Space Shuttle Solid Rocket Booster

Space Shuttle Solid Rocket Booster je druh solid rocket boostera (skr. SRB). Boli to štartovacie motory amerického raketoplánu v programe Space Shuttle. Ich úlohou bolo udeliť raketoplánu počiatočný impulz pri štarte. Išlo o dva identické motory na pevné pohonné hmoty, ktoré sa symetricky pripájali k hlavnej palivovej nádrži External Tank a oddeľovali sa od nej približne 2 minúty po štarte vo výške asi 45 kilometrov. Podobne ako družicový stupeň, aj motory SRB boli znovu použiteľné. Išlo o prvé znovupoužiteľné rakety v pilotovanej kozmonautike. Obidva motory spoločne poskytovali pri štarte a v priebehu prvej fázy výstupu 71,4 % ťahu celej zostavy.

SRB sa prevážali po železnici z Floridy do ich výrobnej firmy Thiokol v Utahu kvôli rozmerom demontované. Tam sa naplnili liatím a následnou polymerizáciou heterogénnych tuhých pohonných látok. Po naplnení a prevezení späť na Floridu sa znova zmontovali dohromady. Segmenty rozličných motorov bolo možné vzájomne kombinovať. SRB boli prvé raketové motory na svete, ktoré sa použili ako štartovacie motory pri pilotovaných letoch, a v čase zavedenia do prevádzky boli tiež najväčšie raketové motory na tuhé pohonné hmoty na svete.

Vývoj

Štartovacie stupne a ich motory vyvinula a vyrába firma Thiokol (teraz Morton Thiokol, súčasť koncernu Alliant Techsystems, Inc.), Brigham City, Utah (USA). Prvé návrhy konštrukcie raketoplánu počítali s družicovým a štartovacím stupňom. Z finančných dôvodov však bol tento návrh zmenený a štartovací stupeň nahradili dva motory na tuhé pohonné látky. Technické požiadavky na realizáciu SRB napísalo v roku 1973 Marshallove výskumné stredisko NASA. Z ekonomických dôvodov bolo potrebné, aby sa motor dal niekoľkonásobne použiť. Z tohoto dôvodu bolo rozhodnuté, že po oddelení motorov od ET a ukončení ich funkcie budú motory pristávať za pomoci padákov na morskú hladinu, aby mohli byť vytiahnuté a pripravované na nové použitie. Každý motor mal mať zaručene desaťnásobnú použiteľnosť.

Jednotlivé segmenty spaľovacej komory sa odlievali z oceľozliatiny D6AC. Po odliatí sa valcovali a tepelne spracovali, aby sa dosiahli požadované vlastnosti.

Popis motora

Každý zo štartovacích stupňov SRB (Solid Rocket Booster) má dĺžku 45,46 m, priemer 3,8 m a vzletovú hmotnosť 590 ton (prázdna hmotnosť 87 ton). Pôvodný návrh obmedzoval priemer motora na 3,66 metra.

Motor SRB z väčšej časti tvorí raketový motor SRM (Solid Rocket Motor) spaľujúci tuhé pohonné látky (zmes tvorenú 12,04 % polybutadienakrylátu, 16,00 % práškového hliníka a 69,6 % chloristanu amónneho; ďalej potom 0,40 % oxidu železitého ako katalyzátora a 1,96 % epoxidového vytvrdzovača). Po zážihu už nebolo možné horenie tohto paliva zastaviť. Ťah motora sa počas činnosti motora menil vďaka tvaru zrna pohonnej látky, ktorý zaisťoval maximálny ťah pri štarte. V čase približne T+50 sekúnd sa ťah znižoval asi o tretinu, aby nedošlo k preťaženiu lode vyššiemu ako 3 g v čase maximálneho aerodynamického namáhania. Potom začal ťah opäť stúpať. Pohonná hmota mohla horieť pri vonkajšej teplote medzi 4 – 32 °C, s optimom pri 15,5 °C. Prázdna hmotnosť SRM je 67,5 tony.

Stavebne sa motory skladajú z piatich segmentov, ktoré boli zostavované dohromady v raketovej montážnej hale Vehicle Assembly Building. Medzi segmentmi sú tesniace krúžky. Pôvodne boli používané dva tesniace krúžky, po havárii Challengera (pozri nižšie) sa začali používať tri, pretože práve netesnosť týchto krúžkov spôsobila haváriu. Horný segment obsahoval iniciačnú a zážihovú zložku, k spodnému je pripojená vychyľovateľná ablatívne chladená expanzná dýza (expanzný pomer 1:11,3, vychyľovateľnosť 8°). Hmotnosť dýzy je 10,8 ton. Doba činnosti motorov SRB, pevne daná množstvom pohonnej látky, je približne 120 sekúnd. Každý z motorov SRB v okamihu vzletu raketoplánu vyvíjal ťah 11,8 MN. Prierez stredového kanálu palivového zrna mal tvar jedenásťcípej hviezdy; po ohorení cípov, zhruba v T +50 s po štarte, sa ťah motoru samovoľne znižoval.

Na povrchu spaľovacej komory SRM boli lineárne nálože, ktoré mohli byť odpálené v prípade havárie raketoplánu počas štartu, rozpoliť spaľovaciu komoru a tým ukončiť činnosť motora, aby nedopadol na obývané miesta. Ak by sa tak stalo ešte pri spojení motorom s nádržou ET, znamenalo by to nielen zničenie motora, ale aj celej štartovacej zostavy a teda aj istú smrť posádky. V praxi však boli motory SRB týmto autodeštrukčným mechanizmom zničené len v jedinom prípade, pri havárii raketoplánu Challenger, keď už zvyšok štartovacej zostavy zničili aerodynamické sily a zostali iba neovládateľné SRB.

Každý SRB mal dve integrované elektronické sústavy, jednu v prednej časti a jednu v zadnej. Nad horným segmentom bola pod kužeľovým aerodynamickým krytom umiestená časť riadiacej elektroniky, fázovač, predné oddeľovacie motory, systém oddeľujúci kužeľovitý nos, návratný maják a svetlá, parašutistický fotoaparát a padákový systém. Tento systém umožňoval bezpečné pristátie vypotrebovaných motorov na morskú hladinu. Ďalšia časť elektroniky bola umiestnená v priestore okolo expanznej dýzy, kde bolo tiež umiestnené turbočerpadlo hydrauliky na vychyľovanie dýzy motora. Každá dýza sa mohla vychýliť o 8° vo všetkých osiach. Po oddelení od ET systém prechádzal na vlastnú batériu. V hornom a spodnom prístrojovom úseku boli tiež umiestnené vždy štvorice malých raketových motorov na rýchle oddelenie SRB od externej palivovej nádrže ET. Na niekoľkých miestach boli motory chránené tepelnou ochranou, ktorá chránila motor pred zahrievaním sa pri prelete atmosférou, aj pred plameňmi z motorov SSME.

Na SRB boli dve nezávisle uložené hydraulické energetické sústavy. Každá sa skladala z pomocnej energetickej jednotky, modulu pre zásobu paliva, hydraulického čerpadla, hydraulickej nádrže a hydraulickej tekutej rôznorodej sústavy. Pomocné energetické jednotky (APU) vyrábali mechanickú energiu pre hydraulické čerpadlo.

Stupne SRB boli zboku pripojené k externej nádrži ET prostredníctvom troch rúrkových konštrukcií, jednej v prednej a dvoch v zadnej časti SRB. Spodný (zadný) spoj bol tvorený dvoma výkyvnými svorkami a diagonálnym pripevnením. Horný (predný) spoj bol pripevnený k prednému koncu vonkajších nádrží predným „lemom“ motora. Pred štartom bol každý motor pripevnený k pohyblivej štartovacej plošine štyrmi skrutkami a maticami, ktoré sa v okamihu štartu rozpolili malým výbuchom. Detonáciu matíc spúšťali príkazy vysielané palubným počítačom cez hlavný kontrolný systém do kontrolného pyrotechnického systému na mobilnej plošine.

Priebeh činnosti motorov

K zážihu motorov SRB mohlo dôjsť len vtedy, keď bol zadaný ručný blokovací pin každého SRB a odstránili sa oporné prostriedky. Pozemský tím zadával tento pin v priebehu predštartovných operácií. V čase T-5 minút sa bezpečnostné príchytné zariadenie presunulo do odistenej polohy. Príkazy pre zážih raketových motorov boli zadané až vtedy, keď tri SSME, hlavné motory raketoplánu, dosiahli 90 % alebo vyššiu úroveň ťahu a nedošlo k žiadnemu zlyhaniu SSME nebo iným problémom.

Po dokončení práce SRM vo výške 45 km sa výbušnými skrutkami oddelili spoje s nádržou ET a zapálili sa dve štvorice pomocných raketových motorov, ktoré SRB vzdialili do bezpečnej vzdialenosti od raketoplánu. SRB zotrvačnosťou vystúpali do výšky približne 66 km. Potom sa voľným pádom vracali na zem. Približne 225 s po oddelení od ET vo výške 4,8 km na povel barorelé sa odhodil predný aerodynamický kryt a vypustil sa výtažný a potom aj stabilizačný padák s priemerom 16,6 m. Vo výške 1,8 km sa odhodil stabilizačný padák a otvorili sa tri hlavné padáky, každý s priemerom 41,5 m. Tie zaistili pristátie SRB rýchlosťou 25 m/s, približne 260 km od miesta štartu. Vzduch vo vnútri spaľovacej komory zaistil, že sa nepotopili. Potom boli odvlečené záchrannými loďami do Port Canaveral a odovzdané na demontáž, prípadnú opravu a opätovné naplnenie tuhými pohonnými látkami. Motor mal plánovanú životnosť 20 štartov, jeho padákový systém iba 10.

Havária raketoplánu Challenger

Bližšie informácie v hlavnom článku: Havária raketoplánu Challenger

Chyba na tesnení medzi segmentmi SRB bola príčinou havárie raketoplánu Chalenger. Spoje medzi segmentmi museli zaistiť tesnosť proti prenikaniu rozžeravených spalín. Boli dvoch typov: stále, ktoré sú kompletované už vo výrobnom závode a prevádzkové, kompletované až na kozmodróme. Spoj bol tesnený dvakrát: vnútorná tepelná izolácia bola zaliata špeciálnym tmelom a plášť mal osobitný spoj. Dolná časť prevádzkového spoja mala na priereze tvar písmena U, do ktorého zapadala vrchná časť v tvare I. Vo vnútri spoja na strane bližšej k palivu boli obe časti tesnené dvojicou o-krúžkov s priemerom 3,66 m a s hrúbkou 6,4 mm. Pri návrhu konštruktéri predpokladali, že tlakom plynov bude vnútorné rameno spodnej časti U pritláčané k zapadajúcej časti vrchného segmentu. V praxi sa ale ukázalo, že viac sa rozpína slabšia zapadajúca vrchná časť. Tesnenie, pôvodne navrhnuté na zaťaženie tlakom, muselo teda vyrovnávať naopak rozpínanie. Materiál tesniacich krúžkov ale nebol schopný dostatočne rýchlo reagovať pri nízkych teplotách. To sa stalo práve pri tragickom poslednom štarte Chalengera, ktorý prebehol pri mrazoch -14 °C. Tesniace krúžky pri tejto teplote nevyrovnali rozpínanie obalu a nezadržali tlak plynov, ktoré prenikli izolačným tmelom. Unikajúce spaliny postupne prepálili spoj medzi SRB a hlavnou palivovou nádržou ET. Motor SRB visiaci voľne na hornom spoji narazil špicou do hlavnej palivovej nádrže a rozrazil ju. Z nádrže začal vytekať vodík a kyslík, ktorý sa okamžite vznietil. 73 sekúnd po štarte raketoplán explodoval. Zahynulo všetkých sedem astronautov na palube.

Opatrenia na zvýšenie bezpečnosti SRB

Po nehode Challengera boli vykonané detailné štruktúrne analýzy na rizikových dieloch SRB. Analýzy boli primárne zamerané na oblasti, kde boli zistené anomálie v priebehu poletovej inšpekcie hardvéru.

Pomocné motory SRB, ktoré nehodu zapríčinili, prešli 155-timi zmenami. Najvýraznejšou z nich bolo to, že medzi segmentmi motoru sa namiesto dvoch tesniacich krúžkov začali používať tri. Objavili sa aj návrhy na úplne novú konštrukciu motorov, či dokonca na úplne nové pomocné motory, ale z finančných dôvodov boli tieto návrhy zamietnuté a ostalo sa pri motoroch SRB. Za ďalšie krízové oblasti bol označený pripevňovací prstenec, ktorým je vonkajšia palivová nádrž spojená so SRB. Krízové miesta boli nájdené taktiež v oblasti niektorých uzáverov, ktorými je prstenec pripevnený k „schránke“ motoru. Príčiny týchto porúch boli pripisované silnému nárazu na vodnú hladinu. Aby sa dané javy eliminovali a zaistila sa vyššia sila a odolnosť motorov, bol pripevňovací prstenec prestavaný, aby obklopoval celú schránku motora. Pôvodne prstenec tvaru písmena C obklopoval len 270° schránky.

Dodatočne boli vykonané aj testy na zadnom „leme“. V priebehu prestavby boli pripevnené spevňovacie priehradky a kovanie do zadného prstenca lemu. Tieto dve úpravy pridali cca 225 kg k váhe každého SRB.

SRB po skončení programu raketoplánov

Po skončení programu raketoplánov v roku 2011 sa počítalo s čo najväčším využitím letového hardvéru raketoplánov v programe Artemis. V novovyvinutej rakete SLS plnia exempláre motorov SRB, ktoré majú za sebou štarty s misiami raketoplánov, znova úlohu pomocných štartovacích motorov. Tak ako v prípade štartovacej zostavy raketoplánu, aj pri rakete SLS sa pripájajú symetricky po dvojiciach k centrálnemu stupňu. Na rozdiel od programu raketoplánov však každý motor netvoria štyri segmenty, ale päť. Okrem toho už nie sú viac znovupoužiteľné. Po vyčerpaní paliva nebrzdene padajú do oceánu. Keď sa zásoby starých SRB minú, začnú rakety SLS používať nové vylepšené sady motorov vyvinuté špeciálne pre ne. O začiatku ich používania sa počíta najneskôr od deviateho letu a zvýšia nosnosť celej rakety.