Antonín Vítek, CSc. (L+K 6/1981)

Družicový stupeň (orbiter) kosmického raketoplánu je nejkomplikovanější částí kosmického transportního systému STS. Velikostí se dá přirovnat k moderním dopravním letadlům; při celkové délce 37 metrů a rozpětí deltovitého křídla 24 m má hmotnost bez pohonných hmot přibližně 68 000 kg. Pouze přední část stupně je přetlaková; v ní je umístěna kabina, která může pojmout sedm osob osádky a v nouzovém případě ještě o tři více. V nákladovém prostoru za kabinou osádky lze umístit užitečné zatížení o hmotnosti 29 500 kg, délce do 18 m a maximálním průměru 5 m.

V motorovém prostoru v zadní části trupu jsou umístěny tři hlavni motory typu Rocketdyne SSME (Space Shuttle Main Engines, jejichž podrobný popis bude otištěn později) na kapalný kyslík a vodík: pohonné hmoty pro ně se skladují v odhazovací nádrži ET (External Tank). Dva velké manévrovací motory systému OMS (Orbital Maneuvring Subsystem) jsou umístěny v kapkovitých modulech, zavěšených po obou stranách svislé ocasní plochy vně motorového prostoru. Slouží k dokončení manévru navádění na oběžnou dráhu, ke změnám oběžné dráhy (např. během setkávacích manévrů s jinými kosmickými tělesy) a k brzdicímu manévru, kterým se zahajuje sestup z oběžné dráhy. Trysky systému řízeni polohy RCS (Reaction Control Subsystem) jsou umístěny jednak v obou modulech OMS, jednak ve zvláštním modulu zabudovaném v přídi družicového stupně. Tyto malé raketové motory slouží jednak k udržování orientace tělesa v prostoru, jednak k jemným změnám oběžné dráhy v závěrečných fázích setkávacích manévrů a konečně pro udržováni polohy v prvních fázích sestupu atmosférou, kdy elevony a kormidlo ještě nestačí plně zabezpečit řiditelnost raketoplánu. Aerodynamické řídicí prvky přebírají plně řízení teprve v hustších vrstvách atmosféry, když rychlost družicového stupně poklesne pod M = 5.

Kabina družicového stupně byla navržena jako kombinace pracovního a obytného prostoru. Vnitřní prostor přetlaková kabiny má objem 71,5 m3 a je rozdělen do tří podlaží. V nejvyšším z nich - na takzvané letové palubě jsou soustředěny všechny ovládací a indikační prvky raketoplánu, sloužící k řízení, ovládáni a sledování stavu systémů jak vlastního družicového stupně, tak celé sestavy STS a případně i nákladu, umístěného v nákladovém prostoru. Na letové palubě mohou být umístěna maximálně čtyři křesla ve dvou řadách. Na prostředním podlaží jsou umístěna v obytném prostoru křesla pro pasažéry, vzduchová propusť, kontejnery s drobným nákladem a v přední části, oddělené stěnou, je zabudována většina elektronického vybaveni družicového stupně. V boční stěně tohoto podlaží je vstupní průlez; v zadní stěně umístěný další průlez umožňuje výstup do nehermetizovaného nákladového prostoru. Přístroje a ovládací prvky na letové palubě jsou seskupeny do čtyř pracovních míst:

1. v přední části jsou dvě místa pro piloty řídící raketoplán v průběhu letu;
2. v zadní části letové paluby jsou další dvě místa:
   1. pro manipulaci s užitečným nákladem
   2. pro řízení spojovacího manévru;
3. místo pro specialistu pro užitečné zatížení při levé boční stěně
4. místo pro palubního inženýra (letového specialistu) při pravé boční stěně.

Místa pilotů jsou organizována podle klasického schématu kapitán letadla-druhý pilot. Všechny hlavní ovládací prvky a přístroje na palubní desce jsou zdvojeny. takže družicový stupeň je možné ovládat z kteréhokoliv sedadla pilotů. V případě nouze může s raketoplánem přistát i jediný člověk. Každý z pilotů má k dispozici ruční řídidla pro rotační a translační manévry, pro ovládání aerodynamické brzdy a nožní řídidla kormidel. Místo pro manipulaci s užitečným zatížením je umístěno u zadní stěny letové paluby, blíže k místu specialisty pro užitečné zatížení. Zde jsou umístěny přístroje a ovládací prvky potřebné k fyzické manipulaci s užitečným zatížením: k jeho vysouvání z nákladového prostoru, k jeho vypouštěni do kosmického prostoru nebo naopak k jeho zachycení a uložení do nákladového prostoru. Odtud bude také v případě potřeby ovládán tříčlánkový dálkový manipulátor (mechanická ruka) o délce 15250 mm, vyrobený v Kanadě. Poslední článek mechanické ruky se může vysunout o dalších 610 mm. Ve standardním vybavení raketoplánu se počítá s jedním takovým manipulátorem, zavěšeným bud u pravých nebo levých dveří nákladového prostoru. Ve speciálních případech, kdy by k manipulaci s nákladem bylo třeba dvou manipulátorů, lze do výbavy přidat i druhý exemplář.

Z místa pro manipulaci s užitečným zatížením se také otevírají a zavírají dveře nákladového prostoru. Manipulaci s nákladem lze vizuálně kontrolovat jednak okénky v zadní stěně nad přístrojovou deskou, jednak pomocí dvou kamer průmyslové televize, umístěných v nákladovém prostoru. Pro práci v zemském stínu je v nákladovém prostoru osvětlení, ovládané také z této palubní desky.

Vlevo od panelu pro manipulaci s užitečným zatížením je ovládací panel setkávacího a spojovacího manévru, pomocí něhož je zajišťováno řízení družicového stupně v závěrečné fázi setkání, ať již s družicí, která má být naložena do nákladového prostoru, nebo někdy v budoucnosti i se samostatně letící družicovou stanicí. Na panelu jsou i nezbytné ovládací prvky řízení letu: řídicí páka rotačních a translačních manévrů.,přepínače volby režimů řízení, umělý horizont a indikátory polohy a rychlosti rotace v klopení a klonění. Z této palubní desky se také ovládá setkávací radiolokátor.

Místo specialisty pro užitečné zatížení je umístěno vlevo vzadu za sedadlem velitele. Specialista má k dispozici výměnný panel o celkové ploše přibližně 2 m2, na němž je možno upevnit přístroje nezbytné ke sledování funkce užitečného zatížení. Mohou zde být např. umístěny přístroje sloužící k poslední prověrce stavu družice před jejím vypuštěním z nákladového prostoru raketoplánu do vesmíru, nebo přístroje zaznamenávající naměřené hodnoty z detektorů vědeckých přístrojů uložených v nákladovém prostoru. Je možné zde na přání zákazníka zabudovat i obrazovku napojenou na palubní počítačový komplex, který může na obrazovce zobrazit předzpracovaná data z užitečného zatížení. Pro tento účel jsou k dispozici standardizované přípojky zdrojů elektrického proudu a přenosu informace (jak povelů, tak naměřených dat). Pro odvod tepla z elektronických přístrojů dodaných uživatelem a zabudovaných do této palubní desky může být vybavení doplněno ventilátorem, ženoucím chladný vzduch do prostoru pod panelem.

Místo letového specialisty je umístěno vpravo za sedadlem druhého pilota. Jsou zde přístroje a ovládací prvky propojení mezi družicovým stupněm a užitečným zatížením, jejichž stav je nezbytné sledovat z hlediska bezpečnosti letu raketoplánu. Do palubní desky umístěné na tomto místě je možné zabudovat unikátní systém výstražné signalizace pro případ havárie užitečného zatížení (např. zkrat, únik pohonných hmot, poškození motoru ap.). Přístroje na palubní desce mohou sledovat stav systému užitečného zatíženi jak v době, kdy je fyzicky napojeno na systémy raketoplánu, tak i po jeho vypuštění z nákladového prostoru do vesmíru. Kromě toho jsou na palubní desce letového specialisty umístěny přístroje pro sledování stavu takových subsystémů družicového stupně, jejichž stav není z hlediska bezpečnosti letu kritický, takže opravný zásah snese jistý odklad (tento panel totiž není dosažitelný ani během startu, ani během přistávání raketoplánu).

Obytný prostor

Prostřední podlaží přetlakové kabiny představuje obytný prostor raketoplánu. Vpravo od vstupního průlezu je umístěno hygienické zařízení vyvinuté na základě zkušeností z programu Skylab, vlevo od vchodu je pak kuchyňský kout. Na čelní stěně, za níž je umístěna většina elektronického vybavení raketoplánu včetně pěti samočinných počítačů, jsou úchytky, k nimž je možné připevnit standardizované kontejnery s předměty denní potřeby, případně s materiály pro vědecké pokusy. V budoucnosti, bude-Ii raketoplánu užíváno k zásobování družicových stanic, se v těchto kontejnerech bude přepravovat drobný kusový náklad. Celkový objem nákladu v kontejnerech může dosahovat až 4,2 m², z čehož 95 % je právě umístěno v tomto podlaží. Konstrukce závěsných bodů povoluje maximální měrnou hmotnost nákladu 480 kg/m³; počítá se střední hustotou 320 kg/m³. Vzhledem k tomu je možné do přetlakové kabiny umístit asi 1350 kg drobného kusového nákladu. Velikost kontejnerů je ovšem omezena velikostí vstupního průlezu.

U stěny proti vstupnímu průlezu jsou I obvykle umístěna lehká demontovatelná lůžka pro odpočinek členů osádky. Část prostoru vpravo vzadu je oddělená a obsahuje bloky elektronické výzbroje raketoplánu.

Uprostřed zadní stěny obytného prostoru je průlez do nákladového prostoru. K tomuto průlezu může být připojena vzduchová propusť, sloužící k výstupu kosmonautů ve skafandru do kosmického prostoru. Tato propusť může být umístěna buď uvnitř obytného prostoru, nebo v nákladovém prostoru, podle toho, kde je třeba ušetřit místo. Vzduchovou propusť tvoří válec s vnitřním průměrem 1600 mm a délkou 2108 mm, se dvěma průlezy tvaru písmene D s minimální světlostí 910 mm. Dva skafandry pro členy osádky jsou uskladněny ve vzduchové propusti. Jsou vybaveny zásobami kyslíku a vody pro dva šestihodinové výstupy do kosmického prostoru, s železnou rezervou (pro případ nutných oprav) na dalších 6 hodin. Vzduchovou propustí je možné transportovat do nákladového prostoru předměty o maximálních rozměrech 450 mm x 450 mm x 1270 mm.

V případě, že v nákladovém prostoru bude umístěna družicová laboratoř Spacelab, bude na průlez v zadní stěně obytného prostoru připojen přestupový tunel do laboratoře a vzduchová propusť bude při montována k odbočce vedoucí z tohoto tunelu.

Klimatizační systém

Podstatná část zařízení klimatizačního systému je umístěna ve spodním podlaží přetlakové kabiny družicového stupně. V případě potřeby je do tohoto prostoru snadný přístup po odstranění podlahových panelů obytného prostoru.

Hlavní úlohou klimatizačního systému je vytváření životních podmínek pro osádku raketoplánu Na rozdíl od předcházejících amerických pilotovaných kosmických lodí se používá atmosféry, která se složením blíží normálnímu vzduchu (viz tab. I.). Dusík je dodáván ze čtyř zásobních tlakových lahví, umístěných v nákladovém prostoru raketoplánu; kyslík bere klimatizační systém z Dewarových nádob, používaných též pro energetický systém. Pro případ havárie je v nákladovém prostoru ještě jedna zásobní tlaková láhev s kyslíkem výlučně pro klimatizaci.

Vedle udržování složení, vlhkosti a teploty ovzduší v kabině osádky má klimatizační systém zajišťovat také odvod tepla z elektronických bloků družicového stupně a chladit užitečné zatížení. K tomu slouží systém radiátorů, umístěných na vnitřní stěně dveří nákladového prostoru. Odpadní teplo z výměníku tepla klimatizačního subsystému kabiny (kde se chladí vzduch) se přenáší vodou přes další výměník do freonového okruhu, který přenáší teplo současně s odpadní tepelnou energií z palivových článků, užitečného zatížení a elektroniky umístěné v motorovém prostoru do radiátorů o celkové efektivní ploše 113 m². V případě potřeby lze plochu radiátorů zvětšit přidáním dalšího modulu zhruba o čtvrtinu.

Během startu a přistání (až do výšky 30 km nad Zemí), kdy jsou dveře nákladového prostoru uzavřeny a radiátory tedy nemohou fungovat, odnímá se teplo z freonové smyčky ve vodním výparníku. Ve výšce pod 30 km a po přistání, dokud není družicový stupeň opět připojen na pozemní klimatizační zdroje, zajišťuje chlazení výparník čpavku.

Nákladový prostor během letu klimatizován není; všechna zařízení jsou přímo vystavena vakuu. Před startem je nákladový prostor profukován z pozemních zdrojů klimatizovaným suchým a bezprašným vzduchem. Přibližně 80 minut před zahájením tankování pohonných hmot je z bezpečnostních důvodů nákladový prostor naplněn suchým dusíkem, který je dodáván až do okamžiku startu. Během navádění na oběžnou dráhu dusík z nákladového prostoru postupně unikne do okolí.

Energetický systém

Elektrický proud pro potřebu systémů družicového stupně i užitečného zatížení vyrábějí tři baterie palivových článků, spalujících kyslík a vodík. Každá baterie je připojena k jednomu ze tří nezávislých rozvodů elektrické energie. Během odběrových špiček jsou v provozu všechny tři baterie a všechny tři rozvody; v obdobích minimálního odběru se jedna baterie odpojuje. Odpojenou baterii je možno nechat pracovat v režimu minimálního výkonu; pak ji lze v případě zvýšení spotřeby proudu okamžitě připojit k síti. V případě, že se předpokládá delší doba s minimální spotřebou proudu, je možné baterii vypojit úplně, aby se šetřily zásoby kyslíku a vodíku. Znovu nastartování palivové baterie (jejíž teplota nesmi nikdy klesnout pod 5 °C, aby nedošlo k jejímu poškozeni) však trvá nejméně 15 minut. Palivové články byly vyvinuty na základě zkušeností z programu Gemini a zejména z programu Apollo. Na rozdíl od předchozích typů mají mít současné články životnost 5000 provozních hodin.

Zásoby kyslíku a vodíku jsou skladovány v kapalném stavu v Dewarových nádobách, připevněných k podlaze nákladového prostoru. Podle nároků na množství elektrické energie lze přidávat k systému moduly s kapacitou odpovídající 840 kWh (viz tab. II.).

Hydraulický systém

Pro hydraulické vychylování spalovacích komor hlavních motorů SSME, pro ovládání elevonů, kormidla, aerodynamických brzdicích klapek, pro posilovače řízení podvozku a pro brzdový okruh na podvozkových kolech je na družicovém stupni k dispozici hydraulický systém, zásobovaný třemi nezávislými turbočerpadly, jejichž pohon obstarávají spalovací turbíny na hydrazin. Každá z nich dává výkon 100 kW. Pracovní tlak na výstupu z čerpadel je 20,7 MPa při dodávce 0,24 m³/min hydraulické kapaliny.

Během letu po oběžné dráze není hydraulický systém v provozu; vedení a zásobníky hydraulické kapaliny jsou však přihřívány z freonové smyčky klimatizačního systému, aby nedošlo k jejich zamrznutí.

Telekomunikační systém

V průběhu prvních letů kosmického raketoplánu obstará spojení s řídicím střediskem systém pozemních stanic. Po vypuštění družic typu TDRS (Tracking and Data Relay Satellite) bude spojení zajištěno retranslací přes tyto družice. Dvě družice zmíněného typu umožní komunikaci s raketoplánem téměř bez přerušeni (na základní dráze ve výši kolem 200 km bude mezera ve spojení při přeletu pásu mezi zeměpisnými délkami 55° v. d. a 95° v. d.).

Spojení je realizováno na pásmu S (přibližně 2 GHz). Kapacita fázově modulované (PSK) přenosové linky na vzestupné větvi je 72 kbit/s (z toho 2 x 32 kbit/s pro fonické spojení a 6,4 kbit/s pro povely pro palubní počítače); na sestupné větvi je přenosová kapacita linky podstatně vyšší, a to 192 kbit/s (2 x 32 kbit/s na fonii a 128 kbit/s pro plusně kódovanou PCM - telemetrii ze systému družicového stupně, časově multiplexovanou s frekvenčně modulovanými telemetrickými údaji z užitečného zatížení). Kromě toho bude k dispozici ještě další frekvenčně modulovaná přenosová linka s kapacitou 5 Mbit/s pro přenos dat ze záznamu, pro televizní přenosy apod.

Družicový stupeň je navíc vybaven telekomunikačním systémem, umožňujícím spojení s vypuštěnými družicemi (předáváni povelů pro jejich navádění na dráhu a pro oživování a příjem telemetrie z vypuštěných těles) a také pro komunikaci s kosmonauty ve skafandrech mimo loď.

Řídicí a navigační systém

Jádrem celého systému je pět univerzálních číslicových počítačů IBM AP-101, každý s pamětí 65 536 slovo délce 32 bity (tj. 256 Kbyte). Čtyři z nich jsou propojeny a vzájemně se v průběhu letu “hlídají”; tím je zajištěna maximální spolehlivost výpočetního systému na palubě. V průběhu výpočtů dochází asi 500krát za sekundu k synchronizaci počítačů a vzájemné kontrole; pokud se některý z počítačů během 4 milisekund nesynchronizuje s ostatními, je od systému odpojen. Výpadek dvou počítačů vyvolá automatické přepnutí na pátý , záložní počítač a letový řád vyžaduje přistání na Zemi při nejbližší příležitosti. Za normálních okolností je pátý počítač k dispozici pro realizaci experimentů během letu.

Programy pro jednotlivé fáze letu jsou uloženy na palubě na magnetické pásce a nahrávají se do paměti počítačů na základě příkazu, který dá osádka z klávesnice. výstupy pro osádku jsou vyvedeny na obrazovkové displeje, umístěné na palubní desce před velitelem a druhým pilotem.

Navigační údaje dostává výpočetní komplex z inerciálních plošin, vybavených detektory hvězd pro autonomní nastavování,gyroskopy pro měření rychlostí rotace podle jednotlivých os a akcelerometry pro měření negravitačních zrychlení. Spolehlivost stanovení orientace má být kolem ± 0,2°; pro uživatele zaručuje NASA přesnost nastavení polohy po dobu jednoho oběhu ± 0,5°. Při požadavku na vyšší přesnost je třeba používat zvláštního stabilizovaného naváděcího systému IPS (Instrument Pointing System).

Pro let v atmosféře má družicový stupeň standardní přístrojové vybavení, včetně mikrovlnného přistávacího systému MLS.

Pro setkání s jinými kosmickými tělesy je raketoplán vybaven setkávacím radarem, jehož dosah je 560 km v případě, že na cílovém tělese je rádiový převáděč. V součinnosti s pozemními stanicemi je možné zajistit i setkání s nespolupracujícími tělesy (např. již nepracující družice, družice jiných států aj.).

Pro všechny fáze letu jsou k dispozici programy pro výpočetní komplex, pomocí nichž je možné realizovat plně automatizovaný průběh letu. Výjimku tvoří jen závěrečná fáze spojení s jiným kosmickým tělesem, která musí být řízena ručně, a kontrola dosednutí na přistávací dráhu v závěru letu. Kosmonauti však mají v každém okamžiku možnost ručního zásahu do řízení. Přitom je možno rozeznat dvě úrovně ručního řízení:

1. řízení přes samočinný počítač (fly-by-wire);
2. řízení s vyřazenou automatikou.

V prvním případě jsou signály z ručních a nožních řídidel zpracovávány počítačem, který generuje výkonné povely pro ovládací prvky (servomotory, ventily, hydraulické prvky). V druhém případě ovládají piloti jednotlivé prvky přímo.

Tabulka I. Parametry klimatizačního systému

Normální kapacita (osobodní) ... 42
Nouzová rezerva (osobodní) ..... 16

Osádka (osob):
- konstrukční návrh ............  3 až 10
- normální provoz ..............  3 až  7
- záchranný provoz .............  6 až 10

Tlak v kabině (kPa)
- celkový ...................... 102
- parciální tlak kyslíku .......  22 ± 2
- parciální tlak dusíku ........  80 ± 2
- v zásobních nádržích N2 ......  20 700
- v zásobních nádržích O2 ......  20 700

Chladicí výkon (kW):
- během startu a přistání ...... 1,8
- na oběžné dráze normální ..... 6,3
- na oběžné dráze rozšířený .... 8,5

Tabulka II. Parametry energetického systému

Počet palivových článků ........  3

Příkon (kW):
- celkový trvalý ............... 14
- celkový ve špičce ............ 24 (nejdéle 15 minut každé 3 hodiny)
- pro experimenty minimálně ....  2
- pro experimenty trvale .......  7
- pro experimenty ve špičce .... 12

Napětí dodávané do rozvodu (V) . 27,5 až 32,5

Kapacita (základní vybavení) (kWh):
- k dispozici .................. 1530
- nouzová rezerva ..............  264

Zásoby pohonných hmot (kg/nádrž):
- kapalný vodík ................   42
- kapalný kyslík ...............  354

[ Obsah | Pilotované lety | STS ]