetes y cápsulas). La lanzadera espacial, con forma de planeador gigante, es actualmente lo que se conoce como “un ascensor”, es decir, un vehículo espacial especialmente construido que no puede auto-lanzarse con sus medios de propulsión, y que necesita cohetes adicionales para contar con el empuje necesario. Es el único ascensor que a la vez es un planeador de alta tecnología. Consta de cuatro partes: un “orbitador”, dos cohetes impulsores re-utilizables de estado sólido, y un tanque externo de combustible, no re-utilizable. El lanzamiento se hace en posición vertical, formando el conjunto un solo cuerpo del cual se van desprendiendo primero los cohetes y luego el tanque según van progresando las fases del ascenso, para al final dejar solo al vehículo espacial. En el lanzamiento, los 3 motores principales del shuttle entran en acción, alimentados por el combustible del tanque principal, los cuales junto con los cohetes adicionales proporcionan los tres millones de libras (1 libra= 0,45359237 Kilogramos) de empuje necesario para superar la fuerza de atracción gravitacional de la Tierra. Estos 3 motores continúan operando a lo largo de los 8,5 minutos siguientes al lanzamiento, tiempo correspondiente al de vuelo propulsado del shuttle, permitiendo, una vez desprendidos los cohetes laterales, acelerar a la nave desde los 4.828 Km/h hasta los 27.358 Km/h alcanzando la órbita en solo seis minutos.

Según el shuttle va acelerando, los motores principales consumen medio millón de galones del combustible del tanque principal, compuesto por hidrógeno y oxígeno líquidos (1 galón= 3,7854118 litros), siendo por lo tanto vapor de agua lo que sale por el escape. La temperatura en la cámara de combustión puede alcanzar los 3.315 grados.

Los motores pueden acelerarse en un rango del 65 al 109 %, proporcionando un nivel alto de empuje en las fases del despegue y ascenso inicial, y permitiendo reducir este empuje para limitar la aceleración a 3 g durante la fase final de ascenso. Los motores llevan un dispositivo automático para controlar durante el ascenso la “guiñada”, el alabeo y el cabeceo de la nave.

Los cohetes operan en paralelo con los motores principales durante los dos primeros minutos del vuelo, y a una altitud aproximada de 45 Km se separan y descienden en paracaídas al mar, donde son recuperados. Sus motores son los más grandes de combustible sólido hasta ahora desarrollados para vuelos espaciales. Cada cohete lleva más de 450.000 Kg de combustible.

El tanque principal de combustible es la “columna vertebral” del shuttle durante el lanzamiento, proporcionando el combustible para los motores principales y siendo el soporte estructural para el acoplamiento entre los cohetes y la nave. Aproximadamente a los 8,5 minutos de vuelo, a 113 Km de la superficie de la tierra, el tanque es desprendido una vez consumido el combustible, cayendo con una trayectoria planificada para que se desintegre la mayor parte en el contacto con la atmósfera terrestre y que caigan sobre el océano las partes que queden.

El “orbitador”, o shuttle, tiene una forma muy parecida a la de un avión, con muchas partes iguales, excepto en la configuración de los motores. Tiene alas que crean sustentación, con una configuración de doble ala delta para alcanzar el máximo de eficiencia en vuelo a velocidad hipersónica y que le proporciona una buena relación sustentación/resistencia a la hora de aterrizar.

En los motores es donde radica la mayor diferencia con los aviones. Para las maniobras en órbita, usa los dos motores OMS (Orbital Maneuvering System), que le permiten obtener el empuje necesario para mantener y cambiar de órbita, y ejecutar las maniobras de acercamiento para el contacto con la estación espacial u otro vehículo en el espacio. Estos motores los usa también para salir de la órbita al comienzo de la fase de re-entrada en la atmósfera durante el regreso a la Tierra. Los motores RCS (Reaction Control System) son los motores principales, usados para el despegue y también usados durante la primera fase del regreso para mantener los controles de “guiñada”, alabeo y cabeceo.

Cuando la misión ha terminado, se ponen en marcha las operaciones de “vuelta a casa”, preparando la re-entrada en la atmósfera. Hasta este punto, el shuttle lleva una velocidad de aproximadamente 28.000 Km/h a una altura de 150 Km, en órbita estable y con el morro por delante. Debe de frenar la velocidad para proceder a la re-entrada. Para ello, se posiciona con la cola por delante y el vientre de la nave hacia arriba con ayuda de los motores RCS, y se produce el encendiendo de los motores OMS, frenando la velocidad, sacándole de la orbita e iniciando el descenso hacia la parte alta de la atmósfera. Los motores RCS se utilizan una vez más para poner la nave en posición justo antes de la re-entrada, es decir, con el morro hacia delante ligeramente levantado y el vientre para abajo, manteniendo los controles de guiñada, cabeceo y alabeo. Antes de la entrada en la atmósfera densa, se quema todo el contenido de combustible para evitar problemas con el recalentamiento, ya que una vez en la atmósfera el shuttle se va a comportar como un gigantesco planeador. A unos 120 Km de altura, comienza la fase de calentamiento por fricción. En este punto el ángulo de entrada en la atmósfera es entre 30º y 35º, ángulo que permite a la parte inferior del vehículo absorber el calentamiento aerodinámico (hasta 1600 º centígrados) con las losetas de protección ignífuga que lleva. Este ángulo de entrada es crítico, de tal manera que con un ángulo por debajo de 28º la nave “choca” con la atmósfera y “rebota” hacia el espacio, y con un ángulo por encima de 38º se puede desintegrar por recalentamiento. A una altura de aproximadamente de 55 Km. el shuttle lleva una velocidad de unos 10.000 KM/h, (Mach 8), y debe de hace una serie de maniobras en S con el fin de bajar su velocidad. A una altura de 17,5 Km. y una velocidad de Mach 1 ya puede manejarse al aparato usando el timón. Unos 4 minutos antes de aterrizar, los ordenadores de a bordo llevan el aparato hasta la velocidad subsónica (por debajo de la velocidad del sonido). En este punto, se toma el control manual y se hacen las operaciones de aproximación. A 14 Km. de la pista, al aparato vuela a unos 780 Km/h, y a una altitud de 4 Km. y 3,5 Km. de la pista vuela a 665 Km/h con una pendiente de planeo de 22 grados.

Siguiendo con la aproximación, una vez alineado con la pista de aterrizaje continúa con el planeo de descenso en pendiente de 18-20º hasta llevarlo a un ángulo final de 1,5º. A 600 m de altitud, ejecuta la maniobra de “encabritado” que le hace levantar el morro, baja la velocidad y 25 segundos antes de tomar tierra saca el tren de aterrizaje, tocando pista a una velocidad de aproximadamente 400 Km/h. Una vez en tierra, se abre un paracaídas en la cola para ayudar en el frenado.

Referencias:
http://www.nasa.gov/audience/forstudents/9-12/features/F_Aeronautics_of_Space_Shuttle.html
http://www.spaceflight.nasa.gov/shuttle/reference/shutref/events/entry/
Imágenes:
http://www.nasa.gov/centers/ames/research/2007/faq-shuttlereentry.html
http://www.nasa.gov/returntoflight/system/system_SSME.html
http://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/shuttlemissions/sts119/multimedia/gallery/gallery-index.html

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