Space Shuttle: het eerste herbruikbare ruimtevaartuig

Space Shuttles Discovery en Enterprise
De space shuttles Discovery en Enterprise. Credit: NASA/Smithsonian Institution/Carolyn Russo

De space shuttle van de NASA was het eerste herbruikbare ruimtevaartuig. De shuttle werd als een raket gelanceerd en kwam als een zweefvliegtuig terug naar de Aarde. De shuttle was ontworpen om een grote ladingen zoals bijvoorbeeld satellieten, in de ruimte te kunnen brengen maar ook om ze uit hun baan te plukken en eventueel terug te brengen naar de Aarde voor reparaties.

Om de landingen te testen werd de testshuttle Enterprise gebouwd. Op 12 april 1981 werd, met vluchtnummer STS-1, de space shuttle Columbia als eerste gelanceerd. De Atlantis was met vluchtnummer STS-135 in juli 2011 de laatste shuttle die heeft gevlogen. Op 28 januari 1986 verongelukte de Challenger en op 1 februari verongelukte de Columbia waarbij in totaal 14 astronauten om het leven kwamen.

De grootste bijdrage hebben de space shuttles geleverd aan de bouw van het International Space Station dat nog steeds in een baan om de Aarde draait. Maar de shuttles zijn ook bekend om de lancering en de onderhoudsmissies van de Hubble Space Telescope, de bezoeken aan het Russische ruimtestation Mir, het lanceren van vele satellieten en ruimtesondes. Ook werden er duizenden uren aan experimenten uitgevoerd aan boord van de shuttles.

De space shuttle, officieel Space Transportation System genoemd, bestond uit drie hoofdonderdelen:

  • Twee vaste brandstofraketten die zorgden voor een groot deel van de voortstuwing tijdens de lancering.
  • De grote roestkleurige brandstoftank die de brandstof bevatte voor de drie hoofdmotoren tijdens de lancering.
  • De shuttle zelf die bestond uit de cabine voor de bemanning, een groot laadruim en drie hoofdmotoren.

De vaste brandstofraketten werkten gedurende de eerste twee minuten na de lancering en hadden als taak om de shuttle in een baan om de Aarde te kunnen krijgen. De vaste brandstofraketten werden op ongeveer 45 kilometer hoogte afgeworpen en daalden aan parachutes terug naar de Atlantische Oceaan. Ze werden daar door schepen geborgen en aan de wal opgelapt voor hergebruik.

Iedere raket had een motor voor vaste brandstof. Deze motoren waren de grootste die ooit voor de ruimtevaart werden ontwikkeld. Iedere motor verbruikte meer dan 450.000 kilogram brandstof. Deze brandstof bestond uit een mengsel van aluminium in poedervorm en zuurstof.

De 15 verdiepingen hoge roestvormige vaste brandstoftank was de enige component van de shuttle die niet werd hergebruikt. Deze tank was gevuld met bijna 20 miljoen liter brandstof. Deze brandstof bestond uit een mengsel van vloeibare zuurstof en vloeibare waterstof. Deze brandstof werd vanuit de tank naar de motoren van de shuttle geleid. De tank was ook de structuur waaraan de shuttle werd bevestigd maar ook de twee booster raketten waren aan deze tank bevestigd.

Nadat de boosters op ongeveer 45 kilometer hoogte waren afgeworpen bracht de shuttle de externe brandstoftank tot op een hoogte van ongeveer 115 kilometer. Nadat alle brandstof was verbruikt werd de tank hier afgestoten. De tank viel terug naar de Aarde volgens een bepaalde baan en verbrandde grotendeels in de atmosfeer van de Aarde. Restanten die overbleven vielen in de oceaan.

De orbiter is de component die door de meeste mensen als de shuttle wordt beschouwd. Het was het hart en de hersenen van het hele systeem en ook het eigenlijk schip dat mensen naar de ruimte en weer terug bracht. De shuttle was ongeveer even groot als een DC-9 vliegtuig. De shuttle was 37 meter lang en had een spanwijdte van 23 meter. Het gedeelte voor de bemanning bevond zich aan de voorkant van de romp en bood plaats aan een bemanning van 7 astronauten maar er zijn ook vluchten uitgevoerd met een kleiner bemanning. De grootste bemanning tijdens een shuttle missie bestond uit 8 astronauten.

Het middelste gedeelte van de romp was 18 meter groot en bood plaats aan het vrachtruim en de robotische arm. Het vrachtruim werd gebruikt voor satellieten, modules voor het ISS en complete laboratoria. Het achterste gedeelte van de romp bood plaats aan de hoofdmotoren, de besturing en de verticale staart. In de neus van de shuttle en aan de achterzijde waren stuurraketten gemonteerd die werden gebruikt voor kleine correcties tijdens de vlucht.

Korte geschiedenis van de ontwikkeling

De shuttle is ontstaan uit verschillende pogingen om een herbruikbare raket te bouwen. In de jaren 50 van de vorige eeuw werd tijdens het X-15 programma al het idee van een vliegend ruimteschip getest. Ook de Amerikaanse luchtmacht verrichte in de jaren 60 al verschillende studies van een semi-herbruikbare raket. In 1968 begon NASA te werken aan een Integrated Launch and Re-entry Vehicle (ILRV) en in 1969 begon, na goedkeuring van de toenmalige president Richard Nixon aan de ontwikkeling van de space shuttle.

Het oorspronkelijke idee van het space shuttle programma was de ontwikkeling van een ruimteschip dat met een hoge frequentie (meerdere keren per maand) gelanceerd kon worden om satellieten in de ruimte te plaatsen en te repareren. Ook de Amerikaanse defensie nam actief deel aan de ontwikkeling en het vrachtruim van de shuttle werd in de ontwerpfase vergroot om ook grotere militaire satellieten te kunnen vervoeren.

Op verzoek van het NRO werd het vrachtruim vergroot en werd gevraagd of de shuttle ook gebruikt kon worden voor vluchten over de polen zodat de hele Aarde bestudeerd kon worden. De Amerikaanse luchtmacht bouwde speciaal daarvoor een lanceerplatform op de luchtmachtbasis Vandenberg in Californië. Na de ramp met de Challenger in 1986 werd het idee van polaire vluchten losgelaten. In de jaren 80 werden er verschillende militaire missies uitgevoerd maar na de ramp met de Challenger werd de shuttle niet meer voor militaire doeleinden ingezet.

Het shuttle programma werd grotendeels in de ruimte uitgevoerd maar er werd in 1977 wel een shuttle gebouwd – de Enterprise – voor het testen van landingen. De Enterprise deed een hele serie testen bestaande uit taxi vluchten, verschillende vrij vluchten en landingen. De Enterprise werd na het shuttle programma gebruikt voor een reizende tentoonstelling en eindigde uiteindelijk in 2012 in het Intrepid Sea, Air and Space Museum in new York.

Activiteiten van de space shuttles

In de begindagen van het space shuttle programma werden voornamelijk satellieten omhoog gebracht en ook burgers die experimenten in de ruimte uitvoerden. Astronauten testten nieuwe uitrustingen en met de Canadese robotische arm werden satellieten uitgezet en ook gevangen.

Na de ramp met de Challenger in 1986 veranderde dit en werd duidelijk dat een space shuttle maar enkele keren per jaar gelanceerd kon worden. Men was ongerust dat astronauten gevaarlijke ruimtewandelingen deden en militaire satellieten werden meer en meer weer gelanceerd met raketten voor eenmalig gebruik waardoor er meer ruimte kwam voor goedkopere lanceringen.

Wat niet veranderde was het uitvoeren van experimenten aan boord van de space shuttles. Gedurende de meer dan 30 jaar die het shuttle programma duurde werden er meer dan 335 kosmonauten en astronauten gelanceerd. Ze verrichten voor duizenden en duizenden uren wetenschappelijk werk variërend van medicijnen tot constructie tot astronomie en dierkunde.

Tussen 1994 en 1998 vloog de space shuttle 11 missies naar het Russische ruimtestation Mir waardoor 7 Amerikaanse astronauten voor langere tijd in de ruimte konden verblijven. Het was de eerste belangrijke samenwerking in de ruimte tussen de Russen end e Amerikanen sinds de Apollo-Sojoez-missie in 1975 waarbij de Russen en de Amerikanen gedurende enkele dagen hun ruimtevaartuigen aan elkaar bevestigden. Na het ineenstorten van de Sovjet-Unie in 1991 ging de NASA akkoord met samenwerking met de Russen en die samenwerking leidde tot het shuttle-Mir-programma en ging verder met de ISS-programma.

Misschien wel de bekendste taak van de space shuttle is het vervoeren van astronauten, onderdelen en materiaal om het International Space Station te bouwen. Het duurde 13 jaar en tientallen shuttle vluchten om het ruimtestation af te bouwen. In totaal meerden er 37 shuttles bij het ISS aan, dat is meer dan een derde van de 135 vluchten die de space shuttles gezamenlijk maakten.

Naast honderden uren aan ruimtewandelingen die astronauten maakten tijdens de constructie van het ISS bracht de shuttle ook kant en klare modules naar de ruimte zoals het Europese Columbus laboratorium, de harmony module, de Tranquility module, het Japanse Kibo laboratorium, zonnepanelen, luchtsluizen en ook de robotische Canadarm2. Ook vitale onderdelen voor het binnenste van het ISS zoals voedsel, toiletten en wetenschappelijke experimenten, werden door de shuttles getransporteerd.

De space shuttle is ook bekend van de reparatie- en servicemissies naar de Hubble Space Telescope. De telescoop werd op 25 april 1995 gelanceerd m.b.v. de space shuttle Discovery missie STS-31. Helaas zorgde een probleem met de hoofdspiegel er voor dat de telescoop maar zeer beperkt inzetbaar was voor astronomische waarnemingen. In december 1993 werd een service missie uitgevoerd door de NASA. Tijdens deze STS-61 missie werd een extra lens geplaatst om de Hubble weer scherp te laten kijken en werden er ook enkele andere instrumenten vervangen.

In 1997 (STS-82), 1999 (STS-103) en 2002 (STS-109) werden er ook service missies naar de Hubble Space Telescope uitgevoerd. De geplande missie in 2003 werd afgelast vanwege de ramp met de Columbia: omdat de Hubble zich in een andere baan bevindt dan het ISS kunnen astronauten niet schuilen in geval van beschadiging van de shuttle.

Wetenschappers waren bang dat er en gat zou vallen tussen het einde van de levensduur van de Hubble Space Telescope en de lancering van zijn opvolger de James Webb Space Telescope waarvan de lancering oorspronkelijk gepland was voor 2010-2011 maar die nu pas in 2019 gelanceerd zal worden. Uiteindelijk werd er in 2009 met de STS-125 een laatste service missie naar de Hubble uitgevoerd. De telescoop is nu, begin nog steeds in een goede conditie.

De vijf space shuttles

Naast de Enterprise die als test shuttle werd gebouwd telde het space shuttle programma vijf space shuttles. Hieronder enkele feiten over deze vijf shuttle.

Columbia (1981 – 2003): De Columbia was de eerste shuttle die de ruimte bereikte. Er werden verschillende testvluchten uitgevoerd waarbij er problemen naar boven kwamen met het hitteschild en met de automatische landingssystemen. De operationele missies begonnen in 1982. De Columbia heeft diverse belangrijke missies op zijn naam staan waaronder Spacelab, het plaatsen van de Chandra röntgentelescoop in de ruimte en services missies naar de Hubble Space Telescope. Op 1 februari 2003 eindigde de laatste vlucht, STS-107, in een ramp toen de shuttle tijdens de landing verongelukte in de atmosfeer van de Aarde. Alle zeven bemanningsleden kwamen hierbij om het leven. De oorzaak van de crash bleek een stuk schuim te zijn dat tijdens de lancering van de externe brandstoftank was afgevallen en een beschadiging aan een vleugel van de shuttle veroorzaakte. De de ramp met de Discovery werden er verschillende modificaties aangebracht aan de andere shuttles en werden in het vervolg de hittebestendige tegels na de lancering in de ruimte gecontroleerd.

Challenger (1983 – 1986): De Challenger was oorspronkelijk als test shuttle gebouwd en later omgebouwd om de ruimte in te kunnen. Onder de belangrijkste missies van de Challenger behoren de lancering van de eerste Tracking and Data Relay Satellite (TDRS). Deze satellieten werden door de shuttles gebruikt om het contact met de vluchtleiding te kunnen onderhouden. Ook de eerste Amerikaanse vrouwelijke astronaut Sally Ride en de eerste Afro-Amerikaan Guion Bluford vlogen met de Challenger en ook de eerste astronaut die in de ruimte een satelliet repareerde (de Solar Maximum Mission satelliet). De Challenger explodeerde op 28 januari 1986 tijdens de lancering van missie STS-51L waarbij alle zeven bemanningsleden om het leven kwamen. De technische oorzaak van de ontploffing was een defecte pakking in de externe brandstoftank maar er waren ook management fouten gemaakt zoals een grote druk op het shuttle programma om veel meer shuttles te lanceren als het programma eigenlijk aan kon. Na de explosie werden er veranderingen in het ontwerp van de shuttles aangebracht en werden er tijdelijk geen shuttles gelanceerd.

Discovery (1984 – 2011): De eerste missie van de Discovery, STS-41D, werd als gevolg van een probleem met een brandstofklep op het laatste moment afgeblazen. Het duurde enkele weken voordat de Discovery daarna zijn eerste missie uitvoerde. Tijdens die missie werden er drie telecommunicatiesatellieten in een baan om de Aarde gebracht. De Discovery maakte in totaal 39 vluchten, meer dan de andere shuttles, waarbij o.a. de Hubble Space Telescope in een baan om de Aarde werd gebracht en ook de Ulysses ruimtesonde die in een polaire baan om de Zon kwam en ook de Upper Atmosphere Research Satellite (UARS) werd met de Discovery naar de ruimte gebracht. Ook de Mercury astronaut John Glennn maakte op 777-jarige leeftijd een ruimtevlucht met de Discovery. De Discovery was de eerste shuttle die zowel na de ramp met de Challenger als de ramp met de Columbia, werd gelanceerd. De Discovery werd na zijn laatste vlucht in 2011 overgebracht naar het Smithsonian National Air and Space Museum in de Verenigde Staten.

Atlantis (1985 – 2011): In 1985 maakte de Atlantis zijn eerste ruimtevlucht. Het was een geheime militaire missie waarvan tot op heden gene details zijn vrijgegeven. Atlantis bracht o.a. de Magelhan-sonde in de ruimte die Venus ging verkennen. Ook lanceerde de Atlantis de Galileo-sonde naar Jupiter. Ook maakte de Discovery de meeste vluchten in het kader van het shuttle-Mir programma. Discovery was de laatste shuttle die werd gelanceerd. Dit was de STS-135 missie in 2011. Na zijn actieve dienst werd de shuttle overgebracht naar het Kennedy Space Center Visitor Complex in de buurt van het Kennedy Space Center in Cape Canaveral in Florida.

Endeavour (1992-2011): De Endeavour werd na de ramp met de Challenger gebouwd uit de reserve onderdelen van oude shuttles. In 1992 werd met STS-49 de eerste vlucht uitgevoerd. Hierbij maakten voor het eerst drie astronauten tegelijkertijd een ruimtewandeling toen ze de lastig te vangen Intelsat VI satelliet aan boord van de shuttle haalden om er reparaties aan uit te voeren. De Endeavour voerde verschillende wetenschappelijk georiënteerde missies uit en het was ook de eerste shuttle die deelnaam aan de bouw van het International Space Station. Na de laatste vlucht van de Endeavour in 2011 werd de shuttle overgebracht naar het California Space Center.

 

Eerste publicatie: 6 januari 2018
Bron: space.com, NASA