Obsah > Pilotované lety > Spacelab

Družicová laboratoř


[ Historie projektu | Koncepce | Konstrukce | Systémy | Přehled letů ]

Historie projektu
     Laboratoř Spacelab je nejvýznamnějším mezinárodním projektem
západní kosmonautiky, srovnatelný  rozsahem s programem INTERKOS-
MOS.  Laboratoř  vyvinula  pro  ESA  skupina 40 firem (viz tab.1)
z 10 západoevropských  zemí  (viz tab.2)  pod  vedením firmy ERNO
GmbH  z Brém  v NSR.  Původní dohoda  mezi ESRO  (předchůdce ESA)
a NASA o vývoji Spacelabu byla podepsána v srpnu 1973. Tato doho-
da předpokládala  vývoj laboratoře na účet  ESA a dodávku jednoho
neletového  prototypu a  jednoho letového  exempláře do Spojených
států oplátkou za spoluúčast  na experimentálním využívání Space-
labu.  NASA se  pak zavázal  zakoupit v  Evropě další  letový kus
(program Spacelab  Follow-On Production - FOP)  a dále se podílet
na dalším vývoji (program Spacelab Follow-On Development - FOD).
     Původní  harmonogram  předpokládal  dodání  prototypu  během
roku 1978 a  letového exempláře o  rok později. První  let se měl
uskutečnit  v roce 1980.  V průběhu  počátečního vývoje Spacelabu
došlo ke značným posunům v termínech  - mimo jiné i v souvislosti
se zpožděním vývoje vlastního raketoplánu.



          Hlavní kontraktor a subkontraktoři podílející
                     se na projektu Spacelab
-----------------------------------------------------------------
ERNO Raumfahrttechnik GmbH, NSR  hlavní kontraktor,montáž,zkoušky
Aeritalia, Itálie                konstrukce modulů, termoregulace
Dornier, NSR                     systém zajištění život.podmínek
                                 osádky, plošina IPS
AEG-Telefunken, NSR              energetický systém
Matra, Francie                   řídicí systém
British Aerospace, Velká Brit.   palety
Kampsax, Dánsko                  software
SENER, Španělsko                 pozemní pom.mechanické vybavení
Bell Telephone Mfg, Belgie       pozemní pom.elektrické vybavení
SABCA, Belgie                    podpůrné vybavení (Igloo)
-----------------------------------------------------------------

     Předběžná  oponentura projektu  se uskutečnila  v roce 1976.
Ačkoliv potvrdila správnost  základní koncepce, odhalila současně
množství skrytých problémů, které  zvýšily vývojové náklady přib-
ližně o 50 % i po odečtení vlivu inflace. Nedílnou součástí vývo-
je byl  i projekt ASSESS, simulující  letové podmínky konfigurace
raketoplán/Spacelab. Tento program  přinesl množství cenných poz-
natků, které umožnily lépe využít možností laboratoře Spacelab.
                                  Hlavní oponentura projektu Spa-
                             celab  se  uskutečnila  až  v březnu
Tab.2.                       1978. Výsledkem kladného závěru opo-
Podíly států zúčastněných    nentury byla výroba letového vybave-
  na projektu Spacelab       ní a již v  průběhu roku odeslal vý-
Stát           Podíl         robce do Spojených  států první část
-------------------------    Spacelabu - paletu určenou pro druhý
NSR             53.34 %      zkušební      start      raketoplánu
Itálie          18.00 %      (OSTA-1).   Další  paleta   pro  let
Francie         10.00 %      STS-3 (OSS-1) byla odeslána začátkem
Velká Británie   6.30 %      roku 1979. Během roku 1979 se hlavní
Belgie           4.20 %      kontraktor  věnoval  především komp-
Španělsko        2.80 %      lexním  zkouškám   prototypu,  které
Nizozemí         2.10 %      vcelku dopadly  úspěšně, ale ukázaly
Dánsko           1.50 %      na relativně velké množství technic-
Švýcarsko        1.00 %      kých  problémů, spojených  se sluči-
Rakousko         0.76 %      telností jednotlivých  prvků.
              -----------          Dohoda mezi ESA a NASA o dodá-
               100.00 %      ní druhého letového exempláře Space-
-------------------------    labu  byla podepsána  v lednu  1980.
                             Kontrakt v hodnotě 183 960 000 dola-
                             rů  z roku  1980  (  dnes je  to již
přibližně 300 miliónů dolarů)  zahrnuje dodání jednoduchého modu-
lu, pěti  palet a dalšího pomocného  vybavení. Důležitým mezníkem
historie programu  Spacelab je odeslání prototypu  modulu (EM) do
Spojených států koncem roku 1980,  prvního letového modulu (FU I)
v prosinci  1981 a  druhého letového  modulu (FU  II) v  červenci
1982.
     Celkem ESA dosud dodala do Spojených států pět segmentů tla-
kového modulu (dva segmenty tvoří neletový prototyp), tři komple-
ty základního vybavení modulu Spacelab (jeden neletový), dva kusy
zařízení nazývaného  Igloo, dvanáct kusů palet  a dvě sestavy po-
mocného pozemního vybavení. Dále  ESA dodala množství volitelného
vybavení  pro experimenty  (včetně dvou  kusů orientované plošiny
IPS) a zásobu náhradních dílů.


Koncepce Spacelabu
     Návrh konstruktérů  vychází z požadavku  mnohonásobně využi-
telné a současně maximálně standardizované a modularizované labo-
ratoře. Tato koncepce spolu s parametry nového kosmického doprav-
ního systému  STS (především maximální přetížení  pouze do 3.6 g)
umožňuje výrazně zjednodušit, zlevnit  a zkrátit vývoj experimen-
tálního vybavení. Vědci mohou v takovéto laboratoři v zásadě pou-
žívat běžného komerčního  laboratorního vybavení (bez speciálního
vývoje a testů), pouze při zachování dobré technické úrovně. Kro-
mě toho  je možné díky modulárnímu  pojetí laboratoře vybrat vždy
takovou konfiguraci,  která nejlépe vyhovuje  vědeckým požadavkům
příslušného letu.
     Na rozdíl  od družicových stanic  (Saljut nebo Skylab)  není
laboratoř Spacelab v současném  pojetí schopna samostatného letu.
Zůstává  po celou  dobu letu  v nákladovém  prostoru raketoplánu,
který jí dodává elektrickou energii, odvádí odpadní teplo, zajiš-
ťuje stabilizaci atd. Osádka  ve Spacelabu pouze pracuje, ostatní
činnosti  - spánek,  jídlo,  osobní  hygiena -  budou realizovány
v raketoplánu.


Konstrukce Spacelabu
     Spacelab se skládá ze dvou základních částí :
1. z hermetického modulu, v němž osádka pracuje a v němž je umís-
těna většina pomocných subsystémů a část experimentálního vybave-
ní;
2. z  palet pro umístění přístrojů,  které vyžadují přímý přístup
do kosmického prostoru.
     Hermetický modul je tvořen jedním (tzv. krátký modul o obje-
mu 38 m3) nebo dvěma segmenty (dlouhý modul o objemu 77 m3). Seg-
menty tvoří spolu s kónickým zakončením primární konstrukci modu-
lu.
     Plášť segmentu  je vždy svařen  ze šesti hliníkových  panelů
(slitina 2219-T851) a ze dvou koncových prstenců s přírubou. Hli-
níkové panely mají z  vnitřní strany voštinovou strukturu, zvyšu-
jící jejich  pevnost. Tloušťka panelů  kolísá od 1.6  do 4 mm. Na
každém  segmentu je  umístěn otvor  o průměru  1.3 m, který  může
sloužit jako  průzor nebo vstup pro  vakuovou komoru. Průměr seg-
mentu je 4060 mm a délka 2694 mm.
     Kónické  zakončení je  svařeno ze  sedmi hliníkových  panelů
(slitina stejná jako v předchozím  případě). Ve třech z nich jsou
otvory o průměru 400 mm pro průzory a pro konektory kabeláže spo-
jující raketoplán se Spacelabem (dodávka kyslíku atd.). Na vrcho-
lu kónického  zakončení je umístěna příruba  o průměru 1.3 m (to-
tožná s přírubou používanou na segmentu), na níž lze přišroubovat
šedesáti šrouby  buď tunel pro  spojení Spacelabu s  raketoplánem
nebo hermetický kryt. Délka kónického zakončení je 788 mm.
     Elementy  primární konstrukce  jsou zvnějšku  spojeny celkem
128 šrouby. V nákladovém  prostoru raketoplánu je modul přichycen
pěti úchytkami z titanu (materiál 6Al-4V).
     Za sekundární konstrukci  považujeme všechny nosníky, příčky
a jiné mechanické díly uvnitř  modulu. Tedy podlahu, pomocné pod-
lážky,  skříně pro  experimentální vybavení,  stropní konstrukci.
Podlahu tvoří kostra z hliníkové slitiny, pokrytá demontovatelný-
mi voštinovými panely. Pomocné podlahy lze v případě potřeby pou-
žít k montáži užitečného zatížení mezi podlahou a dnem segmentu.
     "Symbolem" techniky nové etapy kosmických výzkumů jsou skří-
ně  pro experimentální  vybavení (tzv.  rack). Podobné  skříně se
dnes běžně používají v pozemních laboratořích a většina vědeckého
vybavení je  stavěna právě s ohledem  na jejich standardní rozteč
483 mm  (19 palců).  V modulu  Spacelabu se  používá jednoduchých
i dvojitých skříní (o celkové šířce 572 a 1060 mm), jejichž maxi-
mální hloubka je 760 mm.  Ve skříních jsou instalovány standardní
konektory pro připojení ke  zdroji elektrické energie, pro přenos
dat a  povelů, pro chladicí okruh  experimentálního vybavení atd.
V případě potřeby je možno skříň vymontovat a přímo na její místo
upevnit  experimentální  vybavení.   Jednoduchá  skříň  o  objemu
0.9 m3 má nosnost 290 kg užitečného vybavení, dvojitá skříň o ob-
jemu 1.75 m3 má nosnost 580 kg.  V jednom segmentu je umístěno po
třech skříních na každé straně -  vždy dvě dvojité a jedna jedno-
duchá. V prvním segmentu, tzv.  služebním, jsou první dvě dvojité
skříně vyhrazeny pro pomocné subsystémy a řízení laboratoře, zbý-
vající jsou určeny pro užitečné  zatížení. Pokud je Spacelab ses-
taven jako dlouhý modul, je  možno v druhém segmentu - tzv. expe-
rimentálním obsadit všechny skříně přístrojovým vybavením. Uživa-
telé Spacelabu mají kromě toho k dispozici i prostor pod podlahou
v experimentálním segmentu (nosnost 500 kg, objem 2.58 m3) strop-
ní kontejnery  (jeden v případě  krátkého modulu a  osm v případě
dlouhého modulu;  každý po 33.5 kg  a 0.81 m3) a  konečně prostor
v uličce  mezi skříněmi  (1.5 m3 v  krátkém modulu).  Platí ovšem
omezení celkové hmotnosti užitečného  zatížení podle použité kon-
figurace.
     Původní dohoda o vývoji Spacelabu předpokládala výrobu dlou-
hého modulu (tj. dvou segmentů)  v podobě jednoho neletového pro-
totypu a jednoho letového exempláře.  Je samozřejmé, že v případě
potřeby se  druhého segmentu nepoužije. Dodatečná  dohoda z ledna
1980 zahrnuje výrobu ještě jednoho krátkého modulu.
     Kromě modulů jsou součástí laboratoře Spacelab také tzv. pa-
lety pro montáž přístrojů, které  vyžadují instalaci přímo v kos-
mickém prostředí. Tvar palet  připomíná široce rozevřené U. Během
letu jsou palety pokryty zvenčí  i zevnitř panely. Vnitřní panely
mají otvory pro uchycení měřících přístrojů. Šířka palety odpoví-
dá šířce nákladového prostoru raketoplánu (tj. 4350 mm), délka je
2934 mm a  nosnost téměř 3000 kg.  Palety je možno  sestavovat do
skupin  po dvou  nebo po  třech. Pokud  nebude do vesmíru vynášen
hermetický modul,  je v nákladovém  prostoru místo dokonce  až na
pět palet.  Na základě původní dohody  vyrobila firma British Ae-
rospace dvě funkční makety,  pět vývojových modelů, tři prototypy
(jeden neletový a dva letové) a konečně pět letových palet. Doda-
tečný kontrakt z roku 1980  zahrnuje výrobu dalších pěti letových
palet.
     Velkou předností  moderní a neobvyklé  koncepce Spacelabu je
možnost stavebnicovitě  kombinovat moduly i palety  tak, aby bylo
dosaženo  konfigurace  nejlépe  vyhovující  požadavkům uživatelů.
Jestliže raketoplán nenese hermetický modul  a má na palubě pouze
samostatné palety,  musí být v přední  části nákladového prostoru
instalováno pouzdro zvané "iglú", které je dokonale hermetizováno
a obsahuje pomocné subsystémy. V tom případě řídí specialista pro
užitečné zatížení - tedy pro  Spacelab, činnost přístrojů ze sta-
noviště na horní palubě raketoplánu.
     Vybavení  Spacelabu je  rozděleno na  základní a  volitelné.
Základní  systémy jsou  nutnou součástí  Spacelabu pro  každý let
a nemohou  být  vymontovány.  Volitelné  zařízení  zahrnuje např.
skříň pro experimenty, zařízení pro chlazení experimentů, úchytky
pro montáž přístrojů na  palety, generátor střídavého proudu, po-
čítač  pro řízení  práce experimentální  aparatury, jednotky  pro
přenos dat  a povelů, magnetofon pro  záznam dat, televizní moni-
tor, kontejnery,  vakuovou komoru, průzor atd.  Pokud si uživatel
nepřeje použít některé volitelné zařízení, může místo něho insta-
lovat vlastní experimentální vybavení.


Systémy Spacelabu
     V dalších odstavcích se budeme věnovat nejrůznějším funkčním
celkům, potřebným  pro úspěšný provoz Spacelabu  na oběžné dráze.
Achillovou patou nové laboratoře  je závislost na mateřském rake-
toplánu prakticky ve všech důležitých oblastech.

     Služby poskytované Spacelabu raketoplánem.
-----------------------------------------------------------------
- vynesení na oběžnou dráhu a návrat zpět na Zemi
- orientace a stabilizace (přesnost +- 1°)
- spánek, stravování a osobní hygiena osádky (max.4 specialisté)
- úkryt v případě nouzového stavu
- výstup do kosmického prostoru (EVA)
- jedno pracoviště na horní palubě (Aft Flight Deck Station)
- dodávka elektrické energie (max.8 kW)
- odvod přebytečného tepla (max.8 kW)
- dodávka kyslíku
- komunikační vybavení (vysílač, přijímač v pásmu S a Ku)
- magnetopásková paměť pro data (kapacita 3.44*109 bit)
- referenční hodinový signál
-----------------------------------------------------------------


Systém zásobování elektrickou energií
     Systém zásobování  elektrickou energií je  klíčovým systémem
každého umělého  kosmického tělesa. Spacelab  odebírá elektrickou
energii z palivového článku "C" raketoplánu. Část energie je pře-
váděna  na střídavý  proud; v  každé skříni  je instalován  panel
stejnosměrného  proudu  (28 V)  a  střídavého  proudu (115/200 V,
400 Hz).  Celkové   množství  energie  dostupné   Spacelabu  činí
890 kWh. Při  normální činnosti je příkon  Spacelabu 7 kW po dobu
jednoho týdne. Z dodané  energie mohou experimenty čerpat 1.74 kW
až 4.34 kW,  v závislosti na  konfiguraci laboratoře. Při  startu
a přistání je  Spacelabu dodáván pouze 1 kW  a v případě vážnější
poruchy je zaručena havarijní  dodávka alespoň 400 W. Prodloužení
doby  letu nebo  větší spotřeba  elektrické pro  experimenty jsou
možné jen za cenu podstatného  snížení nosnosti, protože je třeba
palivové články zásobit větším  množstvím kapalného kyslíku a vo-
díku.


Systém řízení a kontroly laboratoře
     Řízení a kontrolu činnosti celého Spacelabu spolu s přenosem
dat na Zemi zajišťuje povelový systém. Jeho ústředním členem jsou
procesory odvozené  z řady MITRA 125 firmy  Matra (přesněji z vo-
jenské verze CIMSA 15M). Procesory MITRA 125S využívají ferritové
paměti o  kapacitě přibližně 64 000  slov (tj. 128  kB). Rychlost
procesoru  320 000 operací  za sekundu  a vybavovací  doba paměti
(kratší než 500 ns) jsou značné, přihlédneme-li k jeho fyzikálním
parametrům :   rozměrům   280x190x500 mm   a   hmotnosti  pouhých
30.5 kg.  (Pro zajímavost  je  možné  uvést, že  maďarský počítač
EC 1010  je odvozen  ze stejné  řady jako  tento procesor a proto
jsou programově kompatibilní).
     Na  Spacelabu  pracují  celkem  tři  počítače  s přidruženým
vybavením : jeden je určen k  řízení experimentů, druhý pro kont-
rolu  subsystémů a  třetí je  záložní. Dalšími  částmi povelového
systému  jsou vnější  paměť (digitální  magnetofon) pro  ukládání
programů o kapacitě 16 MB,  tři terminály (barevná grafická obra-
zovka  a  klávesnice),  zařízení  pro  přenos  dat  rychlostí  až
50 Mbit/s,  paměť pro  naměřená data  (opět digitální magnetofon)
o kapacitě 3.8x1010 bitů  a konečně jednotky pro  sběr dat malými
rychlostmi (maximálně 52.5 kbit/s) a pro přenos povelů. Tyto jed-
notky zajišťují interface mezi počítačem a vlastní experimentální
aparaturou. Může jich být zapojeno až  dvacet, z toho osm pro ex-
perimentální účely, a zahrnují  mj. převáděč digitálního signálu,
přenos  povelů,  analogově-číslicový  převodník,  rozvod časového
signálu atd. Mimo  to je na palubě zařízení  pro vzájemné hlasové
spojení uvnitř Spacelabu a raketoplánu (intercom) a televizní ka-
mery s monitorem.
     Uživatel může psát vlastní  programy pro řízení svých exper-
imentů v programovacím jazyku HAL/S  nebo GOAL. HAL/S byl vyvinut
specialisty NASA pro řídicí  software raketoplánu. GOAL je speci-
ální jazyk, používaný pro řízení reálných procesů.


Telekomunikační systém
     Veškeré spojení  Spacelabu se Zemí  je uskutečňováno raketo-
plánem. V pásmu S je zajišťován přenos povelů z řídicího středis-
ka  pro  na  Spacelab,  hlasová  komunikace  a pomalý přenos dat,
v pásmu Ku  přenos videosignálu a rychlý  přenos dat. Telekomuni-
kační systém raketoplánu v  tomto případě využívá soustavy družic
systému TDRSS.


Termoregulační systém
     Hlavním úkolem tohoto systému je odvádění přebytečného tepla
vzniklého činností experimentálního vybavení a přítomností osádky
do radiátoru raketoplánu. Systém  také odstraňuje ze vzduchu pře-
bytečnou vlhkost,  CO2 a udržuje požadovaný  tlak ovzduší (kyslík
je dodáván  z raketoplánu a  dusík je uložen  v samostatné nádrži
vně Spacelabu). Základem systému je  vodní okruh, který je spojen
přes výměníky tepla s  dalšími okruhy. Navazující vzduchový okruh
odvádí teplo  z modulu prostřednictvím  vzduchu, který je  vháněn
rozvody ve stropě  a nasáván otvory v podlaze.  Při přenosu tepla
do vodního okruhu dochází ke kondenzaci nadbytečné vlhkosti. Sou-
částí vzduchového okruhu jsou patrony s LiOH, stejné jako v rake-
toplánu.  Vzduchový okruh  je schopen  odvádět až  2.78 kW tepla.
Další chladicí okruh chladí experimentální vybavení. Do skříní je
zdola vháněn  vzduch, který je  schopen odvést 4.51 kW.  Součástí
termoregulačního systému je i  speciální freonový okruh pro chla-
zení palet.  Kromě toho má  uživatel k dispozici  tepelný výměník
o výkonu 4 kW, zařazený mezi vodním okruhem a speciálním uživate-
lovým okruhem. Celkem může  raketoplán vyzářit do prostoru 8.5 kW
nadbytečného tepla ze Spacelabu.


Systém zajištění životních podmínek osádky
     Také tímto  systémem do značné míry  závislém na chodu před-
chozího  vybavení, je  Spacelab  vázán  na raketoplán.  Systém je
schopen  zajistit dodávku  čistého vzduchu  pod normálním  tlakem
101 300 ˝ 130 Pa průměrně po 52 osobohodin denně (nominální osád-
ku tedy  tvoří 3 kosmonauti).  Složení vzduchu je  stejné jako na
Zemi. Za osoboden se  spotřebuje 0.84 kg kyslíku, jehož parciální
tlak je 22 000 ˝ 170 Pa a vznikne 0.99 kg oxidu uhličitého (maxi-
mální povolený  parciální tlak CO2 je  670 Pa). Největší povolený
únik atmosféry  do vakua je 1.35 kg/den.  Uvnitř Spacelabu je za-
jišťováno proudění vzduchu rychlostí 0.1-0.2 m/s, teplota vzduchu
je volitelná v rozmezí 18-27 °C (v přístrojových skříních smí být
nejvýše 35 °C), rosný bod se pohybuje  mezi 6 a 15 °C, vlhkost je
maximálně  70%. Vzduchové  filtrační zařízení  nepropustí částice
větší než 0.3 mm. Při startu, během  letu i při přistávání je ne-
ustále kontrolně detekován výskyt kouře, příp. vzniku požáru. Ha-
sicí  zařízení je  umístěno ve  skříních i  pod podlahou  modulu.
Osádka  má v  modulu dále  k dispozici  přenosné hasicí přístroje
a kyslíkové masky.
     Je ovšem nutné podotknout, že prostory Spacelabu jsou výluč-
ně prostory pracovními a volný  čas vědečtí pracovníci budou trá-
vit v prostorách raketoplánu.


Další vybavení
     Součástí Spacelabu je i různé pomocné vybavení - např. vaku-
ová  komora,  umožňující  vystavit  aparaturu působení kosmického
prostředí  přímo z  modulu. Komora  má tvar  válce o  průměru 1 m
a výšce také 1 m; může být  umístěna na stropě modulu. Dalším za-
řízením, které lze umístit v  otvoru na vrcholu segmentu, je kva-
litní průzor  pro pohled do kosmického  prostoru (tento průzor je
odvozen z průzoru experimentu S-190A na Skylabu).


              Příklady možností laboratoře Spacelab
-----------------------------------------------------------------
Konfigurace                krátký modul  dlouhý modul  tři palety
                           + tři palety
-----------------------------------------------------------------
Hmotn.užiteč.zatížení [kg]     5500          5500         9100
-----------------------------------------------------------------
Objem pro už.zatížení [m3]
- hermetizovaný                 7.6          22.2           -
- nehermetizovaný              99.8            -          97.1
-----------------------------------------------------------------
Montážní plocha palet [m3]     51.3            -          53.6
-----------------------------------------------------------------
Dodávka el.energie [kW]
- průměrně                   2.7-3.1       3.0-3.5         5.3
- ve špičce                  7.3-7.4       7.6-8.1         9.9
-----------------------------------------------------------------



Pointovaná přístrojová plošina IPS
     Základní orientaci a stabilizaci  Spacelabu v prostoru zaji-
šťuje raketoplán  s přesností +-1°. Při  bližším rozpracování pro-
jektu však vyplynula nutnost zajistit jemnější pointaci některých
přístrojů. Proto byl dodatečně  zadán vývoj univerzální pointační
plošiny. Ta je umístěna na paletě Spacelabu. Může pracovat jak za
plného slunečního  osvětlení, tak ve  stínu. Využívá gyroskopické
inerciální plošiny  s optickými senzory  pro signalizaci odchylky
polohy a pro absolutní nastavení v prostoru. Při stelárních expe-
rimentech pracují tři čidla hvězd, při slunečním výzkumu je jedno
z nich nahrazeno  čidlem Slunce. IPS je  schopen zajistit tříosou
kontrolu polohy aparatury s  přesností řádově jedné úhlové vteři-
ny. Hmotnost experimentálního vybavení přitom může dosahovat hod-
noty až 2000 kg a rozměry až 2x4 m.


Aktualizováno : 16.10.1999

[ Obsah | Pilotované lety | STS ]

Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie z NASA (viz. Using NASA Imagery) a dalších volně přístupných zdrojů.