romferge

Det amerikanske romfergeprogrammet benyttet til sammen fem flylignende romfartøyer som, sammen med utvendige drivstofftanker og påspente hjelpetrinn, dannet et delvis gjenbrukbart transportsystem. Romfergene hadde bære- og kontrollflater som ga tilstrekkelig løft og styring under tilbakevendingen for landing på en rullebane. De ble utviklet og bygget for romorganisasjonen NASA, som også sto for operasjonen med hovedbase ved John F. Kennedy Space Center sitt Launch Complex 39.

Romfergeflåten ble benyttet til oppskytning/utplassering av satellitter (militære, sivile samt kommersielle) og romsonder, til nedtaking av satellitter og til forskningsoppdrag, det siste ofte ved hjelp av spesialseksjoner i et forholdsvis stort lasterom. Viktigste oppgave var imidlertid knyttet til Den internasjonale romstasjon – transport opp og montering av seksjoner og deler, frakt av forsyninger opp, avfall og ukurant utstyr ned og utskiftning av mannskaper.

De operative flyvningene begynte i 1982, og programmet omfattet til sammen 135 oppskytninger før det ble avsluttet i 2011. I løpet av disse 30 årene skjedde to tragiske ulykker som førte til tapet av 14 astronauter og to romferger.

De tre gjenværende romfergene og tilknyttet utstyr ble etter avslutningen av programmet fordelt til museer og romsentre i USA.

Totalkostnaden for romfergeprogrammet ut 2011 var, justert for inflasjon, cirka 196 milliarder dollar.

Noe av det teoretiske grunnlaget for den amerikanske romfergen ble skapt av den østerrikske ingeniøren Eugen A. Sänger (1905-64), mens nødvendig teknologi ble utviklet gjennom for eksempel det hypersoniske rakettflyet X-15 og såkalte løftskrogfartøyer som HL-10 og X-25B i 1960/1970-årene.

I februar 1969 oppnevnte daværende president Richard M. Nixon en gruppe på fem personer som under navnet The President's Space Task Group skulle gi råd om USA's romprogram etter Apollo. Gruppen foreslo fire alternativer: En bemannet ferd til Mars, et videreført måneprogram, infrastruktur i lav jordbane, eller stopp for bemannet romfart.

President Nixon valgte alternativet infrastruktur i lav jordbane, det vil si en romstasjon og et transportsystem. Økonomien tillot imidlertid ikke utvikling av begge deler samtidig, og det var naturlig å begynne med transportsystemet – som måtte være gjenbrukbart for å holde operasjonskostnadene nede.

Også det amerikanske flyvåpenet ønsket seg et transportsystem, blant annet for oppskytning av rekognoseringssatellitter. Det var enighet om at så vel sivile som militære oppskytningsbehov kunne dekkes med en gjenbrukbar romferge, og målsettingen var å få redusert oppskytningskostnadene til under en tiendedel av det vanlige nivået på den tiden.

NASA hadde alt i oktober 1968 begynt å studere gjenbrukbare romferger, og fokuserte tidlig på et konsept der det var snakk om vertikal oppskytning av et digert første trinn, med en romferge på ryggen. Begge elementer hadde forholdsvis små, rette vinger, skulle være bemannet og kunne brukes flere ganger. Det første trinnet skulle fly tilbake og lande ved hjelp av jetmotorer.

Industrien ble involvert, og ga seg i kast med egne studier. Men så kom de militære særkravene inn i bildet, spesielt for et lasterom som målte 18,3x4,6 m og muligheten for manøvrering omkring 2035 km på tvers av banen under tilbakevending. Det første for å romme KH-9 Hexagon, en meget viktig rekognoseringssatellitt, det siste ut fra ønsket om at en romferge ved oppskytning av for eksempel en polbane-rekognoseringssatellitt fra Vandenberg Air Force Base i California skulle være i stand til å lande ved basen alt på slutten av første omløp. Det var lasterommets dimensjoner som bestemte romfergeskrogets form og størrelse, mens ønsket om manøvrering i atmosfæren og landing på en flyplass fremtvang bruk av store, deltaformede vinger.

Utviklingen av romfergen var beregnet å koste omkring 13 milliarder dollar, men da politikerne skar ned rammen til 5,5 milliarder, måtte NASA fravike konseptet med et gjenbrukbart første trinn. Dette trinnet ble erstattet av en stor, utvendig drivstofftank for engangsbruk og to kraftige, påspente faststoffmotorer som, etter fallskjermlanding i havet og slep til land, kunne benyttes om igjen.

Den delvis gjenbrukbare utformingen ble godkjent av president Nixon 5. januar 1972, og denne datoen regnes som starttidspunktet for det amerikanske romfergeprogrammet.

9. august 1972 undertegnet NASA en kontrakt med det som den gang var North American Rockwell Corp. Space Division for konstruksjon, utvikling og bygging av selve romfergen. 16. august 1973 ble det besluttet at Martin Marietta Corp. skulle konstruere, utvikle og bygge fergens utvendige drivstofftank, og 27. juni 1974 fikk Thiokol Corp. en foreløpig kontrakt for utvikling av faststoffmotorene.

Første flyvning med prøvefergen Enterprise på toppen av en spesielt utstyrt Boeing 747 fant sted 18. januar 1977, og 12. oktober 1977 ble Enterprise sluppet for å foreta den første i en serie prøver av manøvreringsegenskapene under innflyvning og glidelanding. Enterprise var ikke bygget for å fly i rommet, og det ble Columbia som 12. april 1981 endelig utførte en jomfrutur med oppskytning, tilbakevending og landing. Denne første ferden var nesten tre år forsinket av særlig to årsaker: Utviklingen av romfergens hovedmotor og den omstendelige festeprosessen for omkring 30 000 blokker og fliser i varmeskjoldet. Etter fire prøveferder med to astronauter ombord, ble Columbia brukt i november 1982 for å utplassere to kommersielle kommunikasjonssatellitter.

De senere tapene av romfergene Challenger og Columbia med til sammen 14 besetningsmedlemmer, og driftskostnader som var langt større enn forventet, førte i 2010 til en beslutning om å sette de tre gjenværende romfergene Discovery, Atlantis og Endeavour på bakken. En tilleggsbevilgning fra Kongressen tillot imidlertid en siste ferd med Atlantis (STS135) 8. april 2011. Denne siste ferden, nummer 135 i rekken, ble avsluttet med en prikkfri landing ved Kennedy Space Center 21. juli 2011.

De tre gjenværende romfergene er stilt ut ved Smithsonian Institution's Steven F. Udvar-Hazy Center i Virginia (Discovery), ved Kennedy Space Center Visitor Complex i Florida (Atlantis), og ved California Science Center i Los Angeles (Endeavour). Prøvefergen Enterprise er utstilt ved Intrepid Sea-Air-Space Museum i New York.

Selv med det lange lasterommet fremsto romfergen som et litt butt, flylignende fartøy med et deltaformet vingeparti der forkanten innerst var tilbakestrøket 81 grader, ytterst 45 grader. Romfergen hadde ikke horisontale stabilisatorflater med høyderor, og styring i atmosfæren foregikk med fire kombinerte høyderor/balanseror i vingenes bakkant, en kombinasjon av sideror og luftbrems i vertikalstabilisatorens bakkant og en skrogflapsflate. En 12,2 meters bremseskjerm i foten av vertikalstabilisatoren bidro til å redusere rullelengden på bakken under landing. En 15 meters robotarm lå langs øvre venstre kant av lasterommet. Nyttelasten ble vanligvis satt på plass med romfergen i vertikal stilling på oppskytningsplattformen.

Kabinseksjonen i fremre del besto av cockpiten på øvre dekk og på dekket under et oppholdskvarter med en liten bysse, soveavlukker, toalett, lagringsmuligheter for forsyninger/utstyr og en luftsluse som strakte seg ut i lasterommet. Astronauter som skulle arbeide ute i rommet brukte slusen når de skulle iføre seg romdrakten og deretter forhåndspuste ren oksygen for å fjerne nitrogen fra blodet. I cockpiten satt fartøysjefen i venstre sete, piloten i høyre. Fergen kunne styres fra begge seter gjennom et digitalt "fly-by-wire" system som omfattet fem datamaskiner. Instrumentene ble digitalisert etter hvert, og var i siste omgang erstattet av 11 flate fargeskjermer. To arbeidsstasjoner hadde vinduer oppe og mot lasterommet for operasjon av robotarmen. I tillegg til fartøysjefen og piloten kunne ytterligere to astronauter sitte i cockpiten under start og landing. Fergens minimumsbesetning var to, men ved to anledninger var hele åtte om bord. Vanlig mannskapsstørrelse de senere årene var syv.

I fremre del av skroget fantes 14 små stillingskontrollmotorer og to finjusteringsmotorer mens bakre del av romfergeskroget var preget av større motorer, først og fremst de tre hovedmotorene, plassert i et trekantmønster. I utvekster høyt oppe og på hver side av vertikalstabilisatoren fantes to mindre manøvreringsmotorer med tilhørende drivstofftanker, dessuten 24 små stillingskontrollmotorer og fire finjusteringsmotorer. Manøvreringsmotorene ble brukt for å gi det siste puffet inn i bane, til større baneendringer og til oppbremsing for å innlede tilbakevendingen.

Selve romfergen var hovedsakelig bygget av en aluminiumslegering, og måtte beskyttes mot høye tilbakevendingstemperaturer. På de mest utsatte stedene, i nesen og langs vingeforkantene, der temperaturen kunne overstige 1260 grader, besto beskyttelsen av en slags karbonkompositt. På undersiden av vingene og skroget ble det benyttet blokker på ca. 23x15 cm av silisiumkarbidfibre dekket av et sort keramisk belegg, andre steder blokker av silisium med et hvitt keramisk belegg eller fliser av Nomex-filt. Målet var hele tiden å holde temperaturen på aluminiumoverflaten til 177 grader eller mindre.

Elektrisk kraft på romfergen ble skaffet til veie av tre brenselceller, mens tre hjelpeaggregater, drevet av gass fra hydrazin, sørget for hydraulisk trykk til jekkene som beveget hovedmotorenes dyser og opererte for eksempel kontrollflatene, skrogflapsen og landingsstellet.

Romfergen var konstruert for 100 ferder.

Den utvendige drivstofftanken av en aluminium-litium-legering, romfergesystemets ryggrad, rommet øverst det flytende oksygenet og nederst et 2,5 ganger større volum av flytende hydrogen for romfergens hovedmotorer. På grunn av drivstoffets lave temperatur måtte tanken isoleres med skumplast, som det viste seg vanskelig å få til å sitte. Det var løsnet skumplast fra drivstofftanken som skadet Columbia ved oppskytningen, og som igjen førte til den fatale ulykken på returen fra ISS i februar 2003.

De to faststoffmotorene sørget for omkring 83 prosent av romfergesystemets skyvkraft i startøyeblikket.

Ved T minus 16 sekunder (16 sekunder før start) ble vann i store mengder sprøytet ut over den mobile oppskytningsplattformen for å beskytte romfergen mot akustisk energi og varm, reflektert eksosgass. Til sammen 1300 kubikkmeter gikk med, og en stor del av de gassene som preget synsinntrykket av en oppskytning var rett og slett hvit vanndamp.

Ved T minus 10 sekunder var det som minnet om flyvende gnister i området ved hovedmotorene en sikkerhetsforanstaltning for å brenne av mulig lekket hydrogen før motorene ble tent.

Ved T minus 6,6 sekunder ble hovedmotorene startet av datamaskinene om bord i fergen – i sekvens med 0,120 sekunders mellomrom. Hvis ikke alle motorenes ytelse nådde 100 prosent i løpet av tre sekunder, ville datamaskinene iverksette avbrudd. Ved T minus 0 detonerte åtte eksplosivbolter som holdt romfergen festet til plattformen, og faststoffmotorene ble tent. Disse motorene var det ikke mulig å stoppe.

Etter at hovedmotorene var startet og før eksplosivboltene detonerte, førte skyvkraften fra hovedmotorene til at hele romfergesystemet beveget seg noe rundt den horisontale tverraksen – det så ut som den tippet litt mens den fortsatt stod på oppskytningrampen. I cockpithøyde var dreiningen av nesepartiet omkring 2 m. Bevegelsen tilbake tok ca. seks sekunder, og startsekvensen ble lagt opp slik at faststoffmotorene tente idet romfergesystemet var nøyaktig vertikalt.

Kontrollsenteret ved Johnson Space Center i Houston overtok oppsynet med ferden da romfergen på vei opp hadde kommet seg over servicetårnet. Da begynte også en automatisk styrt manøver for å få fergen inn i en bane tilpasset oppdraget. Banen ble etter hvert flatere, og mannskapet satt med hodet ned. Hvis oppdraget medførte kobling til Den internasjonale romstasjonen i en høyde av ca. 380 km, innebar det en banehastighet på 7,68 km/s (27 650 km/t) og en ekvatorvinkel på 51,6 grader. Oppskytningen måtte skje når romstasjonens baneplan krysset startpunktet ved Kennedy Space Center – selv små avvik her ville føre til et større drivstofforbruk. Vanligvis brukte fergen omkring to dager på å nå frem til stasjonen.

På vei oppover passerte romfergen et punkt kalt Max Q, der de aerodynamiske kreftene er maksimale og hovedmotorenes ytelse ble redusert til 72 prosent. Ved T pluss 70 sekunder kunne motorenes ytelse atter økes til det vanlige 104 prosent nivået.

Ved T pluss 124 sekunder var faststoffmotorene utbrent. To sekunder senere sørget eksplosivbolter for frakobling og små rakettmotorer for separasjon. De store, utbrente motorene fortsatte et stykke oppover på egen hånd, og brukte et fallskjermsystem for å lande noenlunde mykt i Atlanterhavet.

De siste titalls sekundene av hovedmotorenes omkring åtte minutter lange brennperiode foregikk med redusert ytelse for å holde største akselerasjonsbelastning under 3 g, hovedsakelig av hensyn til mannskapets komfort, og motorene ble slått av ved først å stoppe oksygentilførselen. Deretter skilte fergen lag med den store utvendige drivstofftanken, igjen ved bruk av eksplosivbolter. Tanken brant stort sett opp i møtet med atmosfæren, men fragmenter kunne falle ned i Det indiske hav eller Stillehavet, avhengig av oppskytningsprofilen.

Det var de to manøvreringsmotorene som sørget for det siste puffet til ønsket banehastighet.

Det var også manøvreringsmotorene som ble benyttet ved oppbremsing når romfergen skulle ned. Møtet med jordatmosfæren skjedde i en høyde av 122km, og varmebelastningen på de mest utsatte stedene overskred 1260 grader. Inne i cockpiten kunne mannskapet se et rødt/rosa fargeskjær utenfor vinduene. Bremsebelastningen var opp i 1,5 g. Styring foregikk ved en kombinasjon av romfergens små motorer samt kontrollflatene, og hastigheten ble i første omgang redusert ved å fly med lengdeaksen i en 40 graders vinkel oppover, deretter ved en serie S-svinger.

I den lavere delen av atmosfæren opptrådte romfergen omtrent som et glidefly, men synkehastigheten var vesentlig større, ca. 3 km/min. Den tapte omtrent 1 km høyde per kilometer tilbakelagt horisontal strekning. Aerodynamisk bremsing (luftbrems bak på vertikalstabilisatoren) ble brukt for å redusere hastigheten, og som fergen landet med en hastighet en god del over et vanlig passasjerfly. Nede på rullebanen ga en bremseskjerm økt bremseeffekt, og ble sluppet når hastigheten var nede i 111 km/t.

Omtrent da romfergeplanene ble godkjent av president Nixon var det antydet et behov for 580 ferder i 12-års perioden 1978-1990. Dette tallet viste seg imidlertid ganske raskt å være sterkt overdrevet – i de 30 årene romfergen fløy var det største antallet oppskytninger per år bare ni, i 1985. Den militære bruken ble langt mindre enn forutsatt, og planene for oppskytning fra Vandenberg Air Force Base ble lagt på hyllen i desember 1989.

Likeledes uteble den bebudede reduksjonen i oppskytningskostnadene – Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis og Endeavour viste seg å være kompliserte, sårbare og svært dyre i drift.

Likevel er det ikke tvil om at romfergesystemet er en teknologisk triumf som tillot operasjoner i rommet andre fartøyer eller bæreraketter ikke har vært i nærheten av. Eksempler kan være redningen og videreutviklingen av Hubble-romteleskopet og monteringen av Den internasjonale romstasjonen.

Hubble-romteleskopet ble skutt opp 24. april 1990 med Discovery, men viste seg å ha et feilslipt primærspeil. Romferger muliggjorde ikke bare at astronauter kunne montere på teleskopet fikk "briller", men også at det på til sammen fem serviceferder også ble utstyrt med nye instrumenter som gjorde det bedre enn astronomene hadde planlagt i utgangspunktet.

37 av de i alt 135 ferdene i programmet gikk til Den internasjonale romstasjonen, og montering/drift av det storstilte byggverket i rommet hadde neppe vært mulig uten romfergeflåten.

Romfergens sårbarhet kom klart frem i to tragiske ulykker som hver kostet syv astronauter livet – med Challenger under oppskytning 28. januar 1986 på den 25. ferden i programmet og med Columbia under tilbakevending 1. februar 2003 på den 113. ferden. Begge ulykkene skyldtes det man egentlig skulle tro var bagateller.

For Challenger var den primære årsaken at to 7 millimeters gummipakninger ikke ga forventet tetning i nederste skjøt på høyre faststoffmotor fordi det natten før hadde vært lave temperaturer ved Kennedy Space Center.

For Columbia var primær årsak at en 760 grams bit løsnet av skumplastisolasjonen på den store utvendige drivstofftanken og slo hull i den tynne og ganske skjøre vingeforkanten på venstre side under oppskytningen. Dermed kunne glovarm luft smelte seg vei gjennom vingestrukturen i den utsatte delen av møtet med atmosfæren.