Así se lanzaba un transbordador espacial (el final de una era III)

Por Daniel Marín, el 11 julio, 2011. Categoría(s): Astronáutica • NASA • Shuttle • sondasesp ✎ 24

Estamos en el Centro Espacial Kennedy. Un transbordador espacial se encuentra en una de las dos rampas de lanzamiento del complejo de 39. Más de dos mil toneladas de metal y combustible se encuentran listas para enfrentarse a la gravedad terrestre en una batalla que a priori parece perdida. Pero cuando la cuenta atrás llega a cero, la enorme nave despega contra todo pronóstico. Lentamente al principio, aunque con aceleración constante. Ocho minutos después ya está en órbita desplazándose a casi 28000 km/h.

El transbordador espacial norteamericano o space shuttle era el sistema de lanzamiento más potente en servicio. Ciertamente no era el que tenía mayor capacidad de carga útil, pero no debemos olvidar que la lanzadera se lanzaba a sí misma. Y  poner en órbita baja una nave espacial de más de cien toneladas no es una tarea fácil. Menos aún si queremos que esa misma nave sea capaz de regresar a la Tierra como un planeador para ser reutilizada otra vez.

Junto con su hermano gemelo, el transbordador soviético Burán, la lanzadera era la nave espacial tripulada más grande jamás construida por el hombre. Después de treinta años y 135 misiones, su figura se ha hecho tan popular que nadie recuerda lo extraño que resultaba su diseño cuando el proyecto fue concebido allá por los años 70 del siglo pasado. A diferencia de los cohetes convencionales formados por varias etapas colocadas unas encima de las otras, el shuttle era una curiosa mezcla entre una nave espacial alada (denominada orbitador), el caraterístico tanque de combustible líquido de color anaranjado (el ET, External Tank) y dos cohetes de combustible sólido a cada lado (los SRB, Solid Rocket Boosters).



Partes del transbordador (NASA).



Dimensiones del orbitador (NASA).
 

Diagrama del orbitador (NASA).



Esquema de los SRB (NASA).



ET (NASA).

Nunca antes se había visto nada igual. Por primera vez, una nave utilizaba los mismos motores durante todo el trayecto hasta el espacio, desde el mismo momento del despegue hasta alcanzar la velocidad orbital, motores que además debían ser reutilizables. Y aunque los motores principales (SSME, Space Shuttle Main Engines) estaban situados en el orbitador, el combustible criogénico (hidrógeno y oxígeno líquidos) se guardaba en el ET. También por primera vez, una nave tripulada empleaba cohetes de combustible sólido en su diseño, hasta ese momento considerados demasiado peligrosos para transportar astronautas. Y no eran unos cohetes cualquiera. De hecho, los SRB eran los propulsores de combustible sólido más grandes de la historia.



 Los SSME (NASA).

Todo en el transbordador era excesivo, caro y complejo. No en vano la NASA siempre anunció con orgullo que era la «máquina más compleja del mundo». Y aunque puede que no lo fuese, lo cierto es que miles de hombres y máquinas debían trabajar conjuntamente para poner uno de estos vehículos en el espacio. Intentar resumir los interminables procesos y sistemas que tomaban parte en este desafío tecnológico es casi imposible. No obstante, veamos un resumen:

El montaje

Dicen que una cadena es tan fuerte como su eslabón más débil. Y esto no es menos cierto en el caso del transbordador. Los tres elementos del sistema (recordemos, orbitador, ET y SRBs) estaban unidos en cinco puntos principales. El fallo de cualquiera de estas uniones durante el lanzamiento hubiese supuesto la pérdida del vehículo y su tripulación. El shuttle carecía de un sistema de escape durante el lanzamiento, de ahí que el montaje de un transbordador fuese un asunto especialmente delicado.

Antes de comenzar su viaje al espacio, los distintos elementos se debían ensamblar en el gigantesco VAB (Vehicle Assembly Building) del Centro Espacial Kennedy. Con 160 metros de altura y 218 metros de largo, el VAB fue construido para el Programa Apolo y sigue siendo uno de los edificios más grandes del mundo, además de ser todo un símbolo del poderío tecnológico de la NASA. Se encuentra dividido en cinco zonas para el montaje de vehículos, dos de ellas con una altura similar a la del edificio (High Bay Areas) y otra con una altura de 64 metros (Low Bay Area). Durante el programa shuttle sólo se usaron dos High Bays, la 1 y la 3.


El VAB en primer plano con las rampas 39A y 39B al fondo (NASA).


Interior del VAB y distribución de las High Bays (NASA).

Para ensamblar el transbordador, primero se montaban los dos SRB, luego se acoplaba el gigantesco ET y por último se unía el orbitador. Los cohetes de combustible sólido llegaban al Centro Espacial Kennedy en ferrocarril divididos en varios segmentos desde la sede de la empresa ATK en Utah. Una vez en el VAB, se montaban en vertical sobre una de las tres plataformas de lanzamiento móvil MLP (Mobile Launch Platform). Luego le llegaba el turno al ET, una enorme pieza de 46,8 de largo por 8,4 metros de diámetro dividida en dos elementos principales: un tanque de oxígeno situado en la parte superior y un el tanque de hidrógeno en la inferior.


Traslado de los SRB en tren desde Utah (NASA).



Montaje de los SRB (NASA/capcomspace.net).


Los SRB sobre la rampa MLP tienen este aspecto después del montaje (NASA).


Uniones entre los SRB y el ET (NASA).


Llegada del ET en barcaza (NASA).


Plataforma MLP. Se aprecian las aberturas para los escapes de los SRB y los SSME, además de las dos torres de servicio para combustible y conexiones eléctricas del orbitador (NASA).

El ET era demasiado grande para ser transportado por ferrocarril -no cabía a través de los túneles- o avión, así que se enviaba en barcaza desde Michoud, Lousiana, donde era fabricado por Lockheed-Martin. Por último, el orbitador (Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis o Endeavour) llegaba al VAB desde el OPF (Orbiter Processing Facility), un edificio contiguo al VAB donde la lanzadera era reparada y almacenada después de cada misión. El orbitador se colocaba primero en posición vertical y luego era trasladado hasta el resto del conjunto. Para esta tarea se usaban varias grúas situadas a 140 metros de altura en el techo del VAB capaces de levantar hasta 295 toneladas, aunque también existían otras grúas de reserva con una capacidad de 227 toneladas. Cada una de ellas usaba 1,6 km de cable y tenían una precisión de 0,3 cm.


Situación de los edificios OPF respecto al VAB (NASA/Google Earth).





Colocando el orbitador en posición vertical (NASA).


Asegurando la unión frontal del orbitador con el ET (NASA).


Detalle de la conexión trasera entre el ET y el orbitador (NASA).


Uniones del conjunto de elementos del transbordador (NASA).


Uniones entre el ET y el orbitador (NASA).

Vídeo del izado del orbitador:

Una vez ensamblado el conjunto (stack en la terminología de la NASA), éste debía ser trasladado hasta una de las dos rampas de lanzamiento disponibles, la 39A o la 39B, situadas a 5,6 kilómetros del VAB. La rampa 39B debutó en el programa del transbordador con el último lanzamiento del Challenger en 1986 y funcionó hasta 2007, mientras que la 39A estuvo en activo desde 1981 hasta 2011. Para llegar hasta ellas, la plataforma MLP se montaba sobre un gigantesco transporte oruga de la era Apolo llamado CT (Crawler Transporter), con una masa de 2722 toneladas y con unas dimensiones de 40 x 35 metros. El CT disponía de cuatro grupos propulsores con dos cintas orugas cada uno.

El transbordador sin combustible más la MLP y el transporte CT formaban un conjunto móvil de 6713 toneladas. Para mover este monstruo se necesitaban dos motores diesel de 2750 caballos de potencia que alimentaban cuatro generadores eléctricos de 1000 kilovatios cada uno, usados para alimentar los 16 motores de tracción de las orugas. Los CT nunca destacaron por su rapidez, ya que la velocidad punta era de 3,2 km/h, aunque sólo podían alcanzar 1,6 km/h mientras transportaban el transbordador. El trayecto a la rampa solía tener una duración de seis u ocho horas. Cada CT tenía instalado un complejo sistema de nivelación hidráulica para salvar la ligera cuesta de acceso a las rampas 39A y 39B, con un 5% de pendiente.


Vista de un transporte oruga (NASA).



Las rampas 39A (en primer plano) y 39B del KSC (NASA).




Traslado a la rampa (NASA).


Cuesta del 5% de pendiente en el acceso a la rampa (NASA).

Una vez sobre la rampa, el CT se retiraba dejando la plataforma MLP sostenida por seis columnas situadas a ambos lados de una trinchera que se usaba para desviar los gases de escape. La rampa estaba dotada de una torre de servicio que se dividía en dos secciones, una fija y otra móvil. La torre fija (FSS, Fixed Service Structure) incluía el brazo de acceso de la tripulación y los umbilicales para la carga de hidrógeno y oxígeno líquidos del ET. La parte móvil (RSS, Rotating Service Structure) cubría al transbordador en la rampa y se empleaba para instalar algunas cargas útiles en la bodega de carga del orbitador (otras cargas se instalaban desde un primer momento en el OPF). La RSS, de 40 metros de alto, se retiraba antes del despegue formando un ángulo de 120º.


La rampa de lanzamiento con las torres de servicio (NASA).



Las rampas 39A y 39B. Se aprecian las torres FSS y RSS (NASA).


Niveles de la RSS (NASA).


Vista de la trinchera de la rampa (NASA).

La cuenta atrás

Con el transbordador en la rampa, lo primero que se debía hacer era conectar todos los umbilicales entre el transbordador y las torres de servicio. Luego se procedía a cargar el orbitador con los combustibles hipergólicos (hidrazina y tetróxido de nitrógeno) que alimentaban los motores de maniobra de los sistemas RCS (Reaction Control System) y OMS (Orbital Maneuvering System). Estos motores serán los encargados de maniobrar la nave una vez esté en el espacio. También se cargaban con hidrazina los tanques de combustible de las unidades de potencia auxiliar (APUs). Puesto que estos propergoles son altamente tóxicos y entran en ignición al mezclarse entre sí, la carga debe realizarse con sumo cuidado, aunque la ventaja de los combustibles hipergólicos es que pueden permanecer dentro de la nave durante bastante tiempo. Justo lo contrario de lo que ocurre con el hidrógeno y oxígeno líquidos, que son combustibles «seguros» pero que sólo pueden cargarse poco antes del despegue. Las bajas temperaturas de los combustibles criogénicos provocan que éstos se evaporen una vez estén dentro de los tanques de la nave.

A continuación se instalan los mecanismos explosivos encargados de separar los distintos elementos de la nave durante el despegue. Por otro lado, y aunque no se suele mencionar en los comunicados de prensa, el transbordador -al igual que cualquier otro lanzador- va equipado con una serie de pequeñas cargas explosivas localizadas en el ET cuyo objetivo es desintegrar el vehículo si éste se aparta de la trayectoria prevista.


Localización de las cargas explosivas en el ET (NASA).

El inicio de la cuenta atrás propiamente dicha variaba según la misión, pero solía comenzar unos tres días antes del lanzamiento, incluyendo varios parones para permitir solucionar tareas de última hora. Es entonces cuando se carga el software en los cinco ordenadores del orbitador GPC (General Purpose Computers), el auténtico cerebro de la nave. Los GPC son ordenadores IBM AP-101 y contaban con 24 procesadores cada uno de ellos. Las cinco unidades son altamente redundantes y se monitorizan mutuamente. Estaban instalados en el compartimento de aviónica en la parte frontal del orbitador y tenían refrigeración por aire.


Uno de los GPC del shuttle (NASA).

Dos días antes del despegue (T-2 días) comienza la carga de hidrógeno y oxígeno líquidos de los tanques de las células de combustible del orbitador. Estas células generan electricidad por electrólisis inversa, creando agua como subproducto. Se acondiciona la cabina de vuelo para la tripulación y se instalan los asientos en la cubierta inferior. Los técnicos aprovechan para comprobar la posición de las decenas de interruptores y botones de los paneles de control. Un día antes se retira la torre de servicio móvil RSS y el transbordador queda expuesto a la vista de todos. Los últimos equipos de la tripulación son colocados en el orbitador y se toman muestras del aire del interior de la cabina para asegurarse de que no existe ningún contaminante.


Las torres de servicio de la MLP tienen como función cargar combustible en el orbitador y asegurar las conexiones eléctricas (NASA).


Sistema eléctrico del orbitador con los tanques de hidrógeno y oxígeno líquidos de las células de combustible (NASA).

A partir de ahora los acontecimientos se desarrollan cada vez más rápido. El trabajo de miles de personas y millones de máquinas debe converger en un preciso punto del espacio-tiempo con el único objetivo de lanzar esta máquina al espacio.

Unas 11 horas antes del lanzamiento se encienden las células de combustible para alimentar todos los sistemas eléctricos, aunque el transbordador permanece conectado a los sistemas eléctricos de la rampa. Se comprueba la comunicación entre el orbitador y el centro de control de Houston, en Texas. A pesar de lo que vemos en algunas películas, el centro de Houston no juega ningún papel antes del despegue. Hasta que la cuenta atrás llegue a cero, todas las tareas eran responsabilidad del director de lanzamiento del Centro Espacial Kennedy.

Por motivos de seguridad, se desaloja el área de lanzamiento, con la excepción del personal prioritario que deberá efectuar determinadas tareas críticas. Los técnicos purgan con nitrógeno la bodega de carga del orbitador y otras cavidades del transbordador para minimizar el riesgo de incendio ante la inminente carga de combustible del Tanque Externo.

T-6 horas: el reloj de la cuenta atrás se para durante dos horas para que se pueda supervisar la carga de combustibles criogénicos del ET. El oxígeno e hidrógeno líquidos se almacenan cerca de la rampa en enormes depósitos de forma esférica con una capacidad de 1,7 millones de litros (LH2) y 830000 litros (LOX). El ET puede almacenar hasta 102,737 toneladas de hidrógeno líquido a -252º C y 619,60 toneladas de oxígeno líquido a -183º C. Para mantener estas bajísimas temperaturas, está cubierto por una espuma aislante de color anaranjado. Esta espuma tiene también como objetivo evitar la formación de hielo en las superficies del tanque, hielo que podría desprenderse durante el despegue y dañar el orbitador, como en la misión STS-107 Columbia.



Vista del brazo de carga de hidrógeno (NASA).

Simultáneamente, se calibra el sistema de guiado inercial del transbordador (IMU, Inertial Measurement Unit), el verdadero piloto de la nave durante el despegue y el encargado de dirigir y controlar la trayectoria. Una vez cargado el ET, un equipo especial inspecciona el transbordador desde la rampa para asegurarse de que no se haya formado hielo en alguna zona del vehículo. Mientras, a pocos kilómetros de distancia, la tripulación se reúne para comer (desayuno, almuerzo o cena, dependiendo de la hora del lanzamiento) y recibe el último parte meteorológico. A continuación pasan a enfundarse sus trajes de presión ACES, encargados de protegerles en caso de despresurización de la cabina. Estos trajes fueron introducidos después de la catástrofe del Challenger y son de un vivo color naranja para facilitar su visibilidad por parte de los equipos de rescate.

En caso de fallo de algún motor principal durante el despegue, la lanzadera debía aterrizar en la pista del Centro Espacial Kennedy. Por este motivo, algunos astronautas que no forman parte de la tripulación se dedican a realizar aproximaciones y aterrizajes en la pista horas antes del despegue usando un avión Grumman Gulfstream II modificado para simular el comportamiento del shuttle.

Ya sólo quedan tres horas para el lanzamiento. El tanque externo está a rebosar, pero tiene que rellenarse constantemente porque los combustibles criogénicos no paran de evaporarse. Las antenas de seguimiento de Merritt Island y del resto de la zona están listas para captar la telemetría de la nave.

Es la hora de la verdad. La tripulación parte desde el edificio Operations and Checkout Building hasta la rampa a bordo de la famosa furgoneta Astrovan y suben por la torre de servicio hasta la «habitación blanca», donde el equipo de tierra les ayudará a colocarse los paracaídas y pantalones anti-g que llevarán sobre el traje de presión antes de guiarles hasta sus asientos. La tripulación accede por la escotilla situada en la cubierta inferior, pero primero entran los astronautas que viajarán en la cubierta superior del orbitador, aunque en este caso, con la nave en posición vertical, «superior» significa «a la derecha». El comandante se acomoda en el asiento frontal izquierdo y luego le tocará el turno al piloto. Cada asiento lleva incorporado una pieza de espuma para elevar ligeramente la posición de la cabeza, pieza que no se emplea durante la reentrada. Si la tripulación es de más de cuatro personas, el resto de astronautas irán en la cubierta inferior. Mientras los tripulantes se sientan, los trajes ACES son conectados al orbitador y se comprueban las comunicaciones entre los miembros de la tripulación y con el control de tierra.


Vista de la pasarela del brazo de acceso de la tripulación (spaceflightnow.com).



Posiciones de la tripulación en el orbitador (NASA).


Posición de la tripulación en la cubierta superior (NASA),


Posición de los miembros de la tripulación en la cubierta inferior (aquí, en el simulador) (NASA).


El acceso entre el nivel inferior y superior del orbitador (aquí en un simulador en posición horizontal)(NASA).

El personal de apoyo retira la escotilla y evacúa la zona. Ya no queda nadie en la rampa de lanzamiento, con la obvia excepción de los astronautas. El sistema de navegación IMU está ahora totalmente listo para guiar a la lanzadera en su trayectoria de ascenso. Cuando sólo quedan veinte minutos para el despegue, la cuenta atrás se detiene diez minutos para poner en orden cualquier problema menor que pudiese aparecer. En el momento que la cuenta vuelve a ponerse en marcha, los ordenadores del transbordador cambian a configuración de lanzamiento. El cerebro de la nave ya está listo para partir. Se regula la temperatura de las células de combustible del orbitador preparándolas para la misión.

Al llegar a los 9 minutos, la cuenta se detiene otra vez. En esta ocasión el parón puede ser de diez minutos o de hasta tres cuartos de hora, dependiendo de la misión. Durante este descanso, el director de lanzamiento, situado en un edificio junto al VAB, pregunta a los distintos controladores que vigilan los sistemas del transbordador si dan la autorización («go/no go») para el despegue, uno de los momentos más dramáticos de la cuenta atrás. Si todo está «en verde», la cuenta comienza otra vez. En algunos casos se puede permitir el reinicio de la cuenta con algún sistema «en rojo» si se confía en que la situación se arregle. Por ejemplo, si se detecta algún barco o avión no autorizado en las cercanías de Cabo Cañaveral, se debería retrasar el lanzamiento. Sin embargo, el director puede proseguir con la cuenta después de asegurarse de que el intruso va a abandonar la zona de exclusión antes de que el despegue tenga lugar. Es decir, siempre y cuando no sea un sistema crítico, al final la decisión depende del director de lanzamiento. Toda la responsabilidad de la misión recae sobre él.

La cuenta atrás final comienza otra vez, pero esta vez todos los sistemas estarán monitorizados por un sistema de ordenadores situados en tierra y denominados GLS (Ground Launch Sequencer). La cuenta entra en la fase denominada secuencia automática de lanzamiento.

El brazo de acceso para la tripulación se retira cuando quedan siete minutos y medio. Ha permanecido hasta el último momento unido al orbitador porque es el único medio de escape que tienen los astronautas en caso de que algo vaya mal. A diferencia de las naves Apolo o Soyuz, el shuttle no tiene una «torre de escape» que aleje rápidamente a la tripulación de la rampa en caso de incendio o explosión. Eso sí, en caso necesario, el brazo puede volver a su lugar en menos de quince segundos.

Cuando la cuenta llega a T-5 minutos y 15 segundos, el control de Houston da la orden de activar los grabadores de vuelo de la nave. Aunque el transbordador cuenta con un avanzado sistema de telemetría, estos grabadores recogen toda la información del vuelo para que pueda ser transmitida posteriormente en caso de que se produzcan interferencias u otras anomalías durante el despegue.

En T-5 minutos se activan las tres unidades de potencia auxiliar (APUs) del orbitador, situadas en la parte trasera del fuselaje de la nave. Las APUs son pequeñas turbinas que sirven para controlar el sistema hidráulico encargado de mover las superficies aerodinámicas y la orientación de las toberas de los motores principales SSME. Aunque su denominación y función son similares a las de un avión comercial, lo cierto es que las APUs del transbordador son distintas, ya que queman hidrazina en vez de queroseno. Además, el fluido hidráulico es un hidrocarburo sintético elegido especialmente para reducir el riesgo de incendio. A pesar de que el orbitador no «vuela» durante el despegue, en caso de emergencia tendrá que aterrizar en alguna de las pistas alternativas. Si eso ocurre, más le vale tener activas todas las superficies de control.


APUs del orbitador (NASA).


Depósitos de hidrazina y sistemas asociados a las APUs (NASA).


Sistema hidráulico del orbitador (NASA).

En T-4 minutos 55 segundos finaliza la carga de oxígeno líquido y siete segundos más tarde se cierra la válvula de oxígeno del tanque de oxígeno del ET. Hasta ese momento, la válvula había dejado escapar el gas excedente generado al evaporarse el oxígeno líquido para evitar que la presión aumentase fuera de los límites. Cuando quedan 4 minutos, se procede a purgar los tres motores principales con helio para desplazar el oxígeno del aire y evitar que el hidrógeno sobrante de la combustión pueda causar algún un incendio o explosión.

T-3 minutos 55 segundos: los ordenadores comienzan a mover las superficies de control del orbitador para asegurarse de que funcionan correctamente. 25 segundos más tarde les toca el turno a las toberas de los SSME, que son colocadas en posición de lanzamiento. Al estar situados en el orbitador, la dirección del vector de empuje de los motores no está alineada con el eje central del vehículo y las toberas deben cambiar su orientación durante el vuelo para que el empuje apunte hacia el centro de masas cambiante del conjunto. Cada tobera puede moverse unos 21º en cabeceo y 17º en guiñada.

T-3 minutos 30 segundos: el shuttle pasa a potencia interna. Las células de combustible del orbitador son ahora las encargadas de suministrar toda la energía eléctrica que necesita la nave.

T-2 minutos 55 segundos: finaliza la presurización del tanque de oxígeno líquido y cinco segundos más tarde se retira el brazo de alimentación de oxígeno situado en la parte superior del ET (por contra, el umbilical de hidrógeno líquido se retira justo en el momento del despegue). El brazo se mantiene hasta el último momento para evitar la formación de hielo en la zona de la válvula de oxígeno.


Detalle del brazo del oxígeno líquido (NASA).

T-2 minutos 35 segundos: se desconecta el umbilical de oxígeno líquido que alimenta las células de combustible del orbitador, situado en la parte trasera de la lanzadera.

T-1 minuto 57 segundos: el tanque de hidrógeno ya se encuentra toalmente presurizado y se cierra la válvula correspondiente. Para evitar que el hidrógeno gaseoso se pueda acumular cerca del ET, un sistema especial se encarga de extraerlo y quemarlo a cierta distancia de la rampa.

T-50 segundos: se desactivan los calentadores de las juntas de los cohetes de combustible sólido. Cada SRB está formado por cuatro segmentos de combustible sólido unidos entre sí. Precisamente, el transbordador Challenger resultó destruido en 1986 por culpa de una junta defectuosa en los SRB. Dentro de cada junta hay una serie de anillos de goma que sellan la unión y que se vuelven quebradizos a baja temperatura, de ahí que se utilicen estos calefactores.

A 31 segundos para el despegue la secuencia de lanzamiento pasa a control automático interno. Aunque hasta ese momento la cuenta atrás se ha llevado a cabo de forma automática, los controladores deben intervenir en varias ocasiones para permitir la continuación de la misma. A partir de ahora, y si no se le ordena lo contrario, el transbordador despegará sin intervención humana. La única concesión a la capacidad de decisión del ser humano tiene lugar diez segundos antes de que la cuenta llegue a cero. En ese instante, el director de lanzamiento debe dar luz verde para que se apriete un botón autorizando el encendido de los tres motores principales.

T-28 segundos: se encienden las unidades de potencia auxiliar de los cohetes de combustible sólido. Cada SRB dispone de dos APUs (denominadas HPU, Hydraulic Power Unit), similares a las del orbitador y alimentadas por un depósito con 10 kg de hidrazina. Las HPU son las encargadas de mover las toberas de los cohetes (8º en dos ejes) para orientar, con ayuda de los SSME, el vehículo durante el ascenso. La electricidad que alimenta los sistemas de los SRB proviene de las células de combustible del orbitador.

T-16 segundos: se activa el sistema de supresión de sonido. Toneladas de agua comienzan a caer por tres aberturas de la plataforma MLP donde se encuentra el shuttle (dos para los SRB y una para los SSME) con el fin de amortiguar las ondas de choque provenientes de la ignición de los motores.
 
T-10 segundos: el sistema autoriza la ignición de los tres motores principales y los astronautas cierran los visores de sus cascos, si es que no lo han hecho ya.

T-8 segundos: el sistema de guiado empieza a medir los cambios de posición de la nave. Debajo de los tres SSME se encienden generadores de chispas para quemar cualquier exceso de hidrógeno de los motores y evitar que se formen bolsas de este gas. Medio segundo más tarde se abren las válvulas de los motores mientras el hidrógeno y oxígeno líquidos comienzan a fluir desde el ET hasta las cámaras de combustión de los SSME. Cada motor consumirá 108000 litros de hidrógeno y 67000 litros de oxígeno por minuto, proporcionando un empuje de 1,75 millones de newtons (que aumenta hasta los 2,2 MN en el vacío).

T-6,6 segundos: se encienden los tres motores principales a intervalos de 120 milisegundos. Tres segundos más tarde han alcanzado el 90% de su empuje. Debido al empuje asimétrico de los SSME, todo el conjunto se inclina 57 centímetros hacia adelante en el momento de la ignición, para luego volver a su posición vertical justo cuando la cuenta atrás llega a cero. Los astronautas pueden sentir claramente este curioso vaivén dentro de la cabina.






SSME (NASA).


Complejo sistema de válvulas y bombas de los SSME (NASA).

Hasta este momento, el lanzamiento se puede cancelar si el control de tierra o los cinco ordenadores GPC de la nave sienten que algo va mal. Pero tres segundos antes del despegue se inicia la secuencia de ignición de los dos SRB y ya no hay marcha atrás. Una vez encendidos, los SRB no se pueden apagar. El transbordador debe despegar sí o sí.

El encendido se lleva a cabo mediante un cohete de combustible sólido de 1,14 metros de longitud situado en la parte superior de cada SRB. Los ordenadores del orbitador deben mandar tres señales independientes al mismo tiempo para que  se produzca la ignición. Cualquier anomalía en el empuje de los SSME frustraría la transmisión de estas señales y se abortaría el lanzamiento. Una vez activado, el detonador envía un fogonazo por toda la abertura central del combustible del SRB y comienza la ignición.

El transbordador está unido a la plataforma MLP por cuatro grandes tornillos de 71,12 cm de longitud y  8,89 cm de diámetro situados en la base de cada SRB. Cuando los cohetes de combustible sólido hacen ignición, mecanismos pirotécnicos redundantes se encargan de cortar estas uniones. El transbordador es libre al fin. Durante los dos primeros minutos del lanzamiento, los SRB proporcionarán el 72% del empuje necesario para el despegue, con 14,7 millones de newtons cada uno. Nada más comenzar a elevarse, un sistema de refrigeración inunda con agua la parte superficial de la rampa para evitar posibles incendios causados por los gases de escape.


Interior de un SRB con el mecanismo de ignición (NASA).




Puntos de agarre de fijación del transbordador a la MLP (NASA).


Zona de unión de los SRB con la MLP (spaceflightnow.com).


¡Lanzamiento! (NASA).

El transbordador tarda siete segundos en dejar atrás la torre de lanzamiento y es entonces cuando se inicia la maniobra de giro alrededor del eje longitudinal, orientando al vehículo con el fin de situarlo en la trayectoria correcta para alcanzar la órbita prevista. Dependiendo de la inclinación orbital, la maniobra de giro será más o menos pronunciada. Durante las primeras misiones, la inclinación orbital era de 28º lo que permitía aprovechar el máximo de la capacidad de carga del transbordador (unas 25 toneladas). Para las misiones a la ISS, la inclinación era de 52º. En cualquier caso, el shuttle no podía despegar con una trayectoria de más de 57º de inclinación con respecto al ecuador, ya que entonces sobrevolaría núcleos de población de la costa este de los EEUU, algo prohibido por las normas de seguridad.


Azimut de lanzamiento del transbordador (NASA).

Veinte segundos después del lanzamiento, la maniobra de giro ha finalizado y el morro de la nave forma 78º con el horizonte. Mientras continúa ascendiendo, el ángulo se irá reduciendo cada vez más. La maniobra de cabeceo se efectúa con el orbitador «hacia abajo» para minimizar las cargas sobre las superficies aerodinámicas. Para los astronautas, durante el lanzamiento el horizonte está «al revés».

Comparado con otros lanzadores convencionales, el despegue del transbordador resultaba bastante movido para los astronautas. Aunque la aceleración nunca superaba los 3 g, el empuje «a trompicones» de los SRB, sumado a la maniobra de giro y cabeceo, solía sorprender a los tripulantes novatos.

A los 26 segundos, los tres SSME comienzan ha reducir un 30% su empuje para evitar que el transbordador se destroce al pasar por la zona de máxima presión dinámica (max Q). Pese a que el aire se hace cada vez menos denso a medida que ascendemos, la rápida aceleración ocasiona un aumento en el rozamiento con la atmósfera. Aunque las cifras precisas dependen de las condiciones meteorológicas precisas, max Q tiene lugar unos 50 segundos después del despegue cuando el transbordador está a 10 km de altura y moviéndose a 1,5 Mach. Una vez sobrepasada max Q, los SSME vuelven a funcionar al 104,5% de su empuje nominal. Como curiosidad, la tripulación puede controlar el empuje de los SSME en caso de emergencia, disminuyendo el empuje hasta el 72% si es necesario (obviamente, carecen de un control similar sobre los SRB).

Dijimos que los SRB no se pueden regular una vez encendidos, pero eso no es exactamente cierto. Hay una forma de controlar el empuje de este tipo de cohetes, y es moldear el combustible de tal forma que algunas zonas proporcionen más empuje que otras. En el caso de los SRB, el empuje se reduce de 1371 toneladas a 998 toneladas 50 segundos después del despegue. A los 75 segundos, una vez sobrepasada max Q, los SRB aumentan su empuje hasta las 1134 toneladas, aunque a los 110 segundos lo vuelven a disminuir para alcanzar las 736 toneladas. 

Dos minutos después del despegue, los SRB se separan cuando el shuttle está a 45 kilómetros de altura y viajando a unos 5000 km/h. Para segurar la separación se utilizan ocho pequeños cohetes de combustible sólido situados en los extremos de cada SRB. La tripulación respira aliviada, ya que cualquier maniobra de emergencia sólo puede efectuarse una vez separados los cohetes de combustible sólido. Los SRB continuarán ascendiendo antes de volver a caer describiendo un arco parabólico sobre el Atlántico. Impactarán con el océano 6 minutos y 55 minutos después del lanzamiento. Dotados de tres paracaídas, los SRB eran rescatados del océano para ser reutilizados en misiones posteriores. En realidad, el coste de la operación de recuperación excedía los beneficios de la reutilización, pero a raíz del accidente del Challenger se decidió continuar con la recogida de los SRB para inspeccionarlos después de cada lanzamiento y detectar cualquier posible anomalía.


Separación de los SRB (NASA).


Un SRB desciende en el océano (NASA).


Traslado del último SRB del programa shuttle (universetoday.com).

Vídeo del lanzamiento de la STS-134:


Otro vídeo donde se discuten los distintos eventos del lanzamiento:

Vídeo del lanzamiento visto desde el interior de la cabina:

El shuttle continuará ascendiendo, esta vez bajo el suave empuje de los tres SSME. Fuera de las capas densas de la atmósfera terrestre, la nave gira 180º hasta quedar el orbitador en la posición superior para permitir las comunicaciones con el sistema de satélites TDRS. Ocho minutos y medio después del despegue se apagan los motores (MECO, Main Engine Cut-Off) a unos 108 km de altura y con una velocidad de casi 27000 km/h. El orbitador se separa del ET cortando los puntos de conexión entre las dos estructuras y las conducciones eléctricas y de combustible. Con el fin de preservar la integridad del escudo térmico, se deben cerrar las dos compuertas que cubren las conexiones del ET. Para situarse en órbita, el orbitador debe efectuar aún un encendido (dos en las primeras misiones) de sus motores de maniobra OMS. Por su parte, el ET seguirá una trayectoria balística que lo llevará a efectuar una reentrada destructiva sobre el Océano Índico.



Conexiones eléctricas y de combustible entre el ET y el orbitador (NASA).


Vista de las trampillas de conexión con el ET (NASA).


El ET visto desde el orbitador. Se aprecian las zonas quemadas por los motores de separación de los SRB (NASA).

Y así se lanzaron, con ligeras modificaciones, 135 misiones del transbordador espacial a lo largo de treinta años. La pregunta es, ¿volveremos a ver algún día un sistema de lanzamiento tripulado tan complejo?



24 Comentarios

  1. Daniel, tú te has empollado el manual de vuelo (o lo has escrito tú ;)) . Los OMS ¿son esas toberitas de la parte superior? ¿y estas impulsan el obitador de 108 km a 300 y pico km de altura? Me asombra; tendrá que haber unos depósitos ya que ya se ha desechado el ET.

    Lo que veo es que con algo tan complejo como el STS no se podía abaratar el transporte espacial como se prometía. Gracias por tan detallada descripción del lanzamiento del transbordador.

  2. Mientras leía este artículo estaba escuchando la canción «You have lost that´s lovin´feelin», en la versión de Bill Medley.

    ¡Ay, que melancolía!¡Todo lo bueno se acaba, sólo lo malo permanece!

  3. Excelente artículo Daniel, increíble como siempre, solo tengo dos pregunta:

    1-) ¿ Si El ET se desprende a 108 Km de altitud de donde obtiene combustible para continuar ascendiendo ?

    2-) ¿Enserio el costo de recuperación de los SRB supera el la idea de economizar reutilizandolos ?

    Gracias

    1. El orbitador tiene dos motores adicionales, además de los 3 principales, y literalmente «se cargaba el orbitador con los combustibles que alimentaban los motores de maniobra de los sistemas RCS y OMS» .

  4. Se destruyen en la rentrada, creo recordar. hace poco Daniel nos puso un vídeo.

    Un artculo super bien detallado, y de lectura fluida y fácil comprensión, Gracias.

    Creo que el nombre del avión que usan para las ‘practicas’ de emergencia, tiene una s de mas.

    Saludos y gracias de nuevo

  5. @Joan: sí, se destruyen.

    @Miguel: jeje, los manuales son mucho más complejos. De hecho, me pensé mucho escribir este post: ¡hay tanta información sobre el transbordador en Internet!

    @Miguel, @Anónimo: el ET se separa a 108 km, pero para entonces el transbordador se encuentra en una trayectoria balística y puede alcanzar los 300-400 km de su órbita nominal sin apenas «esfuerzo».

    @Anónimo: sí, en serio 😉 …y además los SSME serían más baratos si fueran desechables (aunque en este caso el margen es menor). Triste, pero cierto.

    Saludos.

  6. Que bellas gráficas, me gustaría que cuando terminen en un museo los transbordadores los dejaran con todas sus piezas y motores, también con las manchas del tiempo, para que se vea que realmente fueron maquinas que fueron al espacio.

  7. Muy buen artículo, fantástico. Sólo dos cositas.
    La OPF-3 no es ese edificio, está a la derecha y un poco por encima, justo fuera de la captura.
    Y otra cosa. ¿Sabes si hay algun video o fotos del proceso detallado de como los técnicos conectan el orbiter al ET? He visto varios del proceso de elevación y descenso pero siempre acaban ahí. ¿Sabes si hay algo?
    Un saludo, Antonio

  8. Supongo que ahora que el orbitador se jubila podrían abrir bastante documentación sobre su diseño y componentes. Otra cosa seria de los SRB y ET si terminan siendo rescatados por el SLS.

    Sigo diciendo que es una pena la desaparición del shuttle pero tal vez se estaba anticipando demasiado como modelo «sustentable» de transporte. Hoy día el espacio sigue siendo terreno de los módulos y no de las soluciones all-in-one. Yo con lo que me emociono es con la posibilidad de enviar un modulo de 100Tm (que estaría dentro de las posibilidades del SLS). Menuda ISS 2 nos esperaría !!! XD.

    Supongo Daniel que soñar sale barato, yo por si acaso me conformo con poco, una estación espacial con módulos de dimensiones considerables en sistema Lagrange Tierra-Luna, como futura base de lanzamiento o recepción de misiones más allá de nuestro planeta.

  9. Aun con todo me parece una buena decisión volver a las naves tipo módulo o cápsula, sobre cohetes lansadores, en configuración lineal y con su torre de emergencia o retromotores, con esto te quitas todos los problemas debidos al desprendimiento de fragmentos en el despegue.

    No solamente es un problema la disposición del orbitador «a lomos» del ET, el recubrimiento de losetas es delicado y siempre tiene más restricciones en condiciones de lanzamiento.

  10. Exelente post! Sin dudas todo un logro de la ingenieria, el solo pensar en los multiples lazos de control realimentados que coordinan las maniobras de por si es impresionante. La capacidad humana para estos logros sin dudas existe, la capacidad de traer a la realidad los sueños tambien, aunque para los los gobiernos siempre es necesario de algun interes (alguna guerra) para financiar esta magnifica tecnologia.
    Daniel, tenes idea de que tecnologia de software utilizan los GPC?

    Saludos desde argentina!

    Ulises

  11. Increíble la cantidad de sistemas y procesos que tenían estas naves, cuando integraron todo esto seguramente que volvieron locos :).
    Comparando este sistema con la Soyus ya se entiende porque la ultima se sigue usando.
    Esta parte es la ultima o habrá una mas?.

  12. Sin duda se pierde una gran nave pero tambien se simplificaran mucho los costes, seguridad y complejidad.

    Los rusos son maestros en eso, simple, barato y eficaz.

    El futuro lo veo con grandes cohetes para subir cargas pesadas y aviones como el skylon para subir astronautas y pequeños satelites.

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Por Daniel Marín, publicado el 11 julio, 2011
Categoría(s): Astronáutica • NASA • Shuttle • sondasesp