EL “SHUTTLE”, la aeronave operativa más compleja y versátil jamás construída

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Shuttle on board B747Desde la experiencia que me ha dado el tener el privilegio de haber podido trabajar en este proyecto, participando en el área de proceso de datos y comunicaciones, trataré de trasmitir algunas de las emociones y sentimientos que aún siento al recordar vivencias de primera mano y mostrar algunas de las curiosidades de la única nave aeroespacial reusable, capaz de despegar como un cohete, maniobrar en el espacio como una nave espacial y aterrizar como un avión planeando con los motores parados sin gota de combustible.

También quiero adelantar que España ha jugado un papel muy importante, tanto en el seguimiento de este ingenio espacial como en la aportación de astronautas.

Pedro Duque nació y se graduó en Madrid, voló como especialista MS (Mission Specialist) en el Shuttle Discovery en el año 1.998 en una misión de 9 días representando a la ESA (European Space Agency).

Miguel López-Alegría también nació en Madrid e igualmente voló como especialista en el Shuttle Columbia en 1.995; después lo hizo en el año 2.000 a bordo del Discovery y repitió en 2.002 con el Endeavour.

España también fue uno de los países elegidos para un posible aterrizaje de emergencia en caso de problemas antes de la inserción en órbita como veremos más adelante.

El SHUTTLE ó STS (Space Transportation System), nombre usado por la NASA a lo largo del programa, ha soportado 135 misiones desde 1.981 al 2.011, siendo capaz de superar una serie de pruebas en ambientes extremadamente hostiles que no se dan en su totalidad en ninguna otra aeronave.

Opera dentro de un margen de temperaturas entre -180 grados Centígrados y superiores a los 1.500 grados Centígrados.

Se desplaza en una gama de velocidades partiendo de cero, hasta varias veces la velocidad del sonido, como son los 28.000 Km/h cuando está en órbita terrestre.

Tiene una capacidad de carga superior a 22.700 Kg. y 7 tripulantes. La Estación Espacial Internacional (ISS) no se hubiera podido construir sin esta herramienta, ni trasportar, mantener y reparar el telescopio Hubble, ni recuperar satélites y traerlos de regreso a la Tierra etc.

Su rango de operaciones una vez en órbita está entre los 185 y 683 Km, siendo su techo máximo de 1.000 Km.

Su velocidad al aterrizaje es de unos 340 Km/h y un ángulo de aproximación final de 19 a 20 grados.

Ya se puede intuir con estos datos solamente que el reto que supone diseñar una nave con estas características y además reusable, parece punto menos que imposible. Pues bien, no se construyó solamente una sino cinco, Discovery, Atlantis, Endeavor, Challenger y Columbia, más el Enterprise para entrenamiento.

Ahora trataré de explicar brevemente de qué partes de compone el transbordador espacial:

  • El orbitador SSO (Space Shuttle Orbiter), con una silueta parecida a un avión.
  • Un gran tanque central ET (External Tank) de combustible liquido.
  • Dos cohetes laterales SRB (Solid Rocket Booster) de combustible sólido.

El orbitador SSO cuando está sobre ruedas tiene 27,25 metros de altura, 37,24 metros de largo y 23,79 de envergadura. En él viajan los astronautas y la carga. Dispone de tres motores principales controlables SSME (Space Shuttle Main Engine), dos de maniobra orbital OMS ( Orbital Maneuvering System) con su combustible y 44 pequeños "jets" RCS (Reaction Control System) de maniobra. La cabina tiene tres niveles: la de vuelo (Flight deck), donde están los pilotos, especialistas y controles del brazo robótico, uno intermedio (Mid deck) donde los tripulantes desarrollan parte de sus actividades, comer, dormir, ejercicio físico, toilet etc. y otro inferior (Lower deck) no habitable.

El tanque externo (ET) que almacena el combustible líquido, oxígeno e hidrógeno, para alimentar los tres motores principales (SSME) del orbitador tiene unas dimensiones de 46,14 metros de altura y 8,28 metros de diámetro. Cuando se ha consumido el combustible se desprende, cae al océano y es desechable.

Los dos cohetes laterales (SRB) de combustible sólido son los mayores construidos a nivel mundial, contienen principalmente perclorato de amonio como oxidante y aluminio como combustible, con un peso cada uno de 590.000 kilogramos. Una vez encendidos no son controlables y cuando se ha consumido su contenido se desprenden y descienden con paracaídas hasta su amerizaje, donde se recuperan para su posterior reutilización.

No deja de ser asombroso que este monstruo, desde que sale de la plataforma de lanzamiento hasta que se sitúa en órbita solamente trascurren 9 minutos.

Cuando la cuenta atrás ó "countdown" para los anglosajones, llega a cero (T-0), bueno en realidad 6,6 segundos antes, se encienden los tres motores principales (SSME) del orbitador y si se detectase algún problema, aún se está a tiempo de pararlos y abortar el lanzamiento, decidiéndolo cinco ordenadores GPC (General Purpose Computer), cuatro operacionales y uno de "Back-Up. A esta primera oportunidad de aborto se la conoce como RSLS (Redundant Set Launch Sequencer abort), digamos que es la V1 de una aeronave convencional y este tipo de parada ha ocurrido en cinco ocasiones. Llegado este punto, si todo está normal, a continuación (T-0), se encienden los dos cohetes de combustible sólido (SRB) y a partir de este momento ya no hay ninguna posibilidad de abortar el lanzamiento.

Es entonces cuando todo el conjunto del transbordador (2.041.166 Kg.) se empieza a desplazar verticalmente y se anuncia el célebre"Lift-off ".

No se nos tiene que olvidar que al despegar se desconecta el cordón umbilical y tiene que generar su propia energía. La electricidad la produce con 3 células de combustible (fuel cells), que alimentadas con oxígeno e hidrógeno, generan electricidad y agua potable y que se enciende bastante antes del despegue, igual que las tras APU (Auxiliary Power Unit) para producir energía hidráulica.

A los 2 minutos, una vez consumido el combustible de los dos SRB y a una altitud de 66 Km se desprenden, abren sus paracaídas y son recogidos en el océano para su posterior reutilización.

El transbordador sigue ascendiendo con sus tres motores principales (SSME) alimentados con el oxígeno e hidrógeno líquido del tanque exterior central (ET). Trascurridos 8,5 minutos desde el despegue, se agota el combustible de este tanque, se desprende cayendo al océano donde no se recupera y obviamente se paran los motores principales. A esta operación se la denomina MEC (Main Engine Cut Off).

El transbordador ya se encuentra a 109 Km de la superficie terrestre y a una velocidad próxima a la necesaria para quedarse en órbita.

Aún necesita un empujoncito más que se lo dan dos motores adicionales, los OMS alimentados por dos componentes que lleva almacenados el trasbordador en su interior de tipo hipergólico, es decir que al ponerse en contacto reaccionan espontáneamente. Uno es hidrazina como combustible y el otro tetróxido de nitrógeno como oxidante. Finalmente alcanza los aproximadamente 28.000 km/h necesarios para mantenerse en la órbita elegida.

Durante la fase de ascenso, hay varias situaciones en que se pueden abortar la misión:

  • Regreso al lugar de lanzamiento ó RTLS (Return To Launch Site). Esta situación se daría si se detecta algún problema serio, como fallos en los motores principales, pérdidas de presurización en cabina, problemas con varias APU simultáneamente etc. en los dos primeros minutos de su trayectoria. El transbordador continuaría hasta que los dos cohetes de combustible sólido (SRB) se desprendieran y entonces iniciaría una maniobra para regresar al lugar de lanzamiento.
  • Aterrizaje por aborto transoceánico, TAL (Transoceanic Abort Landing) tendría lugar entre los 25 y 30 minutos después del despegue, es decir cuando la altitud y distancia no le permiten regresar al lugar de lanzamiento. Caso de tener que ejercitarse este modo, el aterrizaje podría ser entre otos lugares en España (Zaragoza, Morón ó Rota). Esta emergencia nunca ha ocurrido.
  • Misión abortada una vez en órbita, AOA (Abort Once Around), ocurre cuando el Shuttle no puede alcanzar una órbita estable pero tiene suficiente velocidad para circular la Tierra una vez y aterrizar. El AOA tampoco se ha activado nunca.
  • Misión abortada ya en órbita, ATO (Abort To Orbit), tiene lugar cuando no se ha podido alcanzar la órbita deseada, pero es posible una órbita estable más baja. Este modo sí ha ocurrido.

Existen una serie de países para aterrizar en caso que surja una emergencia al finalizar la misión en el espacio, de nuevo España está presente con Zaragoza, Morón y Gran Canaria.

Bueno, felizmente el Shuttle está en la órbita deseada y todo funciona perfectamente. Una de las primeras cosas que los astronautas tienen que hacer es abrir las puertas de la bodega donde existen unos radiadores para disipar el calor producido por los equipos en el interior de la nave. Si no se pudieran abrir dichas puertas, tendrían que regresar a la tierra inmediatamente.

Una vez en la órbita deseada, para lanzar, recuperar un satélite ó atracar en la Estación Espacial Internacional (ISS), etc. necesita maniobrar y eso en el espacio se realiza con dos tipos de motores. Para subir o bajar de órbita solamente tienen que aumentar ó disminuir la velocidad con los dos motores OMS. Más velocidad, orbita más alta, menos velocidad, orbita más baja.

Para control del cabeceo, alabeo y guiñada (pitch, roll, and yaw) ó ligeros cambios de velocidad, hay 44 pequeños "jets" (RCS), distribuidos 16 en la parte delantera y 28 en la trasera (14 a cada lado).

También dispone de un brazo robótico SRMS (Shuttle Remote Manipulator System ó Canadarm, ya que fue diseñado en Canadá) situado en la bodega de carga y que se opera desde la parte trasera de cabina con dos mandos, el THC (Translational Hand Controller) manejado con la mano izquierda y el RHC (Rotational Hand Controller) una especie de "joystick" manejado con la mano derecha. Su comportamiento se puede observar desde una ventana ó dos monitores de TV. Este brazo es utilizado para manipular la carga de la bodega, capturar satélites, sujetar si fuera necesario un astronauta durante un trabajo en el exterior, EVA (Extra Vehicular Activity) ó inspeccionar con cámaras zonas del Shuttle no visibles desde las ventanas por posibles daños. Como dato curioso, este brazo puede operar de forma automática siguiendo una trayectoria computada en Tierra. También dispone de un dispositivo explosivo para deshacerse de él en caso que quedase extendido e imperativo impidiendo el cierre de las puertas de la bodega a la hora del regreso.

El Shuttle ya ha terminado su trabajo en órbita, cierra las puertas de la bodega, recoge y fija todos los bártulos para regresar a la Tierra. ¿Cómo lo hace?

Ya he dicho anteriormente que dependiendo de la velocidad asciende o desciende de órbita, luego para bajar tiene que reducir su velocidad.

La maniobra consiste en encender los pequeños "jets" (RCS), para que la cola se ponga justo la primera en la dirección a su desplazamiento (en español diríamos "ir de culo").

En ése momento enciende los motores (OMS). Esto provoca un frenado y consecuentemente una caída, para encontrarse con la atmósfera terrestre al cabo de aproximadamente 25 minutos.

Durante ese tiempo los astronautas utilizan los RCS para adoptar una postura tal que la parte relativamente plana inferior roce con la atmosfera con un ángulo de unos 40 grados y el morro apunte hacia arriba y en la dirección del desplazamiento.

Como la velocidad es de unos 28.000 Km/h, al rozar con las moléculas de aire se genera una temperatura que puede alcanzar los 1.600 grados Centígrados.

Para protegerse de estas temperaturas extremas, el Shuttle está cubierto de una serie de losetas, filtros y mantas de aislamientos muy especiales, entre otros:

Carbono-carbono reforzado, RCC (Reinforced Carbon-Carbon) utilizado en el borde de ataque de las alas y morro.

Losetas negras de alta temperatura HRSI (High-temperature Reusable Surface Insulation tiles), usadas en la parte inferior.

Losetas de fibra refractaria, FRCI (Fibrous Refractory Composite Insulation), algunas losetas del tipo HRSI fueron sustituidas por éstas.

Material blanco "Nomex" (White Nomex blankets) en las puertas de la bodega y porciones de la parte superior de las alas y parte trasera superior del fuselaje.

Losetas blancas de baja temperatura LRSI (Low-temperature Reusable Surface Insulation tiles), usadas en la parte superior.

Como nota curiosa, los gases ionizados a altas temperaturas que rodean a la nave en esta fase, hacen imposible toda comunicación con el exterior durante 12 minutos. Después de salir de este bloqueo de comunicaciones, a unos 483 Km de la pista, recibe señal TACAN (Tactical Air Control And Navigation) para ejecutar una aproximación instrumental y en el tramo final (Final Approach) lo hace con el MSBLS (Microwave Scanning Beam Landing System) que le provee la trayectoria de planeo adecuada y la distancia.

También disponen de ayudas visuales PAPI (Precision Approach Path Indicator).

En cuanto a su velocidad, hay que tener en cuenta que ha comenzado a descender con una velocidad aproximada de Mach 25 y tiene que reducirla hasta la de aterrizaje, aproximadamente 340 km/s. Con una serie de movimientos de balanceo en "S", manteniendo los 40 grados de morro levantado (nose-up) y hasta 70 grados de alabeo (banking), va disipando velocidad. En esta fase se alcanzan las mayores temperaturas y se soportan las mayores aceleraciones negativas (G-forces). Al final del último giro, ya comportándose como un avión, nivela las alas, baja el morro y se dirige al lugar de aterrizaje con un ángulo de unos 19 ó 20 grados. El descenso lo hace a un ritmo superior a 50 m/s, (180 Km/h) ó para compararlo con el instrumento VSI (Vertical Speed Indicator) de un avión comercial, a 9.800 fpm. Obviamente cae fuera de rango.

Cuando está ya a unos 2.000 ft (610 m) por encima de tierra, el comandante sube el morro para disminuir la velocidad de descenso, saca el tren de aterrizaje, y el orbitador aterriza normalmente en la pista 15 ó 33 (dependiendo de la dirección del viento) situada en Merritt Island, Florida (KSC Shuttle Landing Facility) de 4.572 m de longitud y 91,4 de ancho, formando parte del Centro Espacial John F. Kennedy. Comentaba un astronauta que le hubiera gustado aterrizar en una pista la mitad de ancho y el doble de larga. A parte de ser una de las mayores del mundo, la pista es un poco especial, con superficie de cemento de alta fricción para mejorar el frenado, surcada para favorecer el drenaje y un grueso de pavimento de 40,6 cm en el centro. Adicionalmente tiene pavimentados 305 m a cada extremo (overruns).

Como curiosidad, el Shuttle también usa tubos Pitot para conocer la velocidad una vez que vuela como un avión, pero ¿no se quemarían durante la reentrada? Lo que hace es tenerlos guardados y concluidas las altas temperaturas saca un juego a cada lado (Air Data Probe deployment).

Una vez hecho el contacto con la pista, frena aerodinámicamente con el timón de cola que es doble y se abre, también lo hace con un paracaídas de 12 m y finalmente con los frenos adosados a las ruedas del tren de aterrizaje.

El aterrizaje es tan importante al existir solamente una oportunidad y en condiciones tan extremas, que la NASA tiene cuatro aviones Gulfstream II modificados para que se comporten aerodinámicamente como el Shuttle, e incluso los mandos del lado izquierdo son una réplica del mismo, con el objetivo de practicar, practicar y practicar. Cada piloto y copiloto han practicado aproximaciones al menos 1.000 veces con este avión.

Si a la hora de bajar del espacio hubiera mal tiempo en esta pista, el Shuttle puede retrasar el retorno. Pero si el mal tiempo persiste, también puede aterrizar en Edwards AFB, California ó White Sands Space Harbor, Nuevo Méjico y posteriormente ser transportado encima de un Boeing 747 preparado para tal fin hasta Florida. En caso de problemas serios también lo puede realizar en otras pistas, incluso fuera de Estados Unidos, entre ellas varias en España.

Para motivar a los participantes en este proyecto, la NASA galardonaba con el "Silver Snoopy" a la persona que destacaba en algún aspecto y de nuevo, hay varios Españoles que lo poseen. Este premio tiene la particularidad que ha viajado al espacio en un Shuttle y lo tiene que entregar un astronauta en mano.

Video-clip mostrando brevemente la historia del "Space Shuttle"

J.M.M.C.

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