Družicová laboratoř
[ Historie projektu | Koncepce
| Konstrukce | Systémy
| Přehled letů ]
Historie projektu
Laboratoř Spacelab je nejvýznamnějším mezinárodním projektem
západní kosmonautiky, srovnatelný rozsahem s programem INTERKOS-
MOS. Laboratoř vyvinula pro ESA skupina 40 firem (viz tab.1)
z 10 západoevropských zemí (viz tab.2) pod vedením firmy ERNO
GmbH z Brém v NSR. Původní dohoda mezi ESRO (předchůdce ESA)
a NASA o vývoji Spacelabu byla podepsána v srpnu 1973. Tato doho-
da předpokládala vývoj laboratoře na účet ESA a dodávku jednoho
neletového prototypu a jednoho letového exempláře do Spojených
států oplátkou za spoluúčast na experimentálním využívání Space-
labu. NASA se pak zavázal zakoupit v Evropě další letový kus
(program Spacelab Follow-On Production - FOP) a dále se podílet
na dalším vývoji (program Spacelab Follow-On Development - FOD).
Původní harmonogram předpokládal dodání prototypu během
roku 1978 a letového exempláře o rok později. První let se měl
uskutečnit v roce 1980. V průběhu počátečního vývoje Spacelabu
došlo ke značným posunům v termínech - mimo jiné i v souvislosti
se zpožděním vývoje vlastního raketoplánu.
Hlavní kontraktor a subkontraktoři podílející
se na projektu Spacelab
-----------------------------------------------------------------
ERNO Raumfahrttechnik GmbH, NSR hlavní kontraktor,montáž,zkoušky
Aeritalia, Itálie konstrukce modulů, termoregulace
Dornier, NSR systém zajištění život.podmínek
osádky, plošina IPS
AEG-Telefunken, NSR energetický systém
Matra, Francie řídicí systém
British Aerospace, Velká Brit. palety
Kampsax, Dánsko software
SENER, Španělsko pozemní pom.mechanické vybavení
Bell Telephone Mfg, Belgie pozemní pom.elektrické vybavení
SABCA, Belgie podpůrné vybavení (Igloo)
-----------------------------------------------------------------
Předběžná oponentura projektu se uskutečnila v roce 1976.
Ačkoliv potvrdila správnost základní koncepce, odhalila současně
množství skrytých problémů, které zvýšily vývojové náklady přib-
ližně o 50 % i po odečtení vlivu inflace. Nedílnou součástí vývo-
je byl i projekt ASSESS, simulující letové podmínky konfigurace
raketoplán/Spacelab. Tento program přinesl množství cenných poz-
natků, které umožnily lépe využít možností laboratoře Spacelab.
Hlavní oponentura projektu Spa-
celab se uskutečnila až v březnu
Tab.2. 1978. Výsledkem kladného závěru opo-
Podíly států zúčastněných nentury byla výroba letového vybave-
na projektu Spacelab ní a již v průběhu roku odeslal vý-
Stát Podíl robce do Spojených států první část
------------------------- Spacelabu - paletu určenou pro druhý
NSR 53.34 % zkušební start raketoplánu
Itálie 18.00 % (OSTA-1). Další paleta pro let
Francie 10.00 % STS-3 (OSS-1) byla odeslána začátkem
Velká Británie 6.30 % roku 1979. Během roku 1979 se hlavní
Belgie 4.20 % kontraktor věnoval především komp-
Španělsko 2.80 % lexním zkouškám prototypu, které
Nizozemí 2.10 % vcelku dopadly úspěšně, ale ukázaly
Dánsko 1.50 % na relativně velké množství technic-
Švýcarsko 1.00 % kých problémů, spojených se sluči-
Rakousko 0.76 % telností jednotlivých prvků.
----------- Dohoda mezi ESA a NASA o dodá-
100.00 % ní druhého letového exempláře Space-
------------------------- labu byla podepsána v lednu 1980.
Kontrakt v hodnotě 183 960 000 dola-
rů z roku 1980 ( dnes je to již
přibližně 300 miliónů dolarů) zahrnuje dodání jednoduchého modu-
lu, pěti palet a dalšího pomocného vybavení. Důležitým mezníkem
historie programu Spacelab je odeslání prototypu modulu (EM) do
Spojených států koncem roku 1980, prvního letového modulu (FU I)
v prosinci 1981 a druhého letového modulu (FU II) v červenci
1982.
Celkem ESA dosud dodala do Spojených států pět segmentů tla-
kového modulu (dva segmenty tvoří neletový prototyp), tři komple-
ty základního vybavení modulu Spacelab (jeden neletový), dva kusy
zařízení nazývaného Igloo, dvanáct kusů palet a dvě sestavy po-
mocného pozemního vybavení. Dále ESA dodala množství volitelného
vybavení pro experimenty (včetně dvou kusů orientované plošiny
IPS) a zásobu náhradních dílů.
Koncepce Spacelabu
Návrh konstruktérů vychází z požadavku mnohonásobně využi-
telné a současně maximálně standardizované a modularizované labo-
ratoře. Tato koncepce spolu s parametry nového kosmického doprav-
ního systému STS (především maximální přetížení pouze do 3.6 g)
umožňuje výrazně zjednodušit, zlevnit a zkrátit vývoj experimen-
tálního vybavení. Vědci mohou v takovéto laboratoři v zásadě pou-
žívat běžného komerčního laboratorního vybavení (bez speciálního
vývoje a testů), pouze při zachování dobré technické úrovně. Kro-
mě toho je možné díky modulárnímu pojetí laboratoře vybrat vždy
takovou konfiguraci, která nejlépe vyhovuje vědeckým požadavkům
příslušného letu.
Na rozdíl od družicových stanic (Saljut nebo Skylab) není
laboratoř Spacelab v současném pojetí schopna samostatného letu.
Zůstává po celou dobu letu v nákladovém prostoru raketoplánu,
který jí dodává elektrickou energii, odvádí odpadní teplo, zajiš-
ťuje stabilizaci atd. Osádka ve Spacelabu pouze pracuje, ostatní
činnosti - spánek, jídlo, osobní hygiena - budou realizovány
v raketoplánu.
Konstrukce Spacelabu
Spacelab se skládá ze dvou základních částí :
1. z hermetického modulu, v němž osádka pracuje a v němž je umís-
těna většina pomocných subsystémů a část experimentálního vybave-
ní;
2. z palet pro umístění přístrojů, které vyžadují přímý přístup
do kosmického prostoru.
Hermetický modul je tvořen jedním (tzv. krátký modul o obje-
mu 38 m3) nebo dvěma segmenty (dlouhý modul o objemu 77 m3). Seg-
menty tvoří spolu s kónickým zakončením primární konstrukci modu-
lu.
Plášť segmentu je vždy svařen ze šesti hliníkových panelů
(slitina 2219-T851) a ze dvou koncových prstenců s přírubou. Hli-
níkové panely mají z vnitřní strany voštinovou strukturu, zvyšu-
jící jejich pevnost. Tloušťka panelů kolísá od 1.6 do 4 mm. Na
každém segmentu je umístěn otvor o průměru 1.3 m, který může
sloužit jako průzor nebo vstup pro vakuovou komoru. Průměr seg-
mentu je 4060 mm a délka 2694 mm.
Kónické zakončení je svařeno ze sedmi hliníkových panelů
(slitina stejná jako v předchozím případě). Ve třech z nich jsou
otvory o průměru 400 mm pro průzory a pro konektory kabeláže spo-
jující raketoplán se Spacelabem (dodávka kyslíku atd.). Na vrcho-
lu kónického zakončení je umístěna příruba o průměru 1.3 m (to-
tožná s přírubou používanou na segmentu), na níž lze přišroubovat
šedesáti šrouby buď tunel pro spojení Spacelabu s raketoplánem
nebo hermetický kryt. Délka kónického zakončení je 788 mm.
Elementy primární konstrukce jsou zvnějšku spojeny celkem
128 šrouby. V nákladovém prostoru raketoplánu je modul přichycen
pěti úchytkami z titanu (materiál 6Al-4V).
Za sekundární konstrukci považujeme všechny nosníky, příčky
a jiné mechanické díly uvnitř modulu. Tedy podlahu, pomocné pod-
lážky, skříně pro experimentální vybavení, stropní konstrukci.
Podlahu tvoří kostra z hliníkové slitiny, pokrytá demontovatelný-
mi voštinovými panely. Pomocné podlahy lze v případě potřeby pou-
žít k montáži užitečného zatížení mezi podlahou a dnem segmentu.
"Symbolem" techniky nové etapy kosmických výzkumů jsou skří-
ně pro experimentální vybavení (tzv. rack). Podobné skříně se
dnes běžně používají v pozemních laboratořích a většina vědeckého
vybavení je stavěna právě s ohledem na jejich standardní rozteč
483 mm (19 palců). V modulu Spacelabu se používá jednoduchých
i dvojitých skříní (o celkové šířce 572 a 1060 mm), jejichž maxi-
mální hloubka je 760 mm. Ve skříních jsou instalovány standardní
konektory pro připojení ke zdroji elektrické energie, pro přenos
dat a povelů, pro chladicí okruh experimentálního vybavení atd.
V případě potřeby je možno skříň vymontovat a přímo na její místo
upevnit experimentální vybavení. Jednoduchá skříň o objemu
0.9 m3 má nosnost 290 kg užitečného vybavení, dvojitá skříň o ob-
jemu 1.75 m3 má nosnost 580 kg. V jednom segmentu je umístěno po
třech skříních na každé straně - vždy dvě dvojité a jedna jedno-
duchá. V prvním segmentu, tzv. služebním, jsou první dvě dvojité
skříně vyhrazeny pro pomocné subsystémy a řízení laboratoře, zbý-
vající jsou určeny pro užitečné zatížení. Pokud je Spacelab ses-
taven jako dlouhý modul, je možno v druhém segmentu - tzv. expe-
rimentálním obsadit všechny skříně přístrojovým vybavením. Uživa-
telé Spacelabu mají kromě toho k dispozici i prostor pod podlahou
v experimentálním segmentu (nosnost 500 kg, objem 2.58 m3) strop-
ní kontejnery (jeden v případě krátkého modulu a osm v případě
dlouhého modulu; každý po 33.5 kg a 0.81 m3) a konečně prostor
v uličce mezi skříněmi (1.5 m3 v krátkém modulu). Platí ovšem
omezení celkové hmotnosti užitečného zatížení podle použité kon-
figurace.
Původní dohoda o vývoji Spacelabu předpokládala výrobu dlou-
hého modulu (tj. dvou segmentů) v podobě jednoho neletového pro-
totypu a jednoho letového exempláře. Je samozřejmé, že v případě
potřeby se druhého segmentu nepoužije. Dodatečná dohoda z ledna
1980 zahrnuje výrobu ještě jednoho krátkého modulu.
Kromě modulů jsou součástí laboratoře Spacelab také tzv. pa-
lety pro montáž přístrojů, které vyžadují instalaci přímo v kos-
mickém prostředí. Tvar palet připomíná široce rozevřené U. Během
letu jsou palety pokryty zvenčí i zevnitř panely. Vnitřní panely
mají otvory pro uchycení měřících přístrojů. Šířka palety odpoví-
dá šířce nákladového prostoru raketoplánu (tj. 4350 mm), délka je
2934 mm a nosnost téměř 3000 kg. Palety je možno sestavovat do
skupin po dvou nebo po třech. Pokud nebude do vesmíru vynášen
hermetický modul, je v nákladovém prostoru místo dokonce až na
pět palet. Na základě původní dohody vyrobila firma British Ae-
rospace dvě funkční makety, pět vývojových modelů, tři prototypy
(jeden neletový a dva letové) a konečně pět letových palet. Doda-
tečný kontrakt z roku 1980 zahrnuje výrobu dalších pěti letových
palet.
Velkou předností moderní a neobvyklé koncepce Spacelabu je
možnost stavebnicovitě kombinovat moduly i palety tak, aby bylo
dosaženo konfigurace nejlépe vyhovující požadavkům uživatelů.
Jestliže raketoplán nenese hermetický modul a má na palubě pouze
samostatné palety, musí být v přední části nákladového prostoru
instalováno pouzdro zvané "iglú", které je dokonale hermetizováno
a obsahuje pomocné subsystémy. V tom případě řídí specialista pro
užitečné zatížení - tedy pro Spacelab, činnost přístrojů ze sta-
noviště na horní palubě raketoplánu.
Vybavení Spacelabu je rozděleno na základní a volitelné.
Základní systémy jsou nutnou součástí Spacelabu pro každý let
a nemohou být vymontovány. Volitelné zařízení zahrnuje např.
skříň pro experimenty, zařízení pro chlazení experimentů, úchytky
pro montáž přístrojů na palety, generátor střídavého proudu, po-
čítač pro řízení práce experimentální aparatury, jednotky pro
přenos dat a povelů, magnetofon pro záznam dat, televizní moni-
tor, kontejnery, vakuovou komoru, průzor atd. Pokud si uživatel
nepřeje použít některé volitelné zařízení, může místo něho insta-
lovat vlastní experimentální vybavení.
Systémy Spacelabu
V dalších odstavcích se budeme věnovat nejrůznějším funkčním
celkům, potřebným pro úspěšný provoz Spacelabu na oběžné dráze.
Achillovou patou nové laboratoře je závislost na mateřském rake-
toplánu prakticky ve všech důležitých oblastech.
Služby poskytované Spacelabu raketoplánem.
-----------------------------------------------------------------
- vynesení na oběžnou dráhu a návrat zpět na Zemi
- orientace a stabilizace (přesnost +- 1°)
- spánek, stravování a osobní hygiena osádky (max.4 specialisté)
- úkryt v případě nouzového stavu
- výstup do kosmického prostoru (EVA)
- jedno pracoviště na horní palubě (Aft Flight Deck Station)
- dodávka elektrické energie (max.8 kW)
- odvod přebytečného tepla (max.8 kW)
- dodávka kyslíku
- komunikační vybavení (vysílač, přijímač v pásmu S a Ku)
- magnetopásková paměť pro data (kapacita 3.44*109 bit)
- referenční hodinový signál
-----------------------------------------------------------------
Systém zásobování elektrickou energií
Systém zásobování elektrickou energií je klíčovým systémem
každého umělého kosmického tělesa. Spacelab odebírá elektrickou
energii z palivového článku "C" raketoplánu. Část energie je pře-
váděna na střídavý proud; v každé skříni je instalován panel
stejnosměrného proudu (28 V) a střídavého proudu (115/200 V,
400 Hz). Celkové množství energie dostupné Spacelabu činí
890 kWh. Při normální činnosti je příkon Spacelabu 7 kW po dobu
jednoho týdne. Z dodané energie mohou experimenty čerpat 1.74 kW
až 4.34 kW, v závislosti na konfiguraci laboratoře. Při startu
a přistání je Spacelabu dodáván pouze 1 kW a v případě vážnější
poruchy je zaručena havarijní dodávka alespoň 400 W. Prodloužení
doby letu nebo větší spotřeba elektrické pro experimenty jsou
možné jen za cenu podstatného snížení nosnosti, protože je třeba
palivové články zásobit větším množstvím kapalného kyslíku a vo-
díku.
Systém řízení a kontroly laboratoře
Řízení a kontrolu činnosti celého Spacelabu spolu s přenosem
dat na Zemi zajišťuje povelový systém. Jeho ústředním členem jsou
procesory odvozené z řady MITRA 125 firmy Matra (přesněji z vo-
jenské verze CIMSA 15M). Procesory MITRA 125S využívají ferritové
paměti o kapacitě přibližně 64 000 slov (tj. 128 kB). Rychlost
procesoru 320 000 operací za sekundu a vybavovací doba paměti
(kratší než 500 ns) jsou značné, přihlédneme-li k jeho fyzikálním
parametrům : rozměrům 280x190x500 mm a hmotnosti pouhých
30.5 kg. (Pro zajímavost je možné uvést, že maďarský počítač
EC 1010 je odvozen ze stejné řady jako tento procesor a proto
jsou programově kompatibilní).
Na Spacelabu pracují celkem tři počítače s přidruženým
vybavením : jeden je určen k řízení experimentů, druhý pro kont-
rolu subsystémů a třetí je záložní. Dalšími částmi povelového
systému jsou vnější paměť (digitální magnetofon) pro ukládání
programů o kapacitě 16 MB, tři terminály (barevná grafická obra-
zovka a klávesnice), zařízení pro přenos dat rychlostí až
50 Mbit/s, paměť pro naměřená data (opět digitální magnetofon)
o kapacitě 3.8x1010 bitů a konečně jednotky pro sběr dat malými
rychlostmi (maximálně 52.5 kbit/s) a pro přenos povelů. Tyto jed-
notky zajišťují interface mezi počítačem a vlastní experimentální
aparaturou. Může jich být zapojeno až dvacet, z toho osm pro ex-
perimentální účely, a zahrnují mj. převáděč digitálního signálu,
přenos povelů, analogově-číslicový převodník, rozvod časového
signálu atd. Mimo to je na palubě zařízení pro vzájemné hlasové
spojení uvnitř Spacelabu a raketoplánu (intercom) a televizní ka-
mery s monitorem.
Uživatel může psát vlastní programy pro řízení svých exper-
imentů v programovacím jazyku HAL/S nebo GOAL. HAL/S byl vyvinut
specialisty NASA pro řídicí software raketoplánu. GOAL je speci-
ální jazyk, používaný pro řízení reálných procesů.
Telekomunikační systém
Veškeré spojení Spacelabu se Zemí je uskutečňováno raketo-
plánem. V pásmu S je zajišťován přenos povelů z řídicího středis-
ka pro na Spacelab, hlasová komunikace a pomalý přenos dat,
v pásmu Ku přenos videosignálu a rychlý přenos dat. Telekomuni-
kační systém raketoplánu v tomto případě využívá soustavy družic
systému TDRSS.
Termoregulační systém
Hlavním úkolem tohoto systému je odvádění přebytečného tepla
vzniklého činností experimentálního vybavení a přítomností osádky
do radiátoru raketoplánu. Systém také odstraňuje ze vzduchu pře-
bytečnou vlhkost, CO2 a udržuje požadovaný tlak ovzduší (kyslík
je dodáván z raketoplánu a dusík je uložen v samostatné nádrži
vně Spacelabu). Základem systému je vodní okruh, který je spojen
přes výměníky tepla s dalšími okruhy. Navazující vzduchový okruh
odvádí teplo z modulu prostřednictvím vzduchu, který je vháněn
rozvody ve stropě a nasáván otvory v podlaze. Při přenosu tepla
do vodního okruhu dochází ke kondenzaci nadbytečné vlhkosti. Sou-
částí vzduchového okruhu jsou patrony s LiOH, stejné jako v rake-
toplánu. Vzduchový okruh je schopen odvádět až 2.78 kW tepla.
Další chladicí okruh chladí experimentální vybavení. Do skříní je
zdola vháněn vzduch, který je schopen odvést 4.51 kW. Součástí
termoregulačního systému je i speciální freonový okruh pro chla-
zení palet. Kromě toho má uživatel k dispozici tepelný výměník
o výkonu 4 kW, zařazený mezi vodním okruhem a speciálním uživate-
lovým okruhem. Celkem může raketoplán vyzářit do prostoru 8.5 kW
nadbytečného tepla ze Spacelabu.
Systém zajištění životních podmínek osádky
Také tímto systémem do značné míry závislém na chodu před-
chozího vybavení, je Spacelab vázán na raketoplán. Systém je
schopen zajistit dodávku čistého vzduchu pod normálním tlakem
101 300 ˝ 130 Pa průměrně po 52 osobohodin denně (nominální osád-
ku tedy tvoří 3 kosmonauti). Složení vzduchu je stejné jako na
Zemi. Za osoboden se spotřebuje 0.84 kg kyslíku, jehož parciální
tlak je 22 000 ˝ 170 Pa a vznikne 0.99 kg oxidu uhličitého (maxi-
mální povolený parciální tlak CO2 je 670 Pa). Největší povolený
únik atmosféry do vakua je 1.35 kg/den. Uvnitř Spacelabu je za-
jišťováno proudění vzduchu rychlostí 0.1-0.2 m/s, teplota vzduchu
je volitelná v rozmezí 18-27 °C (v přístrojových skříních smí být
nejvýše 35 °C), rosný bod se pohybuje mezi 6 a 15 °C, vlhkost je
maximálně 70%. Vzduchové filtrační zařízení nepropustí částice
větší než 0.3 mm. Při startu, během letu i při přistávání je ne-
ustále kontrolně detekován výskyt kouře, příp. vzniku požáru. Ha-
sicí zařízení je umístěno ve skříních i pod podlahou modulu.
Osádka má v modulu dále k dispozici přenosné hasicí přístroje
a kyslíkové masky.
Je ovšem nutné podotknout, že prostory Spacelabu jsou výluč-
ně prostory pracovními a volný čas vědečtí pracovníci budou trá-
vit v prostorách raketoplánu.
Další vybavení
Součástí Spacelabu je i různé pomocné vybavení - např. vaku-
ová komora, umožňující vystavit aparaturu působení kosmického
prostředí přímo z modulu. Komora má tvar válce o průměru 1 m
a výšce také 1 m; může být umístěna na stropě modulu. Dalším za-
řízením, které lze umístit v otvoru na vrcholu segmentu, je kva-
litní průzor pro pohled do kosmického prostoru (tento průzor je
odvozen z průzoru experimentu S-190A na Skylabu).
Příklady možností laboratoře Spacelab
-----------------------------------------------------------------
Konfigurace krátký modul dlouhý modul tři palety
+ tři palety
-----------------------------------------------------------------
Hmotn.užiteč.zatížení [kg] 5500 5500 9100
-----------------------------------------------------------------
Objem pro už.zatížení [m3]
- hermetizovaný 7.6 22.2 -
- nehermetizovaný 99.8 - 97.1
-----------------------------------------------------------------
Montážní plocha palet [m3] 51.3 - 53.6
-----------------------------------------------------------------
Dodávka el.energie [kW]
- průměrně 2.7-3.1 3.0-3.5 5.3
- ve špičce 7.3-7.4 7.6-8.1 9.9
-----------------------------------------------------------------
Pointovaná přístrojová plošina IPS
Základní orientaci a stabilizaci Spacelabu v prostoru zaji-
šťuje raketoplán s přesností +-1°. Při bližším rozpracování pro-
jektu však vyplynula nutnost zajistit jemnější pointaci některých
přístrojů. Proto byl dodatečně zadán vývoj univerzální pointační
plošiny. Ta je umístěna na paletě Spacelabu. Může pracovat jak za
plného slunečního osvětlení, tak ve stínu. Využívá gyroskopické
inerciální plošiny s optickými senzory pro signalizaci odchylky
polohy a pro absolutní nastavení v prostoru. Při stelárních expe-
rimentech pracují tři čidla hvězd, při slunečním výzkumu je jedno
z nich nahrazeno čidlem Slunce. IPS je schopen zajistit tříosou
kontrolu polohy aparatury s přesností řádově jedné úhlové vteři-
ny. Hmotnost experimentálního vybavení přitom může dosahovat hod-
noty až 2000 kg a rozměry až 2x4 m.
Aktualizováno : 16.10.1999
[ Obsah | Pilotované
lety | STS ]
Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie z NASA (viz. Using NASA Imagery) a dalších volně přístupných zdrojů.
(originál je na https://mek.kosmo.cz/pil_lety/mezinar/spacelab/spacelab.htm)
