Space Shuttle'i välispaak

 

Kosmosesüstiku välispaak oli mõõtmetelt suurim ja tangitult ka raskeim süstiku element, mis koosnes kolmest põhilisest osast:

• vedela hapnikuga täidetud ninaosa
• vahepaak, milles paiknesid peamised juhtseadmed
• vedela vesinikuga täidetud sabaosa, mis oli mõõtmetelt suurim, kuid samas ka kergeim tänu vesiniku väga väikesele tihedusele.

Välispaak moodustas stardi ajal kosmosesüstiku "selgroo", pakkudes kinnituspunkte tahkekütusrakettidele ja süstiklaevale. Tahkekütusraketid kinnitusid välispaagi külge kahe kinnituse kaudu, millest üks asus vahepaagi ja teine sabaosa küljes. Süstiklaev kinnitus vahepaagi külge kolme kronsteini abil. Sabaosas asusid kaks ühendusventiili, mis vahetasid paagi ja süstiklaeva vahel elektrilisi signaale, samuti gaase ja vedelikke. Läbi nende kahe ühendusotsa anti edasi ka käsud, et juhtida tahkekütusrakette.

Aastate jooksul üritas NASA välispaagi massi vähendada, et suurendada süstiku efektiivsust. Väiksem kütusepaagi mass tähendas väiksemat kütusekulu ja võimalust suurendada süstiklaeva massi näiteks lisaseadmetega. Samuti võimaldas väiksem mass jõuda kõrgematele orbiitidele sama koguse kütuse juures.

Algupärane kosmosesüstiku välispaak oli valmistatud vastupidavast alumiiniumi-vase sulamist. Kaks esimest kütusepaaki värviti valgeks, et kaitsta paaki ultravioletse valguse eest, millega oli paagil stardiplatvormil oodates pikaajaline kokkupuude ^[3]. Kuna selgus, et ultravioletne valgus ei tekita probleeme ja palju olulisem on potentsiaalne raskuse vähendamine, siis otsustati edasistel missioonidel jätta kütusepaak värvimata, kergendades paagi kaalu keskmiselt 272 kg võrra ^[4].

Alates kuuendast missioonist (STS-6), tulid kasutusele kerged kütusepaagid. Uued paagid olid umbes 30 tonni raskused. Massi kokkuhoid tuli eelkõige vesinikmahuti tugevduse arvelt: vähendati tugevdustalasid (piki mahutit paiknevad talad) ja tugevdusrõngaid. Kasutusele võeti ka uued sulami valmistamise meetodid, et vähendada seinte paksust. Tahkekütusrakettide kinnitite massi vähendati, kui hakati kasutama tugevamaid, samas kergemaid ja odavamaid titaanist sulameid. Kerged kütusepaagid on teinud kõige rohkem kosmoselende. Viimaseks stardiks jäi kosmosesüstiku Columbia teenindatud missioon STS-107, mis lõppes õnnetusega.

 

Esimene ülikerge kütusepaagiga lend toimus aastal 1998, missioonil STS-91, ja oli kasutusel kõikidel järgnevatel lendudel välja arvatud STS-99 ja STS-107 ^[5]. Disainilt sarnaneb ülikerge kütusepaak eespool kirjeldatud kerge paagiga. Paagi ehitusel võeti kasutusele uus alumiiniumi ja liitiumi sulam, tuntud ka kui Al 2195. Uue sulami kasutuselevõtt võimaldas ülikergeid paake teha umbes kolm tonni kergemana, kui olid senised kerged kütusepaagid. Kolmetonnine kaalukaotus oli piisav, et võimaldada kosmosesüstikul jõuda rahvusvahelise kosmosejaamani ^[6].

• Pikkus: 46,9 m
• Diameeter: 8,4 m
• Tühimass: 26 500 kg
• Täismass: 760 000 kg

Vedela hapniku paak

• Pikkus: 16,6 m
• Diameeter: 8,4 m
• Vedela hapniku mass: 629 340 kg
• Temperatuur: −182,8 °C

Vahepaak

• Pikkus: 6,9 m
• Diameeter: 8,4 m

Vedela vesiniku paak

• Pikkus: 29,6 m
• Diameeter: 8,4 m
• Vedela vesiniku mass: 106 261 kg
• Temperatuur: −252,8 °C ^[6]

 

Selleks, et vedel kütus ja hapnik voolaksid soovitud suunas igasuguste tingimuste korral, tuli hapniku- ja vesinikupaagid hoida ühtlase surve all ka siis, kui paagid olid juba tühjenemas. Selleks oli välispaagi välisküljel kaks toru, mis kandsid süstiklaeva mootoritest üle jäänud gaase tagasi välispaaki. Kumbki toru läks vastavalt kas vedela hapniku või vesiniku eesmisse otsa, kus see hakkas suruma paagi sisu allapoole, pealevoolutorude kaudu süstiklaeva.

Vedela hapniku paak moodustas kosmosesüstiku välispaagi kõige tipmise sektsiooni. Sektsioon oli koonuse kujuline, et vähendada aerodünaamilist hõõrdumist ja kuumenemist. Paagi otsas oli lapik eemaldatav katteplaat ja koonus, mille eesmärgiks oli suunata raketti ümbritsevaid õhujugasid nii, et väljaulatuvad osad ei saaks vigastada. Viimase elemendina oli ninakoonuse otsas alumiiniumist piksevarras. Paagist tulnud vedel hapnik liikus 430 mm diameetrise vooliku kaudu kõigepealt läbi vahepaagi ja siis kosmosesüstiku välispaagi väliskesta pidi paagi tagumisse otsa, kus oli kaks ühendusventiili. Hapnik kanti parempoolsesse ventiili. Need kaks ventiili ühendusid süstiklaevaga. 430 mm voolik võimaldas vedelal hapnikul voolata umbes 1,1099 m³/s. Kuna hapnikupaak oli kõike esimene sektsioon siis sellele avalduv õhu tekitatud surve kanti flantsitud ääre kaudu üle vahepaagi seintele. Vedela hapniku paak oli täiendatud vedeliku rappumisi ja pööriseid summutavate konstruktsioonidega, mis olid hädavajalikud, et süstiklaeva jõudev vedel hapnik ei oleks segunenud tagasisaadetud gaasidega ^[1]

Vahepaak ühendas enda külge vedela hapniku ja vesiniku paagid. Vahepaagi põhilised ülesanded olid kanda kütust ja survegaase kütusepaakide ja süstiklaeva vahel ning jaotada tahkekütusrakettide tekitatud tõukejõude. Vahepaak oli samuti kaitsvaks kestaks juhtseadmetele ja elektroonikale. Kaks tahkekütusraketti kinnitusid esimeste otstega vahepaagi külge, olles teineteisest 180° eemal. Läbi vahepaagi ühendas rakettide kinniteid metallist tala, mis paindus rakettide töötamisest tekkivate jõudude tõttu. Läbi tala kanti need jõud vahepaagi raamile, kust omakorda jaotati jõud kestaplaatide vahel ^[1].

 

Vedela vesiniku paak oli kõige viimane ja suurim välispaagi sektsioon. Paak oli konstrueeritud neljast silindrilisest osast ning eesmisest ja tagumisest poolkerast. Ehituslikud osad olid omavahel ühendatud rõngakujuliste konstruktsiooniraamidega, mis jaotasid tõukejõudusid. Vesiniku paak kinnitati vahepaagi külge kõige ülemise silindri ja eesmise poolkera vahel oleva raami abil. Paagi sisse oli paigutatud pöörise summutaja, nagu vedela hapniku paagilegi. Mõlemad seadmed olid ette nähtud vähendama vedeliku loksumist ja tagasisaadetud gaaside segunemist vedelikuga. Pöörise summutaja all paiknes 430 mm sifoon, mille kaudu vedel vesinik kanti paagist välja ja vasakpoolsesse ühendusventiili. Vesinik voolas umbes 2,988 m ²/s ^[1]

Kosmosesüstiku välispaagi temperatuuri hoidmiseks kasutati peamiselt pealepihustatavat vahtisolaatori kihti ja eelvalmistatud tahkeid vahutükke. See oli vajalik, et hoida ära ümbritseva õhu veeldumine suurte hõõrdejõudude tõttu ja samuti soojusenergia kandumine vedela vesinikuni. Tagumise otsa soojusisolatsioon vältis ka vedeliku sattumist kütusepaagi sisemusse, kuna ümbritseva õhu veeldumist ei olnud võimalik täielikult vältida. Kogu välispaagi soojusisolatsioon kaalus üle kahe tonni.

• Energija-Buran
• Space Shuttle
• Kanderakett