Bijna zo groot als een McDonnell Douglas DC-9, leek de Space Shuttle orbiter in zijn ontwerp op een vliegtuig, met een standaard ogende romp en twee dubbele deltavleugels, beide vleugels met een hoek van 81 graden aan hun binnenste voorranden en 45 graden aan hun buitenste voorranden. De verticale stabilisator van de orbiter had een voorrand die onder een hoek van 45 graden naar achteren was afgebogen. Er waren vier elevons gemonteerd aan de achterranden van de deltavleugels, en de combinatie van roer en snelheidsrem was bevestigd aan de achterrand van het verticale stabilo. Deze, samen met een beweegbare lichaam flap gelegen onder de hoofdmotoren, controleerde de orbiter tijdens latere stadia van de terugkeer naar de aarde.
Attitude control systemEdit
Het Reaction Control System (RCS) bestond uit 44 kleine vloeistof gevoede raketstuwraketten en hun zeer geavanceerde fly-by-wire flight control systeem, dat gebruik maakte van rekenintensieve digitale Kalman filtering. Dit regelsysteem voerde de gebruikelijke standregeling uit langs de assen pitch, roll en yaw tijdens alle vluchtfasen van lancering, baan om de aarde en terugkeer naar de aarde. Dit systeem voerde ook alle nodige baanmanoeuvres uit, inclusief alle veranderingen in de hoogte van de baan, het baanvlak en de excentriciteit. Dit waren allemaal operaties die meer stuwkracht en impuls vereisten dan louter standregeling.
De voorste raketten van het Reaction Control System, gelegen in de buurt van de neus van de Space Shuttle orbiter, omvatten 14 primaire en twee vernier RCS-raketten. De achterste RCS motoren bevonden zich in de twee Orbital Maneuvering System (OMS) pods aan de achterkant van de orbiter, en deze omvatten 12 primaire (PRCS) en twee vernier (VRCS) motoren in elke pod. Het PRCS systeem zorgde voor de richtingscontrole van de Orbiter, en het VRCS werd gebruikt voor fijn manoeuvreren tijdens de rendez-vous, docking, en undocking manoeuvres met het Internationaal ruimtestation, of voorheen met het Russische Mir ruimtestation. De RCS controleerde ook de houding van de orbiter tijdens het grootste deel van zijn terugkeer in de atmosfeer van de aarde – totdat de lucht dicht genoeg werd dat het richtingsroer, de elevons en de lichaamsklep effectief werden.
De OMS en RCS brandstof van de orbiter is monomethylhydrazine (CH3NHNH2), en de oxidator is dinitrogen tetroxide (N2O4). Deze specifieke stuwstofcombinatie is uiterst reactief en ontbrandt spontaan bij contact (hypergolisch) met elkaar. Deze chemische reactie (4CH3NHNH2 + 5N2O4 → 9N2 + 4CO2 + 12H2O) vindt plaats in de verbrandingskamer van de motor. De reactieproducten worden vervolgens geëxpandeerd en versneld in de motorbel om stuwkracht te leveren. Door hun hypergolische eigenschappen zijn deze twee chemicaliën gemakkelijk te starten en opnieuw te starten zonder ontstekingsbron, waardoor ze ideaal zijn voor ruimtevaart manoeuvreersystemen.
Tijdens het vroege ontwerpproces van de orbiter zouden de voorwaartse RCS stuwraketten verborgen worden onder intrekbare deuren, die zouden openen zodra de orbiter de ruimte zou bereiken. Deze werden weggelaten ten gunste van verzonken stuwraketten uit angst dat de RCS-deuren open zouden blijven zitten en de bemanning en orbiter in gevaar zouden brengen tijdens de terugkeer in de ruimte.
DrukcabineEdit
Het vluchtdek of de cockpit van de orbiter had oorspronkelijk 2.214 bedieningsorganen en displays, ongeveer drie keer zoveel als de Apollo-commandomodule. De bemanningscabine bestond uit het vliegdek, het middendek en de utiliteitsruimte. Het hoogste van deze was het vliegdek, waar de Space Shuttle’s commandant en piloot zaten, met maximaal twee missie specialisten achter hen. Het middendek, dat zich onder het vliegdek bevond, had nog eens drie zitplaatsen voor de rest van de bemanningsleden.
De kombuis, toilet, slaapplaatsen, opbergkasten, en het zijluik om de orbiter in en uit te gaan bevonden zich ook op het middendek, evenals de luchtsluis. De luchtsluis had een extra luik naar het laadruim. Deze luchtsluis maakte het mogelijk voor twee of drie astronauten, die hun Extravehicular Mobility Unit (EMU) ruimtepakken droegen, om de druk te verlagen voor een wandeling in de ruimte (EVA), en ook om de druk te verlagen en de orbiter weer te betreden aan het einde van de EVA.
De utiliteitsruimte bevond zich onder de vloer van het middendek en bevatte lucht- en watertanks in aanvulling op het kooldioxide-wassysteem.
VoortstuwingEdit
Drie Space Shuttle Main Engines (SSME’s) waren gemonteerd op de achterste romp van de orbiter in het patroon van een gelijkzijdige driehoek. Deze drie vloeistof gevoede motoren konden 10,5 graden verticaal en 8,5 graden horizontaal worden gedraaid tijdens de door een raket aangedreven opstijging van de orbiter om de richting van hun stuwkracht te veranderen. Op die manier stuurden ze de hele Space Shuttle en leverden ze raketstuwkracht naar de omloopbaan. De achterste romp bevatte ook drie hulpaggregaten (APU). De APU’s zetten hydrazine brandstof chemisch om van vloeibare in gasvormige toestand, waardoor een hydraulische pomp werd aangedreven die druk leverde voor het hele hydraulische systeem, inclusief het hydraulische subsysteem dat de drie hoofdraketmotoren met vloeibare brandstof aanstuurde, onder gecomputeriseerde vluchtcontrole. De gegenereerde hydraulische druk werd ook gebruikt om alle vluchtbesturingsoppervlakken van de orbiter te besturen (de elevons, het richtingsroer, de snelheidsrem, enz.), om het landingsgestel van de orbiter uit te zetten, en om de umbilicale slangverbindingsdeuren in de buurt van het achterste landingsgestel in te trekken, die de SSME’s van de orbiter voorzagen van vloeibare waterstof en zuurstof uit de externe tank.
Twee Orbital Maneuvering System (OMS) stuwraketten waren gemonteerd in twee afzonderlijke verwijderbare pods op de achterste romp van de orbiter, gelegen tussen de SSME’s en de verticale stabilisator. De OMS-motoren leverden aanzienlijke stuwkracht voor baanmanoeuvres, waaronder het inbrengen in een baan om de aarde, rondcirkelen, overbrengen, rendez-vous, uit de baan halen, afbreken in een baan om de aarde, en eenmaal in de baan afbreken. Bij de lift-off werden twee vaste raket boosters (SRB’s) gebruikt om het voertuig naar een hoogte van ongeveer 140.000 voet te brengen.
Elektrisch vermogenEdit
Elektrisch vermogen voor de subsystemen van de orbiter werd geleverd door een set van drie waterstof-zuurstof brandstofcellen die 28 volt gelijkstroom produceerden en ook werden omgezet in 115 volt 400 Hz AC driefasige elektrische voeding (voor systemen die wisselstroom gebruikten). Deze leverden stroom aan de gehele Shuttle stack (inclusief de SRB’s en ET) vanaf T-minus 3m30s tot aan het einde van de missie. De waterstof en zuurstof voor de brandstofcellen werd bewaard in paren van cryogene opslagtanks in het midden van de romp onder de bekleding van de laadruimte, en een variabel aantal van dergelijke tanks kon worden geïnstalleerd (tot vijf), afhankelijk van de eisen van de missie. De drie brandstofcellen waren in staat om continu 21 kilowatt vermogen op te wekken (of een 15 minuten durende piek van 36 kilowatt), waarbij de orbiter gemiddeld ongeveer 14 kilowatt van dat vermogen verbruikte (waardoor 7 kilowatt overbleef voor de payload).
Daarnaast leverden de brandstofcellen drinkbaar water voor de bemanning tijdens de missie.
ComputersystemenEdit
Het computersysteem van de orbiter bestond uit vijf identieke IBM AP-101 avionica-computers, die redundant de boordsystemen van het voertuig controleerden. De gespecialiseerde HAL/S programmeertaal werd gebruikt voor de orbiter systemen.
Thermische beschermingEdit
De orbiter werd van binnen en van buiten beschermd door Thermal Protection System (TPS) materialen (ontwikkeld door Rockwell Space Systems), van het buitenoppervlak van de orbiter tot het laadruim. Het TPS beschermde tegen de koude van -121 °C (-186 °F) in de ruimte tot de 1.649 °C (3.000 °F) hitte van de terugkeer naar de aarde.
StructuurEdit
De structuur van de orbiter werd voornamelijk gemaakt van aluminiumlegering, hoewel de motor stuwkracht structuur werd gemaakt van titanium legering. In de latere orbiters (Discovery, Atlantis en Endeavour) werd grafiet-epoxy gebruikt in plaats van aluminium in sommige structurele elementen om het gewicht te verminderen. De ramen werden gemaakt van aluminiumsilicaatglas en gesmolten silicaglas, en bestonden uit een intern drukvenster, een 33 mm (1,3 inch) dik optisch venster en een extern thermisch venster. De ramen werden gekleurd met dezelfde inkt die wordt gebruikt om Amerikaanse bankbiljetten te maken.
LandingsgestelEdit
De Space Shuttle orbiter had drie sets landingsgestellen die naar beneden uitkwamen door deuren in het hitteschild. Als gewichtsbesparende maatregel kon het landingsgestel na het uitklappen niet worden ingetrokken. Omdat elk voortijdig uitschuiven van het landingsgestel zeer waarschijnlijk catastrofaal zou zijn geweest (omdat het door de lagen van het hitteschild heen opende), kon het landingsgestel alleen met de hand worden neergelaten, en niet door een automatisch systeem.
Ook moest, omdat de Shuttle op hoge snelheid landde en de landingspoging niet kon afbreken, het landingsgestel elke keer bij de eerste poging betrouwbaar worden uitgeklapt. Het landingsgestel werd ontgrendeld en uitgeklapt door drievoudige redundante hydraulica, waarbij de deuren van het landingsgestel werden bediend door mechanische koppelingen aan de stut van het landingsgestel. Als alle drie de hydraulische systemen er niet in slaagden om de landingsgestel uplocks binnen een seconde na het ontgrendelingscommando te ontgrendelen, werden de vergrendelingshaken automatisch door pyrotechnische ladingen doorgesneden en een set veren ontplooide het landingsgestel.
Tijdens de landing, kon het neuswiel van de Shuttle worden bestuurd met de roerpedalen in de cockpit. Tijdens de bouw van Space Shuttle Endeavour werd een verbeterd neuswielbesturingssysteem ontwikkeld dat een gemakkelijkere en betere neuswielbesturing mogelijk maakte. Na de roll-out van Endeavour werd het systeem geïnstalleerd op de andere shuttles tijdens hun revisies in de vroege jaren 1990.
De Space Shuttle orbiter droeg geen anti-botsingslichten, navigatielichten of landingslichten, omdat de orbiter altijd landde in gebieden die speciaal waren vrijgegeven door zowel de Federal Aviation Administration als de luchtmacht. De orbiter landde altijd op de luchtmachtbasis Edwards (Californië) of op de Kennedy Space Center Shuttle Landing Facility (Florida), behalve STS-3 op de White Sands Space Harbor in New Mexico. Soortgelijke speciale ontruimingen (no-fly zones) waren ook van kracht op potentiële noodlandingsplaatsen, zoals in Spanje en in West-Afrika tijdens alle lanceringen.
Wanneer een orbiterlanding ’s nachts werd uitgevoerd, was de landingsbaan altijd sterk verlicht met licht van schijnwerpers en schijnwerpers op de grond, waardoor landingslichten op de orbiter overbodig waren en ook een onnodige gewichtsbelasting voor de ruimtevlucht. In totaal vonden 26 landingen ’s nachts plaats, de eerste was STS-8 in september 1983.
Markeringen en insignesEdit
Het lettertype dat op de Space Shuttle Orbiter werd gebruikt was Helvetica.
Het prototype van de orbiter Enterprise had oorspronkelijk een vlag van de Verenigde Staten op de bovenkant van de linkervleugel en de letters “USA” in zwart op de rechtervleugel. De naam “Enterprise” in zwart was geschilderd op de deuren van het laadruim net boven het voorste scharnier en achter de bemanningsmodule; op het achtereinde van de deuren van het laadruim was het NASA “worm” logotype in grijs. Onder de achterkant van de deuren van het laadruim aan de zijkant van de romp net boven de vleugel was de tekst “Verenigde Staten” in zwart met een vlag van de Verenigde Staten ervoor.
De eerste operationele orbiter, Columbia, had oorspronkelijk dezelfde markeringen als Enterprise, hoewel de letters “USA” op de rechtervleugel iets groter waren en verder uit elkaar geplaatst. Columbia had ook zwarte tegels die Enterprise niet had op zijn voorste RCS module, rond de cockpit ramen, en op zijn verticale stabilisator. Columbia had ook opvallende zwarte chines op het voorste deel van zijn bovenste vleugeloppervlakken, die geen van de andere orbiters had.
Challenger stelde een aangepast markeringsschema in voor de shuttle vloot dat zou worden geëvenaard door Discovery, Atlantis en Endeavour. De letters “USA” in zwart boven een Amerikaanse vlag werden weergegeven op de linkervleugel, met het NASA “worm” logotype in grijs gecentreerd boven de naam van de orbiter in zwart op de rechtervleugel. Ook was de naam van de orbiter niet aangebracht op de deuren van het laadruim, maar op de voorste romp, net onder en achter de cockpitramen. Dit zou de naam zichtbaar maken wanneer de orbiter in een baan om de aarde werd gefotografeerd met de deuren open. Challenger had ook zwarte tegels op het uiteinde van zijn verticale stabilisator net als Columbia, die de andere orbiters misten.
In 1983, Enterprise had zijn vleugel markeringen veranderd om overeen te komen met Challenger, en de NASA “worm” logotype op het achtereinde van de payload bay deuren werd veranderd van grijs naar zwart. Enkele zwarte markeringen werden toegevoegd aan de neus, cockpit ramen en verticale staart om meer op de vluchtvoertuigen te lijken, maar de naam “Enterprise” bleef op de deuren van het laadruim, omdat het nooit nodig was om ze te openen. Columbia had zijn naam verplaatst naar de voorste romp om overeen te komen met de andere vlucht voertuigen na STS-61-C, tijdens de 1986-88 hiatus toen de shuttle vloot aan de grond werd gehouden na het verlies van Challenger, maar behield zijn oorspronkelijke vleugel markeringen tot de laatste revisie (na STS-93), en zijn unieke zwarte chines voor de rest van zijn operationele leven.
Beginnend in 1998, werden de markeringen van de vluchtvoertuigen gewijzigd om het NASA “gehaktbal”-insigne te incorporeren. Het “worm”-logo, dat het agentschap geleidelijk had afgeschaft, werd verwijderd van de deuren van het laadruim en het “gehaktbal”-insigne werd toegevoegd achter de “Verenigde Staten”-tekst op de onderste achterste romp. Het “meatball” insigne werd ook op de linkervleugel aangebracht, met de Amerikaanse vlag boven de naam van de orbiter, links uitgelijnd in plaats van gecentreerd, op de rechtervleugel. De drie overgebleven vliegtuigen, Discovery, Atlantis en Endeavour, dragen deze markeringen nog steeds als museumstukken. Enterprise werd eigendom van het Smithsonian Institution in 1985 en was niet langer onder controle van NASA toen deze veranderingen werden doorgevoerd, vandaar dat het prototype orbiter nog steeds zijn 1983 markeringen heeft en nog steeds zijn naam heeft op de payload bay deuren.
RetirementEdit
Met het einde van het Shuttle programma, werden plannen gemaakt om de drie overgebleven Space Shuttle orbiters permanent tentoon te stellen. NASA Administrator Charles Bolden kondigde de dispositielocatie van de orbiters aan op 12 april 2011, de 50e verjaardag van de eerste bemande ruimtevlucht en de 30e verjaardag van de eerste vlucht van Columbia. Discovery ging naar het Smithsonian’s Steven F. Udvar-Hazy Center, ter vervanging van Enterprise die werd verplaatst naar het Intrepid Sea, Air & Space Museum in New York City. Endeavour ging naar het California Science Center in Los Angeles en arriveerde op 14 oktober 2012. Atlantis ging naar het Kennedy Space Center Visitor Complex op 2 november 2012. Honderden andere shuttle artefacten zullen worden tentoongesteld in verschillende andere musea en onderwijsinstellingen in de VS.
Een van de Crew Compartment Trainer Flight en mid-deck training hardware is te zien in het National Museum of the U.S. Air Force, terwijl de andere is te zien in het JSC. De Full Fuselage Trainer , die het laadruim en het achterste gedeelte omvat maar geen vleugels, is te zien in het Museum of Flight in Seattle, Washington. De Shuttle Mission Simulator Fixed Base Simulator van de Mission Simulation and Training Facility ging oorspronkelijk naar het Adler Planetarium in Chicago, Illinois maar werd later overgebracht naar het Stafford Air & Space Museum in Weatherford, Oklahoma. De Motion Base Simulator werd overgebracht naar de Texas A&M Aerospace Engineering Department in College Station, Texas, en de Guidance and Navigation Simulator ging naar het Wings of Dreams Aviation Museum in Starke, Florida. NASA stelde ook ongeveer 7.000 TPS tegels ter beschikking aan scholen en universiteiten.