Ungefähr so groß wie eine McDonnell Douglas DC-9, ähnelte der Space Shuttle Orbiter in seiner Bauweise einem Flugzeug, mit einem Standardrumpf und zwei doppelten Deltaflügeln, die beide an ihren inneren Vorderkanten in einem Winkel von 81 Grad und an ihren äußeren Vorderkanten in einem Winkel von 45 Grad gebogen waren. Das Seitenleitwerk des Orbiters hatte eine Vorderkante, die in einem Winkel von 45 Grad nach hinten gepfeilt war. An den Hinterkanten der Deltaflügel befanden sich vier Höhenruder, und an der Hinterkante des Seitenleitwerks war die Kombination aus Seitenruder und Geschwindigkeitsbremse angebracht. Zusammen mit einer beweglichen Rumpfklappe, die sich unterhalb der Haupttriebwerke befand, steuerten sie den Orbiter in den späteren Phasen des Wiedereintritts.
LageregelungssystemBearbeiten
Das Reaktionskontrollsystem (RCS) bestand aus 44 kleinen flüssigkeitsbetriebenen Raketentriebwerken und ihrem sehr ausgeklügelten Fly-by-Wire-Flugkontrollsystem, das eine rechenintensive digitale Kalman-Filterung verwendete. Dieses Steuerungssystem führte die übliche Lageregelung entlang der Nick-, Roll- und Gierachse während aller Flugphasen des Starts, des Orbits und des Wiedereintritts durch. Dieses System führte auch alle erforderlichen Orbitalmanöver durch, einschließlich aller Änderungen der Höhe, der Bahnebene und der Exzentrizität der Umlaufbahn. All diese Operationen erforderten mehr Schub und Impuls als die reine Lageregelung.
Die vorderen Raketen des Reaktionskontrollsystems, die sich in der Nähe der Nase des Space Shuttle-Orbiters befanden, umfassten 14 Primär- und zwei Vernier-RCS-Raketen. Die hinteren RCS-Triebwerke befanden sich in den beiden OMS-Gondeln (Orbital Maneuvering System) im hinteren Teil des Orbiters und umfassten 12 Primär- (PRCS) und zwei Vernier-Triebwerke (VRCS) in jeder Gondel. Das PRCS-System sorgte für die Steuerung der Ausrichtung des Orbiters, während das VRCS für Feinmanöver während der Rendezvous-, Andock- und Abdockmanöver mit der Internationalen Raumstation bzw. früher mit der russischen Raumstation Mir verwendet wurde. Das RCS kontrollierte auch die Lage des Orbiters während des größten Teils seines Wiedereintritts in die Erdatmosphäre – bis die Luft so dicht wurde, dass Ruder, Höhenruder und Rumpfklappe wirksam wurden.
Der OMS- und RCS-Treibstoff des Orbiters ist Monomethylhydrazin (CH3NHNH2), und der Oxidator ist Distickstofftetroxid (N2O4). Diese besondere Treibstoffkombination ist extrem reaktiv und entzündet sich spontan bei Kontakt (hypergolisch) miteinander. Diese chemische Reaktion (4CH3NHNH2 + 5N2O4 → 9N2 + 4CO2 + 12H2O) findet in der Brennkammer des Motors statt. Die Reaktionsprodukte werden dann in der Triebwerksglocke expandiert und beschleunigt, um Schub zu erzeugen. Aufgrund ihrer hypergolischen Eigenschaften lassen sich diese beiden Chemikalien leicht starten und wieder starten, ohne dass eine Zündquelle benötigt wird, was sie zu idealen Manövriersystemen für Raumfahrzeuge macht.
Während des frühen Entwurfsprozesses des Orbiters sollten die vorderen RCS-Triebwerke unter einziehbaren Türen versteckt werden, die sich öffnen würden, sobald der Orbiter den Weltraum erreicht. Diese wurden zugunsten von bündig eingebauten Triebwerken weggelassen, weil man befürchtete, dass die RCS-Türen offen bleiben und die Besatzung und den Orbiter beim Wiedereintritt gefährden würden.
DruckkabineBearbeiten
Das Flugdeck oder Cockpit des Orbiters hatte ursprünglich 2.214 Bedienelemente und Anzeigen, etwa dreimal so viele wie das Apollo-Kommandomodul. Die Mannschaftskabine bestand aus dem Flugdeck, dem Mitteldeck und dem Versorgungsbereich. Das oberste dieser Decks war das Flugdeck, in dem der Kommandant und der Pilot des Space Shuttle saßen, mit bis zu zwei Missionsspezialisten hinter ihnen. Im Mitteldeck, das sich unterhalb des Flugdecks befand, gab es drei weitere Sitze für die übrigen Besatzungsmitglieder.
Auf dem Mitteldeck befanden sich auch die Kombüse, die Toilette, die Schlafplätze, die Stauräume und die Seitenluke für den Ein- und Ausstieg aus dem Orbiter sowie die Luftschleuse. Die Luftschleuse hatte eine zusätzliche Luke zum Nutzlastraum. Diese Luftschleuse ermöglichte es zwei oder drei Astronauten, die ihre Raumanzüge der Extravehicular Mobility Unit (EMU) trugen, vor einem Weltraumspaziergang (EVA) den Druck abzulassen und nach Beendigung des EVA den Druck wieder aufzubauen und den Orbiter wieder zu betreten.
Der Versorgungsbereich befand sich unter dem Boden des Mitteldecks und enthielt neben dem Kohlendioxid-Waschsystem auch Luft- und Wassertanks.
AntriebBearbeiten
Drei Space-Shuttle-Haupttriebwerke (SSMEs) waren am hinteren Rumpf des Orbiters in Form eines gleichseitigen Dreiecks angebracht. Diese drei flüssigkeitsbetriebenen Triebwerke konnten während des raketengetriebenen Aufstiegs des Orbiters um 10,5 Grad vertikal und 8,5 Grad horizontal geschwenkt werden, um die Richtung ihres Schubs zu ändern. So steuerten sie das gesamte Space Shuttle und sorgten für den Raketenschub in die Umlaufbahn. Der hintere Rumpf beherbergte auch drei Hilfstriebwerke (APU). Die APUs wandelten den Hydrazintreibstoff chemisch von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand um und trieben eine Hydraulikpumpe an, die das gesamte Hydrauliksystem mit Druck versorgte, einschließlich des hydraulischen Subsystems, das die drei flüssigkeitsbetriebenen Haupttriebwerke unter computergesteuerter Flugkontrolle steuerte. Der erzeugte Hydraulikdruck wurde auch zur Steuerung aller Flugsteuerungsflächen des Orbiters (Höhenruder, Seitenruder, Geschwindigkeitsbremse usw.), zum Ausfahren des Fahrwerks des Orbiters und zum Einfahren der in der Nähe des hinteren Fahrwerks befindlichen Nabelschlauchanschlüsse verwendet, die die SSMEs des Orbiters mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff aus dem externen Tank versorgten.
Zwei OMS-Triebwerke (Orbital Maneuvering System) waren in zwei separaten, abnehmbaren Gondeln am hinteren Rumpf des Orbiters montiert, die sich zwischen den SSMEs und dem vertikalen Stabilisator befanden. Die OMS-Triebwerke lieferten einen beträchtlichen Schub für die Orbitalmanöver, einschließlich Einschwenken, Kreisen, Transfer, Rendezvous, Deorbit, Abbruch der Umlaufbahn und Abbruch nach dem Umlauf. Beim Abheben wurden zwei Feststoffraketen (SRBs) verwendet, um das Fahrzeug auf eine Höhe von etwa 140.000 Fuß zu bringen.
Elektrische EnergieEdit
Die elektrische Energie für die Subsysteme des Orbiters wurde von drei Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen geliefert, die 28 Volt Gleichstrom erzeugten und auch in 115 Volt 400 Hz Drehstrom umgewandelt wurden (für Systeme, die Wechselstrom verwendeten). Diese versorgten den gesamten Shuttle-Stack (einschließlich der SRBs und ET) von T-minus 3m30s bis zum Ende der Mission mit Strom. Der Wasserstoff und Sauerstoff für die Brennstoffzellen wurde in zwei kryogenen Speichertanks in der Rumpfmitte unter der Auskleidung der Nutzlastbucht aufbewahrt, und je nach den Erfordernissen der Mission konnte eine unterschiedliche Anzahl solcher Tanks installiert werden (bis zu fünf). Die drei Brennstoffzellen waren in der Lage, kontinuierlich 21 Kilowatt Leistung zu erzeugen (oder einen 15-minütigen Spitzenwert von 36 Kilowatt), wobei der Orbiter im Durchschnitt etwa 14 Kilowatt dieser Leistung verbrauchte (wobei 7 Kilowatt für die Nutzlast übrig blieben).
Zusätzlich versorgten die Brennstoffzellen die Besatzung während der Mission mit Trinkwasser.
ComputersystemeEdit
Das Computersystem des Orbiters bestand aus fünf identischen IBM AP-101 Avionik-Computern, die die Bordsysteme des Fahrzeugs redundant steuerten. Für die Orbitersysteme wurde die spezielle Programmiersprache HAL/S verwendet.
WärmeschutzEdit
Die Orbiter waren innen und außen, von der Außenfläche des Orbiters bis zur Nutzlastbucht, durch Materialien des Thermal Protection System (TPS) geschützt (entwickelt von Rockwell Space Systems). Das TPS schützte den Orbiter vor der Kälte von -121 °C im Weltraum und der Hitze von 1.649 °C beim Wiedereintritt.
StrukturBearbeiten
Die Struktur des Orbiters bestand hauptsächlich aus einer Aluminiumlegierung, obwohl die Schubstruktur des Triebwerks aus einer Titanlegierung hergestellt wurde. Bei den späteren Orbitern (Discovery, Atlantis und Endeavour) wurde Aluminium in einigen Strukturelementen durch Graphitepoxid ersetzt, um Gewicht zu sparen. Die Fenster bestanden aus Aluminiumsilikatglas und Quarzglas und umfassten eine interne Druckscheibe, eine 33 mm dicke optische Scheibe und eine externe Wärmeschutzscheibe. Die Fenster wurden mit der gleichen Tinte eingefärbt, die auch für die Herstellung amerikanischer Banknoten verwendet wird.
FahrwerkBearbeiten
Der Space Shuttle Orbiter hatte drei Sätze Fahrwerke, die durch Türen im Hitzeschild nach unten ragten. Um Gewicht zu sparen, konnte das Fahrwerk nach dem Ausfahren nicht wieder eingefahren werden. Da ein vorzeitiges Ausfahren des Fahrwerks höchstwahrscheinlich katastrophale Folgen gehabt hätte (da es sich durch die Hitzeschildschichten öffnete), konnte das Fahrwerk nur durch manuelle Steuerung und nicht durch ein automatisches System ausgefahren werden.
Da das Shuttle mit hoher Geschwindigkeit landete und den Landeversuch nicht abbrechen konnte, musste das Fahrwerk jedes Mal beim ersten Versuch zuverlässig ausfahren. Das Fahrwerk wurde durch eine dreifach redundante Hydraulik entriegelt und ausgefahren, wobei die Fahrwerksklappen durch mechanische Verbindungen zur Fahrwerksstrebe betätigt wurden. Wenn alle drei Hydrauliksysteme die Fahrwerksverriegelungen nicht innerhalb einer Sekunde nach dem Auslösebefehl lösten, wurden die Verriegelungshaken automatisch durch pyrotechnische Ladungen durchtrennt und das Fahrwerk durch einen Satz Federn ausgefahren.
Während der Landung konnte das Bugrad des Shuttles mit den Ruderpedalen im Cockpit gesteuert werden. Während des Baus des Space Shuttle Endeavour wurde ein verbessertes Bugradsteuerungssystem entwickelt, das eine einfachere und bessere Bugradsteuerung ermöglichte. Nach der Inbetriebnahme der Endeavour wurde das System bei der Überholung der anderen Raumfähren Anfang der 1990er Jahre installiert.
Der Space Shuttle Orbiter trug keine Antikollisionslichter, Navigationslichter oder Landelichter, da der Orbiter immer in Gebieten landete, die sowohl von der Federal Aviation Administration als auch von der Air Force speziell freigegeben worden waren. Der Orbiter landete immer entweder auf der Edwards Air Force Base (Kalifornien) oder auf der Shuttle Landing Facility des Kennedy Space Center (Florida), mit Ausnahme von STS-3 auf dem White Sands Space Harbor in New Mexico. Ähnliche Sonderfreigaben (Flugverbotszonen) galten auch an potentiellen Notlandeplätzen, wie in Spanien und in Westafrika bei allen Starts.
Wenn eine Orbiterlandung bei Nacht durchgeführt wurde, war die Landebahn immer stark mit Licht von Flutlichtern und Scheinwerfern am Boden beleuchtet, was Landelichter am Orbiter überflüssig machte und auch eine unnötige Gewichtsbelastung für die Raumfahrt bedeutete. Insgesamt fanden 26 Landungen bei Nacht statt, die erste war STS-8 im September 1983.
Markierungen und AbzeichenBearbeiten
Die auf dem Space Shuttle Orbiter verwendete Schriftart war Helvetica.
Der Orbiter-Prototyp Enterprise hatte ursprünglich eine Flagge der Vereinigten Staaten auf der Oberseite des linken Flügels und die Buchstaben „USA“ in Schwarz auf dem rechten Flügel. Der Name „Enterprise“ war in schwarzer Farbe auf die Türen der Nutzlastbucht direkt über dem vordersten Scharnier und hinter dem Besatzungsmodul gemalt; am hinteren Ende der Türen der Nutzlastbucht befand sich der NASA-Schriftzug „Wurm“ in grauer Farbe. Unter der Rückseite der Nutzlasttüren an der Rumpfseite direkt über der Tragfläche befand sich der Schriftzug „United States“ in schwarzer Farbe mit einer Flagge der Vereinigten Staaten davor.
Der erste einsatzfähige Orbiter, Columbia, hatte ursprünglich die gleichen Markierungen wie die Enterprise, obwohl die Buchstaben „USA“ auf der rechten Tragfläche etwas größer waren und einen größeren Abstand hatten. Die Columbia hatte außerdem schwarze Kacheln, die bei der Enterprise am vorderen RCS-Modul, um die Cockpitfenster und am Seitenleitwerk fehlten. Die Columbia hatte außerdem markante schwarze Kacheln am vorderen Teil ihrer oberen Tragflächen, was bei keinem der anderen Orbiter der Fall war.
Challenger führte ein modifiziertes Kennzeichnungsschema für die Shuttle-Flotte ein, das von Discovery, Atlantis und Endeavour übernommen wurde. Die Buchstaben „USA“ in schwarzer Schrift über einer amerikanischen Flagge waren auf dem linken Flügel zu sehen, der NASA-Schriftzug „Wurm“ in grauer Schrift zentriert über dem Namen des Orbiters in schwarzer Schrift auf dem rechten Flügel. Außerdem war der Name des Orbiters nicht auf den Türen der Nutzlastbucht, sondern auf dem vorderen Rumpf direkt unter und hinter den Cockpitfenstern eingraviert. Dadurch wurde der Name sichtbar, wenn der Orbiter in der Umlaufbahn mit geöffneten Türen fotografiert wurde. Challenger hatte auch schwarze Kacheln an der Spitze des Seitenleitwerks, ähnlich wie Columbia, was den anderen Orbitern fehlte.
Im Jahr 1983 wurden die Flügelmarkierungen der Enterprise geändert, um mit denen der Challenger übereinzustimmen, und der „Wurm“-Schriftzug der NASA am hinteren Ende der Nutzlasttüren wurde von grau in schwarz geändert. An der Nase, den Cockpitfenstern und dem Seitenleitwerk wurden einige schwarze Markierungen angebracht, um eine größere Ähnlichkeit mit den Flugkörpern zu erreichen, aber der Name „Enterprise“ blieb auf den Türen der Nutzlastbucht, da es nie notwendig war, sie zu öffnen. Der Name der Columbia wurde nach STS-61-C auf den vorderen Rumpf verlegt, um mit den anderen Flugkörpern übereinzustimmen, und zwar während der Lücke von 1986-88, als die Shuttle-Flotte nach dem Verlust der Challenger am Boden lag, aber sie behielt ihre ursprüngliche Flügelmarkierung bis zu ihrer letzten Überholung (nach STS-93) und ihre einzigartigen schwarzen Rippen für den Rest ihrer Betriebszeit.
Ab 1998 wurden die Markierungen der Flugkörper geändert, um die NASA-„Fleischkugel“-Insignien zu integrieren. Der „Wurm“-Schriftzug, den die Behörde abgeschafft hatte, wurde von den Nutzlasttüren entfernt, und das „meatball“-Zeichen wurde hinter dem „United States“-Schriftzug auf dem unteren hinteren Rumpf angebracht. Das „meatball“-Zeichen wurde auch auf dem linken Flügel angebracht, während die amerikanische Flagge über dem Namen des Orbiters linksbündig und nicht zentriert auf dem rechten Flügel zu sehen war. Die drei überlebenden Raumfahrzeuge, Discovery, Atlantis und Endeavour, tragen diese Kennzeichnungen noch immer als Museumsstücke. Die Enterprise ging 1985 in den Besitz der Smithsonian Institution über und stand nicht mehr unter der Kontrolle der NASA, als diese Änderungen vorgenommen wurden. Daher trägt der Orbiter-Prototyp noch immer seine Markierungen von 1983 und seinen Namen auf den Türen der Nutzlastbucht.
AusmusterungBearbeiten
Mit dem Ende des Shuttle-Programms wurden Pläne gemacht, die drei verbleibenden Space Shuttle-Orbiter dauerhaft auszustellen. NASA-Administrator Charles Bolden gab den Standort der Orbiter am 12. April 2011 bekannt, dem 50. Jahrestag des ersten bemannten Raumflugs und dem 30. Jahrestag des Erstflugs der Columbia. Die Discovery ging an das Steven F. Udvar-Hazy Center des Smithsonian und ersetzte die Enterprise, die in das Intrepid Sea, Air & Space Museum in New York City gebracht wurde. Endeavour ging an das California Science Center in Los Angeles, wo sie am 14. Oktober 2012 ankam. Atlantis wurde am 2. November 2012 in den Besucherkomplex des Kennedy Space Center gebracht. Hunderte von anderen Shuttle-Artefakten werden in verschiedenen anderen Museen und Bildungseinrichtungen in den USA ausgestellt.
Einer der Crew Compartment Trainer Flight und Mid-Deck Training Hardware ist im National Museum of the U.S. Air Force ausgestellt, während der andere im JSC zu sehen ist. Der Full Fuselage Trainer, der die Nutzlastbucht und den hinteren Teil, aber keine Tragflächen enthält, ist im Museum of Flight in Seattle, Washington, ausgestellt. Der Shuttle Mission Simulator Fixed Base Simulator der Mission Simulation and Training Facility ging ursprünglich an das Adler Planetarium in Chicago, Illinois, wurde aber später an das Stafford Air & Space Museum in Weatherford, Oklahoma, übergeben. Der Motion Base Simulator wurde dem Texas A&M Aerospace Engineering Department in College Station, Texas, übergeben, und der Guidance and Navigation Simulator ging an das Wings of Dreams Aviation Museum in Starke, Florida. Die NASA stellte außerdem etwa 7.000 TPS-Kacheln für Schulen und Universitäten zur Verfügung.