スペースシャトル

スペースシャトル
	ディスカバリー号はSTS-120ミッションの開始時に打ち上げられました。
関数	有人軌道打ち上げと再突入
メーカー	統一宇宙同盟; チオコール/アライアントテックシステムズ(SRB); ロッキード・マーティン/マーティン・マリエッタ(ET); ボーイング/ロックウェル（オービター）;
原産国	アメリカ合衆国
プロジェクト費用	2,110億米ドル（2012年）
打ち上げコスト	4億5000万米ドル（2011年）
サイズ
身長	56.1メートル（184フィート）
直径	8.7メートル（29フィート）
質量	2,030,000 kg (4,480,000 ポンド)
ステージ	1.5
容量
低軌道（LEO）へのペイロード; （204 km（127 mi））
質量	27,500 kg (60,600 ポンド)
国際宇宙ステーション（ISS）へのペイロード; （407 km（253マイル））
質量	16,050 kg (35,380 ポンド)
静止トランスファ軌道（GTO）へのペイロード
質量	慣性上段搭載時10,890 kg (24,010 lb)
静止軌道（GEO）へのペイロード
質量	慣性上段搭載時2,270 kg (5,000 lb)
地球へのペイロード、返送
質量	14,400 kg (31,700 ポンド)
発売履歴
状態	引退
発射場	ケネディ宇宙センター、LC-39; ヴァンデンバーグ空軍基地（未使用）、SLC-6;
総打ち上げ数	135
成功	133
失敗	2; チャレンジャー号（打ち上げ失敗、死亡者7名）; コロンビア号（再突入失敗、死亡者7名）;
初飛行	1981年4月12日
最終便	2011年7月21日
ブースター –固体ロケットブースター
ブースターなし	2
搭載	固体燃料ロケットモーター2基
最大推力	各13,000 kN（3,000,000 lbf）、海面（2,650,000 lbf 離陸）
比推力	242秒（2.37km/秒）
燃焼時間	124秒
推進剤	固体（過塩素酸アンモニウム複合推進剤）
第一段 –オービター+外部燃料タンク
搭載	オービターに搭載された3基のRS-25エンジン
最大推力	合計5,250 kN（1,180,000 lb f）、海面離陸
比推力	455秒（4.46km/秒）
燃焼時間	480秒
推進剤	LH 2 /液体酸素
乗客/貨物の種類	追跡およびデータ中継衛星; スペースラボ; ハッブル宇宙望遠鏡; ガリレオ; マゼラン; ユリシーズ; コンプトンガンマ線観測所; ミールドッキングモジュール; チャンドラX線観測所; ISSのコンポーネント;
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スペースシャトルは、1981年から2011年までアメリカ航空宇宙局（NASA）によってスペースシャトル計画の一環として運用されていた、退役した部分的に再利用可能な低軌道宇宙船システムである。正式なプログラム名は宇宙輸送システム（STS）であり、1969年に米国副大統領スピロ・アグニューが主導した再利用可能な宇宙船システムの計画に由来しており、開発資金が割り当てられた唯一のアイテムであった。^[7]^{: 163–166}^[8]^[9]

4回の軌道試験飛行のうち最初のもの（STS-1 ）は1981年に行われ、 1982年に運用飛行（ STS-5 ）が開始されました。5機のスペースシャトル軌道船が完成し、1981年から2011年にかけて合計135回のミッションで飛行しました。これらはフロリダ州のケネディ宇宙センター（KSC）から打ち上げられました。運用ミッションでは、多数の衛星、惑星間探査機、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）の打ち上げ、軌道上での科学実験の実施、ロシアとのシャトル・ミール計画への参加、国際宇宙ステーション（ISS）の建設と整備に参加しました。スペースシャトル艦隊の総ミッション時間は1,323日でした。^[10]

スペースシャトルのコンポーネントには、 3基のクラスター化されたロケットダイン RS-25メインエンジンを備えたオービタービークル（OV）、1対の回収可能な固体ロケットブースター（SRB）、および液体水素と液体酸素を含む使い捨ての外部タンク（ET）が含まれます。スペースシャトルは、従来のロケットのように垂直に打ち上げられ、2基のSRBはETから燃料を供給されるオービターの3基のメインエンジンと並行して稼働していました。SRBは、ビークルが軌道に到達する前に切り離されましたが、メインエンジンは動作を継続し、ETはメインエンジンの停止後、オービターの2つの軌道制御システム（OMS）エンジンを使用した軌道投入の直前に切り離されました。ミッションの最後に、オービターは軌道から外れて大気圏に再突入するためにOMSを点火しました。オービターは再突入中は熱防護タイルによって保護され、スペースプレーンとして滑走路に着陸し、通常はフロリダ州ケネディ宇宙センターのシャトル着陸施設か、カリフォルニア州エドワーズ空軍基地のロジャーズ・ドライ・レイクに着陸した。エドワーズに着陸した場合、オービターはシャトルを上空に運ぶために特別に改造されたボーイング747であるシャトル運搬機（SCA）の上に乗せられ、ケネディ宇宙センターに戻された。

最初のオービターであるエンタープライズは1976年に建造され、接近着陸試験（ALT）に使用されたが、軌道に乗る能力はなかった。当初はコロンビア、チャレンジャー、ディスカバリー、アトランティスの4機の完全に運用可能なオービターが建造された。このうち2機はミッション中の事故で失われ、チャレンジャーは1986年、コロンビアは2003年にそれぞれ失われ、合計14人の宇宙飛行士が死亡した。5機目（合計6機目）の運用中のオービターであるエンデバーは、チャレンジャーの後継機として1991年に建造された。生き残った運用中の機体3機は、 2011年7月21日のアトランティスの最終飛行後に退役した。米国は、シャトルの最後の飛行から2020年5月のクルードラゴン・デモ2ミッションの打ち上げまで、ロシアのソユーズ宇宙船に宇宙飛行士をISSに輸送することに依存していた。[ 11 ^]

設計と開発

歴史的背景

1930年代後半、ドイツ政府は「アメリカボンバー」計画を開始し、オイゲン・ザンガーは数学者イレーネ・ブレッドと共同で、ジルベルフォーゲル（ドイツ語で「銀の鳥」）と呼ばれる有翼ロケットを考案した。 ^[12] 1950年代、アメリカ空軍は偵察、衛星攻撃、空対地兵器の使用などの軍事作戦を実行するために再利用可能な有人グライダーを使用することを提案した。1950年代後半、空軍は部分的に再利用可能なX-20ダイナソアの開発を開始した。空軍はNASAと協力し、ダイナソアの開発に着手し、1961年6月に6人のパイロットの訓練を開始した。開発費の高騰とジェミニ計画の優先化により、1963年12月にダイナソア計画は中止された。ダイナソアに加え、空軍は1957年に再利用可能なブースターの実現可能性をテストする研究を行っていた。これがエアロスペースプレーンの基礎となり、完全に再利用可能な宇宙船となったが、1962年から1963年の初期設計段階を超えて開発されることはなかった。^[7]^{: 162–163}

1950年代初頭から、NASAと空軍は、翼ではなく胴体から主に揚力を生み出す航空機をテストするための揚力体の開発で協力し、 NASA M2-F1、ノースロップM2-F2、ノースロップM2-F3、ノースロップHL-10、マーティンマリエッタX-24A、マーティンマリエッタX-24Bをテストしました。このプログラムでは、高高度および高速からの無動力着陸など、後にスペースシャトルの設計に組み込まれる空力特性をテストしました。^[13]^{: 142}^[14]^{: 16–18}

設計プロセス

1966年9月24日、アポロ宇宙計画の設計が完成に近づいたとき、NASAと空軍は共同研究を発表し、それぞれの将来の需要を満たすためには新しい乗り物が必要であり、部分的に再利用可能なシステムが最も費用対効果の高い解決策であると結論付けた。^[7]^{: 164} NASA有人宇宙飛行局長のジョージ・ミューラーは、1968年8月10日に再利用可能なシャトルの計画を発表した。NASAは、1968年10月30日にインテグラル・ローンチ・アンド・リエントリー・ビークル（ILRV）の設計に関する提案依頼（RFP）を発行した。 ^[15] NASAは、最初の提案に基づいて契約を授与するのではなく、スペースシャトルの契約と開発に関する段階的なアプローチを発表した。フェーズAは、競合する航空宇宙企業による研究完了の依頼、フェーズBは特定の契約をめぐる2つの請負業者間の競争、フェーズCは宇宙船コンポーネントの詳細設計、フェーズDは宇宙船の製造であった。^[16]^[14]^{: 19–22}

1968年12月、NASAは再使用型宇宙船の最適設計を決定するためにスペースシャトルタスクグループを結成し、ジェネラル・ダイナミクス、ロッキード、マクドネル・ダグラス、ノースアメリカン・ロックウェルに研究契約を交わした。1969年7月、スペースシャトルタスクグループは、シャトルが短期有人ミッションと宇宙ステーション、および衛星の打ち上げ、整備、回収の機能をサポートすると決定した報告書を発表した。この報告書ではまた、将来の再使用型シャトルを3つのクラスに分けた。クラスIは使い捨てのブースターに再使用型オービターを搭載し、クラスIIは複数の使い捨てロケットエンジンと単一の推進剤タンク（1.5段）を使用し、クラスIIIは再使用型オービターと再使用型ブースターの両方を搭載する。 1969年9月、米国副大統領スピロ・アグニューのリーダーシップの下、宇宙タスクグループは、低地球軌道（LEO）に人や貨物を運ぶスペースシャトル、軌道と月の間の移動のためのスペースタグ、深宇宙旅行のための再利用可能な原子力上段ロケットの開発を求める報告書を発表しました。 ^[7]^{: 163–166}^[8]

スペースシャトルタスクグループの報告書が発表された後、多くの航空宇宙技術者は、ハードウェアコストの節約が見込まれるため、クラスIIIの完全再利用可能な設計を支持した。マーキュリーカプセルの設計に携わったNASAの技術者マックス・ファジェットは、直線翼のオービターをより大きな直線翼のブースターに搭載した2段式の完全回収システムの設計の特許を取得した。^[17]^[18]空軍飛行力学研究所は、直線翼の設計では再突入時の高熱および空力ストレスに耐えられず、必要なクロスレンジ能力が得られないと主張した。さらに、空軍はファジェットの設計で許容されるよりも大きなペイロード容量を要求した。1971年1月、NASAと空軍の指導部は、使い捨ての燃料タンクに搭載された再利用可能なデルタ翼オービターがスペースシャトルの最適な設計であると決定した。^[7]^{: 166}

再利用可能な大型宇宙船の必要性が明らかになった後、NASAと空軍はそれぞれの軍種に対する設計要件を決定した。空軍はスペースシャトルを大型衛星の打ち上げに使用することを想定しており、東向きの低軌道に29,000 kg (65,000 lb)、または極軌道に18,000 kg (40,000 lb) の貨物を運搬できることを要求した。また、衛星の設計では、スペースシャトルに4.6 x 18 m (15 x 60 ft) のペイロードベイが必要であるとされた。NASAはサターンロケットのF-1およびJ-2エンジンを評価し、スペースシャトルの要件を満たすには不十分であると判断した。1971年7月、NASAはロケットダイン社に RS-25エンジンの開発開始の契約を交付した。^[7]^{: 165–170}

NASAはスペースシャトルの29の設計案を検討し、サイドブースターを2つ備えた設計を採用し、コスト削減のためブースターは再利用可能にすべきであると決定した。^[7]^{: 167} NASAと空軍は、コストが低く、海に着陸した後で再利用できるように改修しやすいという理由から、固体燃料ブースターの使用を選択した。1972年1月、リチャード・ニクソン大統領はシャトルを承認し、NASAは3月に最終設計を決定した。スペースシャトルのメインエンジン（SSME）の開発はロケットダイン社が引き続き担当し、契約は1971年7月に発行され、更新されたSSME仕様は同年4月にロケットダイン社に提出された。^[19]その年の8月、NASAはオービターの建造契約をノースアメリカン・ロックウェル社に授与した。1973年8月、外部燃料タンクの契約をマーティン・マリエッタ社に、11月には固体ロケットブースターの契約をモートン・サイオコール社に授与した。^[7]^{: 170–173}

発達

1974年6月4日、ロックウェルは最初のオービターであるOV-101（コンスティチューションと呼ばれ、後にエンタープライズと改名される）の建造を開始した。エンタープライズは試験機として設計され、エンジンや熱シールドは搭載されていなかった。建造は1976年9月17日に完了し、エンタープライズは試験を開始するためにエドワーズ空軍基地に移動された。 ^[7]^{: 173}^[20]ロックウェルは主推進試験体（MPTA）-098を建造した。これはETに取り付けられた構造トラスで、3基のRS-25エンジンが取り付けられていた。これは国立宇宙技術研究所（NSTL）で試験され、エンジンが打ち上げプロファイルを安全に実行できることを確認した。^[21]^{: II-163}ロックウェルは構造試験体（STA）-099の機械的および熱的応力試験を実施し、打ち上げおよび再突入時の空力および熱応力の影響を調べた。^[21]^{: I-415}

RS-25 スペースシャトル主エンジンの開発開始は、プラット・アンド・ホイットニーがロケットダインに発行された契約に異議を唱えたため、9 か月遅れました。最初のエンジンは、最初のスロットル式再使用エンジンの開発で問題が生じたあと、1975 年 3 月に完成しました。エンジンのテスト中に、RS-25 は複数のノズルの故障とタービンブレードの破損を経験しました。テスト中の問題にもかかわらず、NASA は 1978 年 5 月に、建設中の 3 つのオービターに必要な 9 基の RS-25 エンジンを発注しました。^[7]^{: 174–175}

NASAはスペースシャトルの耐熱システムの開発で大幅な遅れを経験した。以前のNASAの宇宙船はアブレーション耐熱シールドを使用していたが、それらは再利用できなかった。NASAは耐熱システムにセラミックタイルを使用することを選択した。これによりシャトルは軽量アルミニウムで製造でき、タイルは必要に応じて個別に交換できるからである。コロンビア号の建造は1975年3月27日に始まり、1979年3月25日にケネディ宇宙センターに引き渡された。^[7]^{: 175–177}ケネディ宇宙センターに到着した時点で、コロンビア号には3万枚のタイルのうち6,000枚がまだ設置されていない状態だった。しかし、元々設置されていたタイルの多くは交換する必要があり、コロンビア号が飛行できるようになるまでに2年の設置期間が必要だった。^[14]^{: 46–48}

1979年1月5日、NASAは2機目のオービターを発注した。同月後半、ロックウェルはSTA-099をOV-099（後にチャレンジャーと名付けられる）に改造し始めた。1979年1月29日、NASAはOV-103とOV-104という2機のオービターを追加発注し、それぞれディスカバリーとアトランティスと名付けられた。OV-105（後にエンデバーと名付けられる）の建造は1982年2月に始まったが、NASAは1983年にスペースシャトル艦隊を4機のオービターに制限することを決定した。チャレンジャーの喪失後、NASAは1987年9月にエンデバーの生産を再開した。 ^[14]^{: 52–53}

テスト

エドワーズ空軍基地に到着した後、エンタープライズはシャトル運搬機（オービタを運ぶために改造されたボーイング747）による飛行試験を受けた。1977年2月、エンタープライズは進入着陸試験（ALT）を開始し、飛行中はシャトル運搬機に取り付けられたままの拘束飛行を実施した。1977年8月12日、エンタープライズは最初の滑空試験を実施し、シャトル運搬機から切り離されてエドワーズ空軍基地に着陸した。^[7]^{: 173–174}さらに4回の飛行を行った後、エンタープライズは1978年3月13日にマーシャル宇宙飛行センター（MSFC）に移動された。エンタープライズは結合垂直地上振動試験で振動試験を受け、外部燃料タンクと固体ロケットブースターに取り付けられ、打ち上げのストレスをシミュレートする振動を受けた。 1979年4月、エンタープライズはケネディ宇宙センターに運ばれ、外部燃料タンクと固体ロケットブースターが取り付けられ、LC-39に移動された。発射台に設置されると、スペースシャトルは発射施設のハードウェアの適切な配置を確認するために使用された。エンタープライズは1979年8月にカリフォルニアに戻り、その後1984年にヴァンデンバーグ空軍基地でSLC-6の開発に使用された。^[14]^{: 40–41}

1980年11月24日、コロンビア号は外部燃料タンクと固体燃料ロケットブースターが結合され、12月29日にLC-39に移動された。^[21]^{: III-22}スペースシャトルの最初のミッションであるSTS-1は、NASAが宇宙船の有人初飛行を実施した初めてのミッションであった。^[21]^{: III-24} 1981年4月12日、スペースシャトルが初めて打ち上げられ、ジョン・ヤングとロバート・クリッペンが操縦した。2日間のミッション中、ヤングとクリッペンはシャトルに搭載された機器をテストし、コロンビア号の上面からセラミックタイルが数枚剥がれ落ちていることを発見した。^[22]^{: 277–278} NASAは空軍と調整して衛星を使用してコロンビア号の下面を撮影し、損傷がないことを確認した。^[22]^{: 335–337} コロンビア号は大気圏に再突入し、4月14日にエドワーズ空軍基地に着陸した。^[21]^{: III-24}

NASAは1981年と1982年にコロンビア号でさらに3回の試験飛行を実施した。1982年7月4日、ケン・マッティングリーとヘンリー・ハーツフィールドが操縦するSTS-4がエドワーズ空軍基地のコンクリート滑走路に着陸した。ロナルド・レーガン大統領とナンシー夫人が乗組員と会見し、スピーチを行った。STS-4の後、NASAは宇宙輸送システム（STS）の運用開始を宣言した。^[7]^{: 178–179}^[23]

説明

スペースシャトルは、再利用を前提に設計された最初の運用軌道宇宙船でした。各スペースシャトルのオービターは、100回の打ち上げまたは10年間の運用寿命を想定して設計されていましたが、後に延長されました。^[24]^{: 11}打ち上げ時には、乗組員とペイロード、外部燃料タンク（ET）、および2つの固体ロケットブースター（SRB）を搭載したオービターで構成されていました。 [ ^2]^{: 363}

シャトルのコンポーネントに関する責任は、NASAの複数のフィールドセンターに分散されていた。ケネディ宇宙センターは、赤道軌道（プログラムで実際に使用された唯一の軌道プロファイル）での打ち上げ、着陸、およびターンアラウンドの運用を担当した。ヴァンデンバーグ空軍基地のアメリカ空軍は、極軌道（これは一度も使用されなかったが）での打ち上げ、着陸、およびターンアラウンドの運用を担当した。ジョンソン宇宙センター（ JSC）は、シャトルのすべての運用の中心として機能し、MSFCはメインエンジン、外部燃料タンク、および固体ロケットブースターを担当した。ジョン・C・ステニス宇宙センターはメインエンジンのテストを担当し、ゴダード宇宙飛行センターはグローバル追跡ネットワークを管理した。^[25]

オービター

オービタはロケットと航空機の両方の設計要素と機能を備えており、垂直に打ち上げられ、その後グライダーとして着陸することができた。^[2]^{: 365} 3つの部分からなる胴体は、乗員室、貨物室、飛行面、およびエンジンを支えた。オービタの後部には、打ち上げ時に推力を供給するスペースシャトル主エンジン (SSME) と、宇宙空間に入った後にオービタが軌道に到達し、軌道を変更し、軌道から離脱することを可能にする軌道操縦システム (OMS) が含まれていた。ダブルデルタ翼は長さ18メートル (60フィート) で、内側前縁で81°、外側前縁で45°の後退角を持っていた。各翼には、再突入中に飛行制御を行うための内側と外側のエレボンがあり、また、翼の間のエンジンの下にはピッチを制御するためのフラップがあった。オービターの垂直安定板は45°後方に傾斜しており、分割してスピードブレーキとして機能する舵を備えていた。^[2]^{: 382–389}垂直安定板には、着陸後にオービターを減速させるための2部構成のドラッグパラシュートシステムも含まれていた。オービターは、前脚と2つの主脚を備えた引き込み式の着陸装置を使用しており、それぞれに2つのタイヤが含まれていた。主脚にはそれぞれ2つのブレーキアセンブリが含まれ、前脚には電動油圧式ステアリング機構が含まれていた。^[2]^{: 408–411}

クルー

スペースシャトルの乗組員はミッションごとに異なっていた。彼らは役割の資格要件を満たすために厳しいテストと訓練を受けた。乗組員はパイロット、ミッションスペシャリスト、ペイロードスペシャリストの3つのカテゴリーに分けられた。パイロットはさらにスペースシャトルコマンダーとスペースシャトルパイロットの2つの役割に分けられた。 ^[26]テスト飛行にはコマンダーとパイロットのそれぞれ2人だけ乗ったが、どちらもオービタを操縦し着陸させることができる資格のあるパイロットであった。実験、ペイロードの展開、船外活動などの軌道上の操作は、主に、意図されたミッションとシステムのために特別に訓練されたミッションスペシャリストによって行われた。スペースシャトル計画の初期には、NASAはペイロードスペシャリストを乗せて飛行したが、ペイロードスペシャリストは通常、ペイロードの展開や運用の費用を負担する会社に勤めるシステムスペシャリストであった。最後のペイロードスペシャリストであるグレゴリー・B・ジャービスはSTS-51-Lで飛行し、STS-51-CとSTS-51-Jの両方で、宇宙飛行士が有人宇宙飛行エンジニアとして飛行し、国家偵察局のペイロードの軍事代表を務めた。スペースシャトルの乗組員は通常7人の宇宙飛行士で構成され、STS-61-Aでは8人の宇宙飛行士が搭乗した。^[21]^{: III-21}

乗員室

乗員室は3つのデッキで構成され、すべてのスペースシャトルミッションで加圧された居住エリアでした。フライトデッキには、コマンダーとパイロット用の2つの座席と、乗員用の2〜4つの座席がありました。ミッドデッキはフライトデッキの下にあり、ギャレーと乗員用寝台が設置され、3つまたは4つの乗員用座席がありました。ミッドデッキには、船外活動（ EVA）中の2人の宇宙飛行士をサポートできるエアロックと、加圧された研究モジュールへのアクセスがありました。ミッドデッキの下には機器ベイがあり、環境制御システムと廃棄物管理システムが保管されていました。^[14]^{: 60–62}^[2]^{: 365–369}

最初の 4 回のシャトルミッションでは、宇宙飛行士は改良された米国空軍の高高度完全加圧スーツを着用し、これには上昇および下降中の完全加圧ヘルメットが含まれていた。5 回目の飛行であるSTS-5からチャレンジャー号の喪失まで、乗組員はワンピースのライトブルーのノーメックス製フライトスーツと部分加圧ヘルメットを着用していた。チャレンジャー号の事故後、乗組員はヘルメット付きの高高度加圧スーツの部分加圧バージョンである Launch Entry Suit (LES) を着用した。1994 年、LES は完全加圧のAdvanced Crew Escape Suit (ACES) に置き換えられ、緊急事態における宇宙飛行士の安全性が向上した。コロンビア号には当初、ALTおよび最初の 4 回のミッション用に改良されたSR-71 ゼロゼロ射出座席が搭載されていたが、これらは STS-4 後に使用不可となり、STS-9後に撤去された。^[2]^{: 370–371}

軌道上のアトランティスのコックピットからの眺め — *アトランティスは*、 STS-101でグラスコックピットを搭載して飛行した最初のシャトルでした。

フライトデッキは乗員室の最上階にあり、オービターの飛行制御装置が含まれていた。機長は左前席に座り、パイロットは右前席に座り、追加の乗員用に2～4席が用意されていた。計器盤には2,100を超えるディスプレイと制御装置があり、機長とパイロットは両方ともヘッドアップディスプレイ（HUD）と回転ハンドコントローラー（RHC）を装備しており、動力飛行中にエンジンをジンバルで制御し、無動力飛行中にオービターを操縦する。両方の座席にはラダーコントロールもあり、飛行中のラダーの動きと地上でのノーズホイールステアリングが可能だった。^[2]^{: 369–372}オービタービークルには当初、飛行情報を表示および制御するための多機能CRTディスプレイシステム（MCDS）が搭載されていた。MCDSは、機長とパイロットの座席、および後部座席に飛行情報を表示し、HUDのデータも制御した。 1998年、アトランティスは多機能電子表示システム（MEDS）にアップグレードされた。これは、 8つのMCDS表示ユニットを11の多機能カラーデジタルスクリーンに置き換えた、グラスコックピットの飛行計器のアップグレードであった。MEDSは2000年5月のSTS-101で初めて飛行し、他のオービタービークルもこれにアップグレードされた。フライトデッキの後部には、ペイロードベイを覗く窓と、貨物操作中にリモートマニピュレーターシステムを制御するためのRHCがあった。さらに、後部フライトデッキには、貨物ベイを見るための閉回路テレビのモニターがあった。^[2]^{: 372–376}

ミッドデッキには乗組員の装備品保管庫、寝室、調理室、医療機器、乗組員用の衛生ステーションがありました。乗組員は必要に応じて調整できるモジュラーロッカーと、恒久的に設置された床コンパートメントを使用して装備品を保管しました。ミッドデッキには乗組員が地球にいるときに出入りするために使用する左舷ハッチがありました。^[21]^{: II–26–33}

エアロック

エアロックは、ガスの成分、状態、または圧力が異なる 2 つの空間の間を移動できるように設置された構造物です。ミッドデッキ構造の続きとして、各オービターはもともとミッドデッキに内部エアロックを備えていました。内部エアロックは、ミールやISSとのドッキングを改善するために、オービタードッキングシステムとともに、ディスカバリー、アトランティス、エンデバーのペイロードベイに外部エアロックとして設置されました。^[21]^{: II–26–33}エアロックモジュールはミッドベイに取り付けることも、ミッドベイに接続してペイロードベイに取り付けることもできます。^[27]^{: 81}直径 1.60 メートル (5 フィート 3 インチ)、長さ 2.11 メートル (6 フィート 11 インチ) の内部円筒形容積を持ち、宇宙服を着た 2 人の宇宙飛行士を収容できます。長さ（直径）1.02m（40インチ）、幅0.91m（36インチ）のD字型ハッチが2つあります。^[27]^{: 82}

飛行システム

オービターには、大気圏飛行中に情報と制御を提供するためのアビオニクスシステムが搭載されていました。アビオニクススイートには、3 つのマイクロ波走査ビーム着陸システム、3 つのジャイロスコープ、3 つのTACAN、3 つの加速度計、 2 つのレーダー高度計、 2 つの気圧高度計、3 つの姿勢指示器、2 つのマッハ指示器、および 2 つのモード C トランスポンダーが含まれていました。再突入中、乗組員はマッハ 5 未満の速度で移動していると、 2 つの航空データプローブを展開しました。オービターには、飛行のすべての段階で誘導とナビゲーションに使用する 3 つの慣性測定装置(IMU) がありました。オービターには、軌道上で IMU の位置合わせを行うための 2 つのスタートラッカーが搭載されています。スタートラッカーは軌道上で展開され、自動または手動で恒星に位置合わせできます。1991 年、NASA は慣性測定装置を慣性航法システム(INS) にアップグレードし始めました。これにより、より正確な位置情報が提供されるようになりました。 1993年、NASAはSTS-51で初めてGPS受信機を飛行させた。1997年、ハネウェルはIMU、INS、TACANシステムに代わる統合型GPS/INSの開発を開始し、2007年8月にSTS-118で初飛行した。 ^[2]^{: 402–403}

軌道上では、乗組員は主に音声とデータの両方の通信を提供する4 つのS バンド無線機のうちの 1 つを使用して通信しました。S バンド無線機のうち 2 つは位相変調トランシーバーで、情報の送受信が可能でした。他の 2 つの S バンド無線機は周波数変調送信機で、NASA にデータを送信するのに使用されました。S バンド無線機は見通し線内でのみ動作するため、NASA は軌道上でオービターと通信するために追跡およびデータ中継衛星システムと宇宙船追跡およびデータ取得ネットワーク地上局を使用しました。さらに、オービターは貨物室から高帯域幅のKu_バンド無線機を展開し、ランデブーレーダーとしても使用できました。オービターには、航空管制および船外活動を行う宇宙飛行士との通信用に2 つのUHF無線機も装備されていました。^[2]^{: 403–404}

スペースシャトルのフライ・バイ・ワイヤ制御システムは、メインコンピュータであるデータ処理システム（DPS）に完全に依存していた。DPSは、オービタの飛行制御とスラスタ、および打ち上げ中のETとSRBを制御した。DPSは、5台の汎用コンピュータ（GPC）、2台の磁気テープ大容量記憶装置（MMU）、およびスペースシャトルのコンポーネントを監視する関連センサーで構成されていた。^[2]^：232–233使用された最初のGPCはIBM AP-101Bで、独立した中央処理装置（CPU）と入出力プロセッサ（IOP）、および不揮発性ソリッドステートメモリを使用していた。1991年から1993年にかけて、オービタ機はAP-101Sにアップグレードされ、メモリと処理能力が向上し、CPUとIOPを1つのユニットに統合することでコンピュータの容積と重量が削減された。 4 つの GPC には、飛行の全段階を通じて制御を提供するスペースシャトル固有のソフトウェアであるプライマリアビオニクスソフトウェアシステム (PASS) が搭載されていました。上昇、操縦、再突入、着陸の間、4 つの PASS GPC は同一の機能を果たして 4 重の冗長性を実現し、結果のエラーチェックを行います。4 つの PASS GPC から誤ったレポートが送信されるようなソフトウェアエラーが発生した場合、5 つ目の GPC がバックアップフライトシステムを実行します。バックアップフライトシステムは別のプログラムを使用し、上昇、軌道、再突入を通じてスペースシャトルを制御できますが、ミッション全体をサポートすることはできません。5 つの GPC は、冷却ファンの故障に備えてミッドデッキ内の 3 つのベイに分かれて配置されていました。軌道に到達した後、乗組員は運用ミッションをサポートするために、GPC の機能の一部を誘導、航法、制御 (GNC) からシステム管理 (SM) とペイロード (PL) に切り替えます。^[2]^{: 405–408}スペースシャトルは、飛行が12月から1月まで行われる場合、飛行ソフトウェアが年の変わり目にオービターのコンピューターをリセットする必要があったため、打ち上げられませんでした。2007年、NASAのエンジニアは、スペースシャトルの飛行が年末の境界を越えることができる解決策を考案しました。^[28]

スペースシャトルのミッションでは、通常、ポータブル汎用サポートコンピュータ（PGSC）が持ち込まれ、軌道船のコンピュータや通信スイートと統合し、科学データやペイロードデータを監視できました。初期のミッションでは、最初のラップトップコンピュータの1つであるグリッドコンパスがPGSCとして持ち込まれましたが、後のミッションではAppleとIntelのラップトップが持ち込まれました。^[2]^{: 408}^[29]

ペイロードベイ

ペイロードベイは、軌道船の胴体の大部分を占め、スペースシャトルのペイロードを積載するスペースを提供した。ペイロードベイは長さ18メートル（60フィート）、幅4.6メートル（15フィート）で、直径4.6メートル（15フィート）までの円筒形のペイロードを収容できる。ペイロードベイのドアはベイの両側に蝶番で取り付けられており、比較的気密性が高く、打ち上げ時および再突入時にペイロードを加熱から保護する。ペイロードはペイロードベイ内でロンジロンの取り付けポイントに固定された。ペイロードベイのドアは、軌道船の熱を放熱するラジエーターとしての追加機能も果たし、軌道に到達すると熱を放出するために開かれた。^[14]^{: 62–64}

オービターは、ミッションに応じてさまざまな追加コンポーネントと組み合わせて使用できます。これには、軌道上の実験室、^[21]^{: II-304、319}ペイロードをより遠くに打ち上げるためのブースター、^[21]^{: II-326}リモートマニピュレーターシステム (RMS)、^[21]^{: II-40}、およびオプションでミッション期間を延長するための EDO パレットが含まれます。^[21]^{: II-86}オービターが ISS にドッキングしている間の燃料消費を制限するために、ステーションからシャトルへの電力変換とオービターへの電力転送を行うステーション・シャトル間電力転送システム(SSPTS) が開発されました。 ^[21]^{: II-87–88} SSPTS は STS-118 で初めて使用され、ディスカバリー号とエンデバー号に搭載されました。^[21]^{: III-366–368}

リモートマニピュレーターシステム

リモートマニピュレーターシステム（RMS）はカナダアームとも呼ばれ、貨物室に取り付けられた機械式アームです。ペイロードを掴んで操作したり、宇宙飛行士が船外活動を行うための移動プラットフォームとして使用したりできます。RMSはカナダの会社Spar Aerospaceによって製造され、宇宙飛行士がオービターのフライトデッキ内の窓と閉回路テレビを使用して制御しました。RMSは6つの自由度を持ち、アームの3つのポイントに6つのジョイントがありました。元のRMSは最大29,000 kg（65,000ポンド）のペイロードを展開または回収できましたが、後に270,000 kg（586,000ポンド）に改良されました。^[2]^{: 384–385}

スペースラボ

スペースラボモジュールは、欧州が資金提供した与圧実験室で、ペイロードベイ内に搭載され、軌道上で科学研究を行うことができました。スペースラボモジュールには、飛行中に重心を維持するためにペイロードベイの後端に取り付けられた2.7メートル（9フィート）のセグメントが2つありました。宇宙飛行士は、エアロックにつながる2.7メートルまたは5.8メートル（8.72フィートまたは18.88フィート）のトンネルを通ってスペースラボモジュールに入りました。スペースラボの機器は主にパレットに保管されており、実験だけでなくコンピューターや電源機器の保管にも使用されました。^[2]^{: 434–435}スペースラボのハードウェアは、1999年までに28のミッションで飛行し、天文学、微小重力、レーダー、生命科学などのテーマを研究しました。スペースラボのハードウェアは、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）の整備や宇宙ステーションの補給などのミッションもサポートしました。スペースラボモジュールはSTS-2とSTS-3でテストされ、最初の完全なミッションはSTS-9で行われました。^[30]

RS-25エンジン

スペースシャトル主エンジン（SSME）としても知られる3基のRS-25エンジンは、三角形のパターンでオービターの後部胴体に搭載されていました。エンジンノズルは、上昇中にピッチで±10.5°、ヨーで±8.5°ジンバル回転して、シャトルを操縦するための推力の方向を変えることができました。チタン合金製の再利用可能なエンジンはオービタービークルから独立しており、飛行の合間に取り外して交換されました。RS-25は、液体酸素と液体水素を使用する段階燃焼サイクル極低温エンジンで、これまでの液体燃料ロケットよりも高い燃焼室圧力を持っていました。元の主燃焼室は、最大圧力226.5バール（3,285 psi）で動作していました。エンジンノズルの高さは287cm（113インチ）、内径は229cm（90.3インチ）です。ノズルは液体水素を運ぶ1,080本の内部配管によって冷却され、断熱材とアブレーション材によって熱的に保護されている。^[21]^{: II–177–183}

RS-25 エンジンには、信頼性と出力を高めるためにいくつかの改良が加えられました。開発プログラム中に、ロケットダインは、エンジンが当初指定された推力の 104% で安全かつ確実に動作できることを確認しました。エンジンの推力値を以前の文書やソフトウェアと一致させるため、NASA は当初指定された推力を 100% に維持しましたが、RS-25 はより高い推力で動作させました。RS-25 のアップグレードバージョンは、ブロック I とブロック II と呼ばれていました。2001 年にブロック II エンジンで 109% の推力レベルが達成され、スロート面積が広くなったため、チャンバー圧力が 207.5 バール (3,010 psi) に低下しました。通常の最大スロットルは 104% で、ミッション中止には 106% または 109% が使用されます。^[14]^{: 106–107}

軌道操縦システム

軌道操縦システム (OMS) は、後部に取り付けられた 2 基のAJ10-190エンジンと関連の推進剤タンクで構成されていました。AJ10 エンジンは、四酸化二窒素(N ₂ O ₄ )で酸化されたモノメチルヒドラジン(MMH) を使用しました。ポッドは最大 2,140 kg (4,718 lb) の MMH と 3,526 kg (7,773 lb) の N ₂ O ₄を搭載しました。OMS エンジンは、メインエンジンカットオフ (MECO) 後に軌道投入に使用されました。飛行中、これらは軌道変更や再突入前の軌道離脱燃焼に使用されました。各 OMS エンジンは 27,080 N (6,087 lbf) の推力を生成し、システム全体で 305 m/s (1,000 ft/s) の速度変更を提供できました。^[21]^{: II–80}

熱保護システム

再突入中、探査機は熱防護システム（TPS）によって熱から保護されていた。これは探査機の周囲に熱を吸収する保護層である。これまでの米国の宇宙船がアブレーション式の熱シールドを使用していたのとは対照的に、探査機の再利用には多目的熱シールドが必要だった。 ^[14]^{: 72–73}再突入中、TPSは1,600 °C（3,000 °F）まで温度が上昇したが、探査機のアルミニウム外板の温度を180 °C（350 °F）未満に抑える必要があった。TPSは主に4種類のタイルで構成されていた。ノーズコーンと翼の前縁は1,300 °C（2,300 °F）を超える温度に達したため、強化カーボンカーボンタイル（RCC）で保護されていた。 1998年、微小隕石や軌道デブリによる損傷を防ぐために、より厚いRCCタイルが開発・設置され、コロンビア号の惨事でRCCが損傷した後にさらに改良された。STS -114以降、オービタ機には、潜在的な損傷を乗組員に警告するための主翼前縁衝撃検知システムが搭載された。^[21]^{: II–112–113}オービタ機の下側全体、およびその他の最も高温になる表面は、空気ポケットに熱を閉じ込めて外に逃がすホウケイ酸ガラスでコーティングされたシリカ繊維でできた、再利用可能な高温表面断熱タイルで保護されていた。オービタ機の上部の領域は、同様の組成の白色の低温再利用可能な表面断熱タイルでコーティングされ、650℃（1,200℉）未満の温度に対する保護を提供した。ペイロードベイのドアと上翼表面の一部は、温度が370℃（700℉）以下に保たれたため、再利用可能なノメックスフェルト表面断熱材またはベータクロスでコーティングされていました。 ^[2]^{: 395}

外部タンク

スペースシャトルの外部燃料タンク（ET）は、ロケットの中で最も大きな部分であり^{[要説明] 、}^[要出典]、スペースシャトルのメインエンジン用の推進剤を運び、軌道船と固体ロケットブースターを接続していました。ETは高さ47メートル（153.8フィート）、直径8.4メートル（27.6フィート）で、液体酸素と液体水素用の別々のタンクが含まれていました。液体酸素タンクはETの先端に収納され、高さは15メートル（49.3フィート）でした。液体水素タンクはETの大部分を占め、高さは29メートル（96.7フィート）でした。軌道船は、5つの推進剤と2つの電気アンビリカルを含む2つのアンビリカルプレートと、前方と後方の構造アタッチメントでETに接続されていました。 ETの外側は上昇時の熱に耐えられるようにオレンジ色のスプレーフォームで覆われており^[2]^{: 421–422}、極低温推進剤による氷の形成を防いでいた。^[31]

ET は、打ち上げからメインエンジンの停止まで、スペースシャトルのメインエンジンに推進剤を供給した。ET はエンジン停止から 18 秒後にオービター機から分離し、自動または手動で起動することができた。分離時に、オービター機はアンビリカルプレートを引き込み、アンビリカルコードは、オービター機に過剰な推進剤が漏れるのを防ぐために密閉された。構造アタッチメントに取り付けられたボルトが切断された後、ET はオービター機から分離された。分離時に、ET を回転させるために酸素ガスが先端から排出され、再突入時に確実に分解されるようにした。ET は、スペースシャトルシステムの主要コンポーネントの中で再利用されなかった唯一のものであり、弾道軌道に沿ってインド洋または太平洋に落下した。^[2]^{: 422}

最初の2回のミッションであるSTS-1とSTS-2では、ETは紫外線による損傷から保護するため、270 kg (595 lb)の白色の難燃性ラテックス塗料で覆われていた。その後の研究で、オレンジ色のフォーム自体は十分に保護されていることが判明し、STS-3以降、ETはラテックス塗料で覆われなくなった。^[21]^{: II-210}軽量タンク (LWT) はSTS-6で初めて飛行し、タンクの重量を4,700 kg (10,300 lb) 削減した。LWTの重量は、水素タンクから部品を取り除き、一部の外板の厚さを減らすことで軽減された。^[2]^{: 422} 1998年、超軽量ET (SLWT) がSTS-91で初めて飛行した。 SLWTは2195アルミニウムリチウム合金を使用しており、これは前身の2219アルミニウムリチウム合金よりも40%強度が高く、10%密度が低い。SLWTの重量はLWTより3,400kg（7,500ポンド）軽く、スペースシャトルはISSの高傾斜軌道に重元素を運ぶことができた。^[2]^{: 423–424}

固体ロケットブースター

固体ロケットブースター（SRB）は、スペースシャトルの離陸と上昇中に推力の71.4％を供給し、これまで飛行した中で最大の固体燃料モーターであった。^[5]各SRBは高さ45メートル（149.2フィート）、幅3.7メートル（12.2フィート）、重量68,000キログラム（150,000ポンド）、厚さ約13ミリメートル（0.5インチ）の鋼鉄製の外装を備えていた。SRBのサブコンポーネントは、固体燃料モーター、ノーズコーン、ロケットノズルであった。固体燃料モーターはSRBの構造の大部分を占めていた。そのケースは11の鋼鉄セクションで構成され、4つの主要セグメントを構成していた。ノーズコーンには、前方分離モーターと回収時に使用するパラシュートシステムが収容されていた。ロケットノズルは、飛行中の調整を可能にするために最大8°のジンバルが可能であった。^[2]^{: 425–429}

ロケットモーターにはそれぞれ合計500,000 kg (1,106,640 lb) の固体ロケット推進剤 ( APCP + PBAN ) が充填され、ケネディ宇宙センターのロケット組立棟(VAB) で結合されました。^[2]^{: 425–426}打ち上げの第1段階で推力を提供することに加えて、SRBは移動式発射プラットフォーム(MLP) に接続された唯一のシステムであったため、オービタ機とETの構造的サポートを提供しました。^[2]^{: 427}打ち上げ時、SRBはT-5分で起動され、RS-25エンジンが点火して問題がなくなった場合にのみ電気的に点火できました。^[2]^{: 428}それぞれの推力は12,500 kN (2,800,000 lbf) で、後にSTS-8から 13,300 kN (3,000,000 lbf) に向上した。^[2]^{: 425}燃料を使い果たした SRB は、打ち上げから約 2 分後に高度約 46 km (150,000 フィート) で投棄された。分離後、SRB はドローグパラシュートとメインパラシュートを展開し、海上に着水し、 MVフリーダムスター号とMVリバティスター号の乗組員によって回収された。^[2]^{: 430}ケープカナベラルに戻された後、SRB は洗浄され、分解された。ロケットモーター、点火装置、ノズルはその後、チオコール社に送られ、修理されて次の飛行で再利用された。^[14]^{: 124}

SRB は、計画期間中に何度か再設計されました。STS -6とSTS-7では、壁が 0.10 mm (0.004 インチ) 薄くなったため、2,300 kg (5,000 ポンド) 軽量の SRB が使用されましたが、安全に飛行するには薄すぎると判断されました。その後のSTS-26までの飛行では、標準重量のケースより 0.076 mm (0.003 インチ) 薄いケースが使用され、1,800 kg (4,000 ポンド) 軽量化されました。低温でO リングが破損した結果としてチャレンジャー号が事故を起こした後、SRB は周囲温度に関係なく一定の密閉性を提供するように再設計されました。^[2]^{: 425–426}

サポート車両

スペースシャトルの運用は、輸送、建造、乗組員のアクセスを容易にする車両とインフラストラクチャによってサポートされていました。クローラートランスポーターは、 MLPとスペースシャトルをVABから発射場まで運びました。^[32]シャトルキャリア航空機（SCA）は、背中にオービターを運ぶことができるように改造された2機のボーイング747でした。オリジナルのSCA（N905NA）は1975年に初飛行し、 1991年より前のすべてのミッションでALTとエドワーズ空軍基地からケネディ宇宙センターへのオービターの輸送に使用されました。2番目のSCA（N911NA）は1988年に購入され、最初にエンデバーを工場からケネディ宇宙センターに輸送するために使用されました。スペースシャトルの退役後、N905NAはJSCに展示され、N911NAはカリフォルニア州パームデールのジョー・デイビス・ヘリテージ・エアパークに展示されました。^[21]^{: I–377–391}^[33]クルー輸送車両（CTV）は、空港のジェットブリッジを改造したもので、宇宙飛行士が着陸後にオービタから脱出し、ミッション後の健康診断を受けるのを支援するために使用されました。^[34]アストロバンは、打ち上げ日に運用チェックアウトビルのクルーの宿舎から発射台まで宇宙飛行士を輸送しました。^[35] NASA鉄道は、フロリダ東海岸鉄道のタイタスビルからケネディ宇宙センターまでSRBセグメントを輸送する3台の機関車で構成されていました。^[36]

ミッションプロフィール

打ち上げ準備

スペースシャトルは、主にケネディ宇宙センターのVABで打ち上げ準備が行われた。SRBは組み立てられ、MLPの外部燃料タンクに取り付けられた。オービタ機はオービタ処理施設（OPF）で準備され、VABに移送され、そこでクレーンを使用して垂直方向に回転され、外部燃料タンクに結合された。^[14]^{: 132–133}スタック全体が組み立てられると、MLPはクローラートランスポーターの1つによって5.6 km（3.5マイル）離れた発射施設39に運ばれた。^[14]^{: 137}スペースシャトルは、2つの発射台のいずれかに到着すると、固定および回転サービス構造物に接続され、そこで整備機能、ペイロードの挿入、および乗組員の輸送が提供される。^[14]^{: 139–141}乗組員はT-3時間に発射台に輸送され、T-2時間に閉じられたオービタ機に乗り込んだ。^[21]^{: III–8}液体酸素と水素は、軌道船に接続されたアンビリカルケーブルを介して外部タンクに充填され、T-5時間35分に開始されました。T-3時間45分に水素の急速充填が完了し、15分後に酸素タンクの充填が続きました。酸素と水素が蒸発するにつれて、両方のタンクは打ち上げまでゆっくりと充填されました。^[21]^{: II–186}

打ち上げ承認基準では、降水量、気温、雲量、雷予報、風、湿度が考慮された。^[37]スペースシャトルは、排気煙が打ち上げ後に地面への電流経路を提供することで雷を誘発する可能性があるため、雷に打たれる可能性のある条件下では打ち上げられなかった。これはアポロ12号で起こった。^[38]^{: 239}シャトル打ち上げに関するNASAのアンビルルールでは、アンビル雲は19 km（10 nmi）以内に現れてはならないとされていた。 ^[39]シャトル打ち上げ気象担当官は、打ち上げ中止の最終決定が発表されるまで状況を監視していた。打ち上げ場所の天候に加えて、大西洋横断着陸中止場所の1つとSRB回収エリアの状況が許容範囲内でなければならなかった。^[37]^[40]

打ち上げ

ミッションクルーと打ち上げ管制センター（LCC）の職員は、カウントダウンの間中システムチェックを完了した。T-20分とT-9分の2回の組み込み待機により、問題に対処したり追加の準備をしたりするための予定された休憩が与えられた。^[21]^{: III–8} T-9分の組み込み待機の後、カウントダウンはLCCの地上打ち上げシーケンサ（GLS）によって自動的に制御され、スペースシャトルの搭載システムのいずれかに重大な問題が感知されるとカウントダウンが停止した。^[40] T-3分45秒に、エンジンはジンバルテストを開始し、T-2分15秒に終了した。地上打ち上げ処理システムは、 T-31秒にオービタ機のGPCに制御を引き渡した。 T−16秒にGPCがSRBを作動させ、消音システム（SPS）がMLPとSRBの溝に1,100,000リットル（300,000米ガロン）の水を注ぎ始め、打ち上げ中に火炎溝とMLPから反射した音響エネルギーとロケット排気ガスによるオービタの損傷からオービタを保護した。 ^[41]^[42] T−10秒に、各エンジンベルの下の水素点火装置が作動し、点火前にコーン内の停滞ガスを鎮圧した。これらのガスが燃焼しないと、搭載センサーが作動し、点火段階で機体の過圧と爆発の可能性が生じる可能性がある。エンジン始動の準備として、T−9.5秒に水素タンクのプレバルブが開かれた。^[21]^{: II–186}

T-6.6秒から、メインエンジンが120ミリ秒間隔で順次点火された。3基のRS-25エンジンはすべて、T-3秒までに定格推力の90%に達する必要があり、そうでない場合はGPCがRSLSの中止を開始する。3基のエンジンすべてがT-3秒までに公称性能を示した場合、ジンバルからリフトオフ構成にするよう指示され、T-0での点火のためにSRBを作動させる指示が出される。^[43] T-6.6秒からT-3秒の間、RS-25エンジンは点火しているがSRBはまだパッドにボルトで固定されているが、オフセット推力によりスペースシャトルは外部燃料タンクの先端で測定して650 mm（25.5インチ）下方にピッチングする。3秒の遅延により、SRB点火前にスタックはほぼ垂直に戻ることができた。この動きは「トング」と呼ばれていた。 T−0で、 SRBをパッドに固定していた8つの破砕ナットが爆発し、最後のアンビリカルケーブルが切断され、SSMEに100%スロットルの指令が下され、SRBが点火された。 ^[44]^[45] T+0.23秒までに、SRBは離陸開始に十分な推力を獲得し、T+0.6秒までに最大チャンバー圧力に達した。^[46]^[21]^{: II–186} T−0で、JSCミッションコントロールセンターがLCCから飛行の制御を引き継いだ。^[21]^{: III–9}

T+4秒でスペースシャトルが高度22メートル（73フィート）に達したとき、RS-25エンジンは104.5%までスロットルが絞られました。およそT+7秒で、スペースシャトルは高度110メートル（350フィート）でヘッドダウン姿勢になり、これにより空力ストレスが軽減され、通信とナビゲーションの姿勢が改善されました。上昇開始から約20～30秒後、高度2,700メートル（9,000フィート）で、RS-25エンジンは65～72%までスロットルが絞られ、Max Qでの最大空力力が軽減されました。^[21]^{: III–8–9}さらに、SRBの推進剤の形状は、Max Q時に推力が減少するように設計されていました。 ^[2]^{: 427} GPCはSRBの性能に基づいてRS-25エンジンのスロットルを動的に制御することができました。^[21]^{: II–187}

およそ T+123 秒、高度 46,000 メートル (150,000 フィート) で、火工品ファスナーによって SRB が放出され、SRB は最高高度67,000 メートル (220,000 フィート) に到達した後、大西洋にパラシュートで降下した。スペースシャトルは RS-25 エンジンのみを使用して上昇を続けた。初期のミッションでは、スペースシャトルはバミューダの追跡局との通信を維持するためにヘッドダウン姿勢を維持していたが、 STS-87以降のミッションでは、追跡およびデータ中継衛星群との通信のために T+6 分でヘッドアップ姿勢に変わった。RS-25 エンジンは T+7 分 30 秒でスロットルが絞られ、機体の加速度が 3 Gに制限された。メインエンジンカットオフ（MECO）の6秒前、つまりT+8分30秒前に、RS-25エンジンは67%まで減速された。GPCはETの分離を制御し、軌道上でのガス放出を防ぐために残りの液体酸素と水素を放出した。ETは弾道軌道を描き続け、再突入中に分解し、いくつかの小さな破片がインド洋または太平洋に落下した。^[21]^{: III–9–10}

初期のミッションでは、軌道に到達するためにOMSを2回噴射しました。最初の噴射で遠地点を上昇させ、2回目の噴射で軌道を円形にしました。STS -38以降のミッションでは、最適な遠地点に到達するためにRS-25エンジンを使用し、軌道を円形にするためにOMSエンジンを使用しました。軌道高度と傾斜角はミッションに依存し、スペースシャトルの軌道は220〜620 km（120〜335 nmi）の範囲で変化しました。^[21]^{: III–10}

軌道上で

スペースシャトルに割り当てられたミッションの種類によって、進入する軌道の種類が決まりました。再使用可能なスペースシャトルの初期設計では、商業用および政府の衛星を展開するための、ますます安価な打ち上げプラットフォームが想定されていました。初期のミッションでは定期的に衛星が運ばれ、それによってオービターが進入する軌道の種類が決まりました。チャレンジャー号の事故の後、多くの商業ペイロードはデルタ IIなどの使い捨ての商業用ロケットに移行しました。^[21]^{: III–108, 123}後のミッションでも商業ペイロードが打ち上げられましたが、スペースシャトルの割り当ては、ハッブル宇宙望遠鏡、^[21]^{: III–148}スペースラボ、^[2]^{: 434–435}およびガリレオ宇宙船^[21]^{: III–140}などの科学的ペイロードに日常的に向けられました。STS -71 以降、オービタービークルはミール宇宙ステーションとのドッキングを実施しました。^[21]^{: III–224}スペースシャトルは、運用の最後の10年間に国際宇宙ステーションの建設に使用されました。^[21]^{: III–264}ほとんどのミッションは数日から2週間の軌道滞在を伴いましたが、長期滞在オービタパレットを使用すればより長いミッションも可能でした。^[21]^{: III–86} 17日間15時間のSTS-80ミッションは、スペースシャトルのミッション期間としては最長でした。^[21]^{: III–238}

再突入と着陸

軌道離脱の約 4 時間前、乗組員はペイロードドアを閉じ、余分な熱を放出し、Ku バンドアンテナを格納することにより、オービタ機の再突入の準備を開始しました。オービタ機は逆さまの尾部を先にした姿勢に操縦され、大気圏に再突入する約 20 分前に 2～4 分間の OMS 噴射を開始しました。オービタ機は、迎角 40° で機首を前にした姿勢に向きを変え、前方反応制御システム(RCS) ジェットは再突入前に燃料が空になり無効になりました。オービタ機の再突入は、高度 120 km (400,000 フィート) から開始し、マッハ約 25 で移動していると定義されました。オービタ機の再突入は GPC によって制御され、TPS の危険な加熱を防ぐために事前に設定された迎角計画に従いました。再突入中、オービタの速度は、発生する抗力の量を変えることによって調整され、これは迎え角とバンク角によって制御された。バンク角は、迎え角を変えずに抗力を制御するために使用できる。バンク中に方位角を制御するために、一連のロール反転^[c]が実行された。^[47]オービタ機の後方RCSジェットは、エルロン、エレベーター、ラダーが下層大気で有効になったため無効になった。高度46 km (150,000フィート) で、オービタ機は垂直安定板のスピードブレーキを開いた。着陸の8分44秒前に、乗組員は航空データプローブを展開し、迎え角を36°まで下げ始めた。^[21]^{: III–12} オービターの最大滑空比/揚抗比は速度によって大きく変化し、極超音速では1.3 、亜音速では4.9であった。^[21]^{: II–1}オービターは滑走路の中心線の両端から48 km (30 mi)離れた2つのヘディングアライメントコーンの1つまで飛行し、そこで最終旋回を行って余分なエネルギーを消散させてから着陸に進入した。オービターが亜音速で飛行すると、乗組員が手動で飛行の制御を引き継いだ。^[21]^{: III–13}

着陸進入段階は、オービタ機が高度 3,000 m (10,000 フィート) で 150 m/s (300 ノット) で移動しているときに開始されました。オービタ機は -20° または -18° のグライドスロープをたどり、約 51 m/s (167 フィート/s) で降下しました。速度を一定に保つためにスピードブレーキが使用され、乗組員は高度 610 m (2,000 フィート) で -1.5° のグライドスロープへのプレフレア操作を開始しました。着陸装置は着陸の 10 秒前に展開され、オービタ機は高度 91 m (300 フィート) で 150 m/s (288 ノット) で移動していました。最後のフレア操作により、オービタ機の降下率は0.9 m/s (3 ft/s) に低下し、着陸はオービタ機の重量に応じて100～150 m/s (195～295 kn) で行われた。着陸装置が着陸した後、乗組員は垂直安定板からドラッグシュートを展開し、オービタ機が72 m/s (140 kn) より遅く移動しているときに車輪ブレーキを開始した。オービタの車輪が停止した後、乗組員は飛行コンポーネントを非アクティブ化し、脱出の準備をした。^[21]^{: III–13}

着陸地点

スペースシャトルの主な着陸地点はケネディ宇宙センターのシャトル着陸施設で、133回の着陸成功のうち78回がここで行われた。着陸条件が悪ければ、シャトルは着陸を遅らせたり、別の場所に着陸したりすることができた。主な代替地点はエドワーズ空軍基地で、54回の着陸に使用された。 ^[21]^{: III–18–20} STS-3はニューメキシコ州のホワイトサンズ宇宙港に着陸し、 STS-107後のコロンビア号の残骸で一部発見された石膏を多く含む砂にさらされたため、大規模な後処理が必要となった。^[21]^{: III–28}代替飛行場への着陸には、シャトル輸送機でオービターをケープカナベラルまで輸送する必要があった。^[21]^{: III–13}

事前に計画された着陸飛行場に加えて、さまざまなアボートシナリオで使用するために合意された緊急着陸地点が 85 か所あり、そのうち 58 か所は海外に位置していた。着陸地点は、政治的関係、好ましい天候、少なくとも 2,300 メートル (7,500 フィート) の滑走路、 TACANまたはDME機器に基づいて選択された。さらに、オービタービークルには UHF 無線しかなかったため、VHF 無線しか持たない海外のサイトでは乗組員と直接通信できなかっただろう。米国東海岸の施設は東海岸アボート着陸用に計画され、ヨーロッパとアフリカのいくつかの場所は大洋横断アボート着陸用に計画された。施設には、緊急シャトル着陸の場合に備えて機器と人員が準備されていたが、使用されることはなかった。^[21]^{: III–19}

着陸後の処理

着陸後、地上クルーが安全確認のためオービターに近づいた。自給式呼吸器を装着したチームは、水素、ヒドラジン、モノメチルヒドラジン、四酸化窒素、アンモニアの存在を検査し、着陸エリアが安全であることを確認した。^[48]空調設備とフレオン配管が接続され、乗組員と装備を冷却し、再突入による余分な熱を放散した。^[21]^{: III-13}航空医官がオービターに乗り込み、降機前に乗組員の健康診断を実施した。オービターが固定されると、OPFに牽引され、点検、修理が行われ、次のミッションに備えられた。^[48]

スペースシャトル計画

スペースシャトルは、1981年4月12日から2011年7月21日まで飛行した^{。 [21]}^:^III–398 この計画全体を通じて、スペースシャトルは135回のミッションを実施し、^{[21] :}^III^–398そのうち133回が無事帰還した。^[21]^{: III–80, 304}スペースシャトルは、その全生涯を通じて、科学研究の実施、^[21]^{: III–188}商業ペイロードの展開、^{[21] :}^III–66軍事ペイロードの展開、^{[21] :}^III–68科学ペイロードの展開に使用され、^[21^{] :}^III^–148ミールとISSの建設と運用にも関わった。 ^[21]^{: III–264}スペースシャトルは、その在任期間中、宇宙飛行士を打ち上げる唯一の米国の乗り物として機能し、 2020年5月30日のクルードラゴンデモ2号の打ち上げまで、これに代わるものはありませんでした。 ^[49]

予算

NASAのスペースシャトル計画の全体予算は、2210億ドル（2012年のドル換算）と見積もられている。^[21]^{: III−488}スペースシャトルの開発者は、コスト削減策として再利用性を主張したが、その結果、打ち上げコストが低くなると想定された開発コストが高くなった。スペースシャトルの設計中、フェーズBの提案は、フェーズAの最初の見積もりほど安価ではなかった。スペースシャトル計画マネージャのロバート・トンプソンは、削減されたコストでは他の技術要件を満たすことができないため、1ポンドあたりのコスト削減がそれ以降の設計フェーズの主要目的ではないことを認めた。^[21]^{: III−489−490} 1972年に行われた開発見積もりでは、ペイロード1ポンドあたりのコストが1,109ドル（2012年）と低く見積もられていたが、スペースシャトルの研究開発費を除いた実際のペイロードコストは1ポンドあたり37,207ドル（2012年）であった。^[21]^{: III−491}打ち上げ1回あたりのコストはプログラムを通じて異なり、飛行率だけでなく、スペースシャトルプログラム全体の研究、開発、調査手続きにも依存していた。 1982年にNASAは、10年間に年間24回の飛行を予測し、1回の飛行あたり2億6000万ドル（2012年）という見積もりを発表した。オービターとISSが建造されておらず、乗組員の損失後の復旧作業が行われていなかった1995年から2002年までの打ち上げ1回あたりのコストは8億600万ドルだった。 NASAは1999年に発表した調査では、年間7回の打ち上げの場合、コストは5億7600万ドル（2012年）になると結論付けている。2009年にNASAは、年間1回の打ち上げを追加するコストは2億5200万ドル（2012年）であると決定し、これはスペースシャトル計画のコストの大半が、打ち上げ率に関係なく継続される年間を通しての人員と運用にかかるものであることを示している。スペースシャトル計画全体の予算を考慮すると、打ち上げ1回あたりのコストは16億4200万ドル（2012年）であった。^[21]^{: III−490}

災害

1986年1月28日、STS-51-Lは右SRBの故障により打ち上げ73秒後に分解し、チャレンジャー号に乗っていた7人の宇宙飛行士全員が死亡した。この災害は、SRBケーシングのセグメント間に使用されるミッションクリティカルなシールであるOリングの低温損傷によって引き起こされた。Oリングの破損により、高温の燃焼ガスがブースターセクションの間から漏れ出し、隣接するETを燃やし、一連の破滅的な出来事を引き起こし、オービターの分解を引き起こした。^[50]^{: 71}温度が53 °F（12 °C）を下回る場合のOリングの安全性の証拠がないことを懸念する設計エンジニアからの繰り返しの警告は、NASAの管理者によって無視された。^[50]^{: 148}

2003年2月1日、コロンビア号は再突入中に分解し、STS-107の乗組員7人全員が死亡した。これは、打ち上げ時にカーボンファイバー製の主翼前縁が損傷したためである。地上管制技師らは、損傷の程度を把握するために国防総省が撮影した高解像度画像を3回別々に要求していたが、NASAのTPS主任技師は、コロンビア号に搭乗している宇宙飛行士が損傷を検査するために機外へ出ることを許可するよう要請した。NASAの管理者らは介入して国防総省によるオービターの画像撮影を中止させ、船外活動の要請を拒否した。^[21]^{: III–323}^{[51]そのため、当時NASAの管理者らは、}アトランティスによる宇宙飛行士の修理や救助のシナリオの実現可能性を考慮していなかった。^[52]

批判

スペースシャトルの部分的な再利用は、開発当初の主要な設計要件の1つでした。^[7]^{: 164}オービターの帰還と再利用を決定した技術的決定により、打ち上げごとのペイロード容量が減少しました。当初の意図は、このペイロードの減少を、打ち上げごとのコストの削減と打ち上げ頻度の増加で補うことでした。しかし、スペースシャトルの実際の打ち上げコストは当初の予測よりも高く、スペースシャトルは当初NASAが予測した年間24回のミッションを飛行しませんでした。^[53]^[21]^{: III–489–490}

スペースシャトルはもともと、チャレンジャー号の事故以前のミッションで主に使用されていた衛星を配備するための打ち上げ機として意図されていた。NASA の価格はコスト以下で、使い捨ての打ち上げ機よりも低かった。これは、スペースシャトルのミッションの多さが初期の財政的損失を補うという意図があったからである。使い捨ての打ち上げ機の改良と、スペースシャトルの商用ペイロードからの移行により、使い捨ての打ち上げ機が衛星配備の主な選択肢となった。^[21]^{: III–109–112}スペースシャトルの主要顧客は、スパイ衛星を担当する国家偵察局(NRO) であった。NRO とのつながりの存在は 1993 年まで機密扱いであり、NRO のペイロード要件に関する秘密の検討は、プログラムの透明性の欠如につながった。チャレンジャー号の事故を受けて中止されたシャトル・セントーア計画の提案は、宇宙船をその運用能力を超えて押し上げるものであった。^[54]

致命的なチャレンジャー号とコロンビア号の事故は、スペースシャトルの乗組員の死亡につながる安全上のリスクを実証した。オービターのスペースプレーン設計では、アボートのオプションが限られており、アボートのシナリオでは、アポロ号やソユーズ号の宇宙カプセルのアボート脱出オプションではなく、滑走路までのオービターの制御された飛行、または乗組員が個別に脱出できるようにすることが必要だった。^[55] NASAのエンジニアと経営陣が宣伝した初期の安全分析では、乗組員の死亡につながる壊滅的な故障の可能性は、打ち上げ100回に1回から10万回に1回というまれな確率まで予測されていた。^[56]^[57] 2回のスペースシャトルミッションの失敗を受けて、最初のミッションのリスクが再評価され、機体と乗組員の壊滅的な損失の可能性は9分の1と高いことが判明しました。 ^[58] NASAの経営陣は、ミッション率の向上と引き換えに乗組員のリスク増加を受け入れたとしてその後批判されました。チャレンジャーとコロンビアの 両報告書は、NASAの文化がミッションの潜在的なリスクを客観的に評価しなかったために乗組員の安全を確保できなかったと説明しています。^[57]^[59]^{: 195–203}

退職

スペースシャトルの退役は2004年1月に発表された。^[21]^{: III-347}ジョージ・W・ブッシュ大統領は宇宙探査ビジョンを発表し、国際宇宙ステーションの建設が完了したらスペースシャトルを退役させることを求めた。^[60]^[61] ISSが適切に組み立てられるように、参加パートナーは2006年3月に残りの16回の組み立てミッションが必要であると決定した。^[21]^{: III-349}ハッブル宇宙望遠鏡の追加の修理ミッションが2006年10月に承認された。^[21]^{: III-352}当初、STS-134は最後のスペースシャトルミッションになる予定だった。しかし、コロンビア号の事故により、救助ミッションの際に必要に応じて追加のオービターの打ち上げが準備されることとなった。アトランティスは最後の緊急時打ち上げミッションに向けて準備を進めていたが、2010年9月に、緊急時にISSに残れるように4人の乗組員を乗せたSTS-135として飛行することが決定された。 ^[21]^{: III-355} STS-135は2011年7月8日に打ち上げられ、2011年7月21日午前5時57分EDT（09:57 UTC）にケネディ宇宙センターに着陸した。^[21]^{: III-398}それ以降、2020年5月30日のクルードラゴン・デモ2の打ち上げまで、米国はロシアのソユーズ宇宙船で宇宙飛行士を打ち上げた。^[62]

各オービターは最終飛行を終えた後、展示用に加工された。使用されたOMSおよびRCSシステムは、有毒なハイパーゴリック推進剤のために最大の危険を伴い、危険なガス放出を防ぐためほとんどの構成部品が永久に取り外された。^[21]^{: III-443} アトランティスはフロリダ州ケネディ宇宙センタービジターコンプレックスに展示されている。^{[21 ]}^{: III-456} ディスカバリーはバージニア州スティーブン・F・ウドバー・ヘイジー・センターに展示されている。 ^[21]^{: III-451} エンデバーはロサンゼルスのカリフォルニア科学センターに展示されている。 ^[21]^{: III-457}エンタープライズはニューヨークのイントレピッド博物館に展示されている。 ^[21]^{: III-464}オービターの部品はアメリカ空軍、ISSプログラム、ロシア政府およびカナダ政府に移管された。エンジンはスペース・ローンチ・システムで使用するために取り外され、展示用に予備のRS-25ノズルが取り付けられた。^[21]^{: III-445}

参照

類似の宇宙船

ブラン– ソ連の再利用可能な宇宙飛行機
ドリームチェイサー
エルメス（キャンセル）
クリパー（キャンセル）
オリオン

注記

^ この場合、成功数はスペースシャトルのミッションの成功数によって決まります。
^ STS-1とSTS-2は、外部燃料タンクに白色の難燃性コーティングを使用した唯一のスペースシャトルミッションでした。その後のミッションでは、質量を減らすためにラテックスコーティングは使用されなかったため、外部燃料タンクはオレンジ色に見えました。^[14]^{: 48}
^ ロールリバーサルは、バンク角を一方から他方へ変更する操縦です。これは、抗力を生み出すために高いバンク角を使用した結果生じる、順行ベクトルからの方位角の偏差を制御するために使用されます。

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[5] この場合、成功数はスペースシャトルのミッションの成功数によって決まります。

[23] STS-1とSTS-2は、外部燃料タンクに白色の難燃性コーティングを使用した唯一のスペースシャトルミッションでした。その後のミッションでは、質量を減らすためにラテックスコーティングは使用されなかったため、外部燃料タンクはオレンジ色に見えました。^[14]^{: 48}

[49] ロールリバーサルは、バンク角を一方から他方へ変更する操縦です。これは、抗力を生み出すために高いバンク角を使用した結果生じる、順行ベクトルからの方位角の偏差を制御するために使用されます。

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