Flota de Transbordadores

transbordador

El transbordador espacial Columbia (Designación NASA: OV-102) fue el primero de los transbordadores espaciales de la NASA en cumplir misiones fuera de la Tierra. Fue lanzado por primera vez el 12 de abril de 1981, y terminó su existencia al destruirse al reentrar a la atmósfera el 1 de febrero de 2003 llevando consigo a sus siete tripulantes.

El transbordador espacial Challenger (designación NASA: OV-099) fue el segundo orbitador del programa del transbordador espacial en entrar en servicio. Su primer vuelo se realizó el 4 de abril de 1983, y completó nueve misiones antes de desintegrarse a los 73 segundos de su lanzamiento en su décima misión, el 28 de enero de 1986, causando la muerte a sus siete tripulantes. El Challenger fue reemplazado por el transbordador espacial Endeavour que voló por primera vez en 1992, seis años después del accidente.

El transbordador espacial Discovery (designación NASA: OV-103) Su primera misión fue el 30 de Agosto de 1984 y la última fue el 24 Febrero 2011, el Discovery fue una de las tres naves que más permanecieron en la flota de transbordadores espaciales de la NASA, junto con el Atlantis y el Endeavour. El Discovery era el tercer transbordador operativo y el más antiguo que continuaba en servicio. Realizó misiones sobre investigación y montaje de la Estación Espacial Internacional y fue el transbordador encargado de lanzar el telescopio espacial Hubble.

El transbordador espacial Atlantis (designación NASA: OV-104) Su primera misión fue el 3 de Octubre 1985 y su última misión fue el 8 de julio del 2011, fue el cuarto transbordador operativo en ser construido. Tras la destrucción de los transbordadores Challenger y Columbia, es uno de los tres transbordadores completamente operativos de la flota.

También se trata del último de los transbordadores en ser retirado, tras su misión STS-135, la última misión de servicio para el telescopio espacial Hubble.

El transbordador espacial Endeavour (designación NASA: OV-105) es el quinto y más reciente transbordador espacial construido por la NASA.

La construcción del Endeavour comenzó en 1987 para reemplazar al Challenger, que se perdió en un accidente en 1986.

En su construcción se usaron recambios de los transbordadores Discovery y Atlantis. La decisión de construir el Endeavour, se prefirió al reacondicionamiento del Enterprise por ser más barato.

El Endeavour se lanzó por primera vez el 7 de Mayo de 1992 y su primera misión consistió en capturar y volver a poner en órbita un satélite de comunicaciones averiado.

En 1993 hizo su primera misión de servicio al Telescopio Espacial Hubble. El Endeavour fue retirado del servicio en 1997 durante 8 meses para una readaptación, que incluyó la instalación de un nuevo sistema de aire comprimido. En diciembre de 1998, entregó el módulo Unity a la Estación Espacial Internacional, su última misión fue el 16 de Mayo de 2011

El Transbordador tiene dos fuentes de combustible: el Tanque Externo y dos Cohetes Aceleradores Sólidos, en inglés Solid Rocket Boosters (SRB). El orbitador también almacena combustibles hipergólicos que son usados durante la estadía en el espacio.

El impulso combinado es tal que en un lapso de 0 a 8,5 s el Transbordador alcanza una velocidad de 250 m/s (900 km/h). Esto equivale a unos 3 G, es decir, más de 3 veces la fuerza ejercida por la tierra.

El Tanque externo

El Tanque externo llega hasta el Edificio de Ensamblaje de Vehículo en una enorme barca. Una vez en esta instalación, es procesado y colocado en posición vertical para ser unido al orbitador.

El Tanque Externo es el elemento más grande y más pesado del transbordador espacial. Además de alimentar a los tres motores principales del Orbitador, el Tanque cumple la función de espina dorsal del Transbordador al absorber las cargas de empuje durante el lanzamiento. Es eyectado a los 10 s del apagado de los motores principales del transbordador, reentrando en la atmósfera terrestre e impactando sobre el océano índico o pacífico, en función del tipo de misión. No es reutilizable.

En las dos primeras misiones iba pintado de blanco pero a partir de la STS-3 dejó de pintarse para reducir peso. Desde entonces presenta ese color naranja tan característico

Los motores principales

Posee tres, y proveen del empuje necesario para alcanzar la velocidad orbital. Los motores principales están ubicados en la parte inferior del orbitador y antes de ser instalados en el mismo han de haber pasado por una prueba de encendido en el Centro Espacial Dennis en Misisipi de donde son transportados en camión hasta el edificio de ensamblaje del vehículo.

Los motores miden unos 4,2 m de altura y cada uno pesa unas 2 t. La potencia que producen es tremenda: 12 millones de CV de potencia, lo necesario para proveer de energía a 10 000 hogares. El elemento principal de los motores es la turbobomba la cual se encarga de alimentar de propelente a la cámara de combustión. La potencia de la turbobomba también es descomunal, ya que con sólo el tamaño de un motor V-8 tiene la fuerza de 28 locomotoras, por lo que si llegara a explotar enviaría una columna de hidrógeno a 58 km a la redonda. Cuando se enciende, la turbobomba consume 1 t/s de combustible.



Los motores principales utilizan LOX y LH2 que se encienden en la cámara de combustión que no mide más de 25 cm de diámetro a una temperatura de 3 300 °C lo que le da una gran presión. Una vez que son liberados, los gases calientes son expulsados por la tobera. Después de la separación de los boosters, los motores principales siguen encendidos por varios minutos. Los motores principales son reutilizables para 55 despegues y operan con un rendimiento máximo de 104%.

El transbordador espacial usa el cohete de propulsión sólida más grande del mundo. Cada cohete acelerador contiene 453 600 kg de propelente en la forma de una sustancia sólida de consistencia similar a la goma de borrar. El Cohete Acelerador Sólido (SRB) tiene cuatro secciones centrales que contienen el propelente. La parte superior tiene un hueco en forma de estrella que se extiende hasta dos tercios hacia abajo hasta tomar la forma de un cilindro. Cuando entran en ignición todas las superficies expuestas reaccionan violentamente proveyendo el impulso necesario. Una vez que entran en ignición, no es posible su apagado. Debido a la forma de estrella del segmento superior, la eficiencia de impulso es mucho mayor que con una forma cilíndrica.

Después de proveer un empuje equivalente a un tercio del total, los SRB se separan a los 2:12 min de vuelo. Caen en el océano Atlántico, con ayuda de unos paracaídas, de donde son rescatados y posteriormente reutilizados.

Propelentes

El combustible utilizado por el transbordador espacial proviene del Tanque Externo y de los cohetes aceleradores o también conocidos como Boosters. El propelente empleado en los boosters es perclorato de amonio y tiene una consistencia sólida; respecto al Tanque Externo, aquí sucede lo contrario ya que está dividido en dos tanques el superior contiene oxígeno líquido (LOX) y el segundo tanque contiene hidrógeno líquido (LH2) los cuales se mezclan en la cámara de combustión de los motores principales del transbordador espacial proveyendo la combustión.

Una característica importante de los combustibles es su impulso específico, el cual es utilizado para medir la eficiencia de los propelentes de los cohetes en términos de segundos. Cuanto más alto es el número, más “caliente” es el propelente.

La NASA utiliza cuatro tipos de propelentes: petróleo, criogénicos, hipergólicos y sólidos.

El petróleo es en realidad un tipo de kerosén similar al quemado en las lámparas y estufas. Sin embargo, en este caso se trata de un tipo llamado RP-1 (Petróleo Refinado) que es quemado con oxígeno líquido (oxidante) para proveer de impulso. El RP-1 sólo se utiliza en los cohetes Delta, Atlas-Centauro y también fue utilizado en las primeras etapas del Saturn IB y el Saturn 5.

En el programa del Transbordador no se utiliza el petróleo, salvo para etapas de satélites. En el despegue, el transbordador espacial utiliza el tipo criogénico y sólido, mientras que en órbita hace uso de los tipos hipergólicos.

Criogénicos

Los motores criogénicos se basan en la unión de oxígeno líquido (LOX), que es utilizado como oxidante, e hidrógeno líquido (LH2) que es el combustible. El LOX permanece en estado líquido a –183 °C y el LH2 a –253 °C.

En su estado gaseoso, el oxígeno y el hidrógeno tienen densidades tan bajas que serían necesarios enormes tanque para su almacenamiento, por ello deben ser enfriados y comprimidos para ser almacenados en los tanques de los cohetes. Debido a la continua tendencia de los criogénicos a volver a su estado natural, es decir, gaseoso, su uso es menos frecuente en los cohetes militares debido a que éstos deben permanecer en las bases de lanzamiento por largos períodos de tiempo.

A pesar de las dificultades que acarrean para su almacenamiento, la combinación LOX-LH2 tiene una gran eficiencia. El hidrógeno tiene una potencia un 40% mayor que otros combustibles siendo muy ligero con una densidad de 0,071 g/cm3. El oxígeno es 16 veces más denso alcanzando 1,14 g/cm3 de densidad.

Los motores de alta eficiencia a bordo del orbitador utilizan hidrógeno y oxígeno líquido logrando un impulso específico de 455 segundos, lo cual es un gran avance respecto a los motores F-1 del Saturno 5, que llegaban a 260 s. Las células de combustible a bordo del orbitador usan estos dos líquidos para producir energía eléctrica en un proceso conocido como electrólisis inversa. La quema del LOX con LH2 se produce sin producir gases tóxicos dejando sólo como subproducto vapor de agua.

Los hipergólicos son combustibles y oxidantes que entran en ignición cuando entran en contacto, por lo que no necesitan de una fuente de ignición. Esta capacidad de encendido los hace especialmente útiles en sistemas de maniobramiento, tanto tripulados como no tripulados. Otra de sus ventajas es el almacenamiento, ya que no necesitan temperaturas extremadamente bajas como los criogénicos.

El combustible es monometilhidracina (MMH) y el oxidante es tetróxido de nitrógeno (N2O4). La hidracina es un compuesto de nitrógeno e hidrógeno con un olor muy fuerte similar al amoníaco. El tetróxido de nitrógeno es de color rojizo y tiene un olor repugnante. Debido a que ambos son altamente tóxicos, su tratamiento se realiza bajo condiciones de seguridad extrema.

El orbitador usa hipergólicos para el Sistema de Maniobramiento Orbital (OMS) para la inserción en órbita, maniobras orbitales y salida de órbita. El sistema de control de reacción usa hipergólicos para el control de actitud.

La eficiencia de la combinación MMH/N2O4 en el orbitador es de 260 a 280 segundos en el SCR y 313 segundos en el OMS. La mayor eficiencia del OMS se explica por la mayor expansión de las toberas y las elevadas presiones en las cámaras de combustión.

Sólido

Los propelentes sólidos son los más simples de todos. Su uso no requiere de turbobombas o complejos sistemas de alimentación de propelentes. Su ignición se produce con un largo chorro de llamas producido desde la punta del cohete lo cual produce el encendido inmediato. Los combustibles sólidos, compuestos por un metal y diferentes mezclas químicas son más estables y permiten un mejor almacenamiento. Por otra parte, la gran desventaja que presentan es que los propelentes sólidos una vez encendidos no pueden apagarse.

Los propelentes sólidos se usan en una gran variedad de naves y sistemas como el Módulo de Asistencia de Carga (PAM) y en la Etapa Superior Inercial (IUS) que proveen el impulso necesario para que los satélites alcancen órbitas geosincrónicas o para entrar en órbitas planetarias. El IUS se utiliza en el transbordador espacial.

Un propelente sólido siempre posee su propia fuente de oxígeno. El oxidante del propelente sólido del transbordador espacial es perclorato de amonio, que constituye el 63,93% de la mezcla. El combustible es una forma de aluminio en polvo (16%) con un oxidante de hierro en polvo (0,07%) como catalizador. El fijador que mantiene a la mezcla unida es ácido acrilonitril polibutadieno (12,04%). Además, la mezcla contiene un agente de protección epoxy (1,96%). Tanto el fijador como el agente epoxy se queman junto con el resto del propelente, contribuyendo al empuje.

El impulso específico de los SRB del transbordador espacial es de 242 segundos a nivel del mar y 268,6 segundos en el vacío.